CN105592564B - 无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制，以改善网络吞吐量和节点接入信道的公平性受限的情况。本发明引入“活跃节点”，通过侦测信道的空闲时隙来估算网络中的活跃节点数，由此推导网络达到饱和吞吐量时节点的最优传输概率，再通过动态调节初始竞争窗口值来提高网络吞吐量；当发生冲突时，引入重传调整因子来改善节点间的公平性，根据活跃节点数和重传次数计算重传因子，再通过重传因子合理地设置重传竞争窗口值以减少数据包的丢失，从而提高了重传接入的成功率。本方法能够有效地改善无线Mesh网络的吞吐量、公平性以及丢包率等方面的性能，是一种无线Mesh网络切实可行的接入控制方法。

Description

无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制。
背景技术
无线Mesh网络(WMN，Wireless Mesh Network)通常也被称为无线网状网，是一种由多个无线链路连接设备和Mesh路由器结点构成的，集自组织、自修复、多跳级联等特点于一身的新型宽带无线网络。无线Mesh网络结合了无线局域网(WLAN)和移动自组织网(MANET)的优点，依靠其高伸缩性、高健壮性和便利性，成为未来建设无线智慧城市的关键网络类型之一。
无线Mesh网络中有许多的关键技术和协议标准，其中的媒体接入控制(MAC，MediaAccess Control)协议决定了如何在众多的通信节点之间分配有限的无线信道资源，使这些资源能够合理充分地被利用，在时延、吞吐量和公平性等网络性能指标上尽量达到最优。因此如何合理地设计媒体接入控制协议是无线Mesh网络研究人员需要重点考虑的问题。
当前无线Mesh网络的媒体接入控制协议可以划分为单信道协议和多信道协议。对于单信道情况下节点之间的数据传输，存在传统的隐藏/暴露终端问题，因此有较多的无线Mesh网络中的MAC协议，都采用基于IEEE 802.11标准的分布式协调功能(DistributedCoordination Function，DCF)机制让节点去竞争信道资源。DCF机制采用了载波侦听多址访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制来侦听信道并降低网络冲突，同时引入发送/允许发送(Request To Send/Clear ToSend，RTS/CTS)交互方式来解决隐藏终端问题。但是DCF机制仍有许多不足之处，例如节点难以根据网络拥塞程度选择合理的退避时间，导致信道资源浪费，网络的自适应性差；竞争窗口在发送失败后呈指数倍增或发送成功后减小为零的变化，会导致严重的公平性问题。
在DCF机制的改进上，文献“A Simple and Effective Back-off Scheme for theIEEE802.11MAC Protocol”(Chatzimisios P,Boucouvalas A C,et al.2ndInternational Conference on Cybernetics and Information Technologies,Systemsand Applications,CITSA 2005,11th International Conference on InformationSystems Analysis and Synthesis,ISAS 2005,2005,1:48-53)提出了DIDD(DoubleIncrement Double Decrement)竞争窗口调节机制。DIDD算法使得竞争窗口的变化趋于平缓，对网络的吞吐量起到了一定的优化作用。其缺点在于仍然不能根据网络的实时情况进行自适应地调节。
文献“A New Back-off Algorithm for the IEEE 802.11DistributedCoordination Function”(Deng J,Varshney P K,Haas Z.In Communication Networks,Distributed Systems Modeling and Simulation,2004:215-225.)提出了一种竞争窗口调节方法LMILD(Linear/Multiplicative Increase and Linear Decrease)，当信道发送冲突时，引起冲突的节点竞争窗口值将呈乘性增长，周围侦听到冲突的节点都将竞争窗口值线性增加一定的值。LMILD是一种无需对网络的信息进行收集的较为简单的算法，但是因为周围侦听到冲突的节点都会把自身的竞争窗口值线性增大，直接影响节点接入信道的概率，这种网络公平性的提升以牺牲了一定的吞吐量为代价。
总之，目前一些针对DCF机制进行改进的算法和协议，都在一定程度上依据节点的发送成败和信道的忙闲，如何在上述基础上，再结合信道的拥塞程度自适应地调节竞争窗口，成为设计MAC协议的要点之一。
发明内容
针对现有协议的不足，本发明提出了一种无线Mesh网络的媒体接入控制机制，该机制能够使节点有效地自适应接入信道，提高网络吞吐量并改善网络公平性。
