CN101651963B - 一种ieee 802.11 wlan中基于区分服务的传输控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种IEEE 802.11WLAN中基于区分服务的传输控制方法，属无线移动ad hoc网络数据流应用领域。本方法先将网络中数据流分为对时延敏感和不敏感两种并分别标记，在发送和转发节点中引入MAC层分组重传计数器，在需要发送或转发的数据分组MAC帧头部保存重传次数，再在节点接口队列出口处引入分组控制机制，从而根据数据包的优先级对其进行不同的发送或转发服务，最后根据两种数据流的数据分组发送成功或失败使发送节点将其竞争窗口恢复到最小竞争窗口值或加倍，无论高或低优先级的数据分组，重传到最大次数后，发送节点将竞争窗口恢复到最小值。本方法能使高优先级数据流占用更多的带宽资源，降低传输时延和数据分组的丢弃率。

Description

一种IEEE 802.11 WLAN中基于区分服务的传输控制方法

技术领域

本发明涉及无线移动多媒体通信中的一种IEEE 802.11 WLAN中基于区分服务的传输控制方法，属于无线移动ad hoc网络数据流应用领域。

背景技术

移动ad hoc网络是由一组静止或移动的节点组成的，不依赖于现有的网络基础设施并采用分布式管理。网络中的所有节点都具有路由器的功能，负责发现和维护到其他节点的路由，并向邻居节点发射或转发分组，因此ad hoc网络通常是一种多跳的网络。此外，节点可以自由地移动，自主地进入和退出网络，使网络的拓扑结构常常发生迅速和不可预测的改变。这种网络既可以作为独立的网络运行，又可以接入到有线骨干网络(如Internet)，实现简单、灵活、不需要昂贵的基础设施、成本低，特别适合于在某些特殊环境或紧急情况下实现快速的自由组网，并且能够灵活配置，这无疑是对固定的有线网络，以及上述需要固定基础设施的无线网络的补充和发展。因此无线ad hoc网络在教育、会议、野外科学考察、军事领域、灾后救援和重建、公共社区网状网(mesh networks)、公共安全领域的快速反应、环境监测的无线传感器网络等方面具有广泛的应用前景。

实时多媒体业务在网络中应用需要严格的服务质量要求，考虑到多媒体分组之间的同步性，实时多媒体传输对时延有极高的要求，若传输时延过大时，则必然会对多媒体视频流播放造成一定的影响。实时多媒体的传输对带宽也有较高的要求，并且需要尽量平滑的吞吐量。当无线网络的可用带宽小于多媒体正常播放所需占用的带宽时，就会造成网络的拥塞崩溃和过长的延时，必然影响多媒体文件的播放质量。实时多媒体传输可以允许一定程度上的丢包率，但当丢包率过大时，就会影响流媒体的播放质量。而移动ad hoc网络的信道带宽有限、误码率较高、信道质量不稳定、节点移动所造成的网络拓朴结构的动态变化、多个用户对共享信道的竞争、无线信号传输的衰减、失真和干扰、以及障碍物的阻挡等都会严重影响无线通信的质量和效率。显然在这种无线通信环境下，实时多媒体业务的传输面临着极大的挑战。

为解决实时多媒体业务应用于无线移动ad hoc网络所面临的诸多问题，广大研究工作者提出了许多种的解决方法，这些方法都是基于区分服务的思想，将网络中的数据流分为优先级不同的几种类型，然后在传输的过程在对这些优先级不同的数据流采用不同的传输服务。比较常用的定义优先级的方法主要有：1、调整MAC协议的参数实现不同的传输优先级；2、修改退避算法来支持数据业务的优先级传输；3、定义不同的信道竞争方式来实现传输的优先级。但这些方法都没有考虑到节点的接收缓冲区并不是无限大，在饱和的状况下，必然会导致大量的分组丢失，因此这些方法都只能满足吞吐量的相对区分，而不能提供实时多媒体业务的QoS保证。

