CN101951612B - 一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法。DCF协议的公平性问题是指在多跳无线ad hoc网络中，该协议无法有效保证地位相同的多个数据流公平地共享网络信道带宽。本发明结合节点物理载波检测范围大于传输范围的实际网络条件，提出了一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法。该方法通过基于自适应功率控制的RTS/CTS握手过程传递反映数据流当前对信道带宽占用情况的数据流占用信道指数，然后要求发送节点根据自身及邻居数据流的占用信道指数，综合判断当前数据流是否占用了过多的信道资源，最后采用发送节点合作调整退避竞争窗口的方法实现多个数据流公平共享信道带宽。无线网络仿真环境GloMoSim中的仿真实验数据证明了该方法的有效性。

Description

一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法。

背景技术

Ad hoc网络是一种新型的无线网络。它由一系列地位完全平等的移动节点组成，无需任何固定或预设的网络设施。网络中的每个节点既是终端又是路由器，它们在信道访问控制(Medium Access Control，MAC)协议的控制下，以多跳共享的方式接入无线信道。由于具有组网快速灵活、可靠性高的特点，Ad Hoc网络被广泛应用于无法提供固定通信基础设施的环境中，比如野战通信、抢险救灾、野外科考、临时会议等。

IEEE 802.11DCF(Distributed Coordination Function)是无线局域网中的标准协议，它通过物理载波检测机制和虚拟载波检测机制避免发送节点之间的冲突，并提供了两种传输模式，即收/发节点两次握手的基本传输模式和收/发节点四次握手的RTS/CTS模式。由于RTS/CTS控制帧握手机制可以部分的解决多跳无线网络中的隐终端问题，因而DCF协议的RTS/CTS模式已被广泛应用于ad hoc网络的各种仿真和测试床，成为了事实上的ad hoc网络MAC协议规范。但由于这个协议本身是针对单跳无线局域网环境设计的，因而在应用于多跳ad hoc网络中时会出现很多新问题，DCF协议的公平性问题就是其中之一。

DCF协议的公平性问题是指在多跳无线ad hoc网络中，该协议无法有效保证地位相同的多个数据流公平性地共享网络信道带宽。为了便于说明，本说明书将节点发送信号时，对网络中除接收节点以外的其余节点产生的干扰划分为传输干扰和载波干扰两大类。其中，传输干扰指发送节点对其传输范围之内的节点产生的干扰，而载波干扰是指发送节点对其传输范围之外，噪声范围之内的其余节点产生的干扰。下面结合GloMoSim网络仿真环境中的仿真实验，对DCF协议公平性问题产生的原因进行详细说明。

首先采用附图1所示的四点链状网络拓扑进行仿真。在该拓扑中，所有节点分布在同一条直线上，如箭头方向所示，4个节点组成两对收/发节点。收/发节点之间的距离为d₁，两对收/发节点之间的距离为d₂。物理层采用DSSS模型，信道比特率为2Mbps。网络层采用静态路由协议，传输层采用UDP协议，仿真的业务类型为恒定比特率(CBR)业务，其余仿真参数如表1所示。仿真时间为300秒，每对收/发节点之间的CBR流在仿真开始后第10秒建立并传输数据，直到仿真结束为止。数据包的大小为1024字节，发送间隔为2ms，使得信道处于饱和状态。

表1仿真参数

本说明书采用公平性指数FI评价多个CBR流之间的公平性，FI定义为

$\mathrm{FI}=\frac{{(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i/{\mathrm{\φ}}_2)}^2}{N\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(T_i/{\mathrm{\φ}}_i)}^2}---\left(1\right)$

其中，N为网络中流的总数，T_i和φ_i分别表示流i的吞吐量和权重，表示多个流完全公平的共享信道带宽。考虑所有的CBR流权重相等，则FI在区间[0.5，1]中取值，它的值越大，表示网络中多个流之间的公平性越好。表2给出了当四点链状拓扑中d₁和d₂分别取不同值时两个流的平均吞吐量和公平性指数。

