CN102625466B - 用于无线局域网的分布式媒体接入方法 - Google Patents

Abstract

一种用于无线局域网的分布式媒体接入方法，是在现有标准规定的基于分布式协调功能DCF的媒体接入方法基础上，采用随机化设置DCF帧间间隔DIFS的时长：即在协议规定的DIFS的设定时长基础上，增加一个随机的时长ΔDIFS；且为了不增加过多的信道开销，推荐设置该ΔDIFS时长为一个设定时隙长度之内，即ΔDIFS＝random(0，Slot_time)；用于避免不同用户因选择相同时长的CW而同步进入随机退避窗口等待状态，从而减小不同用户间数据碰撞的概率和重传次数，提高系统的信道利用率，增加系统的吞吐量。本发明只修改DIFS的时长(即对其执行随机化处理)，操作简单，开发容易，不会增加系统复杂度；且不需要更新已有站点，新旧站点可相互兼容，从而扩大了本发明的应用范围，使其具有很好的推广应用前景。

Description

用于无线局域网的分布式媒体接入方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线局域网的改进的分布式媒体接入方法，属于无线通信网络的技术领域。

背景技术

近年来，随着无线通信需求的迅猛增长，无线局域网WLAN(Wireless LocalArea Network)技术受到人们越来越多的关注。美国电子和电气工程师协会IEEE(The Institute of Electrical and Electronics Engineers)为无线局域网制定了802.11系列的技术标准，其中为媒体接入控制层MAC(Medium Access Control)定义了基于竞争的分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)。DCF采用基于冲突避免机制的载波监听多址接入CSMA/CA(Carrier Sense MultipleAccess/Collision Avoidance)协议，由接入用户根据监测的信道信息独立选择接入信道，或者进行退避后、重新接入信道；接入用户监测到碰撞后，采用二进制指数退避算法进行退避和重传。通过上述方式，一方面能够在一定程度上减少不同接入用户之间的碰撞概率，另一方面也提高了组网的灵活性。

参见图1，介绍DCF机制中某个站点准备发送数据时的操作流程：首先该站点要调用载波监听机制来确定信道的忙/闲状态。如果信道忙，则继续监听；如果信道空闲，并且连续空闲时间达到DIFS(DCF Inter-Frame Space)时长，则该站点可以进入冲突避免阶段。为了避免发生冲突，此时该站点并没有立即发送数据，而是在发送数据前增加了一个退避过程：也就是先产生一个退避时间(Backoff_time)，并存入退避计数器。退避时间的产生方法如下：Backoff_time＝Random×Slot_time；式中，Random是均匀分布在[0,CW]范围内的随机整数，而CW(Contention Window)是介于由物理层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，也即CW_min≤CW≤CW_max，Slot_time为取决于物理层的一个时隙的时长。

站点执行的基于DCF机制的退避操作过程如下：如果监听到信道空闲时间达到一个时隙的时长Slot_time，则将退避计数器减1。如果信道忙，则暂停退避过程，退避时间计数器被冻结，直到信道再次变为空闲状态时，才重新激活退避过程，继续递减；直到退避计数器递减到0时，节点才可以发送数据。

为了避免在发生数据碰撞的情况下，重传数据的不同站点再次发生碰撞。当站点监测到碰撞后，将采用二进制指数退避算法进行退避和重传。为此，每个站点需要对各自的CW参数进行动态调整。CW的初始值为CW_min。每当站点发送数据成功时，将从目的站点接收到表示发送成功的ACK信息；因此，如果发送站点接收到ACK信息，则说明发送成功；否则，说明此次发送失败，这也说明当前的网络负载较大或链路状况不好。这样，在重传过程中，该站点的CW就会增加一倍；以后，该站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，式中，m为重传次数。而且，一旦CW增加到CW_max时，如要继续重传数据时，则CW值将保持为CW_max不变，直到该站点发送成功，或者达到了最大重传次数的限制，CW将被重置为CW_min。