发明内容

本发明为解决实时多媒体业务在移动ad hoc网络中的传输质量问题而提出一种IEEE802.11 WLAN中基于区分服务的传输控制方法。

本发明的IEEE 802.11 WLAN中基于区分服务的传输控制方法，包括如下步骤：

(1)将网络中对时延敏感的多媒体数据流用0标记，对时延不敏感的数据流用1标记，并将标记信息记录在IP包头的TOS字段里；

(2)在发送节点和转发节点中引入MAC层分组重传次数计数器，对于需要发送或转发的数据分组，在其MAC帧头部保存该分组的重传次数；

(3)在节点的接口队列出口处引入分组控制机制，该机制能够根据数据包的优先级对其进行不同的发送或转发服务，具体表现如下：

A.对于低优先级的数据分组，队列中的分组控制机制将以p的概率决定拒绝对该类分组进行发送或转发服务：当低优先级的分组被拒绝服务后将被立即丢弃，发送节点将该节点的竞争窗口加倍，并产生一个随机退避计数器值进行信道竞争来重传该分组，其中： $p=2^{\frac{L_1}{L_{\max }}}-1,$ L₁表示低优先级分组的MAC重传次数，L_max表示MAC层分组允许重传的最大次数；

B.对于高优先级的数据分组，发送节点或中间节点正常进行发送或转发；

(4)当对时延敏感和不敏感的两种数据流的数据分组在发送过程中发生碰撞时，分组发送失败，发送节点也将该节点的竞争窗口加倍，直到达到最大重传次数；

(5)当对时延敏感和不敏感的两种数据流的数据分组发送成功时，发送节点会将该节点的竞争窗口恢复到最小竞争窗口值，用来传输新的数据分组；

(6)无论是高优先级还是低优先级数据分组，分组重传到最大次数后，当分组发送再次碰撞，该数据分组将被丢弃，发送节点将该节点的竞争窗口恢复到最小竞争窗口值，用来传输新的数据分组。

本发明将有线网络中区分服务模型的思想应用到无线ad hoc网络通信中来，节点能根据低优先级数据分组的重传次数来决定拒绝发送或转发该分组的概率，分组重传的次数越多，表示信道竞争越激烈，那么对低优先级的数据分组拒绝服务的概率也就越大，将节省下来的信道资源用于提高高优先级的实时多媒体数据流的传输质量，具体表现如下：

1、本发明能够使实时多媒体数据流占用较多的带宽资源。由于增加了对低优先级拒绝服务的机制，因而发送高优先级的节点更容易连接占用信道，并且在竞争信道的节点较多的情况下，多个节点在同一时隙中发送分组的概率增大，发生碰撞的概率也就增大，因而低优先级数据分组被拒绝接服务的概率也会增大，这样牺牲了低优先级数据流的一部分带宽，保证了高优先级数据流有足够的带宽资源用于传输其实时的多媒体数据流。

2、本发明能够减小实时多媒体数据流的传输时延。由于引入了对低优先级拒绝服务的机制，高优先级的数据分组在传输过程中竞争信道所花的时间大大减小，并且随着节点数量的不断增大，由于多个节点在同一时隙中发送分组的概率增大，发生碰撞的概率就会增大，造成重传次数和被拒绝服务的概率都会加大，因而低优先级数据流的数据分组传输所需要的平均时延也就会增大。而对于高优先级数据流，在分组碰撞比较激烈的时候，一些低优先级数据分组被拒绝发送，这样就降低了高优先级的数据分组传输失败的概率，减少了其重传次数，因而能够减小其平均时延。因此可以提供实时多媒体业务更好的QoS支持。

3、本发明能够减小实时多媒体数据分组传输过程中被丢弃的概率。因为高优先级数据流能够占用较多的信道资源，发送的成功率也为较大的提高，即使在信道竞争较为激烈的情况下，节点只会提高对低优先级分组拒绝发送的概率，使高优先级的数据分组发送过程中碰撞的概率减小，让其被丢弃的概率始终维持在一个较小的范围。

附图说明

图1是移动ad hoc网络通信的拓扑结构示意图。

图2是移动ad hoc网络的体系结构示意图。

具体实施方式

在体系结构方面，如图1所示是本发明方法基于的移动ad hoc网络通信拓扑结构，如图2所示是移动ad hoc网络的体系结构，本发明主要在ad hoc网络的网络层增加了对数据流优先级定义的机制，并把这些信息保存在IP包头的TOS字段里，在MAC层引入了分组重传次数计数器，对于需要发送或者转发的数据分组，在其MAC帧头部保存该分组的重传次数，还在节点缓冲队列中增加了分组发送控制机制。