表2DCF协议四点链状拓扑仿真结果

注：Th₀₁表示节点0到节点1的流的平均吞吐量，Th_total表示网络总吞吐量由表2所示的仿真结果可以看出：

(1)当d₁＝50m，d₂＝100m时，由于节点的传输范围为250m，因而所有节点都处在单跳传输范围之内。此时，多跳无线ad hoc网络退化为单跳的无线局域网。当发送节点发送RTS帧或数据帧，接收节点应答CTS帧或ACK帧时，它们对另一对收/发节点产生的干扰均为传输干扰。在这种情况下，节点不仅能通过物理载波检测机制检测到信道变忙，而且还能正确识别传输干扰信号的内容，通过虚拟载波检测机制获知信道持续变忙的时间，从而避免冲突。如仿真结果所示，在二进制指数退避算法的作用下，网络中的两对收/发节点能公平的共享信道带宽，且总吞吐量达到了饱和信道容量值。

(2)当d₁和d₂均为200m时，两个发送节点都不在对方的传输范围之内。当一个发送节点发送RTS帧或数据帧时，它对另一个发送节点产生的干扰均为载波干扰。由于节点的物理载波检测范围是550m，因而发送节点能通过DCF协议的物理载波检测机制检测到另一个发送节点传输的信号，判定信道变忙，但却无法正确识别该信号的内容。仿真结果表明，当两个发送节点都在对方的物理载波检测范围内时，物理载波检测机制能在一定程度上为发送节点提供了一种同步机制。在二进制指数退避算法的作用下，该同步机制为DCF协议带来了较好的公平性。

(3)当d₁＝200m，d₂＝370m时，两个发送节点都不在对方的物理载波检测范围之内，物理载波检测机制无法为发送节点提供同步。发送节点2在接收节点1的传输范围之外，节点2也无法通过虚拟载波检测机制获知节点0和节点1之间数据传输的持续时间。因而两个发送节点都认为信道一直空闲，持续向接收节点传输数据。同时，由2.3小节中的分析可知，发送节点2在接收节点1的冲突范围之内，当节点0向节点1发送RTS帧或数据帧时，节点2同时发送给节点3的信号将导致接收节点1发生冲突，使得节点1无法正确接收节点0发送的RTS帧或数据帧。仿真结果表明，在这种情况下，载波干扰给DCF协议带来了严重的不公平问题，信道被发送节点2和接收节点3完全垄断。

(4)当d₁＝200m，d₂＝500m时，与(3)中的情况类似，两个发送节点都不在对方的物理载波检测范围之内，物理载波检测机制无法为发送节点提供同步。同时，虽然发送节点2不在接收节点1的冲突范围之内，但节点2却在节点1的物理载波检测范围之内。当节点2发送信号时，节点1能通过物理载波检测机制检测到信道忙，因而无法应答节点0发送的RTS帧或数据帧，导致节点0发送失败。仿真结果表明，在这种情况下，载波干扰仍然给DCF协议带来了不公平问题。

(5)当d₁＝200m，d₂＝600m时，两对收/发节点都不在对方的物理载波检测范围内，因而每对收/发节点都能独立的占用信道带宽，达到饱和的信道容量值。

为了在网络中存在多对数据流的条件下，对DCF协议存在的公平性问题做进一步的说明，本文将附图1所示的四点链状拓扑扩展为附图2所示的八点同心圆拓扑。在该拓扑中，4对收/发节点成对均匀分布在同心圆的内外环上，并按箭头所示方向建立起4个CBR流。其余仿真参数的配置与四点链状拓扑中的仿真相同。表3给出了当同心圆拓扑的内、外环半径r和R分别取不同值时，四个流的平均吞吐量和公平性指数。

表3DCF协议八点同心圆拓扑仿真结果

由表3所示的仿真结果可以看出，当网络中存在多对收/发节点时，数据流的平均吞吐量和公平性指数随同心圆半径的变化趋势与表2所示的四点链状拓扑下的仿真结果基本一致。其中：

