CN103945558A - 一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法，通过检测网络当前的负载状况来动态地调整信道竞争参数，对不同优先级的业务提供不同的信道接入机会，保障用户的QoS需求；同时，通过修改接入节点（AP）的信道竞争机制来缓解由于AP数目和用户数目差别造成的上下行吞吐量的不公平性。本发明在网络负载变化的情况下，使得系统吞吐量不会急剧下降，显著地缓解了上下行吞吐量的不平衡，从而提高了资源利用效率，更好地保障了用户的QoS需求。

Description

一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法

技术领域

本发明属于无线通信系统的信道接入方法领域，尤其涉及一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法。

背景技术

近年来，用户对通信质量要求不断提高，移动通信用户量不断增大，以及通信方式已经从第二代（2G）通信系统的“电路交换为主，分组交换为辅”模式发展到现在第四代（4G）通信系统的全分组交换模式，这些因素使得单靠蜂窝网络来进行数据通信压力很大，特别是在热点区域中，搭建蜂窝网所需的成本很高。与此同时，无线局域网（WLAN）由于具有高带宽、低成本、易部署等优点并且使用的是非授权频段等特点已经得到了广泛的应用。目前WLAN技术已经很成熟，能达到比较满意的传输速率，比如IEEE802.11n中峰值速率能达到300Mbps甚至600Mbps。在热点区域，如飞机场、咖啡厅，用户比较集中，WLAN能有效地分担蜂窝网的负担。在偏远地区，蜂窝网信号可能不理想，此时移动终端可以通过WLAN很好的进行通信。而且由于WLAN部署的简易性，WLAN已经得到广泛的应用。

WLAN有两种工作模式，一种是有AP（Access Point，接入节点），另外一种是没有AP。现在商用的主要是第一种模式。传统的IEEE802.11协议提供了两种接入策略：DCF（distributed coordination function）和PCF（pointcoordination function）。DCF是一种基于竞争的信道接入策略而PCF是一种基于轮询的接入策略。然而，这两种信道接入策略都不能提供QoS（Qualityof Service，用户的服务质量）保障。为了给用户提供可靠的服务，IEEE802.11e提供了EDCA（enhanced distributed channel access）和HCCA（HCFcontrolled channel access）这两种信道接入策略。由于EDCA具有易实现性和很好的可扩展性，WLAN产品应用EDCA居多。在EDCA中，引入了几个重要参数来实现对不同业务的区别对待：AC（Access Category，无线控制器）、AIFS（arbitrary inter-frame space，仲裁帧间间隔时间）和TXOP_limit（transmission opportunity limit，传输机会）。不同的业务对应不同的参数设置，以此来实现QoS保障。然而，直接使用EDCA策略会存在一些问题。具体来说，由于参数设置比较固定，当网络负载状况变化较大时，固定的参数设置会不适合，导致用户的最低需求不能达到。当用户数比较多时，保持原来的参数设置会导致传输碰撞概率的激增，从而使得用户的QoS需求得不到保障，资源利用率很低。另一方面，由于接入节点的参数设置和非接入节点的参数设置相似，而接入节点的个数往往远远小于用户数，这样造成了上行和下行竞争信道机会的不平衡，从而导致上下行吞吐量比较大的差别。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法，能够在网络负载状况变化时能自适应的调整信道竞争参数，缓解上下行吞吐量的不平衡性，信道资源得到充分利用，用户的QoS保障能更有效地得到保障。

为达到以上目的，本发明的技术方案包括以下步骤：

1）、监测当前网络负载状况：

获取激活用户的重传次数的平均值，设置重传次数门限值，当重传次数的平均值大于等于重传次数门限值时，则当前网络负载大；当重传次数的平均值小于重传次数门限值时，则当前网络负载小；

2）、根据所获得的当前网络负载状况，调整竞争窗口值：

当激活用户数据发送成功，且当前网络负载大，则竞争窗口值保持不变；

当激活用户数据发送成功，且当前网络负载小，则竞争窗口值调整为最小竞争窗口值；

当激活用户数据发送失败，且当前网络负载大，则根据二进制指数退避算法更新竞争窗口值；

当激活用户数据发送失败，且当前网络负载小，则竞争窗口值保持不变。

所述根据二进制指数退避算法更新竞争窗口值具体包括：

${\mathrm{CW}}_{\mathrm{new}}=\left\{\begin{array}{cc}2*({\mathrm{CW}}_{\mathrm{old}}+1)-1,& {\mathrm{CW}}_{\mathrm{temp}}\≤{\mathrm{CW}}_{\max }\\ {\mathrm{CW}}_{\max },& {\mathrm{CW}}_{\mathrm{temp}}>{\mathrm{CW}}_{\max }\end{array}\right.$

