CN101695195A - 一种无线信道访问竞争的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线信道访问竞争控制方法及系统，在IEEE802.11标准的基础上提出了最优化竞争窗口的计算方法并对原有MAC协议的退避算法进行了改进。首先深入分析无线网络中吞吐量和延时性能，提出了根据无线网络中的活动节点数来动态实时的计算出一个最优的竞争窗口方法。其次，本发明又提出了一种新的退避方式，即首先根据测算得到网络中活动的节点数并计算出最优的窗口，然后加入一个随机种子算法，当无线信道中出现冲突，退避算法不是将初始窗口增大一倍，而是仅仅在最优的竞争窗口的基础上增加一个随机数值。这样既避免由于各活动节点竞争信道的冲突，也缩短了介质访问延时，从而提高了无线网络的吞吐量和信道的利用率。

Description

一种无线信道访问竞争的控制方法及系统

技术领域

本发明主要涉及无线网络通信领域，尤其涉及无线信道访问竞争的控制方法及装置。

背景技术

21世纪的头十年，通讯产业正处于一个转折点上。20世纪可以被称作“有线世纪”，有数以百万计公司的铜制电缆、光缆被架设到了家庭、办公大楼以及街道的地下和上方，甚至是海洋底下。21世纪则在迅速地成为“无线世纪”。与上一世纪不同的是，使用无线技术的动机已经不再是话音，而是数据了。这一转变一直是向用户发布特有服务的许多不同技术的推动力。无线局域网作为主流的无线宽带接入技术之一，以其广泛的适用性和技术价格方面的优势，获得了成功和迅速的发展，特别是近年来随着个人数据通信的发展，功能强大的便携式数据终端以及多媒体终端得到广泛应用。

IEEE 802.11无线网络(包括Ad Hoc网络)得到了迅速的发展，已经被广泛地应用在人们的工作和生活中，并被普遍认为将在下一代无线通信中发挥重要作用。IEEE 802.11MAC(媒体接入控制)子层协议定义了两种信道接入方式：DCF(分布式协作功能)和可选的PCF(点协作功能)。其使用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波侦听多点接入/避免冲撞)载波监测机制，通过交换RTS/CTS/ACK控制帧来预约信道和保证数据帧的正确接收，实现可靠的数据传输。

IEEE 802.11MAC层协议需要解决的最突出问题是控制同时访问无线信道的多个移动节点之间的竞争。现有的DCF控制方法如下(参见文献1：IEEE802.11 Working Group(June 122007).IEEE 802.11-2007：Wireless AN MediumAccess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications.ISBN：978-0-7381-5656-9)：

当一个节点需要发送帧时，要调用载波侦听机制来确定信道的忙/闲状态，如果信道忙，它将推迟直到信道连续处于闲状态达到DIFS时间，为了避免发送冲突，这时该节点在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机的退避时间(Back off Time)，并存入退避计数器，如果退避计数器中已经包含有一个非0的值，那么就不再执行产生随机退避时间的过程。退避时间的产生方法如下：

其中，Random()是均匀分布在[0，CW]范围内的随机整数，CW(ContentionWindow，竞争窗口)是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口CW_min和最大竞争窗口CW_max之间的一个整数值，即CW_min≤CW≤CW_max。例如对于直接序列扩频(DSSS)，CW_min和CW_max分别为31和1023。a Slot Time是由物理层特性决定的一个时隙的实际长度值，对于DSSS，一个时隙的长度是20μs。因此，退避时间是一个以时隙为单位的随机整数。

一个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道闲，则将退避时间计数器减1；如果信道忙，则退避过程将被推迟，退避时间计数器被冻结(即不再递减)，直到侦听到信道处于连续空闲状态达到DIFS时间，退避过程重新被激活，继续递减。当退避计数器递减到0时，节点就可以执行发送。当多个节点同时竞争信道时，每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占有信道，这样就大大减少了发送冲突发生的概率。另外，通过采用退避过程中的冻结机制，使得被推迟的节点在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间，只需继续进行计数器递减，那么，等待时间长的节点的优先级就高于新加入的节点，就可能优先得到信道，从而维护了竞争节点之间一定的公平性。