(1)当r＝50m，R＝100m时，网络中所有节点都在单跳传输范围之内，节点能通过侦听传输干扰中的发送持续时间字段来设置NAV值，从而避免冲突，保证公平性，FI的取值为1。

(2)当r＝100m，R＝300m时，所有发送节点都在彼此的物理载波检测范围之内，因而物理载波检测机制能为发送节点提供同步机制，保证公平性，FI的取值近似为1。

(3)当r＝185m，R＝385m时，不仅物理载波检测机制无法为发送节点提供同步机制，而且部分发送节点还在其他收/发节点对的接收节点冲突范围之内。这些发送节点产生的信号干扰将导致部分接收节点发送冲突，因而信道被两对收/发节点垄断，出现极端不公平现象，FI取最小值0.5。

(4)当r＝250m，R＝450m时，物理载波检测机制无法为发送节点提供同步，载波干扰仍然给DCF协议带来了不公平问题，FI的取值在0.8左右。

(5)当r＝300m，R＝500m时，由于这两对收/发节点都不在对方的物理载波检测范围内，因而每对收/发节点都能独立的占用信道带宽，FI达到最大值1。

因此，综合上述仿真结果可知，当网络中的多个发送节点都在彼此的传输范围之内时，发送节点能通过侦听传输干扰中的发送持续时间字段来设置NAV值，从而避免冲突，保证DCF协议的公平性。当发送节点在彼此的传输范围之外，物理载波检测范围之内时，虽然发送节点无法正确识别载波干扰信号的内容，但物理载波检测机制却能为发送节点提供一种有效的同步机制，该同步机制仍然能保证DCF协议的公平性。但是，当部分发送节点不在其余发送节点的物理载波检测范围之内时，物理载波检测机制则无法为发送节点提供同步。在这种情况下，载波干扰则会严重破坏DCF协议的公平性，当部分接收节点的冲突范围内存在干扰发送节点时，信号干扰引起的冲突甚至还会导致信道被某些收/发节点垄断，出现极端不公平现象。

近年来，DCF协议公平性问题引起了研究人员广泛的关注。现有的DCF协议公平性改进方法可以分为两类，第一类方法针对DCF协议中的二进制指数退避(Binary Exponential Backoff，BEB)法则进行改进，从而保证发送失败的节点能公平的获得信道带宽。这种方法的不足之处是仅能保证节点在发送失败时能更多的获得信道带宽，却没有考虑当节点通过物理载波检测机制检测到载波干扰时，载波检测机制会对DCF协议公平性产生的影响。第二类方法基于网络节点的通信范围和物理载波检测范围相等的假设条件。由该假设条件可知，如果节点通过物理载波检测机制检测到某一载波干扰信号，则节点必能同时正确接收该信号，并识别信号所包含的MAC帧的各个字段的内容。在这一假设条件的基础上，该类方法通过每个节点接收和侦听到的MAC帧的类型及目的节点地址来估算自身及其他节点所占用的信道份额，从而相应的调整发送策略，改善DCF协议的公平性。然而，根据本说明书结合仿真实验对DCF协议公平性问题所做的说明可知，在实际的基于载波检测机制的无线ad hoc网络中，节点的物理载波检测范围比传输范围要大很多，当节点通过DCF协议的物理载波检测机制检测到发送节点的信号时，它却并不一定能同时正确接收该信号。因此，第二类改进方法并不适用于实际的无线ad hoc网络环境。

发明内容

本发明的目的是在节点物理载波检测范围大于传输范围的多跳无线ad hoc网络的实际条件下，提出一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法，从而保证网络中多个数据流公平的共享网络信道带宽。

为了实现上述目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：将当前时刻数据流接收节点所获得的数据流平均吞吐量与数据流发送节点的传输速率的比值定义为数据流占用信道指数。

步骤2：在RTS/CTS控制帧中添加数据流结束时间字段和数据流当前占用信道指数值字段，从而通过RTS/CTS控制帧的传输，捎带向邻居节点广播数据流结束时间信息和数据流当前占用信道指数信息，并根据RTS/CTS控制帧发送成功的概率对RTS/CTS控制帧的发送功率进行自适应调整。

