CN101489308B

CN101489308B - 用于无线自组网流内竞争的主动等待传输方法

Info

Publication number: CN101489308B
Application number: CN2008102374865A
Authority: CN
Inventors: 虞万荣; 王晓东; 周兴铭; 徐�明; 陈颖文; 邓劲生
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2011-05-18
Anticipated expiration: 2028-12-30
Also published as: CN101489308A

Abstract

一种用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法，节点在成功发送数据报文后，即使仍有报文需要发送，也不立即开始对无线信道的竞争，而是通过等待主动的避让邻居节点和邻近节点，在当前正在发送的数据报文离开自己的干扰范围之后才开始发送下一个数据报文，在等待期间，节点切换到休眠状态。本发明是一种将节点的自我克制策略和现有机制相结合，提高了无线自组网多跳通信流的吞吐量，同时节约了宝贵的能量，提高了无线自组网生存性的用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法。

Description

用于无线自组网流内竞争的主动等待传输方法

技术领域

本发明主要涉及到计算机网络领域中的介质访问控制方法领域，特指一种用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法。

背景技术

无线自组网是一种在没有骨干网络的条件下，由系统中的通信节点通过分布式协议互连或组织起来的无线网络系统，强调的是多跳、自组识、无中心的概念。无线自组网具有独立性、分布性、多跳性和移动性等特点，在民用领域和军事领域均有广泛的应用前景。

由于无线自组网特殊的组网和通信模式，其MAC协议的设计面临着很多具有挑战性的问题。基于竞争机制的MAC协议具有开销较低、实现简单等优势，是研究和应用最广泛的无线自组网MAC协议，IEEE 802.11系列协议则是其典型代表，发展最为迅速，得到业界的支持也最为广泛，已成为无线自组网的一种事实标准。IEEE 802.11标准中的分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)是基于CSMA/CA(带有冲突避免的载波侦听多路访问)机制的MAC协议。该协议采用共享单信道的模式，通过DATA-ACK两次握手或RTS-CTS-DATA-ACK四次握手机制完成分布式数据业务的接入过程，其中四次握手机制基本解决了隐藏终端和暴露终端问题。同时，通过载波侦听、帧间间隔和随机回退等技术控制共享单信道模式下数据报文的冲突，其基本操作过程如图1所示。图中，邻居节点指在传输半径内，可以准确接收并解码报文的节点。邻近节点指在干扰半径内，传输半径外的节点，可以感知节点发送信号但无法准确接收并解码报文。干扰半径比传输半径大，通常是其2倍左右，如图2所示。

发送节点首先通过物理载波侦听机制探测信道状态，若已被占用则继续等待，如果空闲则在信道继续空闲DIFS时长后，启动随机回退时钟，在随机回退时钟结束后，发送RTS报文。接收节点成功接收到RTS报文后，若判断自身周围信道也空闲，则再等待SIFS时长后回送CTS报文，完成控制报文的握手。发送节点在成功接收到CTS报文后，等待SIFS时长，然后立即开始发送数据报文，接收节点在成功接收数据报文后，等待SIFS时长然后回送ACK报文，完成一次数据传输。

IEEE 802.11中定义了两种载波侦听方式：物理载波侦听和虚拟载波侦听。物理载波侦听通过空闲信道判断机制实现，由物理层直接对当前的无线信道状态进行探测，然后将当前的信道状态反馈给MAC层。虚拟载波侦听则是在对接收到的信息进行分析的基础上判断信道将被占用的时间，进而确定自身的发送需要延迟的时间。这个延时信息包含在RTS、CTS和DATA报文的报文头中，具体数值是从节点接收到该报文开始到当前通信结束所需要的时间。在DCF中，虚拟载波侦听是通过网络分配向量(Network Allocation Vector，NAV)直接在MAC层实现的，记录的是一个当前正在进行的传输将占用信道的时间。节点在接收到其他节点之间交换的报文时，就根据报文头中的占用期(duration)的值设置NAV。

