CN101252510A - 一种增强无线局域网系统性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强无线局域网系统性能的方法。该方法是无线局域网系统开始运行时，如果节点检测到无线信道处于忙状态，则网络节点进入随机退避阶段，在节点进入随机退避阶段以后，在完成该退避阶段后才能发送数据，如果重传次数还没有达到数据分组的最大重传次数，节点的竞争窗口则保持在其最大值上直到有复位产生。当节点成功传输数据分组或者是由于达到允许的最大重传次数数据分组仍然没有被成功发送而被丢弃后，比较当前竞争窗口值的一半和最小竞争窗口值的大小，将竞争窗口值复位为其中较大者。本发明使得退避窗口值在其最佳值附近变动，从而提升了网络的系统性能，提高了信道的利用率，随着网络节点数目的增多，优势更加突出。

Description

一种增强无线局域网系统性能的方法
技术领域
本发明涉及无线局域网(IEEE 802.11)系统中的媒体接入控制(MAC)层技术，确切的说是MAC层中采用一种新的退避机制来复位竞争窗口的算法，这种算法提升了网络的系统性能，提高了信道利用率。
背景技术
近几年来，网络技术发展日新月异，向着更快、更稳定和更安全的方向发展。其中以无线技术为依托的无线网络的发展尤其引人注目。与有线网络系统相比，无线网络可利用的信道带宽非常窄，无线网络节点间通过竞争使用无线信道。以IEEE 802.11、CDMA等协议为代表的无线接入技术相继出现并得到了长足的发展。其中IEEE 802.11MAC层中的带有冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CA)机制可以用来解决节点间的竞争问题，因此它也被其它系统如无线自组织网络、无线传感器网络的MAC层所使用。这种机制在网络系统中，暴露出了信道利用率低的缺点。
目前，提高无线局域网吞吐量性能的方案，主要有管理信息库(MIB)参数优化、改进介质接入协议、改变竞争窗口调节机制等。
在MIB参数优化方法中，通过多个可用简单网络管理协议(SNMP)更新的属性，允许一个外部管理代理确定无线节点(WS)的状态，并能对其进行具体参数设定、性能测量与协调；这其中的分片阈值方法，在较大的BER信道中，采用短的分组传输，其考虑的是信道状况与采用何种数据分组的关系。在改进介质接入协议中，帧突发方法允许无线节点(WS)在获得介质接入后连续发送N个帧，因此发送多个数据帧只需一个DIFS(分布式帧间间隔)和一个退避时间。其主要问题是WS将独占介质，导致其它WS出现饥饿现象。增强的ACK(确认帧)方法通过完全去掉ACK帧、使用前向纠错码(FEC)或在传输一组数据帧后只发送一个ACK帧来提高效率。完全去掉ACK帧的方法只能用于差错率非常低的环境。FEC方法的目的在于减少重传带来的时延，因为数据帧的FEC编码引入了额外的开销，它并不能提高吞吐量，并且其复杂度较高。在改变竞争窗口调节机制的方法中，一个提高吞吐量性能的著名方法是减少退避状态所占的时间，如减小初始竞争窗口大小，然而这将因碰撞概率增加而导致容量下降。
发明内容
本发明针对现有无线局域网系统中MAC层协议机制存在的信道利用率低的缺点，提供一种在高负载的无线局域网系统中能够提高系统的吞吐量及信道利用率的增强无线局域网系统性能的方法，该方法的实现复杂度低，能够很好的与标准兼容，进而对标准升级。
本发明的增强无线局域网系统性能的方法是：
网络节点采用基于无线局域网媒体接入控制(MAC)层中的请求发送/清除发送(RTS/CTS)的接入方式访问信道，无线局域网系统开始运行时，如果一个节点检测信道空闲时间大于分布式帧间隔(DIFS)，则该节点将进行数据分组(data packet)的传输；如果节点检测到无线信道处于忙状态，则节点在等待信道空闲时间为分布式帧间隔(DIFS)后进入一个随机退避阶段(backoff stage)，在完成该退避阶段后才能发送数据，在该过程中使用退避计数器(backoff counter)进行竞争退避；在节点进入随机退避阶段以后，当检测到无线信道空闲时间大于分布式帧间隔(DIFS)时，退避计数器开始递减；当在某个时隙再次检测到无线信道状态处于忙时，退避计时器进入冻结状态，停止退避计时；当检测到信道空闲时间再次大于分布式帧间隔(DIFS)时，退避计数器继续递减计时，直到退避计数器递减为零时，节点开始发送数据，节点成功传输数据分组或者是由于达到允许的最大重传次数数据分组仍然没有被成功发送而被丢弃后，该节点的竞争窗口(contention window)不是立即复位到最小的竞争窗口值上，而是比较当前竞争窗口值的一半和最小竞争窗口值的大小，将竞争窗口值复位为其中较大者。
上述方法减小了节点间的碰撞概率。
本发明的增强无线局域网系统性能的具体步骤是：