根据上述的IEEE802.11MAC层标准的DCF协议可知，整个协议的核心内容是基于竞争窗口值的二进制指数退避算法，它能够保证不同的接入站点之间的相互协调，以避免碰撞。不同用户之间的区别在于CW取值的不同(即退避窗口大小为[0,CW]之间的随机数)。

但是，在传统的DCF方案中，由于不同待发送用户的DIFS的时长值均为协议中所规定的固定值，因而，当接入用户数目增多的时候，通过这种基于均匀分布的随机方式而产生的初始CW值相同的用户就会变得越来越多。此时，如果遵循相同的退避算法规则，当其他站点发送完毕，多个待发送用户同时监测到信道空闲并等待相同的DIFS间隔后，将同步进入随机退避窗口等待状态。此时，若有多个用户选择了相同的退避窗口时长，其退避窗口同时减为0的用户数也就会随之增多，于是不同用户之间同时传输数据时就会发生数据碰撞(参见图2所示)，丢包率和数据包的重传次数也相应增加，从而导致整个系统的性能显著下降。

根据上述分析可知，当接入用户数目增多时，导致系统性能下降的原因主要取决于初始的CW分配规则。由于接入用户遵循相同的CW调配原则，并未和自己实际所处的网络环境相关联，因而导致了不同接入用户由于各自分得的相同初始CW值而发生碰撞。

针对这个问题，目前很多专家与学者对上述CW初始窗口的选取规则进行了改进。例如，第一篇文献《An improved algorithm based on network load predictionfor802.11DCF》(刊于2011Seventh International Conference on NaturalComputation,pp.1466-1469)提出了一个反映接入节点所处的网络负载情况的参数值q(n)，其中n代表观察的次序，即第几次观察所得值。通过对q(n)的观察并经过一系列的迭代运算，得到一个与该节点当前所处的网络环境相关的预测参数则该节点进行通信时所选取竞争窗口CW的规则也发生相应改变：由原来的(0,CW_max]之间的随机选取的整数值，变换为现在是在(CW_max]之间进行选取，而且的参数值是与该节点的动态变化相关联。这样，由于不同节点之间的相互独立性及其所感知到的网络负载的差异性，接入节点利用与自身节点相关的参数值来动态调整自己的竞争窗口的选择规则，就能有效降低了其和其他接入节点之间的碰撞，从而提高整个系统的吞吐量，降低了丢包率和重传次数。

此外，第二篇文献《Dynamic priority backoff algorithm for IEEE802.11DCF》(刊于2008International Conference on Computer Science and SoftwareEngineering,pp.956-958)提出一种动态优先级退避算法DPBA(Dynamic PriorityBackoff Algorithm)，它是通过改变MAC帧的帧头来增加一个用于指明不同用户的优先级信息的区域，以修正原有的CW选取规则，从而也改善了标准的DCF协议中CW遵循的调配规则，使得每个用户的CW选取更具有自主性和适应性，减少了相互碰撞的概率。

上述通过调整CW的取值范围来降低用户间碰撞概率的方法，需要增加站点对网络负载的监测功能(如第一篇文献所述)，或者要对现有的标准协议进行较大的改动(如第二篇文献所述)，操作麻烦、繁琐。因此，业内科技人员仍在继续关注如何既能够更简单、便利地解决这个技术难题，又能取得很好功效的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于无线局域网的改进的分布式媒体接入方法，本发明是基于对竞争窗口的取值范围进行调整的现有技术进行改进，也就是利用随机化设置DCF帧间间隔DIFS来避免不同用户同步进入随机退避窗口等待状态，从而减小用户间数据碰撞的概率；而且，其操作步骤简单、方便。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种用于无线局域网的改进的分布式媒体接入方法，其特征在于：在IEEE802.11MAC层标准规定的基于分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)的媒体接入方法基础上，发送站点从监测到信道空闲到进入随机退避窗口等待状态的时间间隔，由规定的DIFS更改为DIFS_new＝DIFS+ΔDIFS_i，即在设定的DIFS时长基础上，增加一个随机设置的DCF帧间间隔DIFS的时长ΔDIFS_i，且为了不增加过多的信道开销，设置该ΔDIFS时长为：ΔDIFS_i＝random(0,Slot_time)，式中，自然数下标i为发送站点序号，Slot_time为设定的时隙长度，使得选择相同竞争窗口CW(Contention Window)的站点由于同时进行媒体接入而发生数据碰撞的概率减小，从而提高系统的信道利用率，增加系统的吞吐量；所述方法包括下列操作步骤：