CW_temp=2*(CW_old+1)-1

其中，CW_new为更新后的竞争窗口值，CW_temp为中间临时比较竞争窗口值，CW_old为更新前竞争窗口值，CW_max为最大竞争窗口值。

当激活用户数据发送成功，重置激活用户的接入节点的退避计数器为零，然后当前网络负载状况，调整竞争窗口值。与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法，通过测量当前网络的重传次数平均值来实时反映网络当前的负载状况，并根据测量结果调整竞争窗口，从而降低信道碰撞概率，使得不同业务的基本需求得到满足，使得用户能正常顺利的进行通信，另外，本发明在网络负载变化的情况下，使得系统吞吐量不会急剧下降，缓解了上下行吞吐量的不平衡，从而提高了资源利用效率，更好地保障了用户的QoS需求。

进一步的，本发明中还对接入节点的信道竞争机制进行调整：每当用户成功发送数据后，对接入节点的退避计数器置为零，目的是提高接入节点竞争信道的能力，减轻上下行吞吐量的不平衡性。

附图说明

图1是无线局域网通信示意图;

图2是上层数据向媒体访问控制层的映射图;

图3是EDCA机制下信道访问过程图；

图4是A-EDCA信道接入控制方法整体流程图；

图5是A-EDCA机制中接入节点信道竞争过程；

图6是用户数变化时吞吐量和时延的仿真曲线图；其中，（a）为用户数变化时的吞吐量仿真曲线图，（b）为用户数变化时的时延仿真曲线图；

图7是分组到达速率变化时吞吐量和时延的仿真曲线图；其中，（a）分组到达速率变化时的吞吐量仿真曲线图，（b）为分组到达速率变化时的时延仿真曲线图；

图8是端到端时延的累积分布函数的仿真曲线图；

图9是公平性因子的仿真曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

首先参见图1来说明在无线局域网中通信的系统模型。无线局域网考虑具有接入节点的结构。网络里有N个用户，其位置随机分布和1个接入节点。用户发送或接收数据必须经过接入节点，用户间不能直接进行通信。假设信道是理想的，即不考虑因信道质量引起的丢包或误包。用户和接入节点认为是静止的。考虑两种业务：语音业务和数据业务。语音业务是对时延敏感的业务，拥有比数据业务高的信道接入优先级。针对EDCA存在的问题，本发明中的信道接入控制方法命名为“A-EDCA机制”。

下面参见图2来说明上层数据向MAC（Medium Access Control，媒体访问控制层）的映射。上层待发送数据分为4个类别：VO（Voice，语音）类，VI（Video，视频）类，BE（Best Effort，尽量而为）类和BK（Background，背景）类。访问信道优先级依次降低。其中，语音类和视频类是实时业务，对时延敏感，要求尽早接入信道。尽力而为类和背景类是不需QoS保障的业务，信道竞争优先级较低。不失一般性，考虑语音类和尽力而为类（这里即为数据类）。

