CN104581980B - 一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法。每个节点首先根据可获取的距离参数判断自己所在分区，并估算总的活动节点数目计算时长，然后计算竞争窗口值，从而估算相邻上、下分区以及本身所处分区的节点数目，，，最后根据自身发送状态和相邻距离分区内节点数目动态选择竞争窗口值并计算退避时间，按此退避时间接入无线信道。本发明方法可以有效降低碰撞概率并且最终实现免碰撞传输，适合不同大小的单跳无隐藏终端的满载网络，能够有效提高网络吞吐量并降低延迟。
Description
技术领域
本发明主要涉及无线网络领域，尤其是涉及无线信道竞争访问中的接入方法。
背景技术
21世纪称为信息世纪，在承载信息的通讯方式中，无线通信相比有线通信体现了其便利性和高度自由性。随着移动终端使用数量的爆发式增长，无线网络的覆盖率也大幅增加。人们的需求已从单纯的语音流转向语音，视频，文本等混合数据流，对无线数据传输的需求也随之增加。这成为无线网络发展的动力。随着普无线网络的及，无线网络中的技术也成为热点，着重研究与解决物理层以及数据链路层问题。
当前流传最广的为IEEE 802.11标准，其定义了物理层和媒体接入控制(MediaAccess Control，MAC)层标准。IEEE 802.11标准定义的MAC层中，分为两种接入方式：点协调功能(PCF)和分布式协调功能(DCF)。均使用载波侦听多点接入/碰撞避免(CarrierSense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制，并通过RTS/CTS三次握手方式来接入信道以保障数据的可靠传输。
除了CSMA/CA被用来防止碰撞外，二进制指数退避(Binary ExponentialBackoff，BEB)也是802.11中减少碰撞的一项举措。在BEB中，退避时间均为节点从0到CW中随机选取一个整数并乘以时隙(Slot Time，ST)。其具体实施过程为：首先，CW初始为最小竞争窗口CWmin，节点从0到CW中随机选取一个整数；当节点发送数据发生碰撞后，则将CW加倍，并重新从0到CW中随机选取值。若继续发送碰撞，则CW不断加倍直到超过阈值最大竞争窗口CWmax时则选取CWmax作为CW。当节点成功传输数据后，则将CW重置为CWmin，再次从0到CW中随机选取值。CWmin，CWmax的初值均已定义，例如在直接序列扩频(DSSS)中，CWmin和CWmax分别为31和1023。其缺点在于当节点数目较多时，过小的初始值CWmin依旧会有很高的碰撞概率。而且，由于成功发送的节点总是有较小的竞争窗口而更容易获得接入信道的机会，过大的竞争窗口会导致延迟增加，这样的竞争窗口的选取对于发生了碰撞的节点而言是不公平的，也并未从根本上解决碰撞问题。
发明内容
针对上述问题，本发明公开了一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，根据节点所处分区将节点分成几个小部分，并且根据当前节点数目计算竞争窗口值，可以在有效降低碰撞概率的同时不会出现由于局部区域内节点过多而导致碰撞概率变大。当节点成功传输后就选取一个固定时长作为退避时间，当每个节点都有一个固定的退避时间而不相互影响的时候，就可以实现免碰撞的传输。这样从根本上解决碰撞问题，对网络性能尤其是吞吐量和延迟方面都有很大的提升。
本发明提供一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，包括以下步骤：
步骤1、利用节点定位技术获取节点自身与基站的水平距离d，通过接收基站信标帧获取基站最大传输半径D；
步骤2、各节点估算网络中总的活动节点数目N，并根据总的活动节点数目N计算该N个节点都成功发送一次数据的时长Tcircle；
步骤3、各节点利用自身与基站的水平距离d、基站最大传输半径D判断自己所在分区，并利用总的活动节点数目N来计算该分区对应的竞争窗口CW值；
步骤4、根据计算出的竞争窗口CW值估算相邻前、后分区以及本身所处分区内节点数目nup，ndown，nmid；
步骤5、根据自身发送状态和相邻前、后分区以及本身所处分区的节点数目nup，ndown，nmid动态选择竞争窗口CW并计算退避时间t；
步骤6、节点根据各自计算的退避时间t执行退避后接入无线信道，发送完数据后返回步骤1。
与现有技术相比，本方法的优点在于：
1)对节点进行区域划分，形成小区域内竞争，根据节点距离和估算节点数目动态选择竞争窗口，在碰撞之后对竞争窗口选取的优化均可以降低碰撞概率；
2)在节点成功传输后选择固定时长，在每个节点拥有各自独立的接入信道时间后可以达到免碰撞状态，对网络的吞吐量，延迟方面均有较大优化。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明的距离分区划分示意图；