图1显示了采用上述无线信道访问竞争控制方法的退避过程示例。在节点A发送时，节点B、C、D都有帧要发送，等待信道连续空闲DIFS时间后，进入退避阶段，每个节点在CW内随机产生一个退避时间。因为节点C所产生的退避时间最短，它的退避计时器最先减至0，开始发送帧，节点B和D的退避计时器被冻结。在节点C传送过程中，节点E也有帧要发送，进入等待过程。信道空闲DIFS后，节点B和D的退避计时器解冻，节点E产生随机退避时间。因为节点D的退避计时器最先减至0，所以节点D获得发送机会。

每个节点都要维护一个CW参数，CW的初始值或默认值为CW_min。在直接序列扩频中默认初始窗口为31，当一个节点发送失败时，说明当前的网络负载较大或者链路状况不好，该节点的CW就会增加一倍，以后，该节点每次因发送失败而重传时，CW都会增加一倍，即CW＝2^m(CW_min+1)-1，其中m为重传次数。当CW值增加到CW_max时，即2^m(CW_min+1)＝(CW_max+1)，再连续重传时CW的值将保持为CW_max不变，直到该节点发送成功，或者达到了最大重传次数限制，CW将被重新置为CW_min。CW的变化方式如下图2所示。

竞争窗口越大，随机退避机制解决冲突的能力就越强，因为使用较大的竞争窗口时，选择相同的随机退避时间的可能性很小。这样，一方面，在轻载的情况下，小的竞争窗口保证了较短的延迟；一方面，在重载情况下，随机等待时间随着冲突产生次数而指数递增，降低了冲突的概率。竞争窗口达到CW_max后不再增长，保证了网络在重载情况下的稳定。帧成功发送或者重传次数超过限制而被丢掉时，竞争窗口被重置为CW_min。

这样我们会发现在退避窗口成倍的增加时虽然会降低冲突概率但同时也增加了退避时间。特别是在竞争窗口增加到窗口的最大值的时候退避时间会大大增加。另一方面，标准的竞争窗口默认值固定在31，而不是根据无线网络环境中的动态优化竞争窗口，从而无线网络吞吐量和时延性能不能达到最优。

发明内容

鉴于现有技术的访问竞争控制方法存在的问题，本发明提出一种改良的无线信道访问竞争控制方法，，以实现介质访问时延减少，而且也使得吞吐量实现优化。同时，本发明还提供了一种改良的无线信道访问竞争控制装置，以实现介质访问时延减少以及吞吐量的优化。

为此，本发明提供如下技术方案：

1、本发明提供一种无线信道访问竞争控制方法，包括如下步骤：

步骤1、计算无线网络介质访问延时D；

步骤2、估算通信范围内活动节点数n；

步骤3、利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式；

步骤4、利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算最优竞争窗口CW_opt；

步骤5、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同；

步骤6、根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。

2、其中步骤1进一步包括如下步骤：

计算节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间T_s；

计算在节点竞争信道过程中，由于其它节点成功发送数据而使信道处于忙状态的总时间D_s；

计算由于节点间发送冲突而使信道处于忙状态的总时间D_c；

计算在节点竞争信道过程中，空闲时隙的总时间，包括总的退避时间和其它节点成功发送或冲突的等待时间T_slot；以及

将上述时间相加，得出无线网络介质访问延时D：

D＝T_s+D_s+D_c+T_slot。

3、其中步骤2进一步包括如下步骤：

利用侦听邻居节点发送的数据帧的方法，实时估计网络中的活动节点数n。具体见表1方法。

4、其中步骤3中进一步包括：

无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系是通过建模和推导而出，其关系为：

；其中τ为每个节点的发送概率；n为活动节点数；σ是一个时隙的持续时间；T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间；T_s表示节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间；