下面参见图3来说明EDCA机制下信道访问过程。

用户发送数据一般经历的过程包括AIFS等待阶段，退避阶段和发送阶段。

1.待发送数据的用户若是第一次准备发送数据，则：

1)首先感知信道状态。如果感知到信道连续空闲了AIFS时间，用户就立即发送数据。如果感知到信道是繁忙的状态，退避计数器就开启并初始化，然后进入退避阶段。

2)在退避阶段，每过一个时隙（Slot Time）的时间检测信道状态：

a.若信道为空闲，则退避计数器就减1，直到退避计数器的值为0时，就进入发送阶段进行数据发送；

b.若信道繁忙，则退避计数器保持原来的值不变，等待信道进入空闲状态。

3)在发送阶段，根据要发送数据所属的类别，可以在对应的TXOP_limit时间内连续使用信道发送数据。

2.若待发送数据的用户不是第一次准备发送数据，则首先监测信道状态，当感知到信道连续空闲了AIFS时间后，不直接发送数据而是进入退避阶段。其他过程和情况1相同。

在EDCA信道接入机制下，每个用户拥有存储4个类别数据的队列，每个队列拥有一个退避计数器。4个退避计数器是独立的。

退避阶段涉及到的CW（Contention Window，竞争窗口）值的调整过程如下：

在退避计数器启动时CW初始化为最小竞争窗口

不同业务具有不同的最小竞争窗口。优先级越高对应的最小竞争窗口越小。退避计数器的初始值从[0,CW-1]范围内随机取一个值。

用户成功发送数据后，竞争窗口重置为最小竞争窗口，退避计数器重新取值。重传次数（retry_num）置为零。

由于用户某一次发送成功或者失败具有随机性，不能客观地反映当前的网络负载状况。因此，EDCA机制下的信道调整不准确，当用户数较多时造成较大的碰撞概率，系统吞吐量大幅降低，资源利用率下降。并且由于接入节点和用户的竞争信道机制相同，而用户数往往远大于接入节点数，这样造成了上行和下行信道竞争机会的不平衡，从而导致了上下行吞吐量的不平衡。

如图4所示，本发明提供了一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法（简称，A-EDCA），能较准确地调整信道竞争参数和改善上下行吞吐量不平衡问题，包括以下步骤：

1）、监测当前网络负载状况：

获取激活用户的重传次数的平均值，设置重传次数门限值，当重传次数的平均值大于等于重传次数门限值时，则当前网络负载大；当重传次数的平均值小于重传次数门限值时，则当前网络负载小；

$W\left[{\mathrm{retry}}_{\mathrm{num}}\right]=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{retry}}_{\mathrm{num}}\left(i\right)$

上式中，retry_num表示重传次数，retry_num（i）满足retry_num(i)>0E[retry_num]表示求得的重传次数平均值。该值能较好地反映当前网络负载状况，值越大表示网络负载越大。通过对E[retry_num]与设定的重传次数门限值λ做比较来调整信道竞争参数，满足retry_num(i)>0

2）、根据所获得的当前网络负载状况，调整竞争窗口值：

当激活用户数据发送成功，且当前网络负载大，则竞争窗口值保持不变；

当激活用户数据发送成功，且当前网络负载小，则竞争窗口值调整为最小竞争窗口值；

具体为：

a、当用户成功发送数据时：

若E[retry_num]<λ，则当前网络负载不大，竞争窗口调整为最小竞争窗口；

若E[retry_num]≥λ，则当前网络负载不小，竞争窗口保持不变。

此时竞争窗口更新过程如下所示：

$\mathrm{CW}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{CW}}_{\min },& E\left[{\mathrm{retry}}_{\mathrm{num}}\right]<\mathrm{\&lambda;},\\ \mathrm{CW},& E\left[{\mathrm{retry}}_{\mathrm{num}}\right]\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;}.\end{array}\right.$

其中，CW为更新后的竞争窗口值，CW_min为最小竞争窗口值。

b、当用户发送数据遇到冲突时：

若E[retry_num]≥λ，则当前网络负载较大，竞争窗口按照二进制指数退避算法更新；

若E[retry_num]<λ，则当前网络负载不大，竞争窗口保持不变。

此时竞争窗口更新过程如下所示：

$\mathrm{CW}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{CW}}_{\mathrm{new}},& E\left[{\mathrm{retry}}_{\mathrm{num}}\right]\&GreaterEqual;\mathrm{\&lambda;},\\ \mathrm{CW},& E\left[{\mathrm{retry}}_{\mathrm{num}}\right]<\mathrm{\&lambda;}.\end{array}\right.$

其中CW_new的计算方法为：

CW_temp=2*(CW_old+1)-1

${\mathrm{CW}}_{\mathrm{new}}=\left\{\begin{array}{cc}2*({\mathrm{CW}}_{\mathrm{old}}+1)-1,& {\mathrm{CW}}_{\mathrm{temp}}\&le;{\mathrm{CW}}_{\max }\\ {\mathrm{CW}}_{\max },& {\mathrm{CW}}_{\mathrm{temp}}>{\mathrm{CW}}_{\max }\end{array}\right.$