如果一个网络节点有数据包等待发送，首先它检测无线信道的状态，如果检测到信道空闲时间大于分布式帧间隔DIFS的持续时间以后，节点开始接入网络，进行数据分组的传输。如果节点检测到信道忙，则等待分布式帧间隔DIFS的持续时间后进入退避过程，在该过程中使用退避计数器BC进行竞争退避，退避计数器BC将从[0，CW]的范围内按均匀分布随机选择一个值，其中CW是竞争窗口值。在信道空闲时间大于分布式帧间隔DIFS持续时间以后，退避计数器BC每经过一个时隙减去1。当无线信道在某个时隙变为忙时，退避计数器停止递减计数。只有当节点再次检测到信道空闲时间大于分布式帧间隔DIFS的持续时间以后，退避计数器BC接着进行递减计数。直到BC递减为0时，节点开始发送数据分组，如果此时信道空闲，则该节点接入信道发送数据，如果信道变忙，数据将发生碰撞，此时节点将竞争窗口值CW加倍(即为2*CW)，退避计数器BC将从[0，2*CW]内重新选择一个值进行退避计数。然后按照前面的过程进行退避，直到成功发送数据或者是达到数据分组的重传次数时丢弃该数据。当数据分组的退避窗口CW达到最大值时，如果此时还没有达到数据的最大重传次数，那么当再发生碰撞时保持CW的最大值不变。当节点成功的发送数据或者是达到数据分组的重传次数而丢弃该数据分组时，比较当前竞争窗口CW的二分之一(即CW/2)与最小竞争窗口的大小，将竞争窗口复位为两者中的较大者。
本发明采用了新的退避机制复位竞争窗口值，这样在高负载的网络系统中，信道利用率得到大幅度提升，保持了与标准很好的兼容性，且易于实现。在饱和条件下，该方法提供的系统性能优于标准所提供的，特别是随着网络节点数目的增多，优势更加突出。
附图说明
图1是本发明的数据发送过程示意图，其中窗口的复位过程在退避阶段完成。
图2是数据分组为511字节时无线局域网系统与本发明提供的增强系统性能算法的饱和吞吐量比较图。
图3是数据分组为1023字节时无线局域网系统与本发明提供的增强系统性能算法的饱和吞吐量比较图。
具体实施方式
图1给出了本发明的数据发送过程，其中窗口的复位过程在退避阶段完成。网络节点采用基于无线局域网媒体接入控制(MAC)层中的请求发送/清除发送(RTS/CTS)的接入方式访问信道，网络节点有数据分组等待发送时，其首先检测无线信道的状态，如果信道处于空闲状态，则开始发送数据；如果信道忙，节点则进入退避过程并且同时监听信道状况，当检测到信道空闲时间大于分布式帧间隔DIFS以后，节点退避计时器BC开始退避计时，如果BC递减为0，则开始发送数据。如果退避期间再次检测到信道忙，BC停止退避计时，直到信道空闲时间再次大于分布式帧间隔DIFS的持续时间时接着退避；如果BC递减为0时，节点发送数据发生了碰撞，则竞争窗口将加倍，BC重新选择一个值进行退避；在节点成功发送了数据分组后，或者是达到数据的最大重传次数仍然没有成功发送而丢弃数据后，比较此时竞争窗口值的二分之一与最小窗口值的大小，将竞争窗口值复位为其中较大者。
本发明的特点是当网络节点成功的发送数据分组以后，或者是达到数据分组最大的重传次数仍然没有被成功发送而被丢弃以后，比较当前竞争窗口值的一半与最小竞争窗口值的大小，节点的竞争窗口值复位为较大的一方。
图2和图3针对不同数据分组大小比较了本发明提供的算法与IEEE 802.11标准协议随节点数目增多吞吐量的变化情况并且使用了基本的访问机制和请求发送/准备发送(RTS/CTS)访问机制。图2给出了数据分组为511字节时无线局域网(IEEE 802.11)系统与本发明算法的饱和吞吐量比较情况。图3给出了数据分组为1023字节时无线局域网(IEEE 802.11)系统与本发明算法的饱和吞吐量比较情况。
通过比较可以看出在饱和条件下的网络系统中，本发明的方法提供的网络性能始终优于标准提供的；随着网络节点数目增多时，采用本发明的方法信道利用率得到大幅度提升。

Claims (1)

1.一种增强无线局域网系统性能的方法，其特征是：
网络节点采用基于无线局域网媒体接入控制层中的请求发送/清除发送的接入方式访问信道，无线局域网系统开始运行时，如果一个节点检测信道空闲时间大于分布式帧间隔，则该节点将进行数据分组的传输；如果节点检测到无线信道处于忙状态，则节点在等待信道空闲时间为分布式帧间隔后进入一个随机退避阶段，在完成该退避阶段后才能发送数据，在该过程中使用退避计数器进行竞争退避；在节点进入随机退避阶段以后，当检测到无线信道空闲时间大于分布式帧间隔时，退避计数器开始递减；当在某个时隙再次检测到无线信道状态处于忙时，退避计时器进入冻结状态，停止退避计时；当检测到信道空闲时间再次大于分布式帧间隔时，退避计数器继续递减计时，直到退避计数器递减为零时，节点开始发送数据，节点成功传输数据分组或者是由于达到允许的最大重传次数数据分组仍然没有被成功发送而被丢弃后，该节点的竞争窗口不是立即复位到最小的竞争窗口值上，而是比较当前竞争窗口值的一半和最小竞争窗口值的大小，将竞争窗口值复位为其中较大者。
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