CN100484068C - 用于无线局域网的指数回退方法 - Google Patents

Abstract

用于无线局域网的自适应指数回退方法针对现有指数回退方法灵活性差，不能根据网络当前的状态以及节点情况，灵活改变竞争窗口的问题，提出了一种基于网络中节点发送数据成功概率的指数回退方法，该方法包括以下步骤：a.节点启动后进行初始化，b.当节点没有数据包需要发送时，进入空闲等待状态；c.当节点有数据包需要发送时，检测信道是否空闲：d.选取回退计数初始计数值，进行回退计数：e.当计数器的计数值减为0时，节点发送数据包：f.将该节点当前的竞争窗口值加倍，并将该值与最大竞争窗口值相比较，取其中最小值作为重新发送时的竞争窗口值，回到步骤c。使得无线节点只需要对数据包发送情况进行统计，就可以实现自适应的改变回退窗口。

Description

用于无线局域网的指数回退方法

技术领域

本发明是一种应用于无线局域网络的指数回退方法，属于无线通信和信息传播技术领域。

背景技术

无线局域网是无线设备通过无线信道以共享资源和交换信息的局域网络，其覆盖范围一般是数十到数百米。

无线局域网作为传统有线网络的延伸，在某些环境下已经可以替代传统的有线网络。无线局域网与传统的有线网络相比，更灵活、更廉价并且易于扩展，与蜂窝网络相比拥有较宽的带宽资源，更高的传输速率，可以实现话音，图像、视频的传输。目前，无线局域网与现有的蜂窝系统一起组成了下一代移动互联网，支持新一代的多媒体服务。与传统的蜂窝通信系统相比，无线局域网的带宽虽然得到了较大的提升，但频率资源仍较为稀缺，并且与有线网络相比仍有较大的差别，这使得提高信道利用率尤为重要。如何提高节点接入效率和信道利用率是无线局域网需要解决的关键问题。

在接入方式上现有的无线网络多以载波检测多址接入冲突避免(CarrierSense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制为基础，并结合二进制指数回退方法以避免碰撞。无线局域网中采用二进制指数退避方法时，每个数据包在首次传送的时候首先检测信道是否空闲，如果在一个帧间间隔(Interfr ame Space)时间内信道保持空闲，则节点进入回退状态。回退过程首先从0和竞争窗口的最小值CW_min(Minimum Contention Window)之间选择一个随机整数，用以设置回退计数器的值，其后每经过一个空闲时隙(Slot)回退计数器值减1，直至计数器值为0。在回退过程中，如果回退计数器的值还未减到0时信道转变非空闲状态，这时回退计时器的计数值保持不变，并继续监测信道。当检测到信道空闲后，再经过一段空闲时间(帧间间隔时间)，重启回退计数器。当退避计数器的值减少至零时，开始发送数据。在发送过程中，如果发送失败，该节点的竞争窗口CW值加倍，直到达到预先设定的最大竞争窗口值CW_max(Maximum Contention Window)。竞争窗口达到最大值之后，将保持该值，不再增加。数据包发送成功后，竞争窗口CW值将复位为竞争窗口的最小值CW_min，等待发送下一个数据包。二进制回退方法中，竞争窗口CW的取值对于网络性能影响很大。目前最常用的回退方法中，竞争窗口最小值一般为一个全网统一固定的值，如IEEE 802.11 DCF(distributed coordination function)协议，在整个网络工作过程中不再变化。这样网络中数据包减少时，网络中数据的冲突概率也相应降低，信道相对空闲，在不减小竞争窗的情况下，会造成信道利用率的下降。同样，网络中流量比较大的时候，如果竞争窗口不增加，将会使得冲突增加，降低网络的性能。为了提高信道的利用率，Bianchi G提出了一种改变最小竞争窗口的回退方法[Bianchi G，Fratta L，Oliveri M，“Performance evaluation andenhancement of the CSMA/CA MAC protocol for 802.11wirel ess LANs，”InProc.of the IEEE PIMRC’96，Oct.1996：392～396]。采用该方法在饱和信道条件下，针对不同节点数目更改相应的最小竞争窗口CWmin以提高网络吞吐率，但该算法实用性不强，且存在协议参数震荡以致无法收敛的缺陷。

发明内容

技术问题：本发明针对现有指数回退方法灵活性差，不能根据网络当前的状态以及节点情况，灵活改变竞争窗口的问题，提出了一种基于网络中节点发送数据成功概率的用于无线局域网的自适应指数回退方法，使得无线节点只需要对数据包发送情况进行统计，就可以实现自适应的改变回退窗口，提高网络的吞吐率，降低网络中数据包的延时。