其中，CW_new为更新后的竞争窗口值，CW_temp为中间临时比较竞争窗口值，CW_old为更新前竞争窗口值，CW_max为最大竞争窗口值。

3）接入节点信道竞争机制的调整：

如图5所示，为了提高接入节点信道竞争能力，当用户成功完成一次传输后，重置接入节点的退避计数器为零，使得接入节点接下来经过AIFS等待阶段后，跳过退避阶段直接进入发送阶段。需要注意的是，重置接入节点的退避计数器为零这一操作只在用户（即非接入节点）成功发送后进行，目的是避免接入节点一直占用信道。

上下行吞吐量公平性因子I定义为：

$I=\frac{T_{\mathrm{up}}-T_{\mathrm{dowm}}}{T_{\mathrm{up}}}$

上式中，T_up和T_down分别表示上行和下行吞吐量。

通过对接入节点信道竞争机制的调整，使得接入节点接入信道机会增大，很好地缓解了上下行吞吐量的不平衡问题。

本发明提出的A-EDCA信道接入机制是在原有EDCA机制上进行有效的改动，易于实现，具有很好的实用性。

本发明的仿真结果及分析。

如图6所示，图6给出了在本发明提出的基于网络负载的自适应信道接入控制机制下当用户数变化时的吞吐量仿真曲线图（a）和用户数变化时的时延仿真曲线图（b）。从仿真结果我们可以看出，当用户数增大时，语音业务和数据业务的吞吐量和时延性能都得到提升。这是因为竞争参数调整是根据当前网络负载状况动态调整的，能有效地降低碰撞概率，提高系统吞吐量，减少因碰撞引起的等待时间，降低时延。

如图7所示，图7给出了在本专利提出的基于网络负载的自适应信道接入控制机制下当分组到达速率变化时的吞吐量仿真曲线图（a）和分组到达速率变化时的时延仿真曲线图（b）。可以发现，在A-EDCA机制下，语音业务和数据业务的吞吐量和时延性能得到了提升。当分组到达速率增大时，网络负载变大，在A-EDCA机制下能较准确地调整信道竞争参数，减少碰撞概率，提高系统性能，有效地保障了用户的QoS需求。

如图8所示，图8给出了端到端时延的累积分布函数的仿真曲线。从仿真结果可以发现，在A-EDCA机制下语音业务时延90%都控制在400ms以内，有效保障了QoS需求。

如图9所示，图9给出了上下行吞吐量公平性因子的仿真曲线。可以看出，上下行吞吐量的不公平性得到了很好的缓解，特别是在用户数较多的情况下改善更显著。这是因为采用了本发明提出的接入节点信道竞争机制后，有效地增大了接入节点的信道竞争能力，从而显著地改善了上下行吞吐量的不公平性。

Claims (3)

1.一种无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）、监测当前网络负载状况：

获取激活用户的重传次数的平均值，设置重传次数门限值，当重传次数的平均值大于等于重传次数门限值时，则当前网络负载大；当重传次数的平均值小于重传次数门限值时，则当前网络负载小；

2）、根据所获得的当前网络负载状况，调整竞争窗口值：

当激活用户数据发送成功，且当前网络负载大，则竞争窗口值保持不变；

当激活用户数据发送成功，且当前网络负载小，则竞争窗口值调整为最小竞争窗口值；

当激活用户数据发送失败，且当前网络负载大，则根据二进制指数退避算法更新竞争窗口值；

当激活用户数据发送失败，且当前网络负载小，则竞争窗口值保持不变。

2.根据权利要求1所述的无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法，其特征在于，所述根据二进制指数退避算法更新竞争窗口值具体包括：

${\mathrm{CW}}_{\mathrm{new}}=\left\{\begin{array}{cc}2*({\mathrm{CW}}_{\mathrm{old}}+1)-1,& {\mathrm{CW}}_{\mathrm{temp}}\&le;{\mathrm{CW}}_{\max }\\ {\mathrm{CW}}_{\max },& {\mathrm{CW}}_{\mathrm{temp}}>{\mathrm{CW}}_{\max }\end{array}\right.$

CW_temp=2*(CW_old+1)-1

其中，CW_new为更新后的竞争窗口值，CW_temp为中间临时比较竞争窗口值，CW_old为更新前竞争窗口值，CW_max为最大竞争窗口值。

3.根据权利要求1所述的无线局域网中基于网络负载的自适应信道接入控制方法，其特征在于，当激活用户数据发送成功，重置激活用户的接入节点的退避计数器为零，然后当前网络负载状况，调整竞争窗口值。