CN104703288B - 一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，包括：统计除发送站点i之外的其它站点成功发送数据包个数Ai；统计信道最后一次繁忙结束时隙到新数据包的到达发送站点时隙的间隔Si；第一次判断信道空闲时根据Ai，Si，由确定退避转变为随机退避的时隙门限值N及准随机退避过程中的最大退避窗长M确定第一等待时间，并第二次判断信道空闲时发送新数据包；若第二次判断的结果是信道忙则等待直到信道空闲；若信道忙则等待至信道空闲；更新Ai；根据Ai，N及M确定第二等待时间；第三次判断信道是否空闲，如果第三次判断的结果是信道忙，则返回等待直到信道空闲等待直到信道空闲；如果第三次判断的结果是信道空闲，则发送新数据包。

Description

一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线分布式网络中的传输方法，更具体地，涉及一种在无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法。

背景技术

退避策略是无线节点MAC协议中常用的一种竞争解决方法，它通过各种算法决定各节点每次在发送报文前所需要等待的时间。目的是在多站点同时竞争同一信道时，可以有效地避免站点之间的数据同时发送造成的数据发送失败，从而保证接入的有效性，提高系统资源的利用率。

在当前使用的无线分布式网络MAC协议标准中，二进制指数退避策略（BinaryExponential Backoff，简称BEB）是最常用的退避方法。虽然BEB策略在不同的网络标准中有细微差别，但大体工作过程相似。图1中所示是IEEE802.11DCF模式下的基于CSMA/CA的二进制指数退避策略，其工作的大致流程为：站点在每次试图发送数据之前都会在0到当前的竞争窗口（Contention Window，简称CW）之间随机选择一个整数作为本次发送过程的退避计数器初始值，它决定了本次发送之前节点所必须经历的退避时长（以时隙为单位）。信道每空闲一个时隙，各站点都会将自己的退避计数器值减1，退避计数器递减到0表示节点已经完成了退避过程，可以立即开始数据的发送。如果发送失败，则竞争窗口CW加倍并从中随机选择退避时隙，等待至退避计数器减为0时重发，这一过程循环直至竞争窗口达到最大窗长和到达最大重传次数为止。

BEB策略还有一些改进，比如退避计数器在成功传输后并不直接回到最小值，而是从一个与之前传输碰撞信息相关的矩阵中选择一个值；或在成功发送后把窗长变为发送成功时的一半的方法，这种缓慢减小退避窗长的策略能够降低碰撞概率，在竞争站点数比较大的情况下效果更加明显。BEB退避算法虽然实现容易，在一定程度上降低了冲突概率，但在性能上并不是最优的。此外，BEB算法的另外一个问题是在高负载的情况下会导致数据发送时延的大范围抖动，这会对实时业务产生不利影响

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于利用各个站点之前发送的成功数据包的次序这一信息，提供一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，把随机退避转化为准随机退避，大大降低了退避时各站点的发送冲突，有效提高系统吞吐率并降低了数据传输延迟，用于解决现有技术性能不好、在高负载的情况下会导致数据发送时延的抖动范围大等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，包括：统计除发送站点i之外的其它站点成功发送数据包个数Ai的步骤；统计信道最后一次繁忙结束时隙到新数据包的到达所述发送站点时隙的间隔Si的步骤；第一次判断信道是否空闲的步骤；如果所述信道空闲，则根据所述Ai，所述Si，由确定退避转变为随机退避的时隙门限值N及准随机退避过程中的最大退避窗长M确定第一等待时间，并第二次判断所述信道是否空闲，如果所述第二次判断的结果是所述信道空闲，则发送所述新数据包；如果所述第二次判断的结果是所述信道忙，则等待直到所述信道空闲；如果所述信道忙，则等待至所述信道空闲；更新所述Ai的步骤；根据所述Ai，所述N及所述M确定第二等待时间的步骤；第三次判断所述信道是否空闲的步骤，如果所述第三次判断的结果是所述信道忙，则返回所述等待直到所述信道空闲等待直到所述信道空闲的步骤；如果所述第三次判断的结果是所述信道空闲，则发送所述新数据包。

优选地，上方法中，根据所述Ai，所述Si，由确定退避转变为随机退避的时隙门限值N及准随机退避过程中的最大退避窗长M确定第一等待时间的步骤包括：如果所述Si大于所述Ai，则所述第一等待时间为random{N,M}；如果所述Si不大于所述Ai，则所述第一等待时间为min{Ai-Si,random{N,M}}。

如上所述，本发明的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，具有以下有益效果：利用各个站点之前发送的成功数据包的次序这一信息，提供一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，把随机退避转化为准随机退避，大大降低了退避时各站点的发送冲突，有效提高系统吞吐率并降低了数据传输延迟，解决了现有技术性能不好、在高负载的情况下会导致数据发送时延的抖动范围大等问题。