RTS/CTS帧发送功率自适应调整方法的具体方法为：

(1)在当前数据流没有占用过多信道带宽的情况下，如果发送节点向接收节点连续发送RTS帧的次数超过10次，却没有收到接收节点应答的CTS帧，则本发明通过增大RTS帧发送功率提高RTS帧发送成功的概率。如果当前数据流占用了过多信道带宽，或者发送节点向接收节点连续发送RTS帧的次数低于10次，则本发明采用DCF协议规定的标准发送功率发送RTS帧；

(2)在当前数据流没有占用过多信道带宽的情况下，如果接收节点持续向发送节点应答CTS帧的次数超过10次，却没有收到发送节点传输的Data帧，则本发明通过增大CTS帧发送功率提高CTS帧发送成功的概率。如果当前数据流占用了过多信道带宽，或者接收节点持续向发送节点应答CTS帧的次数低于10次，则本发明采用DCF协议规定的标准发送功率发送CTS帧。

步骤3：数据流发送节点根据当前数据流的占用信道指数，以及侦听到的邻居数据流的结束时间和占用信道指数，判断当前数据流是否占用了过多的信道带宽，从而决定发送节点是否进入延长退避状态。

判断当前数据流是否占用了过多的信道带宽及发送节点是否进入延长退避状态的具体方法为：发送节点将当前数据流的占用信道指数与侦听到的网络中其他邻居数据流的占用信道指数进行加和求平均值，如果当前数据流的占用信道指数值大于该平均值，则说明当前数据流占用了过多的信道带宽，发送节点进入延长退避状态；如果当前数据流的占用信道指数值小于或等于该平均值，则说明当前数据流没有占用过多的信道带宽，发送节点保持普通退避状态。

步骤4：发送节点合作性地调整退避竞争窗口大小，处于普通退避状态的发送节点按照二进制指数退避的方法设置退避竞争窗口的值；而处于延长退避状态的发送节点则在开始预约发送之前增大退避竞争窗口的值，从而实现多个数据流公平地共享信道带宽。

表4和表5给出了分别采用附图1所示的四点链状网络拓扑和附图2所示的八点同心圆拓扑，针对本发明提出的DCF协议公平性保证方法进行仿真实验所得到的多个流的平均吞吐量和公平性指数。仿真参数和业务配置方法与本说明书背景技术部分中针对DCF协议所做的仿真实验相同。

表4本发明四点链状拓扑仿真结果

表5本发明八点同心圆拓扑仿真结果

分别将表2与表4，以及表3与表5中的仿真实验数据进行比较，即可说明本发明提出的DCF协议公平性保证方法可以有效保证多跳ad hoc网络中多个数据流公平地共享网络带宽。

附图说明

图1是四点链状仿真拓扑；

图2是八点同心圆仿真拓扑；

图3是本发明提出的公平性保证方法的发送流程图；

图4是本发明提出的公平性保证方法的接收流程图；

图5是本发明提出的公平性保证方法的侦听流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的基于节点合作退避的多跳ad hoc网络DCF协议公平性保证方法已经在无线网络仿真环境GloMoSim中实现，并通过GloMoSim环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的基于节点合作退避的多跳ad hoc网络DCF协议公平性保证方法简记为CFGM(Cooperative Fairness Guarantee Method)。下面给出CFGM的具体实施步骤：

步骤1：定义数据流占用信道指数。

数据流由一对传输一定数量数据分组的发送节点和接收节点组成。不同数据流的发送节点可以采用不同的传输速率发送数据分组，以IEEE 802.11b为例，节点物理层支持的传输速率有1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps。为了反映当前时刻网络中每一个数据流在一定传输速率条件下对网络信道带宽的占用情况，CFGM定义了数据流占用信道指数(CUI)：

$\mathrm{CUI}=\frac{T_{\mathrm{receiver}}}{R_{\mathrm{sender}}}---\left(2\right)$