在IEEE 802.11 DCF中，连续的帧(即MAC层报文)之间必须保持一定的间隔，以便留给相关的节点足够的处理时间并控制信道资源访问的优先级，即图1中的DIFS，SIFS和EIFS。

在无线自组网中，绝大部分的通信流是多跳的，源节点发出的报文需要在多跳通信路径上经过多次转发才能最终到达目的节点。由于多跳路径上的相邻节点彼此之间是共享无线信道的，因而面临相互竞争，即所谓的流内竞争。流内竞争是无线自组网中多跳通信流所独具的特征，具备特定的属性可以用来优化MAC层协议的设计。如图3所示，假设节点n0有连续的数据报文需要发送给节点n3，由于节点n3在节点n0的通信范围之外，所以需要通过中间节点n1和n2进行转发。在节点n1接收到节点n0发送的报文后，需要转发至节点n2。而此时，节点n0仍然有报文要发送，所以节点n0和n1将竞争共享的空间信道。同样，在节点n2接收到n1转发的报文后，由于需要将报文转发至目的节点n3，同样将与节点n0和n1竞争信道。流内竞争会导致多跳通信路径上各跳之间的吞吐量分布不均衡，最终影响端到端的吞吐量。无线自组网中，只要通信流是多跳的，流内竞争问题就不可避免的存在并制约着系统的性能。

近年来，随着对无线自组网MAC协议研究的深入，流内竞争已经引起了一定的关注，人们也提出了不同的措施来解决该问题，比如自适应调步机制(Adaptive Pacing)和优先转发等。自适应调步机制网络拓扑结构和网络流量等情况，为节点设定一个报文平均重传次数的阀值min-th，节点在发现自己的报文平均重传次数超过min-th之后，就激活自适应调步机制。在自适应调步机制下，节点在正常回退的基础上，将回退的时间额外增加一段时间。额外增加时间的长度等于节点成功发送一个报文需要的时间(包括随机回退的时长)。优先转发机制下当前接收节点在竞争信道转发报文时，被赋予比当前发送节点更高的优先级。方法是当前接收节点在竞争信道时将回退时钟的窗口值设置为8，而在标准的IEEE 802.11 DCF模式下，节点回退时钟窗口的最小值为32，这样，当前接收节点就可以更快的结束回退，从而提前占用信道转发报文，其他节点被迫等待。

现有针对流内竞争的优化，虽然采取的方法不同，但与标准的IEEE 802.11 DCF机制相比，当前发送节点都相当于等待单个额外的报文发送时长。在当前接收节点成功发送报文后，当前发送节点就可以如IEEE 802.11 DCF机制中一样正常的参与信道竞争了。但是，在多跳通信流跳数较大的情况下，仅仅等待一个额外的报文发送时长是不够的，节点需要根据网络拓扑和多跳通信流的跳数才能确定需要等待的时长。另外，自适应调步机制还存在触发条件过于严格的问题，因为即使在网络中只有一个多跳通信流的情况下，节点也需要进行额外的等待才能更好的解决流内竞争问题，而此时节点报文发送失败进而需要重传的可能性并不高。更重要的是，现有这些解决流内竞争问题的解决方案都没有考虑节能的问题，而能耗的节约对于能量供应受限的无线自组网具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种将节点的自我克制策略和现有机制相结合，提高了无线自组网多跳通信流的吞吐量，同时节约了宝贵的能量，提高了无线自组网生存性的用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法，其特征在于：节点在成功发送数据报文后，即使仍有报文需要发送，也不立即开始对无线信道的竞争，而是通过等待主动的避让邻居节点和邻近节点，在当前正在发送的数据报文离开自己的干扰范围之后才开始发送下一个数据报文，在等待期间，节点切换到休眠状态。

所述节点在等待期间的休眠时长为等待时间片的长度和个数的乘积，所述等待时间片的长度为在多跳路径上向目的节点成功前进一跳需要的最小时间，所述等待时间片的个数由干扰半径和通信节点间的平均距离决定。