附图说明

图1显示为本发明现有技术中IEEE802.11DCF模式下的基于CSMA/CA的二进制指数退避策略流程图示意图；

图2显示为根据本发明的无线分布式网络中准随机退避策略进行发送数据包的流程示意图；

图3显示为根据本发明的无线分布式网络中准随机退避策略进行发送数据包失败后的处理流程示意图；

图4显示为使用本发明与使用现有技术在发送成功率方面的仿真比较图；

图5显示为使用本发明与使用现有技术在系统吞吐率方面的仿真比较图；

图6显示为使用本发明与使用现有技术在系统吞吐率与新数据到达率的关系仿真比较图；

图7显示为使用本发明与使用现有技术在发送延迟方面的仿真比较图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

首先参阅图1，图1显示为现有技术中IEEE802.11DCF模式下的基于CSMA/CA的二进制指数退避策略流程图。该策略的原理已经在背景技术中做了介绍，这里不再赘述。从图1的流程中可以看出，该策略没有利用各个站点之前发送的成功数据包的次序这一信息，而是在规定窗长内选择随机时隙退避（随机退避）。本发明利用网络中数据包发送成功的序列信息来制定新包的退避策略。根据每个节点在以往数据包的发送成功序列不同，在退避时进行退避时隙数的区分，避免不同节点退避相同的值造成的碰撞。下面结合图2和图3对本发明思想进行详细说明。

下面参阅图2，图2显示为根据本发明的无线分布式网络中准随机退避策略进行传输的流程图。为说明方便，约定：A_i是站点i的退避计数器，如果是从侦听开始还未有数据发送，那么A_i=∞，如果有包发送，站点i从其前一次发送成功数据包后从零开始记数，每当收到网络中可以确认其他站点成功发送一个数据包的信号时（例如IEEE802.11制式中的ACK，Block ACK等），计数器加1。S_i是站点侦听到的信道最后一次繁忙结束时隙到站点i新数据包的到达时隙的时隙个数。N是由确定退避转变为随机退避的时隙门限值，M和J分别是准随机退避和随机退避过程中的最大退避窗长，K是从准随机退避退化为随机退避的重传次数值。其中N，M，J和K均为预设值，可根据不同系统要求进行调整，可根据网络参数进行优化，本例中，N为32，M为64，J为64，K取3。

下面结合图2详细说明根据本发明的准随机退避策略进行发送数据包的流程。这里的准随机退避是指将现有技术中选择随机的退避窗口变为在根据数据包发送状况选择不会碰撞的确定退避窗口或随机退避窗口。图2中，步骤S21表示通过信道侦听，持续更新退避计数器A_i和信道最后一次繁忙时隙的时间。

步骤S22表示判断是否有新包到达，如果有新包到达，则执行步骤S23；如果没有，则返回步骤S21。

步骤S23表示更新S_i。

步骤S24表示侦听信道是否空闲，如果信道不空闲，则执行步骤S29；如果空闲则执行步骤S25。

步骤S25表示判断最后一次繁忙结束时隙到站点i新数据包的到达时隙的时隙个数S_i是否大于退避计数器A_i，如果大于，则执行步骤S26；如果不大于，则执行步骤S27。

步骤S26表示等待random{N,M}。

步骤S27表示等待min{A_i-S_i,random{N,M}}。

步骤S28表示判断信道是否空闲，如果空闲，则执行步骤S213，执行发送数据包；如果不空闲，则执行步骤29，等待直到信道空闲。

步骤S210表示更新A_i。

步骤S211表示等待min{A_i,random{M,N}}。

步骤S212表示判断信道是否空闲，如果空闲，则执行步骤S213执行发送数据包；如果不空闲，则返回步骤S29。

如果发送发生碰撞，在某些发送数据包长度不同的系统中，那么发送短包的站点在发送完成后根据能量检测可以侦听到有其他站点还在发送，它会记录最长包的发送结束时间。在碰撞后，各站点根据最长包发送结束时间加上发送超时的时间进行时隙对齐，进入发送失败的处理。

下面结合图3说明根据本发明的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，对于发送失败情况的处理流程。图3中，步骤S31表示数据包发送失败。步骤S32表示检测这个数据包的重传次数与从准随机退避退化为随机退避的重传次数值K的关系，如果重传次数小于等于K，则执行步骤S33，即根据最长包发送结束时间加上发送超时的时间进行时隙对齐（简称时隙对齐）；如果重传次数大于K，则执行步骤S35。

步骤S34表示执行准随机退避。

步骤S35表示随机退避状态。如果重传次数大于K，那么可能是由于隐藏终端等问题导致两个站点有相同的A_i。此时，为了避免连续重传碰撞，站点进入随机退避状态。随机退避过程可以采用传统的二进制指数退避，即退避窗长随着重发次数二倍指数增长（BEB）或者固定窗长的退避，即退避窗长保持不变，在示意图中我们采用的是固定窗长的随机退避算法，即每次退避值为random{N,J}。

