CN104320859A - 基于ap控制的竞争与分配相结合的mac接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，在一个BSS中利用AP对站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段T1和分配时段T2这两个时段，在竞争时段T1过程中站点向AP发送请求，在分配时段T2过程中AP对各个站点发送数据的时机进行分配。本发明引入AP对移动站点发送数据进行控制，能保证各次通信互不干扰，解决WLAN隐藏站和暴露站问题。同时，每个移动端的发送申请只有到达的先后，没有优先级之分，保证了每个移动端的公平性。

Description

基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法
技术领域
本发明涉及一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，属于无线通信领域。
背景技术
对于人流密集的商区、展览馆、机场，在无线接入点AP数有限而使用的人群又很多的情况下，目前的IEEE 802.11的接入机制的碰撞几率非常高，极大地制约的WLAN的使用效率。
CSMA/CA协议针对无线接入提出了许多有效的方法，但仍然存在着一些问题。存在的问题主要分为两方面：
首先，CSMA/CA协议采用退避算法是BEB算法。BEB算法实现简单，但其对退避时间的调整过于激烈：检测到有冲突发生时，这个退避时间量就会呈二进制指数增长；而当一次成功传输后，这个退避时间量就会恢复到它的最小值。这会导致退避时间量有一个相当大的浮动。例如，站点一次成功发送后，退避值变为最小，其它站点的退避值较大，退避值较小的站点在下一个竞争期较容易成功发送，成功发出后，退避值又变为最小，而其它节点的退避值再次增大，造成了严重的不公平。应考虑改进的算法以避免这样的激烈浮动，从而保证网络具有更好的公平性。
其次，DCF模式也存在着固有缺陷。DCF模式在网络负载较轻时比较有效，但随着负载冲突的增加，退避执行过程浪费了大量时间，吞吐量会逐渐降低，不能保证有效的端到端时延。同时，在DCF模式下，一个BSS内的所有站点都以同样的优先级竞争信道，因此，也就没有了区分机制来保证高优先级的站点的服务。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，能够解决隐藏站和暴露站问题，吞吐量大，时延小。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，在一个BSS中利用AP对站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段T1和分配时段T2这两个时段，T1为预设值；
(1)竞争时段T1进行以下步骤：
(1-1)T1时段开始时刻AP即发送广播消息NEWS1，告知BSS内的所有站点请求发送数据，同时清空存储于AP的发送站点顺序表，同时用于确定T1时长的T1计时器置位；发送站点顺序表的内容如表1所示：
表1发送站点顺序表
(1-2)所有待发送数据帧的站点接收到NEWS1后检测信道是否空闲，当信道空闲时，等待请求帧间间隔SIFS后，向AP发送请求帧RTS；所述请求帧RTS中包括源站点信息、目的站信息以及待发送数据字节数；
(1-3)AP根据收到的信息更新维护发送站点顺序表”：AP每收到一个请求帧RTS，就记录下发送该请求帧RTS的站点的ID、目的站ID和待发送数据字节数加入发送站点顺序表，并将待发送数据字节数除以信道带宽得到所需传输时间加入发送站点顺序表；同时向该站点回复确认消息ACK，表示AP认为该站点申请成功；
(1-4)如果发送请求帧RTS的站点在发送请求帧RTS后设置时间内收到ACK帧，则此站点申请成功，否则申请失败；申请失败的站点利用二进制指数退避算法推迟一定时间，等到信道空闲后再次向AP发送RTS；
如果待发送数据的站点在竞争时段T1结束前未收到确认消息ACK，则该站点申请失败，申请失败的站点等待下一个T1再重新发送请求帧RTS；
(2)分配时段T2进行以下步骤：
(2-1)进入分配时段T2，AP间隔SIFS后，发送广播消息NEWS2，该广播消息NEWS2包括待发送数据的站点ID、站点发送数据字节以及站点发送数据的持续时间，并设置发送时间计时器为Td(n)+5*SIFS；其中，n为待发送数据的站点在发送站点顺序表中的序号，Td(n)表示所需传送时间，根据数据长度字节数/信道带宽或数据长度字节数/发送速率求出，信道带宽和发送速率均为设置值；SIFS为预设的短帧间间隔；
(2-2)BSS内的各站点接收广播消息NEWS2，判断本站点ID是否在NEWS2中出现，若出现，则该站点间隔SIFS后向目的站发送数据；若目的站正确收到了该站点发送的数据，则向AP发送确认消息ACK，表明发送完成；
(2-3)若发送时间计时器不为零，AP收到确认消息ACK，间隔SIFS后广播消息NEWS2，该广播消息包括下一个发送站点的源站ID、待发送数据字节数以及所需传输时间；若发送时间计时器为零，AP没有收到ACK，间隔SIFS后广播消息NEWS2，该广播消息包括下一个发送站点的源站ID、待发送数据字节数以及所需传输时间；重复步骤(2-1)到(2-3)，直到所有站点数据发送完毕，重新进入T1时段。
步骤(1-2)中，若两个或两个以上站点同时向AP发送RTS时，站点监听信道发现信道从空闲转为忙态，认为发生碰撞，则各站点执行退避算法以避免第二次冲突。
T2时段，AP按照发送站点顺序表控制各站点发送数据，各站点发送数据的间隔统一为SIFS。
本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：