若令H＝PHY_hdr+MAC_hdr表示一个数据包在MAC层(MAC_hdr)和物理层(PHY_hdr)所加包头的长度，δ表示数据传播延迟，T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间，E[P]是数据包的平均长度，E[P^*]是每次冲突中最长负载包的平均长度，假设所有数据包具有相同的长度，因此有E[P]＝E[P^*]＝P；即

在基本访问方法情况下有：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\mathrm{DIFS}+H+E\left[P\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{ACK}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{\δ}\\ T_c=\mathrm{DIFS}+H+E\left[P^{*}\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{ACK}\end{array}\right.$

在RTS/CTS访问方法情况下有

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\mathrm{DIFS}+\mathrm{RTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{CTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}\\ +H+E\left[P\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{ACK}+\mathrm{\δ}\\ T_c=\mathrm{DIFS}+\mathrm{RTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{CTS}\end{array}\right.$

在IEEE 802.11中，其中SIFS为短帧间间隔时间(Short Inter frameSpace)，DIFS为DCF帧间间隔时间(DCF Interframe Space)，ACK为确认帧时长，RTS和CTS为相应控制帧时长。

每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系是通过建立二维Markov模型得到的，其关系为

；τ为每个节点的发送概率，CW为竞争窗口；

推导出来的最优竞争窗口CW的计算公式为

5、另一方面，本发明中一种计算最优竞争窗口的方法即本发明的一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤4，包括如下步骤：

如一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤1中计算得到无线网络介质访问延时D；

如一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤2中估算出通信范围内活动节点数n；

如一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤3中利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式

然后，利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算得到时延D为极小值时的最优竞争窗口CW_opt：

其中，σ是一个时隙的持续时间；T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间。

6、本发明中一种计算退避时间的方法即本发明的一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤5，包括如下步骤：

如一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤1中计算得到无线网络介质访问延时D；

如一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤2中估算出通信范围内活动节点数n；

如一种无线信道访问竞争控制方法中的步骤3中利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式

然后，利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算时延D为极小值时的最优竞争窗口CW_opt：

其中，σ是一个时隙的持续时间；T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间。

最后、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同。

7、一种无线信道访问竞争控制系统，包括如下模块：

模块1、用于计算无线网络介质访问延时D；

模块2、用于估算通信范围内活动节点数n；

模块3、用于利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式；

模块4、用于利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算时延D为极小值时的最优竞争窗口CW_opt；

模块5、用于在无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同；

模块6、用于根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。

本发明上述技术方案中，采用动态计算退避窗口以及增加随机种子数的算法能够有效将退避窗口保持在一个活动范围，不至于当退避窗口很大的时候增加退避时间，而且也能使吞吐量保持在一个比较优化的状态

附图说明

图1是现有技术中无线信道访问竞争控制方法中退避过程示例；

图2是现有技术中控制无线信道访问竞争方法中竞争窗口选择示例；

图3是本发明的控制无线信道访问竞争方法；

图4是应用本发明控制无线信道访问竞争方法后，RTS/CTS访问模式下的网络吞吐率与应用现有控制无线信道访问竞争方法的网络吞吐率对比图；

图5是应用本发明控制无线信道访问竞争方法后，基本访问模式下的网络吞吐率与应用现有控制无线信道访问竞争方法的网络吞吐率对比图。

具体实施方式

本发明的核心是先对无线网络介质访问延时进行分析，得出介质访问延时公式，在此基础上得出根据网络中活动节点数的最优竞争窗口的动态计算方法并计算出动态的最优竞争窗口值，此外还可以在最优窗口的基础上增加随机种子数来改变无线网络中的退避算法并得出优化的退避值，从而依据动态的优化竞争窗口值和/或优化的退避值，实现无线信道访问竞争的优化控制。

介质访问延时分析与最优竞争窗口

介质访问延迟是指在一个节点中，为发送一个数据帧开始竞争信道，直到成功的把该数据帧发送出去所用的总时间，如果使用了RTS/CTS访问方法，那么也要包括成功交换RTS/CTS的时间。因为假设每个节点总是有数据要发送，所以介质访问延迟可以表示成一个节点连续两次成功发送数据帧之间的时间间隔。

