CN103516502B - 专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法。系统包括：输入参数模块：输入计算吞吐量所需的原始参数；模型分析模块：依据可用信道数量（不少于2个）的不同而采用相应的模型分析模块；吞吐量计算模块：根据T_TRSMIT/T_RTS/CTS，计算吞吐量：当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，采用另一射频接口在信道2中传输数据；计算式：当T_TRSMIT/T_RTS/CTS＞1，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，采用另一射频接口在信道2中传输数据，如果信道2处于忙状态则切换到信道3中传输数据，如果信道3处于忙状态则切换到信道4中传输数据，以此类推；计算式：输出结果模块：输出计算结果。本发明具有计算精确、数据可信度高的优点。

Description

专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于IEEE802.11的专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法。

背景技术

多信道协议是在MAC层单个冲突域内同时调度多个信道来提高网络的吞吐量。多信道的研究最早开始于蜂窝网络。在移动Ad-hoc网络与无线Mesh网络的研究中，进一步提出在MAC层采用多信道的方法进行网络设计。经过多年的研究积累，已形成SingleRendezvous和ParallelRendezvous两大类多信道协议。其中，SingleRendezvous类多信道协议又可分为专用控制信道（DedicatedControlChannel）、公共跳（CommonHopping）、分裂阶段（SplitPhase）等三类。多信道协议的研究已经逐渐成熟，这为无线mesh网络相关标准中采用多信道机制提供了强有力的理论支持。但是，现有文献记载中，绝大多数都是采用NS-2模拟软件对所提出的多信道协议进行性能评估，缺乏数学模型，从而难以进行精确性能分析。

专用控制信道多信道协议的原理如图1示意，每个节点需要两个射频接口，一个射频接口在控制信道（0）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则切换到相应数据信道（1/2/3）上传输数据。由于采用两个射频接口，节点可以同时侦听控制信道和进行数据传输，无间断地知道其它节点的状态和信道使用情况。优点是不需要严格的网络时间同步；缺点是需要独立的射频接口和独立的控制信道。

由于IEEE802.11标准采用DCF作为基本的MAC接入机制，专用控制信道多信道协议的性能分析可以建立在DCF机制性能分析的基础之上。本发明在GiuseppeBianchi提出的DCF机制二维Markov链模型的基础上，对专用控制信道多信道协议的性能展开数学分析，提出一种专用控制信道多信道机制的吞吐量的计算系统及方法。

首先回顾802.11中传统DCF机制的吞吐性能分析。

假设条件如下：稳定速率信道，不考虑传输错误，只考虑协议本身的性能，只要出现任意长度的帧重叠就是发生冲突；单一冲突域，域内每个站点始终有数据帧要发送（饱和状态）并且数据帧到达（包括新数据帧和重发数据帧）是泊松过程；数据帧的长度相同；帧的重传次数不受限制，直到成功发送为止；在竞争站点数量相等情况下，无论帧发送或重传多少次，其发生冲突的概率恒定且相互独立；不考虑隐藏站点问题和捕获效应；站点的移动是有限的，忽略站点发送和接收帧时的位置变化。

传统IEEE802.11的DCF机制，仅使用一个信道。

定义τ为站点在任意时隙发送数据帧的概率。定义p_tr为一个时隙中至少有一个帧在发送的概率，则p_tr=1-(1-τ)ⁿ；定义p_s为一个时隙中有帧发送时有且仅有一个帧在发送的概率，则p_s＝nτ(1-τ)^n-1/p_tr；p_tr·p_s表示一个时隙中仅有一个帧在发送的概率。

定义E[P]为数据帧有效载荷值，f为信道速率。将GiuseppeBianchi推导的饱和吞吐量公式转换形式可得

其中，σ是802.11规定的时隙长度，T_c是冲突的平均时间，T_s是数据帧成功发送的平均时间。冲突时间T_c和成功发送时间T_s分别为

T_c=DIFS+RTS+δ(2)

T_s=T₀+SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ(3)

其中，T₀＝DIFS+RTS+δ+SIFS+CTS+δ，H＝物理层帧头+MAC层帧头。传播时延δ、DIFS和SIFS均以时间为单位。为便于表述，式中E[P]、ACK、H（以比特为单位）换算成在无线信道中发送需要的时间，其值与信道速率成反比。

可以将式（1）的分母E₀理解成DCF机制成功发送一次数据所需要的时间，包括退避(1-p_tr)/(p_sp_tr)个时隙、经历(1-p_s)/p_s次冲突。

发明内容

本发明在GiuseppeBianchi推导的饱和吞吐量公式的基础上，对DCF机制成功发送一次数据所需要的时间重新理解，提出一种专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法。