技术方案：本发明的目的是提出一种基于网络中节点发送数据成功概率的指数回退方法，该方法中的节点发送数据成功概率可以通过对一定时间内的数据包发送情况进行统计得到。

该方法中，网络中每个节点，每隔一定的时间间隔，统计本节点在这段时间内发送数据成功的概率，在每次发送新数据包前，根据该概率，计算新的最小竞争窗口CW_min。

本发明的方法包括以下步骤：

a、节点启动后进行初始化，设置最大竞争窗口值、帧间间隔时间、时隙时间；最小竞争窗口值的最大值、最小竞争窗口值的最小值、用于统计的计时器的值，节点数据包发送成功概率P_s的初始值，以及统计量的初始值；

b、当节点没有数据包需要发送时，进入空闲等待状态；

c、当节点有数据包需要发送时，检测信道是否空闲：如果信道不空闲，或者空闲时间小于帧间间隔时间，则继续检测信道；如果信道空闲，且连续空闲时间达到帧间间隔时间，则设定节点本次发送数据包的竞争窗口值，如果该数据包是第一次被发送，则将竞争窗口值设为最小竞争窗口值，如果是失败后重发的数据包，竞争窗口值取值为步骤f；设置竞争窗口值后，准备进入回退计数过程；

d、选取回退计数初始计数值，进行回退计数：在0至最小竞争窗口值之间，随机选取一个整数作为回退计数器的初始计数值，开始回退计数，每检测到在一个时隙内信道保持空闲，则将回退计数器的计数值减1；如果检测到信道忙，则停止计数并保持该计数值，直到检测到信道空闲并且连续空闲时间大于帧间间隔后，开始继续减1计数；

e、当计数器的计数值减为0时，节点发送数据包：发送成功，则直接回到步骤b或步骤c；若发送不成功，则进行步骤f；

f、将该节点当前的竞争窗口值加倍，并将该值与最大竞争窗口值相比较，取其中最小值作为重新发送时的竞争窗口值，回到步骤c。

在前述的步骤a中，还设置了最小竞争窗口值的最大值、最小竞争窗口值的最小值、用于统计的计时器的值，节点数据包发送成功概率P_s的初始值，以及统计量的初始值；

步骤c所述的节点发送数据包的最小竞争窗口，按如下公式计算设定：

CW_min＝CW_minl+(1-P_s)(CW_minm-CW_minl)   CW_minm>CW_minl

式中，CW_min表示本次发送的最小竞争窗口，CW_minm为最小竞争窗口值的最大值，CW_minl为最小竞争窗口值的最小值，P_s为本节点发送数据成功的概率。

P_s的计算过程如下：各节点在工作过程中，通过计时器，在初始化后每隔一个统计时间，根据统计值，计算本节点发送数据包成功的概率：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_s=\frac{N_s}{N}& N\≠0\\ P_s=1& N=0\end{array}\right.$

式中，N和N_s为统计量，分别表示在时间段T内，节点发送数据包的次数和节点成功发送数据包的次数，在初始化的时候，N和N_s均初始化为0。

有益效果：本发明提出的用于无线局域网的自适应指数回退方法，与已有的用于无线局域网的指数回退方法相比，具有以下优点：1、与传统的用于无线局域网的回退方法相比较，该方法可以根据当前网络状况，实时的改变最小窗口的大小，提高信道利用率。2、算法复杂度低，执行过程简单，节点只需统计网络中发送数据包的情况，计算数据包发送成功概率，根据该概率，在每次发送新的数据包的时候重新计算CW_min即可。3、随着网络负荷的增加，该方法对网络性能提高明显，支持更大负荷的无线局域网络。

附图说明

图1是本发明无线局域自适应回退算法的工作流程图。

图2是本发明节点统计发送成功概率的工作流程图。

图3是本发明具体实施方式例程中节点0工作过程示意图。

具体实施方式

该方法的执行过程为：

1、无线局域网节点启动后，首先进行初始化，设置节点各参数，包括竞争窗口最小值CW_min的最大值(CW_minm)和最小值(CW_minl)，竞争窗口的最大值(CW_max)，

帧间间隔时间(T_IFS)，时隙时间(T_slot)等，并设置计时器计时时间，使得初始化后网络中每个节点每隔时间T，计算T时间段内，节点数据包发送成功概率P_s(P_s初始值设为1)。

2、初始化后节点进入空闲等待状态。如果节点有数据包要发送，则检测信道是否空闲，如果信道连续空闲时间(T_idle)达到帧间间隔时间，节点计算本次发送的最小竞争窗口：

CW_min＝CW_min，+(1-P_s)(CW_minm-C_Wminl)

3、根据计算所得CW_min的值，设置竞争窗口CW的值。节点从(0～CW_min)间随机选取一个整数，并将该值设为回退计数器的初始计数值，开始计数。

4、计数过程中，如果检测到在一个时隙内，信道空闲，则将回退计数器的计数值减1，如果检测到信道忙，将暂停计数，保持该计数值，直到检测到信道空闲，并且空闲时间大于帧间间隔T_IFS后，开始继续减1计数。当计数器的值减为0，节点发送数据。

5、节点发送数据后，更新统计量。统计量N表示在时间段T内，节点发送数据包的次数，统计量N_s表示在该时间段内，节点成功发送数据包的次数。每次发送数据后，不管是否成功，N值加1，N＝N+1；如果数据发送成功，N_s值加1，N_s＝N_s+1，否则，保持不变，N_s＝N_s。