假设D是介质访问延迟，为了便于计算，本文把它分成四部分：

T_s-节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间；

D_s-在节点竞争信道过程中，由于其它节点成功发送数据而使信道处于忙状态的总时间；

D_c-由于节点间发送冲突而使信道处于忙状态的总时间；

T_slot-在节点竞争信道过程中，空闲时隙的总时间，包括总的退避时间和其它节点成功发送或冲突的等待时间。

这样，我们可以得到公式：

D＝T_s+D_s+D_c+T_slot  (1)

根据上述公式，计算出介质访问延迟D。

在获得的介质访问延迟D的基础上，经过建模和一系列的推导我们可以得出介质访问延时的计算公式也为：

$D=n{T}_s+\frac{1-{(1-\mathrm{\τ})}^n-\mathrm{n\τ}{(1-\mathrm{\τ})}^{n-1}}{\mathrm{\τ}{(1-\mathrm{\τ})}^{n-1}}{T}_c+\frac{1-\mathrm{\τ}}{\mathrm{\τ}}\mathrm{\σ}---\left(2\right)$

若令H＝PHY_hdr+MAC_hdr表示一个数据包在MAC层(MAC_hdr)和物理层(PHY_hdr)所加包头的长度，δ表示数据传播延迟，T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间，E[P]是数据包的平均长度，E[P^*]是每次冲突中最长负载包的平均长度，在本文中，假设所有数据包具有相同的长度，因此有E[P]＝E[P^*]＝P。

在基本访问方法情况下有：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\mathrm{DIFS}+H+E\left[P\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{ACK}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{\δ}\\ T_c=\mathrm{DIFS}+H+E\left[P^{*}\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{ACK}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在RTS/CTS访问方法情况下有

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\mathrm{DIFS}+\mathrm{RTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{CTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}\\ +H+E\left[P\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{ACK}+\mathrm{\δ}\\ T_c=\mathrm{DIFS}+\mathrm{RTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{CTS}\end{array}\right.---\left(4\right)$

在IEEE 802.11中，其中SIFS为短帧间间隔时间(Short Inter frameSpace)，DIFS为DCF帧间间隔时间(DCF Interframe Space)，ACK为确认帧时长，RTS和CTS为相应控制帧时长。

其中τ为每个节点的发送概率，n为活动节点数，σ是一个时隙的持续时间，D为介质访问延时。

通过建立二维Markov模型我们还可以得到：

$\mathrm{\τ}=\frac{2}{\mathrm{CW}+1}---\left(5\right)$

此时，通过对公式(2)中的τ进行求导得到时延D的极小值并结合公式(5)我们可以得到最优竞争窗口的计算公式：

${\mathrm{CW}}_{\mathrm{opt}}\≈n\sqrt{2T_c\mathrm{\σ}}---\left(6\right)$

2改进退避机制

相关工作(参见文献2和3，文献2：G.Bianchi，“Performance Analysisof IEEE 802.11 Distributed Coordination Function.”IEEE Journal on SelectedAreas in Communications，Vol.18，No.3，pp.535-547，Mar.2000；文献3：HaitaoWu，Yong Peng，Keping Long，Shiduan Cheng，and Jian Ma，“Performance ofReliable Transport Protocol over IEEE 802.11 Wireless LAN：Analysis andEnhancement，”in Proceedings of IEEE InfoCom’02，New York，NY USA，June23-27，2002，pp.599-607)在最优竞争窗口的计算方法做了基础的分析研究工作，但他们仅仅是对初始竞争窗口的最优值做了分析计算而不改变标准的退避算法。我们进一步结合动态计算最优窗口和改进的退避算法提高无线网络吞吐量和介质访问效率。当网络有冲突并根据现有退避算法带来的窗口成倍增加，窗口的成倍增加必定会使得竞争窗口远远脱离最优窗口值。而本发明是估算出通信范围内存在的活动节点数，根据活动节点数并结合最优竞争窗口计算方法得出最优竞争窗口大小，在此最优竞争窗口的基础上增加了随机种子生成算法(随机种子生成算法是产生随机数的算法，该随机种子生成算法可以是现有的随机种子生成算法，也可以依情况专门制定的随机种子生成算法)，也就是在当知道网络中有多少活动节点在竞争信道的时候通过计算得出所需要的竞争窗口是多大，当网络通信时发生了冲突会调用一个退避算法程序，这时就在原退避算法程序的基础上增加一个调用随机种子生成程序，这样的话就在最优竞争窗口的基础上加减一个随机数。这样就使得在下次竞争信道的时候不同节点退避的时间会有一定范围内不同，但也恰恰避免了信道中的同步问题产生冲突，而又使得竞争窗口始终保持在最优的竞争窗口范围之内。既能节省了退避时间而且也能提高对信道的利用率增大了吞吐量。