为了实现该目的，本发明以活跃节点(指当前参与信道竞争的无线Mesh网络节点)的数目作为指标来反映网络当前的拥塞程度。节点需要侦测信道的空闲时隙数来估算网络中的活跃节点数，通过建立一个二维马尔科夫模型，推导出节点的传输概率是初始竞争窗口与活跃节点数的函数，再利用传输概率与竞争窗口的关系动态调节初始竞争窗口值；当发生冲突时，根据活跃节点数和重传次数调整重传因子，合理设置重传窗口值，从而有效地提升网络吞吐量和公平性。
本发明通过以下技术方案实现，本发明包括如下步骤：
步骤1：节点处于侦听期，通过节点内部增设的计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN分别统计侦听期信道空闲时隙数目r和总时隙数目T；
步骤2：节点准备发送数据，首先侦听信道是否空闲，确认空闲时长为DIFS后进入退避期；根据内部计数器统计结果估算网络活跃节点数Nesti，并设置初始竞争窗口值CW0；
步骤3：在退避期，节点根据竞争窗口值选择随机退避时间；信道空闲时长为SlotTime，则退避计数器的值减1，当退避计数器的值减为0时，节点接入信道，进入传输期；
步骤4：在传输期内，发生冲突使数据发送失败，则需要进行重传；当重传次数i达到限制，则丢弃数据，等待下一次发送数据；当前节点的重传次数i没有超过最大重传次数，增设重传调整因子θ，根据重传调整因子θ设置重传竞争窗口值，然后跳至步骤3。
其中活跃节点Nesti指当前参与竞争信道资源的节点，其数目反映网络当前的拥塞程度，活跃节点越多，说明网络竞争激烈，拥塞程度高；通过计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN获取相应的时隙信息估计当前网络中的活跃节点数目。活跃节点数可通过计算，其中r和T为节点计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN的实际统计值。
其中重传调整因子θ，其值大于等于1；重传因子的取值与网络中的活跃节点数N和重传次数i有关：
活跃节点数少，减小竞争窗口值，活跃节点数多，增大竞争窗口值；重传次数多的节点优先接入信道；采用对数函数值随变量缓慢的性质控制竞争窗口的变化率，对数函数的底数控制重传调整因子θ的变化幅度，本发明中底数的取值2。
其中重传竞争窗口的取值与重传调整因子θ和最大竞争窗口CWmax有关：
CWi＝int(min[θ*CWi,CWmax])
CWi为第i次重传时的竞争窗口值，如果θ*CWi的值大于竞争窗口的最大门限值CWmax，则重传竞争窗口的取值等于最大门限值，否则取值为θ*CWi。
当节点进入退避期前需设置初始竞争窗口CW0，选择退避时间；根据估算出来的活跃节点数目Nesti，求得饱和吞吐量情况下的节点最佳传输概率：
通过建立马尔科夫模型得到传输概率τ与初始竞争窗口CW0、活跃节点数Nesti之间的关系：
依据CW0＝int(max[CWmin，CW0])计算初始竞争窗口CW0；最终节点根据初始竞争窗口选择随机退避时间。
其中侦听期内节点没有数据发送，不需竞争信道，只对周围状况进行侦听；当节点完成一次传输后将会进入侦听期，先将内部的两个计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN清零，并开始分别统计侦听期内监测到的信道空闲时隙数目和总的时隙数目；当节点准备发送数据时，两个计数器停止统计，准备进入退避期。
退避期内节点处于有数据需要发送，但需要竞争信道资源的时间段；当信道空闲且节点的退避计时器不为零，则该退避计时器递减，当递减过程中信道被占用，则退避计时器冻结，暂停退避过程；当再次侦听到信道空闲后，退避计时器恢复工作，当退避计时器减小为零时，节点接入信道，进入传输期进行数据传输。
随机退避时间内节点选取的一个时间进行退避以延迟信道接入，退避时间的选择依据
Back-off Time＝Random()×Slot Time
其中Random()是位于[0,CWi]区间上服从均匀分布的伪随机整数，slot time为时隙时间，与物理层的特征有关。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明描述的机制引入两个计数器统计时隙数，较IEEE 802.11DCF原有机制更好地利用了网络的拥塞程度来分配信道资源；
(2)本发明描述的机制并未精确地测量当前网络中的活跃节点数目，而是采用一种估计算法，简单有效，并未增加过多的系统开销；
(3)引入了重传调整因子，改善了公平性；并且该因子的取值可以根据网络规模改变，较灵活；
(4)相比IEEE 802.11DCF更适合复杂多变的无线Mesh网络。
附图说明
图1本发明协议流程图
图2节点在不同发包速率下的吞吐量
图3节点在不同发包速率下的公平性
图4节点在不同发包速率下的丢包率
具体实施方式
以下将结合图1和仿真示例图2-4对本发明作进一步的描述。
本发明选择50个节点的随机拓扑场景进行说明，节点的覆盖范围均为250m，依然沿用了IEEE 802.11中的RTS-CTS-DATA-ACK消息交互序列，选取吞吐量、公平性、丢包率作为评价指标。网络中传输的数据包长度设为512byte，传输层采用用户数据报协议UDP代理，采用恒定比特率CBR(Constant Bit Rate)的流量产生器产生数据。其余主要的参数如表1所示：
表1仿真实施参数
RTS 160bits DIFS_Time 128μs