(1)在竞争时段T1过程中，所有待发送数据的站点都要先向AP发送请求，由AP通知各站点先后发送数据，因此不会存在某两个站点在发送数据过程中发生碰撞的情况，从而解决了隐藏站问题；
(2)在分配时段T2过程中，发送站点都要向AP发出请求，AP根据请求的先后通知发送站点发送数据，使得目的站能顺利接收数据，从而解决了暴露站问题；
(3)在分配时段T2过程中，各个待发送数据的站点的发送数据的顺序在各站点竞争时段T1向AP发送请求帧RTS时就已决定，没有优先级之分，因此保证了每个移动端的公平性。
附图说明
图1为采用DCF方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法不同站点数目下吞吐量的对比图。
图2为采用DCF方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法不同站点数目下信道利用率对比图。
图3为采用DCF方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法不同站点数目下端到端时延对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，在一个BSS中利用AP对站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段T1和分配时段T2这两个时段，T1为预设值；
(1)竞争时段T1进行以下步骤：
(1-1)T1时段开始时刻AP即发送广播消息NEWS1，告知BSS内的所有站点请求发送数据，同时清空存储于AP的发送站点顺序表，同时用于确定T1时长的T1计时器置位；发送站点顺序表的内容如表1所示：
表1发送站点顺序表
(1-2)所有待发送数据帧的站点接收到NEWS1后检测信道是否空闲，当信道空闲时，等待请求帧间间隔SIFS后，向AP发送请求帧RTS；所述请求帧RTS中包括源站点信息、目的站信息以及待发送数据字节数；
(1-3)AP根据收到的信息更新维护发送站点顺序表”：AP每收到一个请求帧RTS，就记录下发送该请求帧RTS的站点的ID、目的站ID和待发送数据字节数加入发送站点顺序表，并将待发送数据字节数除以信道带宽得到所需传输时间加入发送站点顺序表；同时向该站点回复确认消息ACK，表示AP认为该站点申请成功；
(1-4)如果发送请求帧RTS的站点在发送请求帧RTS后设置时间内收到ACK帧，则此站点申请成功，否则申请失败；申请失败的站点利用二进制指数退避算法推迟一定时间，等到信道空闲后再次向AP发送RTS；
如果待发送数据的站点在竞争时段T1结束前未收到确认消息ACK，则该站点申请失败，申请失败的站点等待下一个T1再重新发送请求帧RTS；
(2)分配时段T2进行以下步骤：
(2-1)进入分配时段T2，AP间隔SIFS后，发送广播消息NEWS2，该广播消息NEWS2包括待发送数据的站点ID、站点发送数据字节以及站点发送数据的持续时间，并设置发送时间计时器为Td(n)+5*SIFS；其中，n为待发送数据的站点在发送站点顺序表中的序号，Td(n)表示所需传送时间，根据数据长度字节数/信道带宽或数据长度字节数/发送速率求出，信道带宽和发送速率均为设置值；SIFS为预设的短帧间间隔；
(2-2)BSS内的各站点接收广播消息NEWS2，判断本站点ID是否在NEWS2中出现，若出现，则该站点间隔SIFS后向目的站发送数据；若目的站正确收到了该站点发送的数据，则向AP发送确认消息ACK，表明发送完成；
(2-3)若发送时间计时器不为零，AP收到确认消息ACK，间隔SIFS后广播消息NEWS2，该广播消息包括下一个发送站点的源站ID、待发送数据字节数以及所需传输时间；若发送时间计时器为零，AP没有收到ACK，间隔SIFS后广播消息NEWS2，该广播消息包括下一个发送站点的源站ID、待发送数据字节数以及所需传输时间；重复步骤(2-1)到(2-3)，直到所有站点数据发送完毕，重新进入T1时段。
步骤(1-2)中，若两个或两个以上站点同时向AP发送RTS时，站点监听信道发现信道从空闲转为忙态，认为发生碰撞，则各站点执行退避算法以避免第二次冲突。
T2时段，AP按照发送站点顺序表控制各站点发送数据，各站点发送数据的间隔统一为SIFS。
其中，AP速率设置为11Mbit/s，BBS内站点的发送速率设置为1Mbits/s，SIFS设置为28μs，待发送数据长度为1024byte，RTS长度为80bit，ACK长度为64bit。
图1为采用DCF方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法不同站点数目下吞吐量的对比图。可以看到，当站点数目增加到20个以后，DCF方法的吞吐量迅速下降，而基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法仍然能够保持足够高的吞吐量。同时可以看到，站点数目比较多时，改进方法的吞吐量可基本维持平稳不变。
图2为采用DCF方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法不同站点数目下信道利用率对比图。可以看出DCF方法的信道利用率在站点数增加到20个以后下降很快，而基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法的信道利用率维持平稳。这主要是因为当一个服务集内站点过多时，站点想要发送过多的数据，造成在同一时刻，有多个站在执行退避算法，信道处于休闲状态。而采用基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，当站点在执行退避算法时，AP接入点正在发送通知帧或者其他帧，不会对信道增加负担。