步骤S36表示判断数据包发送是否成功。如果成功，则执行步骤S39；如果不成功，则执行步骤S37。

步骤S37表示判断重传次数是否大于最大重传次数，如果重传次数大于最大重传次数，则执行步骤S38丢弃数据包；如果重传次数不大于最大重传次数，则返回步骤S35，再次进行随机退避。

步骤S39表示执行空闲侦听状态，即侦听信道的忙、闲，持续更新退避计数器A_i和信道最后一次繁忙时隙的时间。

此外在站点数据到达率低于预设值时，为了节省能量，站点可以退出侦听状态避免侦听能耗，但代价是下一次数据发送数据包时，A_i变为初始值，本例中变为∞。其中，预设值可以根据实际需要灵活设置。

下面参阅图4-7，图4-7所示为使用本发明方法与使用现有技术进行传输的仿真对比图。仿真基于的是相同网络硬件条件下，使用IEEE802.11DCF模式的CSMA/CA二进制指数退避策略与本发明方法进行对比，可以看到本发明的方法在发送成功率、系统数据吞吐率、系统吞吐率与新数据到达率关系及发送延迟方面，均较现有技术优越。

综上所述，本发明利用各个站点之前发送的成功数据包的次序这一信息，提供一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，把随机退避转化为准随机退避，大大降低了退避时各站点的发送冲突，有效提高系统吞吐率并降低了数据传输延迟，解决了现有技术性能不好、在高负载的情况下会导致数据发送时延的抖动范围大等问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，包括：

统计除发送站点i之外的其它站点成功发送数据包个数A_i的步骤；

统计信道最后一次繁忙结束时隙到新数据包的到达所述发送站点时隙的间隔S_i的步骤；

判断信道是否空闲的步骤；

如果所述信道空闲，则：

根据所述A_i，所述S_i，由确定退避转变为随机退避的时隙门限值N及准随机退避过程中的最大退避窗长M确定第一等待时间，并第二次判断所述信道是否空闲，如果所述第二次判断的结果是所述信道空闲，则发送所述新数据包；如果所述第二次判断的结果是所述信道忙，则等待直到所述信道空闲；

如果所述信道忙，则等待至所述信道空闲；

更新所述A_i的步骤；

根据所述A_i，所述N及所述M确定第二等待时间的步骤；

第三次判断所述信道是否空闲的步骤，如果所述第三次判断的结果是所述信道忙，则返回所述等待直到所述信道空闲的步骤；如果所述第三次判断的结果是所述信道空闲，则发送所述新数据包。

2.根据权利要求1所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述根据所述A_i，所述S_i，由确定退避转变为随机退避的时隙门限值N及准随机退避过程中的最大退避窗长M确定第一等待时间的步骤包括：

如果所述Si大于所述A_i，则所述第一等待时间为random{N,M}；

如果所述Si不大于所述A_i，则所述第一等待时间为min{A_i-Si,random{N,M}}。

3.根据权利要求1所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述根据所述A_i，所述N及所述M确定等待时间的步骤中，所述等待时间为min{A_i,random{N,M}}。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述发送所述新数据包的步骤之后还包括检测所述新数据包是否发送成功的步骤。

5.根据权利要求4所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，

如果所述发送失败，则判断重传次数是否大于从准随机退避退化为随机退避的重传次数值K；

如果所述重传次数大于所述K，则使用随机退避策略再次发送所述新数据包；

如果所述重传次数不大于所述K，则进行时隙对齐，并继续使用准随机退避策略再次发送所述新数据包。

6.根据权利要求5所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述使用随机退避策略再次发送所述新数据包后还包括判断所述再次发送是否成功的步骤，如果所述再次发送成功，则执行所述信道的空闲侦听；如果所述再次发送失败，则判断所述重传次数是否大于预定最大重传次数；

如果所述重传次数大于所述预定最大重传次数，则丢弃所述新数据包并执行信道空闲侦听；

如果所述重传次数不大于所述预定最大重传次数，则返回所述使用随机退避策略再次发送所述新数据包的步骤。

7.根据权利要求5所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述随机退避策略包括二进制指数退避或者固定窗长的退避。

8.根据权利要求6所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述丢弃所述新数据包并执行信道空闲侦听的步骤中，如果站点数据到达率低于预设值时，站点退出侦听状态并重置所述A_i。

9.根据权利要求5所述的无线分布式网络中基于准随机退避策略的传输方法，其特征在于，所述N为1-1024之间的某一值，所述M为N-4096之间的某一值，J为N-4096的某一值，所述K为1-10之间的某一值；其中J为随机退避过程中的最大避退窗长。