6、如果数据发送成功，节点将回到空闲等待状态，等待发送新的数据；否则节点将设置新的竞争窗口的值，将现有的竞争窗口值加倍，并将该值与最大竞争窗口值相比较，取其中最小值作为重新发送时的竞争窗口值，CW＝min(2×CW，CWmax)，重新开始回退过程，重传该数据包。

7、节点在工作工程中，每隔计时时间T，计算P_s的值，然后将统计量N和N_s值复位为0。P_s计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_s=\frac{N_s}{N}& N\≠0\\ P_s=1& N=0\end{array}\right.$

以包含10个节点的无线局域网为例。

1、节点初始化，设置CW_minl＝15，CW_minm＝40，帧间间隔时间T_IFS＝50μs，时隙时间T_sIot＝20μs，数据包发送成功概率P_s的初始值设为1，统计量N和Ns设为0，计时器的计时时间T＝1s，即每隔1s，节点计算数据包发送成功的概率。

2.节点进入空闲等待状态。

3、以网络中节点0为例，参看图3。节点0有数据需要发送，则检测信道是否空闲，在该例程中此时信道空闲，并在随后的T_IFS时间内信道仍保持空闲。

4、节点0检测信道空闲时间达到帧间间隔时间(T_IFS)后，开始回退。首先计算本次发送的CWmin，由于是首次发送，节点Ps＝1，经计算后CWmin＝8。然后节点从0到8间随机选取一个整数，这里选取的整数为4。最后将回退计数器的计数值设为4，开始回退。

5、回退过程中，节点0检测信道空闲时间为一个时隙时间，则将回退计数器值减1，当该值为0后，节点0发送数据。

6、发送数据后，节点0更新N和Ns的值。如果发送成功，节点回到空闲状态，等待新的数据包的到来，否则，重发该数据包。

7、网络中各节点继续工作，在此过程中，节点0仍继续发送数据包，并由计时器控制，每隔计时时间，根据统计结果，更新P_s。

8、工作一段时间后，节点0有新的数据要发送。节点0仍然首先检测信道是否空闲，当连续空闲时间达到帧间间隔时间(T_IFS)后，节点0计算本次发送的CW_min。节点0读取当前的P_s值，计算CW_min，假设此时的P_s值为0.5，则计算可得CW_min＝8+(1-0.5)(15-8)＝11，然后节点0从(0～11)间随机取一个整数，这里选取的整数为10，节点0设置回退计数器的值为10，开始回退。

9、回到5。

Claims (1)

1.一种用于无线局域网的自适应指数回退方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a、节点启动后进行初始化，设置最大竞争窗口的值、帧间间隔时间、时隙时间、最小竞争窗口值的最大值、最小竞争窗口值的最小值、用于统计的计时器的值、节点数据包发送成功概率P_s的初始值、以及统计量的初始值；

b、当节点没有数据包需要发送时，进入空闲等待状态；

c、当节点有数据包需要发送时，检测信道是否空闲：如果信道不空闲，或者空闲时间小于帧间间隔时间，则继续检测信道；如果信道空闲，且连续空闲时间达到帧间间隔时间，则设定节点本次发送数据包的竞争窗口值，如果该数据包是第一次被发送，则将竞争窗口值设为最小竞争窗口值，如果是失败后重发的数据包，竞争窗口值取值为步骤f；设置竞争窗口值后，准备进入回退计数过程；

所述的节点发送数据包的最小竞争窗口值，按如下公式计算设定：

CW_min＝CW_minl+(1-P_s)(CW_minm-CW_minl)CW_minm>CW_minl式中，CW_min表示本次发送的最小竞争窗口值，CW_minm为最小竞争窗口值的最大值，CW_minl为最小竞争窗口值的最小值，P_s为本节点发送数据成功的概率，

P_s的计算过程如下：各节点在工作过程中，通过计时器，在初始化后每隔一个统计时间，根据统计值，计算本节点发送数据包成功的概率：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_s=\frac{N_s}{N}& N\≠0\\ P_s=1& N=0\end{array}\right.$

式中，N和N_s为统计量，分别表示在时间段T内，节点发送数据包的次数和节点成功发送数据包的次数，在初始化的时候，N和N_s均初始化为0；

d、选取回退计数初始计数值，进行回退计数：在0至最小竞争窗口值之间，随机选取一个整数作为回退计数器的初始计数值，开始回退计数，每检测到在一个时隙内信道保持空闲，则将回退计数器的计数值减1；如果检测到信道忙，则停止计数并保持该计数值，直到检测到信道空闲并且连续空闲时间大于帧间间隔后，开始继续减1计数；

e、当计数器的计数值减为0时，节点发送数据包：发送成功，则直接回到步骤b或步骤c；若发送不成功，则进行步骤f；

f、将该节点当前的竞争窗口值加倍，并将该值与最大竞争窗口值相比较，取其中最小值作为重新发送时的竞争窗口值，回到步骤c。

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