通信范围内实时估算活动节点数算法：

在IEEE 802.11无线网络中，如果一个节点要发送数据帧，它必须要先竞争信道，当竞争成功后，发送数据帧。由于发送是以广播的形式，所以在该节点的通信范围内所有邻居节点都可以监听到这个数据帧，并且从帧中可以得到一些重要信息，比如源地址、目的地址和NAV值。基于无线网络的这个特点，本发明提出利用侦听邻居节点发送的数据帧的方法，实时估计网络中的活动节点数，即参与信道竞争的节点数，也就是有数据帧需要发送的节点的数目。这里所说的网络是指所有节点都在一个通信范围之内，即任意两个节点之间都能直接进行通信，不存在隐藏节点。

每个节点维护一个活动节点表(Active Node Table)，记录网络中的活动节点信息。活动节点表中包括两个字段：节点地址和时间。其中，节点地址字段记录侦听到的数据帧的源节点地址，时间字段记录侦听到该数据帧的时间。

一个节点在侦听到一个数据帧后，分析该帧并获取源地址信息，更新活动节点表，算法如下表1所示。查询活动节点表，如果该数据帧的源地址没有在表中，说明发送该数据帧的节点刚开始发送业务，是一个新的活动节点，则将这个活动节点的地址加入到活动节点表中，并记录当前时间；如果该数据帧的源地址已经在表中，那么说明发送该数据帧的节点已经是一个活动节点，则更新该节点地址对应记录的时间字段为当前时间。同时，对于表中其余的所有活动节点记录进行过期检查，如果某个活动节点记录的时间至当前时间的间隔已经大于或等于一个超时时间ATO(Active Time Out)，即说明该节点在ATO时间内没有发送任何数据帧，可以认为该节点已经不再是活动节点，将该节点的记录从表中删除。在查询活动节点表过程中，通过统计表中记录个数可以得到当前网络中的活动节点数。

这种方法的关键是ATO的确定。如果ATO设置过小或过大，监测出的活动节点数都会偏离实际值。当ATO设置过小时，很多节点不能在一个ATO时间段内完成一个数据帧的发送，所以监测出的活动节点数会小于实际值。如果ATO过大，当网络中的实际活动节点数减少的时候，活动节点表要在一个ATO时间之后才可以正确反应出这种变化，延迟过长，监测出的活动节点数可能大于实际值。而且，ATO不应是固定的，应该随着竞争节点数的变化而变化。这是因为竞争节点越多，冲突的概率就越大，所以一个节点连续成功发送两个数据帧的时间间隔就越大。

以上我们得到介质访问延迟和网络中的竞争节点数的关系。在分析过程中，介质访问延迟包括从节点开始竞争信道到成功发送一个数据帧之间的时间间隔。如果使用了RTS/CTS访问模式，那么成功交换RTS/CTS帧的时间也包括在内。而且我们假设每个节点都一直有数据要发送，在这种假设下，介质访问延迟表示同一节点连续成功发送两个数据帧的时间间隔。节点刷新算法如表1