对DCF机制成功发送一次数据所需要的时间重新理解，是将E₀分为两个部分：n个站点竞争公共信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间T_RTS/CTS和公共信道发送数据所需要的时间T_TRSMIT。

其中

$T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}=\frac{1-p_{\mathrm{tr}}}{p_s{p}_{\mathrm{tr}}}\·\mathrm{\σ}+\frac{1-p_s}{p_s}\·T_c+T_0---\left(4\right)$

T_TRSMIT=SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ(5)

本发明采取如下技术方案：专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统，其包括输入参数模块、模型分析模块、吞吐量计算模块、输出结果模块，各模块详述如下：

输入参数模块：用于输入计算专用控制信道多信道协议吞吐量所需的原始参数。原始参数包括与IEEE802.11标准中不同物理层技术（如DSSS、FHSS和OFDM）所对应的DIFS、RTS、CTS、ACK、数据帧长、时隙和信道切换所需时间TBD等参数，以及信道速率f、可用信道数量v、站点数n。

模型分析模块：用于依据可供使用的信道数量的不同而采用相应的性能分析模块，信道数量不少于2。主要有2、3和v个可用信道时的分析模型（v大于3）。

当有2个可用信道（信道1至信道2）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2）上传输数据。相应的性能分析模型如图2所示。

当有3个可用信道（信道1至信道3）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2和信道3）上传输数据。相应的性能分析模型如图3所示。

当有v个可用信道（信道1至信道v）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2至信道v）上传输数据。相应的性能分析模型如图4所示。

吞吐量计算模块：当信道数量大于或等于2时，吞吐量计算模块根据T_TRSMIT/T_RTS/CTSS比值进行吞吐量计算：

当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据。此时吞吐量计算式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}}---\left(6\right)$

当＞1，此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据，如果信道2处于忙状态则可切换到信道3中传输数据，如果信道3处于忙状态则可切换到信道4中传输数据，以此类推。理论上不会出现RTS/CTS成功交互后，不能传输数据的情形。此时吞吐量计算式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}\·[1+\frac{(v-2)\·T_{\mathrm{TRSMIT}}}{T_{\mathrm{TRSMIT}}+\mathrm{TBD}}]---\left(7\right)$

输出结果模块：用于输出计算结果。

本发明专用控制信道多信道协议吞吐量的计算方法，按如下步骤：

①输入计算专用控制信道多信道协议吞吐量所需的原始参数。原始参数包括与IEEE802.11标准中不同物理层技术（如DSSS、FHSS和OFDM）所对应的DIFS、RTS、CTS、ACK、数据帧长、时隙和信道切换所需时间TBD等参数，以及信道速率f、可用信道数量v和站点数n。

②判断可用信道数量是否大于或等于2：若是，则进入第③步；如果小于2，则提示信道出错信息并结束。

③根据输入的物理参数值，利用式（4）计算出T_RTS/CTS和式（5）计算出T_TRSMIT值，并根据T_TRSMIT/T_RTS/CTS值，选择相应的吞吐量计算式：如果0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，则采用式（6）计算吞吐量；如果＞1，则采用式（7）计算吞吐量。

④将计算出的吞吐量输出。

相对于现有采用NS-2模拟的方法计算，本发明的专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法具有的最大优点是计算精确、数据可信度高。

附图说明

图1是专用控制信道协议的原理示意图。

图2是2个信道时的分析模型（1个控制信道和1个数据信道）。

图3是3个信道时的分析模型（1个控制信道和2个数据信道）。

图4是v个信道时的分析模型（1个控制信道和v-1个数据信道，v大于3）。

图5是专用控制信道协议的吞吐量计算方法的流程图。

图6是专用控制信道协议的吞吐量计算系统框图。

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，下面结合附图对本发明的实施例作进一步地详细描述。

如图1所示，专用控制信道多信道协议中每个节点需要两个射频接口，一个射频接口在控制信道（0）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则切换到相应数据信道（1/2/3）上传输数据。由于采用两个射频接口，节点可以同时侦听控制信道和进行数据传输，无间断地知道其它节点的状态和信道使用情况。优点是不需要严格的网络时间同步；缺点是需要独立的射频接口和独立的控制信道。

参见图5，下面详细叙述专用控制信道多信道协议吞吐量的计算方法，具体执行步骤如下：

①输入计算专用控制信道多信道协议吞吐量所需的原始参数。原始参数包括与IEEE802.11标准中不同物理层技术（如DSSS、FHSS和OFDM）所对应的DIFS、RTS、CTS、ACK、数据帧长、时隙和信道切换所需时间TBD等参数，以及信道速率f、可用信道数量v和站点数n。

