CN102421151A - 基于wlan竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，属于通信领域，本发明为解决现有BEB退避算法中的以下几个问题：1、最小竞争窗口的设定缺乏理论基础；2、对网络的碰撞状况没有记忆能力；3、公平性差，对网络的碰撞状况不能快速解决的问题。本发明所述基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，该方法包括以下步骤：步骤一、根据公式

获取最优发送概率τ_opt，步骤二、根据步骤一获取的最优发送概率τ_opt，并按公式p＝1-(1-τ_opt)^n-1获取最优发送概率τ_opt对应的碰撞概率p；步骤三、根据最优发送概率τ_opt及其对应碰撞概率p，并按公式

获取最小竞争窗口的大小W_min。

Description

基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法

技术领域

本发明涉及基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，属于通信领域。

背景技术

当今时代，无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)遍布在世界的许多角落，WLAN的蓬勃发展，让人们的通信生活变得更加的丰富多彩。随着通信业务的多样化，特别是多媒体业务的不断发展，智能终端的使用数目急剧增大，WLAN面临着巨大的压力。因此，如何最大程度的提高WLAN接纳容量，最大限度的提高WLAN的网络性能，已经成为国内外研究的重要研究课题。

IEEE 802.11WLAN中站点对无线媒介的访问由协调功能控制，在IEEE 802.11中有三种不同的协调功能类型，基于载波监听多路访问/冲突避免机制的分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)以及构建于分布式协调功能之上的点协调功能(Point Coordination Function，PCF)和混合协调功能(Hybrid Coordination Function，HCF)。由此可以看出DCF是IEEE802.11MAC协议的基础，而退避算法作为DCF的关键部分，因此研究一种性能良好的退避算法，对于提高WLAN网络性能至关重要。

IEEE 802.11DCF采用的二进制指数退避(Binary Exponential Backoff，BEB)算法，竞争的工作站随机从退避窗口中选出一个时隙，然后等待该时隙的到来以便访问媒介。当传送失败时，退避时间便会从一个退避窗口内挑选，当重传次数增加时，退避窗口随之增大。退避窗口通常为2的指数倍减1(例如31、63、127、255)，每当重传计数器加1，退避窗口就会移至下一个2的指数倍减1。直到退避窗口达到最大值，这个最大由物理层决定，比如直接序列物理层限制了最大退避窗口大小为1023个传送时隙。可以通过以下表达式将算法描述如下。退避时间Back Time为：BackTime＝INT(CW*Random())*SlotTime，其中INT()表示取整，Random()为选取到的随机数，SlotTime为一个传送时隙的时间。而退避窗口的计算如下：

其中CW表示竞争窗口，CW_min表示最小竞争窗口，CW_max表示最大竞争窗口，min()表示取最小值。

IEEE802.11DCF的BEB退避算法由于简单高效而广泛使用，但是实践和理论研究表明BEB算法存在着很多明显的缺点。最小竞争窗口大小的设定没有任何的确切理论基础，只是主观的根据一次的碰撞评价当前的网络状态；而当工作站成功发送数据之后，退避窗口便设定为初始值，没有记忆性，直接忘记了网络之前的拥堵情况。公平性差，对于网络状况十分拥堵的时候不能快速解决。归根结底，BEB算法退避参数不能实时针对网络状态而实时调整，直接降低DCF协议性能。

发明内容

本发明目的是为了解决现有BEB退避算法中的以下几个问题：1、最小竞争窗口的设定缺乏理论基础；2、对网络的碰撞状况没有记忆能力；3、公平性差，对网络的碰撞状况不能快速解决的问题，提供了一种基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法。

本发明所述基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据公式

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{n\sqrt{T_c^{*}/2}}$

获取最优发送概率τ_opt，

式中，n为WLAN竞争站点数目，

为碰撞长度；

步骤二、根据步骤一获取的最优发送概率τ_opt，并按公式

p＝1-(1-τ_opt)^n-1

获取最优发送概率τ_opt对应的碰撞概率p；

步骤三、根据最优发送概率τ_opt及其对应碰撞概率p，并按公式

$W_{\min }=\frac{2(1-2p)-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p)}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p+p(1-{\left(2p\right)}^m))}$

获取最小竞争窗口的大小W_min，

式中，m为最大退避阶数。

本发明的优点：本发明提出了一种复杂度低、效率较高的基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法。理论研究和实践表明竞争站点数目直接影响着工作站的饱和吞吐量。只有通过WLAN竞争站点数目来动态的调整最小竞争窗口的大小才能获得WLAN的最高网络性能。本发明通过跟踪WLAN竞争站点数目来动态的调整最小竞争窗口的大小最大限度提高网络性能。

附图说明

图1是退避过程的马尔可夫链模型图；

图2是基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图2说明本实施方式，本实施方式所述基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据公式

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{n\sqrt{T_c^{*}/2}}$

获取最优发送概率τ_opt，

式中，n为WLAN竞争站点数目，

为碰撞长度；

步骤二、根据步骤一获取的最优发送概率τ_opt，并按公式

p＝1-(1-τ_opt)^n-1

获取最优发送概率τ_opt对应的碰撞概率p；

步骤三、根据最优发送概率τ_opt及其对应碰撞概率p，并按公式

$W_{\min }=\frac{2(1-2p)-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p)}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p+p(1-{\left(2p\right)}^m))}$

获取最小竞争窗口的大小W_min，

式中，m为最大退避阶数。

本实施方式提出的基于竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，其明显的优势在于它理论性强而又简单的实现过程：

