CN102474881B - 用于在无线网络中准予介质访问的方法和用于其的网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于准予对无线网络中节点的介质访问的方法，所述网络包括至少两个节点，以及所述方法包括为所述至少两个节点中的一个节点确定将要使用的介质访问速率的步骤，介质访问速率确定节点多久在整个网络中传输一次数据，其中所述速率被确定为从一个节点到另一个节点是不同的，并且依赖于节点的邻居的数量。本发明还涉及包括至少两个节点的无线的无线电网络，其中将由节点使用的介质访问速率被确定为从一个节点到另一个节点是不同的，并且依赖于节点的邻居的数量，介质访问速率确定节点多久在整个网络中传输一次数据。

Description

用于在无线网络中准予介质访问的方法和用于其的网络

技术领域

本发明涉及用于在无线网络中准予介质访问的方法。更具体地，本发明涉及用于在无线网络中设置访问速率的方法。

本发明例如与网状网络有关，在其中一些节点被大量的邻居所围绕。

背景技术

在标准的CSMA/CA类型介质访问算法中，无线电节点使用随机数来确定何时访问介质。在标准的802.11和WiFi系统中，这个随机数通常取自一个窗口。窗口的大小于是确定节点访问介质的频繁程度（即它们访问介质的速率）且用来避免冲突。所有的无线电节点使用相同的算法以及以相同的速率访问介质，因此看起来这个过程是完全公平的，并且给所有的无线电节点提供相同的机会以访问介质。

然而，已经注意到，在网状环境中这些算法根本不公平。事实上，具有许多邻居的无线电节点，即位于网状网络中间的无线电节点，遭受近乎饥饿之苦，也被称为“流在中间（flow-in-the-middle）”现象。这意味着一旦网络中的业务量增大，它们的吞吐量就下降到无法接受的低水平。

例如，让我们考虑以链式拓扑配置的5个无线电节点的简单布置，如图1所示。每一个节点以给定的速率访问介质，该速率对所有无线电节点是相同的。如果节点侦听到介质被占用，则它回退（back off）并按照给定的速率调度一个新的随机侦听时刻。在这个配置中，侦听速率被设置以使每一个节点可以侦听到它的多达三跳远的邻居的活动。这个载波侦听范围足够大，使得不会发生被传输分组的冲突。这个介质访问机制看起来完全公平，因为每一个节点以相同的速率侦听介质，以及执行用于介质访问的完全相同的算法。然而，在下面的显示了无线电节点所达到的实际吞吐量的表1中可以观察到：尽管介质访问速率和规则对于所有站是相同的，但实际达到的速率却不同。

访问速率	节点1发射时间	节点2 发射时间	节点3 发射时间	节点4发射时间	节点5发射时间
						1	29%	14%	14%	14%	29%
5	59%	10%	10%	10%	59%
						10	73%	7%	7%	7%	73%
20	84%	4%	4%	4%	84%

表1：在图1描述的网状网中节点的访问速率和发射时间（air time）所达到的百分比。

在当前的标准802.11中存在其他的算法。例如，在指数回退算法中，使用回退窗口来避免有数据要传输的相邻的无线电节点间的冲突。最初，无线电节点使用某个最小的回退窗口来避免冲突。在冲突依旧发生的情形下，增大窗口，通常加倍，直到某个最大的窗口大小，以降低冲突的概率。然而，已经注意到，具有许多邻居的站比处于网络边缘的无线电节点遭受相对更多的冲突。因此，这个窗口算法恰恰降低了已经遭受吞吐量下降的站的速率。

鉴于图2所示的例子，这样的缺点变得明显。这里，三个互相正交的流被配置，即流aA，bB和cC。在这种情形下，每个节点相同地执行标准802.11介质访问，并且访问速率通过回退窗口来安排。因此，当节点有数据要传输时，它相同地并独立于其它的节点地从这个回退窗口取得一个随机回退时间。这个回退时间于是确定节点可以传输数据的时刻并如此设置侦听速率。节点c处于节点a和b的载波侦听范围内，并且在a或b传输的时候其不能传输。因为a和b异步地传输，因此站c较少有机会传输，那么流cC将挨饿。此外，由于节点的拓扑，在中间的节点具有严重的劣势。

