CN103415032A

CN103415032A - 基于顺序离散窗口分布机制的冲突解析算法

Info

Publication number: CN103415032A
Application number: CN2013103148006A
Authority: CN
Inventors: 黄劲草; 陈力军; 陈华玮; 糜军; 钱彦立
Original assignee: ONLINE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ONLINE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-11-27

Abstract

本发明公开了一种冲突分类模型，将网络中的分组冲突分成交叉冲突和同级冲突，并且提出针对这两种不同类型的冲突应该采取不同的策略进行解析。利用顺序离散窗口分布机制(sequential discrete window distribution,简称SDWD)解析交叉冲突，通过节点分布窗口的离散化避免交叉冲突；同时，通过设置合适的分布窗口大小在同级冲突概率和分组延迟之间取得折衷。在此基础上，实现了两种冲突解析算法：冲突分类解析算法(cross collision resolution,简称CCR)和无冲突分类解析算法(collision-free CCR,简称CF-CCR)。

Description

基于顺序离散窗口分布机制的冲突解析算法

技术领域

本发明涉及冲突分类模型领域，具体地说，特别涉及到基于冲突分类模型的冲突解析算法。

背景技术

传统IEEE802.11网络中多采用DCF(distributed coordination function)机制来进行退避，进而减少冲突。传统的退避算法只是利用退避过程的随机性来规避冲突，通过在不同大小的窗口范围内随机选取不同的退避计数器值来实现冲突的避免，并且这类算法并没有对网络中冲突的性质进行深入的分析和区分，而是对所有的冲突采取同样的方式进行处理。

如图1所示，以典型的IEEE802.11协议为例，假设有3个节点a、b和c均处于退避阶段i，其竞争窗口大小为[0，CWi-1]。3个节点分别随机选取自己的退避计数器值为j，j和k。由于节点a和b选取了同一时隙进行发送，所以在j时刻，必然发生分组冲突。冲突节点a和b于是进入退避阶段(i+1)，增大自己的竞争窗口为[0，2CWi-1]，并在新窗口上重新选择退避计数器值，确定自己下一次分组发送的时隙分别为l和k(分别用a′和b′表示)。碰巧此时节点b′选取的发送时隙k已经被处于退避阶段i的c节点提前占用，于是在k时刻，处于退避阶段i的c节点和处于退避阶段(i+1)的b′节点同时发送分组，再次造成冲突。不难看出,这次冲突是发生在两个处于不同退避阶段节点之间的。也就是说，即便节点已经进行过退避(如b′节点)，但是仍然不能保证其分组的成功发送。

由于采用了基于随机性的退避规则，传统算法并不能取得理想的冲突解析效果，无法有效避免分组冲突的发生,甚至还会对其他节点的正常发送造成干扰，带来新的分组冲突。

发明内容

本发明实际需要解决的技术问题是：传统退避算法仍然无法有效避免分组冲突的发生。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于顺序离散窗口分布机制的冲突解析算法，其特征在于：包括如下步骤：

1）将节点的竞争窗口范围划分成一个初始竞争窗口CW0和若干个动态分配的基本窗口EW；系统初始化时，节点均匀分布在初始竞争窗口CW0上；

2）当节点发生分组冲突时，立刻为冲突节点分配一个基本窗口EW，并将所述基本窗口EW添加到当前的初始竞争窗口CW0的末端。

进一步的，所述冲突解析算法包括冲突分类解析算法和无冲突分类解析算法。

进一步的，所述冲突解析算法包括如下步骤：

(1)所有节点监测信道，在信道连续空闲DIFS后，如果再空闲一个时隙，节点将其退避计数器值减1；若退避计数器值到达0，节点立刻发送分组；倘若信道由闲变忙，退避进程挂起，直到信道再次空闲DIFS后继续递减计数器值；

(2)阻塞节点监测信道状态，每当节点监测到网络中发生了一次冲突，则将反映信道的冲突状况的CL值加1；

(3)发送节点完成数据分组的发送后，如果在规定的时间内没有收到接收方发来的确认信息，则认为发生了分组冲突；增加CL值以反映信道的冲突状况，同时进行分组重传次数检查；

a)如果分组重传次数超过了预设的最大门限值，节点将该分组丢弃，并且重设竞争窗口为[0，CW0-1]，同时保留CL值以继续指导后续的窗口分配；

b)否则，节点设置其新的竞争窗口范围为[CW0+(CL-1)×EW，CW0+CL×EW-1]；

(4)在每次成功传输后，发送节点设置其竞争窗口为[0，CW0+CL×EW-1]，从而与分布在当前竞争窗口范围内的所有邻居节点一起竞争信道，为其他节点提供了信道接入机会，保障了协议的公平性。