(1)发送站点准备发送数据时，先用载波监听机制监测当前信道的忙/闲状态；若当前信道为忙，则执行后续步骤(2)；否则，跳转执行步骤(3)；

(2)发送站点继续监测信道的忙/闲状态，直至判断信道空闲时，执行后续步骤(3)；

(3)发送站点随机选择和产生DCF帧间间隔DIFS_new，并继续保持监测信道的忙/闲状态，同时，判断该信道持续空闲时间是否达到所选择的DIFS_new时长，若是，则执行后续步骤(4)；若该信道持续空闲的时长尚未到达DIFS_new之前，又重新变忙，则发送站点返回执行步骤(2)，即继续监测信道的忙/闲状态，直到信道重新空闲后，再次随机选择新的DCF帧间间隔DIFS_new；

(4)发送站点采用标准的DCF算法在当前竞争窗口内选择退避时间，并处于等待状态；且在该退避时间内，继续监测该信道的忙/闲状态：如果该信道在接下来的一个时隙周期内仍然保持空闲，则退避时间减1；否则，该发送站点将退出退避状态，并等到该信道再次转为空闲时，返回执行步骤(3)，即重新随机选择DIFS_new；

(5)发送站点按照步骤(4)的方式，持续监测信道的忙/闲状态，直到退避时间减为0时，该发送站点开始发送数据。

本发明方法的创新特点和有益效果是：首先，本发明减少了不同站点之间的数据碰撞概率和重传次数，提高信道有效利用率，明显改善了系统性能。还因为本发明方法与原有的传统DCF协议相兼容，不需要对已有站点进行更新，而且。新旧站点之间可相互兼容，从而扩大了本发明方法的应用范围。此外，本发明只需要对DIFS的时长进行修改(即执行随机化处理)，计算和处理的复杂度小，开发实现容易、方便，并且不会增加系统的复杂度。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的基础、即标准协议规定的DIFS机制基本操作流程图。

图2是在图1的DCF机制下不同用户同步进入随机退避窗口等待状态容易造成数据碰撞的示意图。

图3是本发明改进的分布式媒体接入方法操作步骤流程图。

图4是采用本发明对DIFS进行随机化设置而避免选择相同随机退避窗口长度的多个用户同时发送数据的示例图。

图5是本发明实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例仿真结果对本发明作进一步的详细描述。

本发明用于无线局域网的改进的分布式媒体接入方法，是在现有标准规定的基于分布式协调功能DCF的媒体接入方法基础上，采用随机化设置DCF帧间间隔DIFS的时长(具体方法是：在协议规定的DIFS的设定时长基础上，增加一个随机的时长ΔDIFS；且为了不增加过多的信道开销，推荐设置该ΔDIFS时长为ΔDIFS＝random(0,Slot_time)，式中，Slot_time为标准协议所设定的时隙长度)，避免不同用户因选择相同时长的竞争窗口CW而同步进入随机退避窗口等待状态，从而减小用户间数据碰撞的概率，进而提高系统的信道利用率，增加系统的吞吐量。