/*侦听到一个新数据帧，刷新活动节点表，统计活动节点数*/BEGINSource_Address←数据帧中的源地址Tcurrent←当前时间Found_Mark←FALSECount←0FOR each in RECi ANT       /*Active Node Table*/IF Source_Address_RECi＝Source_Address THENT_of_RECi←TcurrentFound_Mark←TRUECount←Count+1ELSEIF Tcurrent-T_of_RECi≥ATO THEN  /*Active Time Out*/DELETE      RECi   /*Delete the ith record*/ELSECount←Count+1ENDIFENDIFEND FOR eachIF NOT Found_Mark THENINSERT  RECn+1/*Insert a new record to ANT*/Source_Address_of_RECn+1←Source_AddressCount←Count+1ENDIF

表1活动节点刷新算法

根据当前网络中活动节点数动态选取最优竞争窗口值的算法如表2：

表2最优竞争窗口的计算方法

当估算出活动节点数和计算出初始竞争窗口以后我们在又在此基础上改进了退避算法，改进的退避算法作用过程如图3所示。无线网络节点动态地计算无线网络介质访问延时D和估算通信范围内活动节点数n，并根据D和n动态地计算最优竞争窗口CW_opt用于数据发送前的退避。当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同，减少冲突而保持网络的最优数据传输效率。

3实验结果分析

我们在采用NS-2网络仿真软件(NS-2，www.isi.edu/nsnam/ns)对提出的最优竞争窗口及改进的退避算法进行了仿真实验。在仿真实验中，我们采用了直接序列扩频(DSSS)的实验参数见表3。仿真实验中的数据包大小都设定为8000bits，仿真时间为100秒。

表3MAC层和采用DSSS的物理层参数

数据包	8000bits
		MAC层包头	224bits
物理层包头	192bits

数据包	8000bits
		ACK	112bits+物理层包头
RTS	160bits+物理层包头
		CTS	112bits+物理层包头
信道速率	1M bits/s
		传播延迟	1μs
时隙时间	20μs
		SIFS	10μs
DIFS	50μs

实验通过分别建立10、20、30、40、50个发送节点的无线网络，他们各自对应相同的接收节点，将每个节点的通信范围设置为400，选取的实验环境为200*200的空间，这些节点随机分布在相当于一个节点通信范围的区域内，即任意两个节点之间都可以直接进行通信。另外，每个参与竞争的节点处于饱和状态，当一个节点为活动节点期间，发送队列中总是有数据包等待发送。图4、5分别表示了50个发送节点RTS/CTS和基本访问两种机制条件下的网络总吞吐率试验结果。

由以上两图可以看出改进的退避机制对网络的吞吐量性能有很好的改善。从而证明了思想的正确性。

综上所述本发明针对无线网络吞吐量和时延共做了两点改进，第一，改变了原始默认的固定的初始竞争窗口机制，而是通过实时的估算网络中的活动节点数来确定最优竞争窗口。第二，在网络中发生冲突后不是简单的使得竞争窗口加倍来避免冲突，而是在最优竞争窗口基础上增加一个随机数，让竞争窗口始终保持在最优竞争窗口一定范围之内。同时随机种子的加入也使得冲突降低，从实验结果来看，本发明确实改善了无线网络的信道利用率。

Claims (7)

1.一种无线信道访问竞争控制方法，包括如下步骤：

步骤1、计算无线网络介质访问延时D；

步骤2、估算通信范围内活动节点数n；

步骤3、利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式；

步骤4、利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算最优竞争窗口CW_opt；

步骤5、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同；

步骤6、根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。

2.如权利要求1所述的控制方法，步骤1进一步包括如下步骤：

计算节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间T_s；

计算在节点竞争信道过程中，由于其它节点成功发送数据而使信道处于忙状态的总时间D_s；

计算由于节点间发送冲突而使信道处于忙状态的总时间D_c；

计算在节点竞争信道过程中，空闲时隙的总时间，包括总的退避时间和其它节点成功发送或冲突的等待时间T_slot；以及

将上述时间相加，得出无线网络介质访问延时D：

D＝T_s+D_s+D_c+T_slot。

3.如权利要求1所述的控制方法，其中步骤2进一步包括如下步骤：

利用侦听邻居节点发送的数据帧的方法，实时估计网络中的活动节点数n。具体见表1方法。

4.如权利要求1所述的控制方法，步骤3中：

无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系是通过建模和推导而出，其关系为：

其中τ为每个节点的发送概率；n为活动节点数；σ是一个时隙的持续时间；T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间；T_s表示节点竞争到信道后，成功地发送数据所用的时间；