图3为采用DCF方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法不同站点数目下端到端时延对比图。可以看出站点数目少于25时，基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法的端到端时延比DCF大。这是因为基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法需要站点等待发送申请的时间段结束才能发送数据帧，而DCF方法碰撞小，能直接发送。但是，随着站点继续增加，DCF方法发生碰撞的情况大量增加，导致平均的端到端时延迅速增大，而基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法使用AP控制站点发送数据，只有在申请时发生碰撞，碰撞后不会造成长时间退避等待，因此，改进方法的平均端到端时延基本保持不变。
下表给出了30个站点的情况下，采用超时隙方案、SETL方法、DCF方法、FCR方法与本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，吞吐量相比DCF方法的提高比率，以及平均端到端时延。
表2多种接入方法的比较
当站点数目达到30个时，就吞吐量而言，使用本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，与DCF方法相比可以提高33％，仅次于FCR方法提高的51％。但是，FCR方法的平均端到端实验长达180ms，而本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法仅为59ms。
因此，当站点数目比较多时，使用本发明的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，不仅和DCF方法相比能得到较高的吞吐量及较小的端到端时延，而且和其他一些接入方法相比也有其优越性。

Claims (3)

1.一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，其特征在于：在一个BSS中利用AP对站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段T1和分配时段T2这两个时段，T1为预设值；
(1)竞争时段T1进行以下步骤：
(1-1)T1时段开始时刻AP即发送广播消息NEWS1，告知BSS内的所有站点请求发送数据，同时清空存储于AP的发送站点顺序表，同时用于确定T1时长的T1计时器置位；发送站点顺序表的内容如表1所示：
表1 发送站点顺序表
(1-2)所有待发送数据帧的站点接收到NEWS1后检测信道是否空闲，当信道空闲时，等待请求帧间间隔SIFS后，向AP发送请求帧RTS；所述请求帧RTS中包括源站点信息、目的站信息以及待发送数据字节数；
(1-3)AP根据收到的信息更新维护发送站点顺序表：AP每收到一个请求帧RTS，就记录下发送该请求帧RTS的站点的ID、目的站ID和待发送数据字节数加入发送站点顺序表，并将待发送数据字节数除以信道带宽得到所需传输时间加入发送站点顺序表；同时向该站点回复确认消息ACK，表示AP认为该站点申请成功；
(1-4)如果发送请求帧RTS的站点在发送请求帧RTS后设置时间内收到ACK帧，则此站点申请成功，否则申请失败；申请失败的站点利用二进制指数退避算法推迟一定时间，等到信道空闲后再次向AP发送RTS；
如果待发送数据的站点在竞争时段T1结束前未收到确认消息ACK，则该站点申请失败，申请失败的站点等待下一个T1再重新发送请求帧RTS；
(2)分配时段T2进行以下步骤：
(2-1)进入分配时段T2，AP间隔SIFS后，发送广播消息NEWS2，该广播消息NEWS2包括待发送数据的站点ID、站点发送数据字节以及站点发送数据的持续时间，并设置发送时间计时器为Td(n)+5*SIFS；其中，n为待发送数据的站点在发送站点顺序表中的序号，Td(n)表示所需传送时间，根据数据长度字节数/信道带宽或数据长度字节数/发送速率求出，信道带宽和发送速率均为设置值；SIFS为预设的短帧间间隔；
(2-2)BSS内的各站点接收广播消息NEWS2，判断本站点ID是否在NEWS2中出现，若出现，则该站点间隔SIFS后向目的站发送数据；若目的站正确收到了该站点发送的数据，则向AP发送确认消息ACK，表明发送完成；
(2-3)若发送时间计时器不为零，AP收到确认消息ACK，间隔SIFS后广播消息NEWS2，该广播消息包括下一个发送站点的源站ID、待发送数据字节数以及所需传输时间；若发送时间计时器为零，AP没有收到ACK，间隔SIFS后广播消息NEWS2，该广播消息包括下一个发送站点的源站ID、待发送数据字节数以及所需传输时间；重复步骤(2-1)到(2-3)，直到所有站点数据发送完毕，重新进入T1时段。
2.根据权利要求1所述的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，其特征在于：步骤(1-2)中，若两个或两个以上站点同时向AP发送RTS时，站点监听信道发现信道从空闲转为忙态，认为发生碰撞，则各站点执行退避算法以避免第二次冲突。
3.根据权利要求1所述的基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，其特征在于：T2时段，AP按照发送站点顺序表控制各站点发送数据，各站点发送数据的间隔统一为SIFS。
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