所述等待时间片的长度T_slot＝T_required-T_backoff，T_required＝T_RTS+T_CTS+T_DATA+T_ACK+3T_SIFS+T_DIFS+T_backoff，其中T_DATA取决于DATA报文的长度，T_backoff是随机回退的时长，T_RTS，T_CTS，T_ACK是发送RTS，CTS和ACK控制报文所需要的时间，T_SIFS和T_DIFS是标准的IEEE 802.11规范所定义的。

所述等待时间片的个数NWS的值取决于无线通信干扰半径R_i和多跳通信路径上通信节点间的平均距离D_n，其中

表示对

进行舍尾取整运算。

所述等待时间片的个数NWS的取值范围为2≤NWS≤4。

所述节点所转发或接收的报文中包括EACK报文，其包含自身地址、下一跳接收节点的地址和当前数据报文将要占用信道的时间长度信息，节点在接收到数据报文的头部后，立即检查该报文是否需要转发，如果需要转发，则查找路由表，获得下一跳接收节点的地址，在接收完这个数据报文后，立即发送EACK报文，一方面对MAC层DATA报文的成功接收进行确认，执行ACK报文的功能，另一方面对信道进行预约，以便转发刚刚接收到的DATA报文，执行RTS报文的功能，所述EACK报文格式如下：

EACK(i→j)＝{j_address，i_address，m_address，T_duration}

其中j_address是节点j的地址，用于确认DATA报文发送成功，i_address，m_address是节点i和下一跳接收节点m的地址，用于预约信道进行数据报文转发，T_duration是数据报文将要占用信道的时间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明解决了现有无线自组网MAC协议对多跳通信流流内竞争没有进行有针对性的优化，导致整个无线自组网吞吐量不高、数据发送延迟过长和能源使用效率底下的问题，本发明通过主动等待机制，使得无线发送节点在成功发送数据报文后，根据所发送报文的长度和无线传输干扰半径与多跳通信流节点间的平均距离计算主动等待时间长度，并将自身状态切换到休眠状态，有效的缓解了对无线信道不必要的竞争；通过EACK报文，接收节点可以提前告知邻居节点和下一跳接收节点自己将要发送数据，使得当前接收节点能够及时的获取并占用信道进行数据发送，有助于数据报文尽快的到达目的节点。主动等待结束后，节点及时的切换到活跃状态，接收或者发送下一个数据报文。试验结果表明，与IEEE 802.11等主流的介质访问控制机制相比，本发明的主动等待数据传输方法在流量不密集的无线自组网中可以获得更高的吞吐量、更低的报文平均延迟和更高效的能源使用效率。

附图说明

图1是现有技术中802.11基本操作过程示意图；

图2是传输半径和干扰半径的示意图；

图3是流内竞争的示意图；

图4是本发明中节点状态转换图；

图5是本发明中节点操作流程图；

图6是本发明中接收节点应答操作流程图；

图7是本发明中发送和接收节点报文交互序列与邻居节点NAV设置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的实施过程做进一步详细说明。

本发明用于解决无线自组织网络流内竞争的主动等待传输方法，其特点就在于：

一、节点在成功发送数据报文后，即使仍有报文需要发送，也不立即开始对无线信道的竞争，而是通过等待主动的避让邻居节点和邻近节点，在当前正在发送的数据报文离开自己的干扰范围之后才开始发送下一个数据报文，在等待期间，节点切换到休眠状态，以节约能耗。图4所示的是本发明中无线通信节点的状态转换图，节点在活跃和休眠两种状态之间来回切换，节点每次发送完一个数据报文后就立即切换到休眠状态，主动等待时间结束后则切换到活跃状态，按照标准的IEEE 802.11 DCF机制竞争信道和接收报文。图5是本发明中无线通信节点的操作流程图，节点只有在成功发送完数据后才会进入休眠状态主动等待，对只是接收数据的节点而言，将始终处于活跃状态。

二、扩展了ACK报文的功能，使之具备RTS报文的部分功能，通知邻居节点和接收节点自身需要立即转发收到的报文，使邻居节点无法占用信道发送报文，确保报文优先向下一跳前进。