WO 2007/012819公开了一种确定争用窗口的方法，用于在包括多个节点的无线网络中分配带宽，所述节点包括至少第一和第二路由器，以及连接到第一和第二路由器的每一个上的至少一个客户机。争用窗口是根据接收到的涉及其他节点的状况的信息而为第一路由器计算的，并且用于由第一路由器重传数据的延迟被设置为所计算的争用窗口，其中数据的重传跟随于数据的不成功传输。接收到的信息可能相关于网络中的集线器总数、连接到第二路由器的客户机总数、连接到第二路由器的每一个客户机的所请求的吞吐量以及第一路由器和第二路由器间的集线器的数量中的至少一个。

发明内容

本发明的一个目的是提出一种用于准予对介质的访问的方法，其克服了上面提到的缺点。

因此，本发明的一个目的是提出一种用于防止流在中间现象的方法，并且因此防止在网状网络中经历的吞吐量问题。

本发明的另一个目的是提出一种用于在网状环境中，或者在任何具有许多无线电节点的环境中准予正确访问的方法。

本发明的再一个目的是提供一种用于在无线电网络中设置节点对介质的访问速率的方法。

本发明的又一个目的是提供一种用于在无线电网络中为访问设置回退窗口大小的方法。

为此目的，本发明提出一种用于在无线网络中准予对节点的介质访问的方法，所述网络包括至少两个节点，并且所述方法包括为至少两个节点中的一个节点确定将要使用的介质访问速率的步骤，介质访问速率确定节点多久侦听一次介质以便在整个网络中传输数据，其中介质访问速率被确定为从一个节点到另一个节点是不同的，并依赖于在节点的载波侦听范围内的网络节点的数量。

在无线电网络中，第一节点的邻居是位于第一节点的载波侦听范围内的第二节点。在网状网络中，邻居也可以通过分隔第一节点和第二节点的跳数来被识别。

按照本发明的方法使得对网络的不同节点设置不同的访问速率是可能的，因此规避了“流在中间”问题。事实上，在特定的实施例中，按照本发明的方法包括如下步骤：

-每个节点确定在它的载波侦听范围内的网络节点的数量，

-分发在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量，

-对于网络中的每个节点，根据在它的载波侦听范围内的网络节点的数量以及被分发的节点的最小数量，确定各自的将要使用的介质访问速率。

在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点最小数量的这种分发可以通过确定访问速率和指示每个节点使用它的各自的介质访问速率的主站来实现。在另一个实施例中，更常见于网状网络，每个节点通告在它的载波侦听范围内网络节点的数量以及在网状网中任何节点的载波侦听范围内节点的所估计的最小数量。因此，所述分发由网络中的每个节点实现，并且对所述各自的介质访问速率的确定可以以网络中的每个节点上的分布式方式被执行。

更具体地，要使用的各自的访问速率按如下方式计算，对于每个节点，节点i的访问速率，其中σ是对应于基本速率的正量（positive quantity），是在站i的载波侦听范围内的节点的数量，以及是在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量。

在另一个特定的实施例中，介质访问速率由大小为W的回退窗口实现。更具体地，在这种情形下的所述方法包括如下步骤：

-每个节点确定在它的载波侦听范围内的网络节点的数量，

-分发在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量，

-分发在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最大数量，

-为在网络中具有最大数量的邻居的节点确定第一窗口大小，

-为在网络中具有最小数量的邻居的节点确定第二窗口大小，

-为每个节点确定窗口大小，该窗口大小被包括在第一窗口大小和第二窗口大小之间。

本发明的另一个方面涉及无线的无线电网络，包括至少两个节点，其中将要由至少两个节点中的一个节点使用的介质访问速率被确定为从一个节点到另一个节点是不同的，并且依赖于在节点的载波侦听范围内的网络节点的数量，介质访问速率确定节点多久侦听一次介质以便在整个网络中传输数据。

本发明的这些和其它方面将会从下文中描述的实施例明白，并且将参照其进行阐述。

附图说明

本发明现在将参照附图、经由例子来更加详细地描述，其中：

-图1显示了无线电网络的链式拓扑，和

-图2显示了另一个网状拓扑。

具体实施方式

本发明涉及在网状环境中，或者任何具有许多无线电节点的环境中用于设置无线电节点的介质访问速率的新机制。本发明也可被用来在通过回退窗口调节访问速率的情形下确定回退窗口的大小。本发明基于对所述问题的理论分析，其中在简单的网状网络中所有节点传输所用的最佳速率是在理论上推导出的。