②判断可用信道数量是否大于或等于2：若是，则进入第③步；如果小于2，则提示信道出错信息并结。

③根据输入的物理参数值，利用式（4）计算出T_RTS/CTS和式（5）计算出T_TRSMIT值，并根据T_TRSMIT/T_RTS/CTS值，选择相应的吞吐量计算式：如果0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，则采用式（6）计算吞吐量；如果＞1，则采用式（7）计算吞吐量；

④将计算出的吞吐量输出。

参见图6，本发明还公开了一种专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统，包括输入参数模块、模型分析模块、吞吐量计算模块、输出结果模块，各模块详述如下：

输入参数模块：用于输入计算专用控制信道多信道协议吞吐量所需的原始参数。原始参数包括与IEEE802.11标准中不同物理层技术（如DSSS、FHSS和OFDM）所对应的DIFS、RTS、CTS、ACK、数据帧长、时隙和信道切换所需时间TBD等参数，以及信道速率f、可用信道数量v和站点数n。

模型分析模块：用于依据可供使用的信道数量的不同而采用相应的性能分析模块，信道数量不少于2。主要有2、3和v个可用信道时的分析模型，v大于3。

当有2个可用信道（信道1至信道2）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2）上传输数据。相应的性能分析模型如图2所示。

当有3个可用信道（信道1至信道3）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2和信道3）上传输数据。相应的性能分析模型如图3所示。

当有v个可用信道（信道1至信道v）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2至信道v）上传输数据。相应的性能分析模型如图4所示。

吞吐量计算模块：当信道数量大于或等于2时，根据T_TRSMIT/T_RTS/CTS比值和信道数量进行吞吐量计算。

当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据。此时吞吐量计算式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}}---\left(6\right)$

当＞1，此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据，如果信道2处于忙状态则可切换到信道3中传输数据，如果信道3处于忙状态则可切换到信道4中传输数据，以此类推。理论上不会出现RTS/CTS成功交互后，不能传输数据的情形。此时吞吐量计算式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}\·[1+\frac{(v-2)\·T_{\mathrm{TRSMIT}}}{T_{\mathrm{TRSMIT}}+\mathrm{TBD}}]---\left(7\right)$

输出结果模块：用于输出计算结果。

式（6）和式（7）的推导过程：

一、2个可用信道

当有2个可用信道（信道1至信道2）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2）上传输数据。相应的性能分析模型如图2所示。

根据T_TRSMIT与T_RTS/CTS比值的大小，可以知道RTS/CTS交互竞争数据信道后传输情况。

（1）当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1。任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据。此时吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}}$

（2）当T_TRSMIT/T_RTS/CTS＞1。此时，会出现RTS/CTS成功交互后，有一定比例的数据因信道2繁忙而不能发送数据的情形。假设T_TRSMIT/T_RTS/CTS=m，则有(m-1)/M的数据不能发送。此时吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}$

二、3个可用信道

当有3个可用信道（信道1至信道3）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2和信道3）上传输数据。相应的性能分析模型如图3所示。

同样，根据T_TRSMIT与T_RTS/CTS比值的大小，可以知道RTS/CTS交互竞争数据信道后传输情况。

（1）当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1。此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据，甚至于不需要采用信道3中传输数据。通常，节点用于传输数据的射频节点默认处于信道2。如果采用信道3传输数据，则需要从信道2切换到信道3，由于存在信道切换时延，会更麻烦。吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}}$

（2）当1＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤2。此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据，如果信道2处于忙状态则可切换到信道3中传输数据。理论上不会出现RTS/CTS成功交互后，不能传输数据的情形。此时吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}\·[1+\frac{T_{\mathrm{TRSMIT}}}{T_{\mathrm{TRSMIT}}+\mathrm{TBD}}]$

（3）当T_TRSMIT/T_RTS/CTS＞3。此时，会出现RTS/CTS成功交互后，有一定比例的数据因信道2繁忙而不能发送数据的情形。假设T_TRSMIT/T_RTS/CTS=m，则有(m-2)/m的数据不能发送。此时吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}\·[1+\frac{T_{\mathrm{TRSMIT}}}{T_{\mathrm{TRSMIT}}+\mathrm{TBD}}]$

三、v个可用信道（v≥4）

当有v个可用信道（信道1至信道v）时，节点的一个射频接口可在控制信道（信道1）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道（信道2至信道v）上传输数据。相应的性能分析模型如图4所示。