若令H＝PHY_hdr+MAC_hdr表示一个数据包在MAC层(MAC_hdr)和物理层(PHY_hdr)所加包头的长度，δ表示数据传播延迟，T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间，E[P]是数据包的平均长度，E[P^*]是每次冲突中最长负载包的平均长度，假设所有数据包具有相同的长度，因此有E[P]＝E[P^*]＝P；即

在基本访问方法情况下有：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\mathrm{DIFS}+H+E\left[P\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{ACK}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{\δ}\\ T_c=\mathrm{DIFS}+H+E\left[P^{*}\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{ACK}\end{array}\right.$

在RTS/CTS访问方法情况下有

$\left\{\begin{array}{c}{T}_s=\mathrm{DIFS}+\mathrm{RTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{CTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}\\ +H+E\left[P\right]+\mathrm{\δ}+\mathrm{ACK}+\mathrm{\δ}\\ T_c=\mathrm{DIFS}+\mathrm{RTS}+\mathrm{\δ}+\mathrm{SIFS}+\mathrm{CTS}\end{array}\right.$

在IEEE 802.11中，其中SIFS为短帧间间隔时间(Short Inter frameSpace)，DIFS为DCF帧间间隔时间(DCF Interframe Space)，ACK为确认帧时长，RTS和CTS为相应控制帧时长。

每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系是通过建立二维Markov模型得到的，其关系为

τ为每个节点的发送概率，CW为竞争窗口；

推导出来的最优竞争窗口CW的计算公式为

5.如权利要求1所述的方法，步骤4具体是一种计算最优竞争窗口的方法，包括如下步骤：

如权利要求1所述的方法的步骤1中计算得到无线网络介质访问延时D；

如权利要求1所述的方法的步骤2中估算出通信范围内活动节点数n；

如权利要求1所述的方法的步骤3中利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式 $\mathrm{\τ}=\frac{2}{\mathrm{CW}+1};$

然后，利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算得到时延D极小值是的最优竞争窗口CW_opt：

其中，σ是一个时隙的持续时间；T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间。

6.如权利要求1所述的方法，步骤5具体是一种计算退避时间的方法，包括如下步骤：

如权利要求1所述的方法的步骤1中计算得到无线网络介质访问延时D；

如权利要求1所述的方法的步骤2中估算出通信范围内活动节点数n；

如权利要求1所述的方法的步骤3中利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式 $\mathrm{\τ}=\frac{2}{\mathrm{CW}+1};$

然后，利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算得到时延D为极小值时的最优竞争窗口CW_opt：

其中，σ是一个时隙的持续时间；T_c表示由于冲突而使信道处于忙状态的平均时间。

最后、当无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同。

7.一种无线信道访问竞争控制系统，包括如下模块：

模块1、用于计算无线网络介质访问延时D；

模块2、用于估算通信范围内活动节点数n；

模块3、用于利用无线网络介质访问延时D与每个节点的发送数据的概率τ的关系以及每个节点的发送数据的概率τ与竞争窗口CW的关系，推导出竞争窗口CW的计算公式；

模块4、用于利用推导出的竞争窗口CW的计算公式，根据所估算出来的活动节点数n，动态地计算最优竞争窗口CW_opt；

模块5、用于在无线通信发生冲突时，在最优竞争窗口CW_opt上增加一个随机数，使得竞争信道的不同节点退避时间不同；

模块6、用于根据各节点的退避时间进行无线信道访问控制。

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