在本发明中，实现主动等待的关键是发送节点确定自身需要等待的时间长度，该长度由两个因素决定，当前发送的数据报文长度和无线通信的干扰范围。在本发明适用的同构无线自组网环境下，因多跳通信流参与节点的发送速度是相同的，对于给定长度的数据报文，其在多跳路径上向目的节点成功前进一跳需要的最小时间是确定的，在本发明中称为等待时间片。

因为无线通信的干扰半径总是大于传输半径，所以节点只休眠一个等待时间片是不够的，因为此时报文还在自己的干扰范围之内。在本发明中，节点成功发送报文后需要休眠多个时间片，具体个数由干扰半径和通信节点间的平均距离决定，本发明中称为等待时间片数。

确定了等待时间片的长度和个数，发送节点在成功发送数据报文后主动等待的时间就是两者的乘积，节点在等待期间将自身状态切换到休眠状态，在等待时长结束后切换到活跃状态。

节点发送后主动等待只能确保多跳通信流的上游节点放弃对信道的过早竞争，但其他邻居节点仍然会和当前接收节点竞争信道。为了确保接收节点可以优先将报文向下一跳转发，本发明中扩展了ACK报文的功能，引入增强型EACK(Enhanced ACK)报文，使其包含自身地址、下一跳节点地址和报文的信道占用期，以便邻居节点在接收后设置NAV，而下一跳接收节点接收后则可以直接回送CTS报文，准备好接收数据报文。这样，当前接收节点在接收到数据报文后，如果发现需要转发，则立即回送EACK报文，在应答当前发送节点的同时预约信道进行报文的转发，通知下一跳接收节点做好数据接收准备。

本发明实施的关键之一是确定节点等待的时间长度，这取决于两个因素，即当前发送的数据报文在多跳路径上向目的节点前进一跳需要的时间和报文离开当前节点的干扰范围需要的条数。下面分别对其计算方法予以详细说明。

在本发明适用的同构无线自组网环境下，因多跳通信流参与节点的发送速度是相同的，对于给定长度的数据报文，其在多跳路径上向目的节点成功前进一跳需要的最小时间是确定的，其计算方法如公式(1)中所示：

T_required＝T_RTS+T_CTS+T_DATA+T_ACK+3T_SIFS+T_DIFS+T_backoff (1)

在式(1)中，T_DATA取决于DATA报文的长度，T_backoff是随机回退的时长，T_RTS，T_CTS，T_ACK是发送RTS，CTS和ACK控制报文所需要的时间，这三个控制报文的长度是确定的，所需的发送时间也是确定的。T_SIFS和T_DIFS是标准的IEEE 802.11规范所定义的，其时间长度对所有节点取值都相同。本发明中定义主动等待时间片为：

T_slot＝T_required-T_backoff (2)

T_slot的长度足够下一跳节点获取信道并基本完成报文的发送。由于T_slot的计算中没有包括T_backoff，如果节点只休眠一个T_slot，则前一次的发送节点将在下一跳传输即将结束之前切换到活跃状态，从而可以避免节点太迟苏醒的问题。节点苏醒之后，按照标准的IEEE 802.11 DCF机制竞争信道。

通常情况下，无线通信的干扰半径总是大于传输半径，一般为传输半径的两倍左右，所以节点只休眠一个T_slot是不够的，因为此时报文还在自己的干扰范围之内。在本发明中，节点成功发送报文后需要休眠多个时间片，具体个数称为等待时间片数(Number of WaitingSlots，NWS)。NWS的值取决于无线通信干扰半径(R_i)和多跳通信路径上通信节点间的平均距离(D_n)，可通过如下公式得到：

这里，

表示对

进行舍尾取整运算。

对于给定的R_i，得到D_n则NWS的取值就确定了。在本发明适用的AODV等最小跳数路由协议下，通信节点间的平均距离处于一定的范围之内，假设传输半径为R_t，则有：

R_t/2＜D_n≤R_t (4)

根据(4)式，因为R_i通常是R_t的两倍左右，所以NWS的最佳值在2和4之间。

如果本发明所运行的无线自组织网络环境中具备实时获取D_n的协议或者装置，则NWS的计算就通过公式(3)得到。如果无法实时获得D_n，则根据(4)式将NWS的值取为一个较小的保守值2，确保可以获得较好的性能。