让我们假设一个线性网状网络，或者网状网络中的流，在其中节点让它们的载波侦听范围被设置以使得不出现被隐藏的终端。每个节点都有一个载波侦听范围，在该范围中有个节点。然后，在本发明中，标记为i的节点访问介质的速率等于

（1）

其中σ是一个正量（基本速率），是在站i的载波侦听范围内的站的数量，以及是在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量。

在简单的拓扑中，例如在图1所示的链式拓扑中，其中节点是等间距的并且载波侦听范围是精确的，可以证明，如果每个节点相应地设置它的速率，则每个节点的吞吐量等于

。

另外，如果基本访问速率高，那么可以看到，每个节点的吞吐量接近于，这是在这样的网状网中可以达到的理论最优值。

因此，如果在网状网中的无线电节点根据（1）设置访问速率，则在网状网中的数据传送是完全公平的，因为每个节点达到相同的吞吐量。而且，这样达到的吞吐量是在网状网中可以达到的最佳公平吞吐量。

因此，在本发明中，用于网络中每个节点的访问速率是考虑到与它的载波侦听范围内的站数量和网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点最小数量的给定关系而被设置的。特别地，具有许多邻居的站设置它的访问速率为相对高的值，而具有少量邻居的站应该设置它的访问速率为相对低的值。如果站以这种方式操纵它们访问介质所用的速率，则它们将实现相同的吞吐量。而且，这个吞吐量是可以实现的最佳吞吐量。

按照本发明的一种方法因此使得以最佳方式设置用于节点的访问速率是可能的，这是通过依赖于以下项来设置它：

1.在这个节点的载波侦听范围内的节点的数量

2.在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量。

于是，在这里提出一种方法，该方法在网状网络中分发这个信息1）和2）和根据如下规则设置每个节点处的速率：

a) 在它们的载波侦听范围内具有少量节点的站设置访问速率为相对低的值，和

b) 在它们的载波侦听范围内具有许多节点的站设置访问速率为相对高的值。

网状网的性能可以通过按照等式（1）安排访问速率来进一步改进。下表2显示了相应的数字。显然，每个节点达到了吞吐量的公平分享。这是通过给位于链边缘的节点比位于所述链中间的节点低的访问速率来达到的。

访问速率	节点1发射时间	节点2发射时间	节点3发射时间	节点4发射时间	节点5发射时间
						1	18%	18%	18%	18%	18%
5	22%	22%	22%	22%	22%
						10	23%	23%	23%	23%	23%
20	23%	23%	23%	23%	23%

表2 使用本发明提出的方法、使用等式（1）的图1所示的网状网中节点的访问速率和发射时间所达到的百分比。

本发明的另一个实施例涉及访问速率通过窗口实现的情形。在这样的实施例中，站取得一个介于0和W-1之间的随机回退，其中W是回退窗口大小。在站侦听到介质空闲后，它倒计数达等于该回退的若干时隙。一旦介质再次忙碌，它就暂停倒计数。一旦计数器达到0，站就可以传输它的包。随机回退除了为各个节点来对于对介质的访问区分优先次序外，对防止冲突也是有用的。例如，让我们假设，节点i周围的介质变为空闲，并且节点i有许多邻居，计n个。在这种情形下，每个节点以的概率访问介质。在这种情形下，成功传输的概率变为

。

因此得出结论：如果有许多邻居（n是大的），则访问介质的概率p在每个节点应该低以避免由于回退定时器同时期满而导致的许多冲突。特别地，节点可以设置它们的访问速率概率以使冲突概率低，或尽可能低。例如，分析上述成功传输的概率，我们发现节点应该设置它们的访问速率为值。

使用这个信息，站可以计算用于网状网中具有最多邻居的站的最佳窗口大小。从这个窗口大小，它可以计算出用于这个节点的窗口大小W*以使得在这个节点的冲突率是最优的。从这个窗口大小它可以计算出访问速率为。