首先，利用马尔可夫链对IEEE 802.11的退避过程进行建模，如图1所示，对模型进行深入分析和求解之后，求解出饱和吞吐量和站点发送数据概率之间的关系，并且推导出使网络获得最大饱和吞吐量的最优发送概率。

其次，由于发送概率和最小竞争窗口之间有着直接的关系，所以进一步可以通过调整最小竞争窗口来计算出最优发送概率。

最后，通过发送概率和当前网络中竞争站点数目的关系，进一步，可以实时的跟踪当前网络中竞争站点的数目来动态的调整最小竞争窗口的大小使得最优发送概率达到最优，以获得当前网络达到最优网络性能。

图1中椭圆内分别为随机过程s(t)和随机过程b(t)。随机过程s(t)表示相应工作站在时刻t的退避阶数，随机过程b(t)代表工作站的退避时间计数器。t和t+1代表两个连续时隙的起始时刻。在每一个时隙的起始，退避时间计数器减1。通过对模型分析，我们可以得到退避过程的一步非零转移概率如下方程式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{ccc}P(i,k|i,k+1)=1& k\∈(0,W_i-2)& i\∈(0,m)\\ P(0,k|i,0)=\frac{1-p}{W_0}& k\∈(0,W_0-1)& i\∈(0,m)\\ P(i,k|i-\mathrm{1,0})=\frac{p}{W_i}& k\∈(0,W_i-1)& i\∈(0,m)\\ P(i,k|i,0)=\frac{p}{W_m}& k\∈(0,W_i-1)& \end{array}\right.---\left(1\right)$

上面(1)式中各个分量的物理意义如下：

p：碰撞概率；

i：退避阶数；

k：退避等待时间；

m：最大退避阶数；

W_i：退避阶数为i时的竞争窗口大小；

定义i∈(0，m)，k∈(0，W_i-1)为(1)的稳态解。显然，每一个工作站都只有在退避时间变成0的时候才能发送数据，所以可以求出发送概率τ的表达式如下：

$\mathrm{\τ}=\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,0}=\frac{b_{\mathrm{0,0}}}{1-p}=\frac{2(1-2p)}{(1-2p)(W+1)+\mathrm{pW}(1-{\left(2p\right)}^m)}---\left(2\right)$

(2)式可以改写为W关于τ的函数：

$W=\frac{2(1-2p)-\mathrm{\τ}(1-2p)}{\mathrm{\τ}(1-2p+p(1-{\left(2p\right)}^m))}---\left(3\right)$

其中W为最小竞争窗口。通过对(1)进行求解，可以得到碰撞概率p和发送概率τ之间的关系如式(4)所示。

p＝1-(1-τ)^n-1     (4)

为了深入探究最小竞争窗口和网络性能之间的关系，定义网络的饱和吞吐量S的如式(5)。

为了具体求解S，作如下定义：

σ：信道空闲的时间；

T_S：成功传输而检测到信道忙的时间；

T_C：发生碰撞而检测到信道为忙的时间；

P_tr：在某一时隙至少有一个工作站在传输数据的概率；

P_s：至少有一个工作站在传输的条件下，成功传输的概率；

所有由式(5)，可以得：

$S=\frac{P_s{P}_{\mathrm{tr}}E\left[P\right]}{(1-P_{\mathrm{tr}})\mathrm{\σ}+P_{\mathrm{tr}}{P}_s{T}_s+P_{\mathrm{tr}}(1-P_s)T_c}---\left(6\right)$

使S达到最大的发送概率必须满足式(7)：

$\mathrm{\τ}=\frac{\sqrt{[n+2(n-1)(T_c^{*}-1)]/n}-1}{(n-1)(T_c^{*}-1)}\≈\frac{1}{n\sqrt{T_c^{*}/2}}---\left(7\right)$

代表碰撞长度，IEEE 802.11WLAN在特定的工作机制下。

为定值。比如在IEEE802.11WLAN使用RTS/CTS工作机制下的条件下，

所以通过(7)可以求得不同竞争站点数所对应的最优发送概率τ_opt。

其次，通过式(4)可以计算出最优发送概率所对应的碰撞概率p。

最后，由于最大退避阶数m在IEEE 802.11中为常值5。所以通过(3)联合之前已经求出的最优发送概率τ_opt以及碰撞概率p可以精确计算出当前网络中竞争站点数目所对应的最优的最小竞争窗口大小： $W_{\min }=\frac{2(1-2p)-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p)}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p+p(1-{\left(2p\right)}^m))}.$

从而，基于竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整基本流程如图2所示。

Claims (2)

1.基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、根据公式

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{n\sqrt{T_c^{*}/2}}$

获取最优发送概率τ_opt，

式中，n为WLAN竞争站点数目，

为碰撞长度；

步骤二、根据步骤一获取的最优发送概率τ_opt，并按公式

p＝1-(1-τ_opt)^n-1

获取最优发送概率τ_opt对应的碰撞概率p；

步骤三、根据最优发送概率τ_opt及其对应碰撞概率p，并按公式

$W_{\min }=\frac{2(1-2p)-{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p)}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{opt}}(1-2p+p(1-{\left(2p\right)}^m))}$

获取最小竞争窗口的大小W_min，

式中，m为最大退避阶数。

2.根据权利要求1所述基于WLAN竞争站点数目的最小竞争窗口自适应调整方法，其特征在于，在IEEE 802.11中，最大退避阶数m＝5。

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