本发明所提出的方法在具体实施过程中，对多跳通信流的跳数有特定的要求。当跳数为2时，发送节点无需进行主动等待，即NWS取值为0。当跳数为3时，发送节点只需等待一个T_slot，即NWS取值为1。

本发明成功实施的关键之二是对节点报文交换序列和NAV设置动作的修改。

为了确保数据报文尽快到达最终目的节点，节点在接收到报文后，如果发现自身并不是最终目的节点，则通过查找路由表确定下一跳节点地址并尽快转发。本发明中引入EACK报文，对传统ACK报文的功能进行扩展，使其包含自身地址、下一跳接收节点的地址和当前数据报文将要占用信道的时间长度等信息。节点在接收到数据报文的头部后，立即检查该报文是否需要转发，如果需要转发，则查找路由表，获得下一跳接收节点的地址，在接收完这个数据报文后，立即发送EACK报文，一方面对MAC层DATA报文的成功接收进行确认，执行ACK报文的功能，另一方面对信道进行预约，以便转发刚刚接收到的DATA报文，执行RTS报文的功能。接收节点接收报文后的应答流程图如图6中所示。EACK报文格式如下：

EACK(i→j)＝{j_address，i_address，m_address，T_duration}

这里，j_address是节点j的地址，用于确认DATA报文发送成功，i_address，m_address是节点i和下一跳接收节点m的地址，用于预约信道进行数据报文转发，T_duration是数据报文将要占用信道的时间，和传统的RTS报文类似。

由于主动等待机制的引入，在本发明中，处于休眠状态的节点将无法及时的响应发往自己的RTS报文，为了避免不必要的信道预约，节约空间信道资源，本发明中对RTS报文的时长域进行了修改，使其仅包含CTS报文的发送时间和必要的时隙，修改后的邻居节点的NAV设置过程如图7所示。由图7可见，本发明中RTS报文只预约信道到DATA报文开始发送的时间，由DATA报文阻止邻居节点访问信道，而EACK报文则和IEEE 802.11协议中的RTS报文类似，预约信道到ACK或者EACK报文传输结束。

Claims

1.一种用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法，其特征在于：节点在成功发送数据报文后，即使仍有报文需要发送，也不立即开始对无线信道的竞争，而是通过等待主动地避让邻居节点和邻近节点，在当前正在发送的数据报文离开自己的干扰范围之后才开始发送下一个数据报文，在等待期间，节点切换到休眠状态；所述节点所转发或接收的报文中包括EACK报文，其包含自身地址、下一跳接收节点的地址和当前数据报文将要占用信道的时间长度信息，节点在接收到数据报文的头部后，立即检查该报文是否需要转发，如果需要转发，则查找路由表，获得下一跳接收节点的地址，在接收完这个数据报文后，立即发送EACK报文，一方面对MAC层数据报文的成功接收进行确认，执行ACK报文的功能，另一方面对信道进行预约，以便转发刚刚接收到的数据报文，执行RTS报文的功能，所述EACK报文格式如下：

EACK(i→j)＝{j_address，i_address，m_address，T_duration}

其中j_address是节点j的地址，用于确认数据报文发送成功，i_address，m_address是节点i和下一跳接收节点m的地址，用于预约信道进行数据报文转发，T_duration是数据报文将要占用信道的时间。

2.根据权利要求1所述的用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法，其特征在于：所述节点在等待期间的休眠时长为等待时间片的长度和个数的乘积，所述等待时间片的长度为在多跳路径上向目的节点成功前进一跳需要的最小时间，所述等待时间片的个数由干扰半径和通信节点间的平均距离决定。

3.根据权利要求2所述的用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法，其特征在于：所述等待时间片的个数NWS的值取决于无线通信干扰半径R_i和多跳通信路径上通信节点间的平均距离D_n，

其中

表示对

进行舍尾取整运算。

4.根据权利要求3所述的用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法，其特征在于：所述等待时间片的个数NWS的取值范围为2≤NWS≤4。