进一步的，所述无冲突分类解析算法包括如下步骤：

(1)所有节点监测信道，每当节点监测到信道上开始一个新的传输时，不论传输成功与否，都相应地将反映信道的冲突状况CL值加1；

(2)设置竞争窗口范围为[CW0+(CL-1)×EW,CW0+CL×EW-1]，保证节点能够完全单独占有第CL个基本窗口。

(3)将节点依次接入信道,完成分组发送任务后，主动将自己的退避窗口设置在当前竞争窗口的末端，从而将信道接入机会移交给其他节点，本身则等待一轮周期过后再次接入信道。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

CCR和CF-CCR算法在冲突解析、吞吐量、分组延迟、公平性以及延迟抖动方面均优于IEEE802.11DCF协议。同时,这两个算法的适用场合不同。同CCR相比,CF-CCR能够获得更低的冲突率、更多的公平性以及更小的延迟抖动。如果基本窗口尺寸足够大，能够有效完成同级冲突的解析，则采用CCR算法能够获得更高的吞吐量和更少的分组延迟；否则,采用CF-CCR效果更好。

附图说明

图1为本发明所述的传统退避算法的策略示意图。

图2为本发明所述的顺序离散窗口分布机制的策略示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，在退避过程中，节点b所经历的两次冲突性质是不一样的。第1次冲突是发生在两个处于同一退避阶段的节点之间(同处退避阶段i的节点a和节点b)；而第2次冲突则是发生在两个处于不同退避阶段的节点之间(处于退避阶段i的节点c和处于退避阶段(i+1)的节点b′)。根据冲突节点所处的退避阶段的不同,我们将网络中的分组冲突划分成两类:交叉冲突(cross collision)和同级冲突(intra collision)。所谓交叉冲突，是指产生冲突的节点处于不同的退避阶段;而在同级冲突中，冲突节点都处于同一退避阶段。如图1中，发生在节点a和节点b之间的冲突称为同级冲突，而节点b′和节点c之间的冲突则称为交叉冲突。

由于退避过程的随机性，只要节点的退避窗口之间存在着交集，就有可能引发交叉冲突。节点只有分布在独立的窗口范围内才能够完全消除重叠区域，从根本上杜绝交叉冲突的发生。因此，本发明提出了顺序离散窗口分布机制(sequential discrete window distribution,简称SDWD)。其根本思想是：通过分布窗口的离散化达到消除交叉冲突的目的。具体策略为:将节点的竞争窗口范围划分成一个初始竞争窗口CW0和若干个动态分配的基本窗口(elementarywindow,简称EW)。系统初始化时，节点均匀分布在初始竞争窗口上。一旦发生分组冲突，立刻为冲突节点分配一个独立的基本窗口。由于基本窗口是动态创建的，并且每次创建后都添加到当前竞争窗口(current contention window)的末端，这样就能保证各基本窗口之间的独立性，实现了退避空间的不重叠，从源头上避免了交叉冲突的发生。

参见图2，图中的实线箭头代表一次分组发送。可以看出，系统初始化时，所有的节点都随机分布在初始竞争窗口CW₀上。由于节点1和节点2选取了同样的退避计数器值，导致它们在同一时刻发送分组，于是产生冲突。根据SDWD机制，紧接着初始竞争窗口分配一个基本窗口EW₁，同时将冲突节点1和节点2的竞争窗口范围限定在该基本窗口内。这样，节点1和节点2将会在EW₁上重新选取自己的退避计数器值为1′和2′，完成了本次退避。对于节点3和节点4来讲，经过一次退避后，两个节点重新在为它们分配的基本窗口EW₂上随机选取自己的退避计数器值。碰巧他们又选取了同一时隙作为自己的发送时刻，于是这两个节点在EW₂上将再次产生冲突.SDWD将继续为它们分配另一个独立的基本窗口EW₄。依此类推，直至最终实现冲突解析。

SDWD机制通过分布窗口的离散化消除了交叉冲突，将交叉冲突的解析转化为同级冲突解析。同级冲突的解析策略非常简单，可以采取传统算法中的解析模式，通过扩大分布窗口范围，增加退避机制的随机性来降低冲突概率。

顺序离散窗口分布机制SDWD将冲突节点分布在一系列离散的基本窗口上，将交叉冲突解析转变为同级冲突解析，并采用传统的基于概率的冲突解析模式处理同级冲突。在算法实现过程中，针对发送成功的节点可以采取不同的处理方式。基于此，提出了两种不同的冲突解析算法:冲突分类解析算法CCR和无冲突分类解析算CF-CCR。

CCR算法的实现过程是:

(1)所有节点监测信道。在信道连续空闲DIFS后，如果再空闲一个时隙，节点将其退避计数器值减1。一旦退避计数器值到达0，节点立刻发送分组。倘若信道由闲变忙，退避进程挂起，直到信道再次空闲DIFS后继续递减计数器值；

(2)阻塞节点监测信道状态。每当节点监测到网络中发生了一次冲突，则将CL值加1:

CL=CL+1 upon collision.