同样，根据T_TRSMIT与T_RTS/CTS比值的大小，可以知道RTS/CTS交互竞争数据信道后传输情况。

（1）当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1。此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据，甚至于不需要采用信道3中传输数据。通常，节点用于传输数据的射频节点默认处于信道2。如果采用信道3传输数据，则需要从信道2切换到信道3，由于存在信道切换时延，会更麻烦。吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}}$

（2）当1＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤v-1。此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，都可以采用另一个射频接口在信道2中传输数据，如果信道2处于忙状态则可切换到信道3中传输数据，如果信道3处于忙状态则可切换到信道4中传输数据，以此类推至信道v-1。理论上不会出现RTS/CTS成功交互后，不能传输数据的情形。此时吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}\·[1+\frac{(v-2)\·T_{\mathrm{TRSMIT}}}{T_{\mathrm{TRSMIT}}+\mathrm{TBD}}]$

（3）当T_TRSMIT/T_RTS/CTS＞v。此时，会出现RTS/CTS成功交互后，有一定比例的数据因数据信道繁忙而不能发送数据的情形。假设T_TRSMIT/T_RTS/CTS=m，则有(m-v-1)/m的数据不能发送。此时吞吐率计算公式为

$S=\frac{E\left[P\right]\·f}{T_{\mathrm{TRSMIT}}}\·[1+\frac{(v-2)\·T_{\mathrm{TRSMIT}}}{T_{\mathrm{TRSMIT}}+\mathrm{TBD}}]$

当然，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，只要在本发明的范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的保护范围。

Claims (5)

1.专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统，其特征是包括：

输入参数模块：用于输入计算专用控制信道多信道协议吞吐量所需的原始参数；

模型分析模块：依据可供使用的信道数量的不同而采用相应的模型分析模块，信道数量不少于2；

吞吐量计算模块：根据T_TRSMIT/T_RTS/CTS比值进行吞吐量计算：

当0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，采用另一个射频接口在信道2中传输数据；此时吞吐量计算式为

$S=\frac{E\[P\]\·f}{T_{RTS/CTS}}$

当T_TRSMIT/T_RTS/CTS＞1，此时，任何一对节点在信道1中RTS/CTS成功交互后，采用另一个射频接口在信道2中传输数据，如果信道2处于忙状态则可切换到信道3中传输数据，如果信道3处于忙状态则可切换到信道4中传输数据，以此类推；此时吞吐量计算式为

$S=\frac{E\[P\]\·f}{T_{TRSMIT}}\·\[1+\frac{(v-2)\·T_{TRSMIT}}{T_{TRSMIT}+TBD}\]$

T_RTS/CTS是n个站点竞争公共信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间；T_TRSMIT是n个站点竞争公共信道时公共信道发送数据所需要的时间；n是站点数；E[P]为数据帧有效载荷值、f是信道速率、v是可用信道数量、TBD是时隙和信道切换所需时间；

输出结果模块：用于输出计算结果。

2.如权利要求1所述的专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统，其特征是：可用信道为2个即信道1至信道2，节点的一个射频接口在控制信道即信道1上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道即信道2上传输数据。

3.如权利要求1所述的专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统，其特征是：可用信道为3个即信道1至信道3，节点的一个射频接口在控制信道即信道1上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道即信道2和信道3上传输数据。

4.如权利要求1所述的专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统，其特征是：v大于3，信道1至信道v，节点的一个射频接口在控制信道即信道1上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则固定在数据信道即信道2至信道v上传输数据。

5.专用控制信道多信道协议吞吐量的计算方法，其特征是按如下步骤：

①输入计算专用控制信道多信道协议吞吐量所需的原始参数；

②判断可供使用的信道数量是否大于或等于2：若是，则进入第③步；若否，则提示信道出错信息并结束；

③根据输入的物理参数值，计算出T_TRSMIT、T_RTS/CTS值，并根据T_TRSMIT/T_RTS/CTS值，选择吞吐量计算式：如果0＜T_TRSMIT/T_RTS/CTS≤1，则采用以下公式计算吞吐量：

$S=\frac{E\[P\]\·f}{T_{RTS/CTS}};$

如果T_TRSMIT/T_RTS/CTS＞1，则采用以下公式计算吞吐量：

T_RTS/CTS是n个站点竞争公共信道时出现一对站点成功RTS/CTS交互所需的平均时间；T_TRSMIT是n个站点竞争公共信道时公共信道发送数据所需要的时间；n是站点数；E[P]为数据帧有效载荷值、f是信道速率、v是可用信道数量、TBD是时隙和信道切换所需时间；

④将计算出的吞吐量输出。