ΔDIFS＝random(0,Slot_time)表示随机增加的DIFS等待间隔在一个时隙时长的时间内。这样，用户i在由监测到信道空闲到进入随机退避窗口等待状态的时间间隔就由原有协议规定的DIFS更改为DIFS_new＝DIFS+ΔDIFS_i。由于不同用户选择的ΔDIFS不同，因而它们就不再以同步方式同时进入随机退避窗口等待状态。此时，即使不同用户选择的退避窗口时长相同，选择较小ΔDIFS的用户的退避窗口定时器将首先到达而开始发送数据；而其他选择相同退避窗口时长的用户因其选择了较长的ΔDIFS，故其会因退避窗口定时器尚未到达而不会同时发送数据，它们会在监测到信道变忙(此时由于选择较小ΔDIFS的用户已开始发送数据)后，等待信道空闲并重新进入DIFS等待间隔。

结合上述对DIFS的选择过程，本发明改进的分布式媒体接入方式的完整流程如下：在发送数据前，站点要监测信道状态：如果当前信道为忙，则站点继续保持对信道状态的监测，直到信道空闲；如果当前信道空闲，则站点i就按照上述方法随机选择帧间间隔为(DIFS_new)_i＝DIFS+ΔDIFS_i，并继续保持对信道状态的监测。如果信道持续空闲的时间达到所选择的(DIFS_new)_i的时长，则站点基于标准的DCF算法选择竞争窗口退避等待；否则，如果信道持续空闲的时间尚未到达(DIFS_new)_i之前信道重新变忙，则站点回到对信道状态保持监测的状态，直到信道重新空闲再次随机选择新的帧间间隔(DIFS_new)_i。

参见图3，介绍本发明方法的下列操作步骤：

步骤1，发送站点准备发送数据时，先用载波监听机制监测当前信道的忙/闲状态；若当前信道为忙，则执行后续步骤2；否则，跳转执行步骤3。

步骤2，发送站点继续监测信道的忙/闲状态，直至判断信道空闲时，执行后续步骤3。

步骤3，发送站点随机选择和产生DCF帧间间隔DIFS(发送站点从监测到信道空闲到进入随机退避窗口等待状态的时间间隔，由原有协议规定的DIFS更改为DIFS_new＝DIFS+ΔDIFS_i；式中，自然数下标i为发送站点序号)，并继续保持监测信道的忙/闲状态，同时，判断该信道持续空闲时间是否达到所选择的DIFS_new时长，若是，则执行后续步骤4；若该信道持续空闲的时长尚未到达DIFS_new之前，又重新变忙，则发送站点返回执行步骤2，即继续监测信道的忙/闲状态，直到信道重新空闲后，再次随机选择新的DCF帧间间隔DIFS_new。

步骤4，发送站点采用标准的DCF算法在当前竞争窗口内选择退避时间，并处于等待状态；且在该退避时间内，继续监测该信道的忙/闲状态：如果该信道在接下来的一个时隙周期内仍然保持空闲，则退避时间减1；否则，该发送站点将退出退避状态，并等到该信道再次转为空闲时，返回执行步骤3，即重新随机选择DIFS_new；

步骤5，发送站点按照步骤4的方式，持续监测信道的忙/闲状态，直到退避时间减为0时，该发送站点开始发送数据。

参见图4，介绍本发明通过对DIFS进行随机化设置退避窗口的时长，以避免选择相同时长的退避窗口的多个用户同时发送数据的效果。如图4所示，当三个节点1、2、3准备发送数据，又同时检测到信道空闲后，这三个节点首先分别选择自己的ΔDIFS_i。由于发送节点1选择的ΔDIFS_i较小，因而最早进入随机退避窗口等待状态，并假定选择随机退避窗口为3；发送节点2和3随后也相继进入随机退避窗口等待状态，并假定它们也选择了相同的退避窗口为3。由于发送节点1最早进入随机退避窗口等待状态，因此节点1的退避窗口最早结束，从而发送数据；而节点2和节点3虽然选择了相同的退避窗口长度，但由于它们进入随机退避窗口等待状态较晚，因而尚未发送数据。因此，三个用户之间不会发生冲突。而节点2和3在检测到由于节点1的发送而导致的信道变忙之后，将冻结退避窗口，并等待信道的重新空闲。在信道重新空闲后，节点2和节点3重新随机选择ΔDIFS_i。此时假定节点2选择的ΔDIFS_i较小，因而相比于节点3可以较早进入随机退避窗口等待状态，并在等待剩余的1个时隙之后发送数据。由上述描述可见，虽然节点1、2、3选择了相同的退避窗口，但是，由于各自随机选择的ΔDIFS_i长度不同，避免了各个节点之间同时发送数据而带来的冲突。