图3是节点的退避计时选取流程图；
具体实施方式
本发明的核心是利用能够获取的距离信息以及估算的活动节点数量来计算竞争窗口，并根据估算相邻前、后分区节点数量以及自身的发送状态来选取和优化竞争窗口和退避时间，最终在每个节点拥有各自独立的接入信道时间后可以达到免碰撞状态。
结合图1，本发明技术方案的具体步骤为：
步骤1、假设利用节点定位技术获取节点自身与基站的水平距离d，通过接收基站信标帧获取基站最大传输半径D；
结合图2，节点根据自身距离基站的水平距离d可以判断自己所处分区从而计算其分区对应的竞争窗口CW值。
步骤2、各节点估算网络中总的活动节点数目N，并根据总的活动节点数目N计算该N个节点都成功发送一次数据的时长Tcircle；
首先，节点建立邻居节点表；
其次，节点通过侦听邻居节点的数据帧更新邻居节点表中邻居节点的生存时间；
然后，获取邻居节点表中生存时间小于阈值τ的节点数目σ，根据式(1)估算所有活动节点数目N：
N＝σ； (1)
在得到活动节点数目N之后，按式(2)计算时长Tcircle：
Tcircle＝N*(TRTS+TCTS+TDATA+TACK+3SIFS+DIFS) (2)
(2)式中：TRTS和TCTS为相应控制帧时长，TDATA为数据包时长，TACK为确认帧时长，SIFS为短帧帧间间隔时间(Short Inter Frame Space)，DIFS为DCF帧间间隔时间(DCFInter Frame Space)，均为802.11标准定义，Tcircle为网络中每个节点都成功发送一次数据的时间。
结合图2，假设网络中所有节点均为活动节点，即N＝9；则根据公式(2)计算Tcircle为：
Tcircle＝9*(0.000288+0.000240+0.008584+0.000240+3*0.000028+0.000128)＝0.086076
步骤3、各节点利用自身与基站的水平距离d和基站最大传输半径D判断自己所在分区，并利用总的活动节点数目N来计算该分区对应的竞争窗口CW值；
竞争窗口CW值可以通过式(3)计算：
其中k为小于10的正整数，m为小于4的正整数，d为节点自身与基站的水平距离，D为基站最大传输半径和N为总的活动节点数目。由公式(3)可知，不同的区域对应了不同的竞争窗口值。
当k取3，m取2时，有：
节点4，3，8处在同一分区并且CW为6，节点2，5，9处在一个分区CW并且为12，节点1，6，7处在同一分区CW并且为18。
步骤4、利用计算出的竞争窗口CW值估算相邻前、后分区以及本身所处分区内节点数目nup，ndown，nmid：
不同分区内节点所能选取退避时间的范围是确定的，因为节点可以获取自己所在分区，那么通过802.11DCF中backoff计数器的值Tbackoff所处的范围，可以估算相邻距离分区和自身所处分区内的节点数目，根据式(5),(6)，(7)：
其中，nup为前一个分区内估算的节点数目，ndown为后一个分区内估算的节点数目，nmid为节点自身分区内估算的节点数目，Td为节点所选取退避时间初值与竞争窗口CW值的差值的绝对值，ns为Tbackoff+Td在上述公式判断条件内所有成功传输的节点数目，nc为Tbackoff+Td在上述公式判断条件内发送的所有碰撞次数，N为总的活动节点数目，其中k为小于10的正整数，m为小于4的正整数，ST为802.11标准中时隙间隔。
对节点2，5，9，假设nmid为3，nup为2，ndown为3。
步骤5、根据自身发送状态和相邻前、后分区以及本身所处分区的节点数目nup，ndown，nmid动态选择竞争窗口CW并计算退避时间t，结合图3还包括以下步骤：
步骤一：各节点利用竞争窗口CW值，选取退避时间t：
步骤二：当节点成功传输后，则选取Tcircle为退避时间t；当节点发生碰撞时，则按以下方法进行退避时间t的选取：
当nmid小于时，节点的退避时间t为：
Tr为节点所选取退避时间初值与N*m的差值的绝对值；
当nmid大于时，节点选取nup，ndown中较小值的分区对应的竞争窗口CW，退避时间t为：
对节点2，当其成功传输后，会选择0.086076作为固定退避时间，这样当每个节点都有一个固定的发送时间点时，网络中就能实现免碰撞传输；若发送了碰撞，假设其退避时间t为10*ST，由于nmid＝3小于6，则2号节点退避时间t为；
t＝[rand[6,12)]*ST+|10*ST-9*2*ST|
若2号节点的nmid大于6，并且有nup＜ndown，2号节点会选取nup对应的取值区间[0,6)，退避时间t为：
t＝[rand[0,6)]*ST+|10*ST-9*2*ST|
步骤6、节点根据各自计算的退避时间进行无线信道接入，各节点按照802.11中DCF方式进行有序退避，在退避时间为0时接入信道，发送完数据后返回步骤1。