其中T_receiver表示接收节点当前时刻获得的数据流平均吞吐量，R_sender表示数据流发送节点的传输速率。在一定时刻，网络中某一个数据流的CUI的值越大，则说明该数据流当前所占用的网络信道带宽越大。

步骤2：通过RTS/CTS控制帧捎带广播数据流结束时间和数据流当前的CUI值，并对RTS/CTS控制帧的发送功率进行自适应调整。

CFGM在RTS/CTS控制帧中添加了用于存放该数据流结束时间的V_FT字段和用于存放控制帧发送时刻数据流CUI值的V_CUI字段。在发送节点和接收节点之间的数据流初始建立时，RTS/CTS控制帧V_CUI字段的初值为0。数据流传输开始后，当接收节点每次收到发送节点的RTS帧时，可以通过跨层调用的方法获知应用层维护的数据流平均吞吐量的值，然后结合发送节点的数据传输速率，即可由(2)式计算出当前时刻数据流CUI的值，并将该值存放在CTS帧的V_CUI字段中。CFGM要求节点在内存中维护一个收方反馈占用信道指数变量(RCU)，发送节点收到接收节点应答的CTS帧后，即将CTS帧V_CUI字段的值保存在RCU变量中。当发送节点再次向接收节点发送RTS帧预约信道时，发送节点将RCU变量的值写入RTS帧的V_CUI字段。因此，数据流收/发节点邻居范围内的其他节点即可通过侦听RTS/CTS帧中的V_FT和V_CUI字段分别获知该数据流结束的时间和该数据流当前占用网络信道带宽的情况。

结合本说明书背景技术部分的介绍可知，网络中其余数据流产生的载波干扰可能会引起RTS/CTS控制帧接收过程发生冲突，从而导致多个数据流无法公平地共享网络信道带宽。为了保证数据流发送节点和接收节点能成功完成RTS/CTS控制帧预约，并捎带实现数据流占用信道指数的可靠广播，CFGM要求发送节点和接收节点根据RTS/CTS控制帧握手成功的概率，对RTS/CTS帧的发送功率进行自适应调整。具体调整方法为：

1、RTS帧发送功率自适应调整。

CFGM要求发送节点在内存中维护一个表示发送节点正处于延长退避状态的指示变量(PBI)和一个RTS帧发送失败次数计数器变量(RFC)。本发明具体实施方式的步骤3对PBI变量的设置方法进行了详细描述，当发送节点处于延长退避状态时，PBI变量的值为1；而当发送节点处于普通退避状态时，PBI变量的值为0。RFC变量的初始值为0，每当发送节点向接收节点发送一次RTS帧，则发送节点将RFC变量的值加1；而如果发送节点成功收到了接收节点应答的CTS帧，则发送节点将RFC变量的值清零。

发送节点在向接收节点发送RTS帧之前，首先读取PBI和RFC变量的值，如果PBI变量的值为0，且RFC变量的值大于等于10，即表明节点当前不处于延长退避状态，且发送RTS帧持续失败的次数大于等于10。在这种情况下，发送节点按照以下的法则增大RTS帧的发送功率(P_RTS)，P_RTS的最大值为100mW：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{RTS}}=P_{\mathrm{RTS}}+30\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{RTS}}+30\mathrm{mW})\≤100\mathrm{mW}\\ P_{\mathrm{RTS}}=100\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{RTS}}+30\mathrm{mW})>100\mathrm{mW}\end{array}\right.---\left(3\right)$

而如果RTS帧发送之前PBI变量的值为1，或者RFC变量的值小于10，则发送节点采用DCF协议规定的标准发送功率P_std发送RTS帧。

同时，为了将发送节点当前PBI变量的值传递给接收节点，CFGM在RTS帧中添加了用于存放发送节点当前PBI变量值的V_PBI字段。

2、CTS帧发送功率自适应调整。

CFGM要求节点在内存中维护一个CTS帧发送失败次数计数器变量(CFC)。CFC变量的初始值为0，每当接收节点向发送节点应答一次RTS帧，则发送节点将CFC变量的值加1；而如果接收节点成功收到了发送节点传输的Data帧，则接收节点将CFC变量的值清零。