在通信机制方面，在节点传输数据分组之前，首先需要对所传输的数据分组按照一定的规则进行优先级标记，然后在节点引入拒绝服务机制，该拒绝服务机制只针对低优先级数据业务，节点可以根据网络的状态以一定的概率拒绝发送低优先级数据分组。一旦分组被拒绝发送则被立即丢弃，节点将立即对该节点的竞争窗口加倍，并再次产生一个随机退避计数器值，进行下一次信道竞争。在基本接入机制和RTS/CTS接入机制下，对于节点拒绝服务低优先级数据分组的概率p，我们用该分组的MAC层重传次数来表示。例如，该低优先级数据分组由于冲突或被拒绝接收而重传了L₁次，则 $p=2^{\frac{L_1}{L_{\max }}}-1,$ 其中L_max为标准802.11协议中MAC层最大重传次数。显然在0≤L₁≤L_max的情况下，p是随L₁的单调递增函数，而分组被重传的次数越多，必定是信道竞争越激烈。因此，节点可以依据信道竞争状态来决定拒绝发送低优先级数据分组的概率。所以由以上分析可知信道竞争越激烈，低优先级数据分组被拒绝服务的概率就越大。

本发明方法的具体步骤如下：

(1)将网络中对时延敏感的多媒体数据流用0标记，对时延不敏感的数据流用1标记，并将标记信息记录在IP包头的TOS字段里；

(2)在发送节点和转发节点中引入MAC层分组重传次数计数器，对于需要发送或转发的数据分组，在其MAC帧头部保存该分组的重传次数；

(3)在节点的接口队列出口处引入分组控制机制，该机制能够根据数据包的优先级对其进行不同的发送或转发服务，具体表现如下：

A.对于低优先级的数据分组，队列中的分组控制机制将以p的概率决定拒绝对该类分组进行发送或转发服务：当低优先级的分组被拒绝服务后将被立即丢弃，发送节点将该节点的竞争窗口加倍，并产生一个随机退避计数器值进行信道竞争来重传该分组，其中： $p=2^{\frac{L_1}{L_{\max }}}-1,$ L₁表示低优先级分组的MAC重传次数，L_max表示MAC层分组允许重传的最大次数；

B.对于高优先级的数据分组，发送节点或中间节点正常进行发送或转发；

(4)当对时延敏感和不敏感的两种数据流的数据分组在发送过程中发生碰撞时，分组发送失败，发送节点也将该节点的竞争窗口加倍，直到达到最大重传次数；

(5)当对时延敏感和不敏感的两种数据流的数据分组发送成功时，发送节点会将该节点的竞争窗口恢复到最小竞争窗口值，用来传输新的数据分组；

(6)无论是高优先级还是低优先级数据分组，分组重传到最大次数后，当分组发送再次碰撞，该数据分组将被丢弃，发送节点将该节点的竞争窗口恢复到最小竞争窗口值，用来传输新的数据分组。

Claims (1)

1.一种IEEE 802.11WLAN中基于区分服务的传输控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将网络中对时延敏感的多媒体数据流用0标记，对时延不敏感的数据流用1标记，并将标记信息记录在IP包头的TOS字段里；

(2)在发送节点和转发节点中引入MAC层分组重传次数计数器，对于需要发送或转发的数据分组，在其MAC帧头部保存该分组的重传次数；

(3)在节点的接口队列出口处引入分组控制机制，该机制能够根据数据包的优先级对其进行不同的发送或转发服务，具体表现如下：

A.对于低优先级的数据分组，队列中的分组控制机制将以p的概率决定拒绝对该类分组进行发送或转发服务：当低优先级的分组被拒绝服务后将被立即丢弃，发送节点将该节点的竞争窗口加倍，并产生一个随机退避计数器值进行信道竞争来重传该分组，其中： $p=2^{\frac{L_1}{L_{\max }}}-1,$ L₁表示低优先级分组的MAC重传次数，L_max表示MAC层分组允许重传的最大次数；

B.对于高优先级的数据分组，发送节点或中间节点正常进行发送或转发；

(4)当对时延敏感和不敏感的两种数据流的数据分组在发送过程中发生碰撞时，分组发送失败，发送节点也将该节点的竞争窗口加倍，直到达到最大重传次数；

(5)当对时延敏感和不敏感的两种数据流的数据分组发送成功时，发送节点会将该节点的竞争窗口恢复到最小竞争窗口值，用来传输新的数据分组；

(6)无论是高优先级还是低优先级数据分组，分组重传到最大次数后，当分组发送再次碰撞，该数据分组将被丢弃，发送节点将该节点的竞争窗口恢复到最小竞争窗口值，用来传输新的数据分组。

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