这里是在回退窗口中的一个时隙的持续时间，即时隙时间。从在其干扰范围内具有最大数量节点的节点的访问速率，它可以计算出具有最小数量邻居的节点的访问速率。为此，它可以使用一些预置的手段来设置较低速率，例如利用比如等式（1）。从这个访问速率，每个节点于是可以设置它自己的访问速率，例如，如在上面所略述的情况中，低于1。再则，给定这个访问速率，假定，则它可以计算出它自己的窗口大小，这里它将使用

。

为了达到这一点，除了上面提到的情况外，每个站现在也需要知道在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最大数量。

于是，本发明提出一种用于通常情形的协议，在该情形下通过回退窗口调节侦听速率，如目前在802.11中的情形那样。已经证明：用于每个节点的窗口大小依赖于：

1、在这个节点的载波侦听范围内的节点的数量

2、在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最大数量

3、在网状网中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量。

于是，这里提出了一种协议，其在网状网络中分发此信息1)、2)和3），以及根据所述规则设置窗口大小。

a) 站确定用于在网状网中具有最大数量邻居的节点的窗口大小，

b) 站确定用于在网状网中具有最小数量邻居的节点的窗口大小，该窗口大小大于在a）中计算出的窗口大小，

c) 在它们的载波侦听范围内具有少量节点的站设置它们的窗口大小为介于a）和b)中计算出的窗口大小之间的相对大的值，和

d) 在它们的载波侦听范围内具有许多节点的站设置它们的窗口大小为介于a）和b)中计算出的窗口大小之间的相对较低的值。

在该算法的改进中，站按照来确定用于在网状网中具有最大数量邻居的节点的窗口大小。所述网状网的性能可以通过按照等式（1）来安排访问速率而被进一步改进。

本发明尤其更专用于网状网络中，但是它也可以被应用于任何在其中的节点包括许多邻居的网络环境。

在本说明书和权利要求中，元素之前的单词“一”或“一个”并不排除复数个这样的元素的存在。而且，单词“包括”并不排除除所列出的那些元素或步骤以外的其它元素或步骤的存在。

在权利要求的括号中包含引用标记是打算帮助理解，并不打算是限制性的。

从阅读本公开内容，其它的修改对本领域的技术人员将是明显的。这样的修改可以包含其它的特征，这些特征可以是在无线电网络领域中已经熟知的，且可以被用来代替或附加于这里已经描述的特征。

Claims (6)

1.一种用于准予对无线网络中节点的介质访问的方法，所述网络包括至少两个节点，并且所述方法包括为至少两个节点中的每一个节点确定将要使用的介质访问速率的步骤，所述介质访问速率确定节点多久侦听一次介质以便在整个网络中传输数据，

其中介质访问速率被确定为从一个节点到另一个节点是不同的，并且用于节点的介质访问速率依赖于在该节点的载波侦听范围内的网络节点的数量。

2.如权利要求1所述的方法，包括如下步骤：

-每个节点确定在它的载波侦听范围内的网络节点的数量，

-分发在该网络中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量，

-对于网络的每个节点，根据在它的载波侦听范围内的网络节点的数量以及被分发的节点的最小数量，确定各自的将要使用的介质访问速率。

3.如权利要求2所述的方法，其中将要被每个节点使用的介质访问速率按如下计算：

节点i的访问速率，其中σ是对应于基本访问速率的正量，是在节点i的载波侦听范围内的节点的数量，以及是在该网络中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量。

4.如权利要求1所述的方法，其中介质访问速率由大小为W的回退窗口实现。

5.如权利要求4所述的方法，包括如下步骤：

-每个节点确定在它的载波侦听范围内的网络节点的数量，

-分发在该网络中任何节点的载波侦听范围内的节点的最小数量，

-分发在该网络中任何节点的载波侦听范围内的节点的最大数量，

-为在网络中具有最大数量邻居的节点确定第一窗口大小，

-为在网络中具有最小数量邻居的节点确定第二窗口大小，

-为每个节点确定窗口大小，该窗口大小被包括在第一窗口大小和第二窗口大小之间。

6.一种无线电网络，包括至少两个节点，其中将要由该至少两个节点中的一个节点使用的介质访问速率被确定为与另外的节点要使用的介质访问速率不同，并且依赖于在所述一个节点的载波侦听范围内的网络节点的数量，介质访问速率确定节点多久侦听一次介质以便在整个网络中传输数据。