接收节点收到发送节点的RTS帧后，在应答CTS帧之前，首先读取RTS帧V_PBI字段的值和节点内存中CFC变量的值，如果V_PBI字段的值为0，且CFC变量的值大于等于10，即表明数据流的发送节点当前不处于延长退避状态，且接收节点应答CTS帧持续失败的次数大于等于10。在这种情况下，接收节点按照以下的法则增大CTS帧的发送功率(P_CTS)，P_CTS的最大值为300mW：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{CTS}}=P_{\mathrm{CTS}}+30\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{CTS}}+30\mathrm{mW})\≤300\mathrm{mW}\\ P_{\mathrm{CTS}}=300\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{CTS}}+30\mathrm{mW})>300\mathrm{mW}\end{array}\right.---\left(4\right)$

而如果V_PBI字段的值为1，或者CFC变量的值小于10，则接收节点采用DCF协议规定的标准发送功率P_std发送CTS帧。

步骤3：判断当前发送节点是否进入延长退避状态；

在本发明具体实施方式的步骤2中已经提到，CFGM要求发送节点在内存中维护一个表示节点正处于延长退避状态的指示变量(PBI)。为了得出发送节点当前PBI变量的值，CFGM同时要求发送节点在内存中维护一个邻居数据流占用信道指数线性链表(NCL)。线性链表中的每个结点由存储后继结点位置信息的指针域和存放数据元素信息的数据域组成。其中，头结点指针域中的指针给出了头结点的存放地址，尾结点指针域中的指针为“空”(NULL)，而其余结点指针域中的指针则指向线性链表中下一个结点的存放地址。每个结点的数据域包含以下信息：(1)邻居数据流身份识别编号；(2)邻居数据流结束的时间；(3)邻居数据流占用信道指数。

每当数据流发送节点侦听到网络中一个新数据流收/发节点交互的RTS/CTS控制帧，发送节点即在线性链表的尾部插入一个新结点，并将侦听到的控制帧相关字段的值写入结点数据域。当发送节点再次侦听到该邻居数据流交互的RTS/CTS控制帧时，则对NCL中的相关结点数据域的值进行更新。邻居数据流结束时间指示邻居数据流传输结束后，发送结点将NCL中用于存储该邻居数据流信息的结点删除。

在以下两种情况下，CFGM要求发送节点更新PBI变量的值，并判断自身是否应进入延长退避状态：(1)发送节点侦听到网络中其他邻居数据流交互的RTS/CTS控制帧，对NCL中的元素进行了更新；(2)收到本数据流接收节点应答的CTS帧，通过该CTS帧中的V_CUI字段获知本数据流占用信道指数信息的当前值。

PBI变量值更新和发送节点是否进入延长退避状态的判断方法是：发送节点将NCL中所有结点数据域的邻居数据流占用信道指数的值与节点内存中维护的RCU变量的值进行加和求平均值。由于RCU变量保存的是接收节点通过CTS帧反馈提供的数据流当前占用信道指数的值，因此，如果RCU变量的值大于平均值，则说明该发送节点发起的数据流占用了过多的信道资源，节点PBI变量的值设置为1，节点进入延长退避状态；而如果RCU变量的值小于或等于平均值，则说明该数据流没有占用过多的信道资源，节点PBI变量的值设置为0，节点不处于延长退避状态。

步骤4：发送节点合作性地调整退避竞争窗口大小。

为了保证网络中多个数据流公平地共享网络信道带宽，CFGM规定，如果发送节点当前不处于延长退避状态，则按照DCF协议提供的二进制指数退避法则调整退避窗口的大小；而如果发送节点处于延长退避状态，则按照以下法则增大退避竞争窗口的大小：