Claims (5)
1.一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，其特征在于，节点首先根据可获取的距离参数判断自己所在分区，并估算总的活动节点数目N和该N个节点都成功发送一次数据的时长Tcircle，然后根据获取的距离参数和总的活动节点数目N计算该分区对应的竞争窗口CW值，从而估算相邻前、后分区以及本身所处分区的节点数目nup，ndown，nmid，最后根据自身发送状态和相邻前、后分区以及本身所处分区内节点数目动态选择竞争窗口CW值并计算退避时间t，按此退避时间接入无线信道，所述方法包括以下步骤：
步骤1、利用节点定位技术获取节点自身与基站的水平距离d，通过接收基站信标帧获取基站最大传输半径D；
步骤2、各节点估算网络中总的活动节点数目N，并根据总的活动节点数目N计算该N个节点都成功发送一次数据的时长Tcircle；
步骤3、各节点利用自身与基站的水平距离d和基站最大传输半径D判断自己所在分区，并利用总的活动节点数目N来计算该分区对应的竞争窗口CW值；
步骤4、根据计算出的竞争窗口CW值估算相邻前、后分区以及本身所处分区内节点数目nup，ndown，nmid；
步骤5、根据自身发送状态和相邻前、后分区以及本身所处分区的节点数目nup，ndown，nmid动态选择竞争窗口CW并计算退避时间t；
步骤6、节点根据各自计算的退避时间t执行退避后接入无线信道，发送完数据后返回步骤1。
2.根据权利要求1所述的一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，其特征在于，所述步骤2中估算总的活动节点数目N和计算时长Tcircle的计算过程包括以下步骤：
步骤一：节点建立邻居节点表；
步骤二：节点通过侦听邻居节点的数据帧更新邻居节点表中邻居节点的生存时间；
步骤三：获取邻居节点表中生存时间小于阈值τ的节点数目σ，估算总的活动节点数目N为：
N＝σ；
步骤四：时长Tcircle的计算方法为：
Tcircle＝N*(TRTS+TCTS+TDATA+TACK+3SIFS+DIFS)
上式中：TRTS和TCTS为相应控制帧时长，TDATA为数据包时长，TACK为确认帧时长，SIFS为短帧帧间间隔时间(Short Inter Frame Space，SIFS)，DIFS为帧间间隔时间(DistributedInter-frame Spacing,DIFS)，均为802.11标准定义。
3.根据权利要求1所述的一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，其特征在于，所述步骤3中竞争窗口CW值计算过程：
竞争窗口CW值由节点自身与基站的水平距离d、基站最大传输半径D和总的活动节点数目N的关系为：
其中k为小于10的正整数，m为小于4的正整数。
4.根据权利要求1所述的一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，其特征在于，所述步骤4中估算相邻前、后分区和自身所处分区内的节点数目nup，ndown，nmid的过程为：
根据802.11DCF中backoff计数器的值Tbackoff所处的范围，估算相邻前、后分区和自身所处分区内的节点数目，其关系为：
其中，nup为前一个分区内估算的节点数目，ndown为后一个分区内估算的节点数目，nmid为节点自身分区内估算的节点数目，Td为节点所选取退避时间初值与竞争窗口CW值的差值的绝对值，ns为Tbackoff+Td在上述公式判断条件内总的成功传输的节点数目，nc为Tbackoff+Td在上述公式判断条件内发送的总的碰撞次数，N为总的活动节点数目，其中k为小于10的正整数，m为小于4的正整数，ST为802.11标准中时隙间隔(Slot Time)。
5.根据权利要求1所述的一种基于距离分区的无线网络免碰撞信道接入控制方法，其特征在于，所述步骤5中根据自身发送状态和相邻前、后分区以及本身所处分区内节点数目动态选择竞争窗口CW值并计算退避时间t的方法包括以下步骤：
步骤一：各节点利用竞争窗口CW值，选取退避时间t：
步骤二：当节点成功传输后，则选取Tcircle为退避时间t；
当节点发生碰撞时，则按以下方法进行退避时间t的选取：
当nmid小于时，节点的退避时间t为：
Tr为节点所选取退避时间初值与N*m的差值的绝对值；
当nmid大于时，节点选取nup，ndown中较小值的分区对应的竞争窗口CW，退避时间t为：
其中k为小于10的正整数，m为小于4的正整数，ST为802.11标准中时隙间隔(SlotTime)，rand为一般随机产生数值的库函数。
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