本发明已经进行了多次实施试验，下面参见图5，说明采用标准DCF算法和采用本发明改进的DCF算法下两种仿真实施例的系统吞吐量的比较图。其中，假定多个用户同时向同一个AP进行上行数据传输，平均每个AP的业务量约为15Mbps。在实施例中，通过增加用户数来观察不同算法下系统的吞吐量性能。

从图5中可见，当用户数比较少的时候(图中小于等于6个)，由于系统的信道资源尚有一定余量，不同用户间的数据碰撞对系统性能的影响不大，因此，两个种仿真实施例的性能类似。随着用户数目的增加，用户间的数据碰撞更加频繁，因此对系统吞吐量产生了明显影响。对于标准的DCF算法，用户数的增加将导致用户数据间的碰撞和反复重传，因此，系统吞吐量将随着用户的增加呈现下降的趋势，而对于本发明的改进的DCF算法，由于能够较好地避免用户间的碰撞，系统的吞吐量可以稳定在某个数值附近，不会因为用户数的增加而下降。

因此，实施例的实验结果表明，本发明方法是成功的，实现了发明目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种用于无线局域网的改进的分布式媒体接入方法，其特征在于：在IEEE802.11MAC层标准规定的基于分布式协调功能DCF的媒体接入方法基础上，发送站点从监测到信道空闲到进入随机退避窗口等待状态的时间间隔，由规定的DIFS更改为DIFS_new＝DIFS+ΔDIFS_i，即在设定的DIFS时长基础上，增加一个随机设置的DCF帧间间隔DIFS的时长ΔDIFS_i，且为了不增加过多的信道开销，设置该ΔDIFS_i时长为：ΔDIFS_i＝random(0,Slot_time)，式中，自然数下标i为发送站点序号，Slot_time为设定的时隙长度，使得选择相同竞争窗口CW的站点由于同时进行媒体接入而发生数据碰撞的概率减小，从而提高系统的信道利用率，增加系统的吞吐量；所述方法包括下列操作步骤：

(1)发送站点准备发送数据时，先用载波监听机制监测当前信道的忙/闲状态；若当前信道为忙，则执行后续步骤(2)；否则，跳转执行步骤(3)；

(2)发送站点继续监测信道的忙/闲状态，直至判断信道空闲时，执行后续步骤(3)；

(3)发送站点随机选择和产生DCF帧间间隔DIFS_new，并继续保持监测信道的忙/闲状态，同时，判断该信道持续空闲时间是否达到所选择的DIFS_new时长，若是，则执行后续步骤(4)；若该信道持续空闲的时长尚未到达DIFS_new之前，又重新变忙，则发送站点返回执行步骤(2)，即继续监测信道的忙/闲状态，直到信道重新空闲后，再次随机选择新的DCF帧间间隔DIFS_new；

(4)发送站点采用标准的DCF算法在当前竞争窗口内选择退避时间，并处于等待状态；且在该退避时间内，继续监测该信道的忙/闲状态：如果该信道在接下来的一个时隙周期内仍然保持空闲，则退避时间减1；否则，该发送站点将退出退避状态，并等到该信道再次转为空闲时，返回执行步骤(3)，即重新随机选择DIFS_new；

(5)发送站点按照步骤(4)的方式，持续监测信道的忙/闲状态，直到退避时间减为0时，该发送站点开始发送数据。