其中CW_max取1023，rand[1，2]表示在区间[1，2]内随机选取的一个数，记号表

示不大于x的最大整数。因此，当发送节点通过PBI变量的指示，获知当前占用了过多的信道资源而处于延长退避状态时，则通过(5)式增大退避竞争窗口的大小，从而延长发送前的退避时间，减少对信道资源的占用。当CFGM在多跳adhoc网络中分布式运行时，网络中多个数据流的发送节点可以合作性地调整竞争退避窗口大小，最终实现多个数据流公平地共享网络信道资源。

由上述步骤可知，在同一时刻，网络中不同的节点可能分别处于发送、接收或侦听过程。附图3、4和5分别给出了本发明提出的公平性保证方法的发送、接收和侦听流程图。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法，所采用的步骤是：

步骤1：将当前时刻数据流接收节点所获得的数据流平均吞吐量与数据流发送节点的传输速率的比值定义为数据流占用信道指数；

步骤2：在RTS/CTS控制帧中添加数据流结束时间字段和数据流当前占用信道指数值字段，从而通过RTS/CTS控制帧的传输，捎带向邻居节点广播数据流结束时间信息和数据流当前占用信道指数信息，并根据RTS/CTS控制帧发送成功的概率对RTS/CTS控制帧的发送功率进行自适应调整；

步骤3：发送节点将当前数据流的占用信道指数与侦听到的网络中其他邻居数据流的占用信道指数进行加和求平均值，如果当前数据流的占用信道指数值大于该平均值，则说明当前数据流占用了过多的信道带宽，发送节点进入延长退避状态；如果当前数据流的占用信道指数值小于或等于该平均值，则说明当前数据流没有占用过多的信道带宽，发送节点保持普通退避状态；

步骤4：发送节点合作性地调整退避竞争窗口大小，处于普通退避状态的发送节点按照二进制指数退避的方法设置退避竞争窗口的值；而处于延长退避状态的发送节点则在开始预约发送之前增大退避竞争窗口的值，从而实现多个数据流公平地共享信道带宽。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法，其特征在于RTS/CTS帧发送功率自适应调整的具体方法为：

(1)在当前数据流没有占用过多信道带宽的情况下，如果发送节点向接收节点连续发送RTS帧的次数超过10次，却没有收到接收节点应答的CTS帧，则按照以下法则增大RTS帧的发送功率P_RTS，P_RTS的最大值为100mW：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{RTS}}=P_{\mathrm{RTS}}+30\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{RTS}}+30\mathrm{mW})\≤100\mathrm{mW}\\ P_{\mathrm{RTS}}=100\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{RTS}}+30\mathrm{mW})>100\mathrm{mW}\end{array}\right.---\left(1\right)$

如果当前数据流占用了过多信道带宽，或者发送节点向接收节点连续发送RTS帧的次数低于10次，则采用DCF协议规定的标准发送功率发送RTS帧；

(2)在当前数据流没有占用过多信道带宽的情况下，如果接收节点持续应答发送节点的RTS帧的次数超过10次，却没有收到发送节点传输的Data帧，则按照以下法则增大CTS帧的发送功率P_CTS，P_CTS的最大值为300mW：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{CTS}}=P_{\mathrm{CTS}}+30\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{CTS}}+30\mathrm{mW})\≤300\mathrm{mW}\\ P_{\mathrm{CTS}}=300\mathrm{mW},& (P_{\mathrm{CTS}}+30\mathrm{mW})>300\mathrm{mW}\end{array}\right.---\left(2\right)$

如果当前数据流占用了过多信道带宽，或者发送节点向接收节点连续发送RTS帧的次数低于10次，则采用DCF协议规定的标准发送功率发送CTS帧。

3.根据权利要求1所述的一种适用于多跳ad hoc网络的DCF协议公平性保证方法，其特征在于处于延长退避状态的发送节点在开始预约发送之前增大退避竞争窗口CW的具体方法为：

其中CW_max取1023，rand[1，2]表示在区间[1，2]内随机选取的一个数，记号

表示不大于x的最大整数。

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