(3)发送节点完成数据分组的发送后，如果在规定的时间内没有收到接收方发来的确认信息，则认为发生了分组冲突(我们假定信道是无差错的,所有的分组丢失都是由冲突造成)。于是，增加CL值以反映信道的冲突状况，同时进行分组重传次数检查。

a)如果分组重传次数超过了预设的最大门限值Max_Retrans_Times，节点将该分组丢弃，并且重设竞争窗口为[0,CW0-1]，同时保留CL值以继续指导后续的窗口分配；

b)否则，节点设置其新的竞争窗口范围为[CW0+(CL-1)×EW,CW0+CL×EW-1]。显然，在每次重传之前，CL值都不小于1。通过这种分布策略，冲突节点将会在一个紧接当前竞争窗口的基本窗口上重新分布，从而实现了退避空间的独立性，避免了交叉冲突，体现了SDWD机制的思想。

(4)在每次成功传输后(数据分组传输加上ACK分组传输)，发送节点设置其竞争窗口为[0,CW0+CL×EW-1]，从而与分布在当前竞争窗口范围内的所有邻居节点一起竞争信道，为其他节点提供了信道接入机会，保障了协议的公平性。

CCR算法为每个冲突节点分配一个独立的基本窗口，以此避免交叉冲突的发生。同时，节点一旦发送成功，则将自己的竞争窗口设为当前竞争窗口，从而同所有阻塞节点一起重新竞争信道的使用,保障了公平性。

CF-CCR同样基于SDWD机制，只是修改了竞争级别的定义,将其看成是在竞争区域内发生的信道接入次数。每当节点监测到信道上开始一个新的传输时，不论传输成功与否，都相应地将CL值加1。CCR和CF-CCR的主要区别还体现在对成功节点的处理上。CCR将成功节点在当前竞争窗口范围内重新分布，而CF-CCR则为其单独分配一个独立的基本窗口，对其采取与冲突节点相同的处理方式。在CF-CCR调度下，节点在分组发送成功后增加自己的CL值，并相应设置竞争窗口范围为[CW0+(CL-1)×EW,CW0+CL×EW-1]。这样，节点就能够完全单独(exclusive)占有第CL个基本窗口。根据SDWD机制的窗口离散化原则，只要节点成功发送一次，则其后续分组发送都能够在无干扰的情况下进行。在CF-CCR调度下，节点依次接入信道,完成分组发送任务后(不论发送是否成功)，主动将自己的退避窗口设置在当前竞争窗口的末端，从而将信道接入机会移交给其他节点，自己则等待一轮周期过后再次接入信道。一旦某个节点成功完成一次分组发送，则由于CF-CCR调度策略的独占性，该节点的后续传输都可以顺利进行，这样，就能够彻底杜绝网络中的交叉冲突。可以想象，在没有其他节点加入网络的情况下，系统最终会收敛到一个稳定状态。此时，节点依次顺序接入信道，整个网络中没有任何冲突(包括交叉冲突和同级冲突)发生。

实际上，两个算法的区别一个体现在于对基本窗口的分配原则上，另一个则表现为对发送成功节点的处理方式不同。CF-CCR调度节点依次顺序接入信道，一旦完成分组发送，不论发送成功与否，节点都将自己安排在当前竞争窗口的末端，等待一轮周期过后，再次接入信道。显然，与CCR相比，CF-CCR能够获得更少的冲突次数和更多的公平性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.基于顺序离散窗口分布机制的冲突解析算法，其特征在于：包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于冲突分类模型的冲突解析算法，其特征在于：所述冲突解析算法包括冲突分类解析算法和无冲突分类解析算法。

3.根据权利要求2所述的基于冲突分类模型的冲突解析算法，其特征在于：所述冲突解析算法包括如下步骤：

(2)阻塞节点监测信道状态，每当节点监测到网络中发生了一次冲突，则将反映信道的冲突状况的参数竞争级别contention level值加1；

4.根据权利要求2所述的基于冲突分类模型的冲突解析算法，其特征在于：所述无冲突分类解析算法包括如下步骤：

(2)设置竞争窗口范围为[CW0+(CL-1)×EW，CW0+CL×EW-1]，保证节点能够完全单独占有第CL个基本窗口。

(3)将节点依次接入信道,完成分组发送任务后，主动将自己的退避窗口设置在当前竞争窗口的末端，从而将信道接入机会移交给其他节点，本身则等待一轮周期过后再次接入信道；一旦某个节点成功完成一次分组发送，则由于CF-CCR调度策略的独占性，该节点的后续传输都可以顺利进行，这样，就能够彻底杜绝网络中的交叉冲突。