CTS 112bits SIFS_Time 28μs
ACK 112bits Slot_Time 28μs
最大重传次数 6 最大移动速度 0.01m/s
节点首先进行初始化。
网络进入稳定时刻，各节点采用RTS-CTS-DATA-ACK消息交互序列进行传输。
节点内部维持一个侦听机制，首先会确定自身是否正在发送或退避，若不处于上述状态则启动侦听机制，开始检测当前信道的状态。在一个时隙当中，若当前信道空闲，将计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN计数器分别加1，若信道忙碌，则只有NUM_LISTEN增加1。下一个时隙循环执行上述过程直至侦听期结束，根据计数器估算活跃节点数Nesti，并将计数器清零等待下一次侦听期。
节点对要发送的数据包会根据是RTS和DATA进行相应类型的封装，然后暂存等待发送时机。之后节点检测自身是否处于退避期，若是则等待退避计时器结束后便可接入信道，否则要转入退避状态进一步检测信道是否空闲。此时分为几种情况：
情况一是信道空闲，并且延迟接入计时器DeferTimer正在工作，表明节点仍需延迟接入，直到DeferTimer减为0后再设置竞争窗口退避；
情况二是信道空闲，但DeferTimer未工作，此时根据传输概率τ与初始竞争窗口CW0、估算出的活跃节点数Nesti之间的关系：
依据CW0＝int(max[CWmin，CW0])计算初始竞争窗口CW0，得到随机退避时间；
情况三是信道非空闲，有其它节点接入或发生冲突，则节点冻结退避计时器直到信道恢复空闲。
节点发送RTS包过程中发生冲突或其他因素导致未能在限定时间内收到接收节点回传的CTS，需要重传RTS。接着判断节点是否正在退避，一旦退避则将报文重传次数增加1，然后判断是否超过了设定的最大重传次数。如果超过则直接丢弃报文放弃重发，如果未超过则确定重传调整因子θ，重新设置竞争窗口进行退避。在这里描述的场景中θ的计算公式为：其中对数函数的底数取值为2，Nesti为估算出的活跃节点数，i为当前的重传次数且i应该小于允许的最大重传次数。
节点发送DATA包过程中发生冲突或其他因素导致未能在限定时间内收到接收节点回传的ACK包，同样会判断是否需要重传。首先将重传次数增加1，若未超过重传限制，节点将按照本发明描述的算法，确定重传因子根据重传因子θ设置重传竞争窗口，计算公式为CWi＝int(min[θ*CWi,CWmax])，随机选择一个0到当前竞争窗口值之间的整数作为退避计数器的值，才能接入信道；若超过重传限制则放弃本次传输，等待下一次数据发送。
下面评价仿真得出的性能指标。如图2所示(所有图示中ANNE-ADCF均代表本发明机制)，在网络吞吐量方面，随着节点发送数据包速率的上升，本发明描述的机制要优于DCF和DIDD机制，原因在于本发明通过调整竞争窗口值使节点的传输概率更逼近最佳值从而提高了吞吐量。
在公平性方面，随着发包速率的增加，一个明显的结果是网络中的节点间公平性均会下降。如图3所示，本发明机制公平性最优，DCF机制的公平性下降趋势更加明显。这是由于网络负载和信道冲突随着发包速率增大而增大，DCF中发送失败的节点倍增竞争窗口的机制使其更难接入信道，而本发明中重传次数多的节点会设置更小的重传调整因子，优先使其接入信道，减少不公平现象。
在丢包率方面，网络负载和信道冲突随着发包速率增大而增大，导致重传次数也增大，达到重传限制后便会丢弃数据包。相比DCF和DIDD机制，本发明机制的丢包率更低，原因在于本发明会在当前网络活跃节点数较多时，避免节点频繁接入信道，降低了数据冲突概率；同时在优先让重传次数多的节点接入信道，减少了因超过重传限制而丢弃数据包的现象。

Claims (8)

1.一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，包涵以下步骤：
步骤1：节点处于侦听期，通过节点内部增设的计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN分别统计侦听期信道空闲时隙数目r和总时隙数目T；
步骤2：节点准备发送数据，首先侦听信道是否空闲，确认空闲时长为DIFS后进入退避期；根据内部计数器统计结果估算网络活跃节点数Nesti，并设置初始竞争窗口值CW0；
步骤3：在退避期，节点根据竞争窗口值选择随机退避时间；信道空闲时长为SlotTime，则退避计数器的值减1，当退避计数器的值减为0时，节点接入信道，进入传输期；
步骤4：在传输期内，发生冲突使数据发送失败，则需要进行重传；当重传次数i达到限制，则丢弃数据，等待下一次发送数据；当前节点的重传次数i没有超过最大重传次数，增设重传调整因子θ，根据重传调整因子θ设置重传竞争窗口值，然后跳至步骤3；所述的重传调整因子θ，其值大于等于1；重传因子的取值和网络中的活跃节点数Nesti和重传次数i有关：
活跃节点数少，减小竞争窗口值，活跃节点数多，增大竞争窗口值；重传次数多的节点优先接入信道；采用对数函数值随变量缓慢的性质控制竞争窗口的变化率，对数函数的底数控制重传调整因子θ的变化幅度，取值为2。
2.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，所述的活跃节点Nesti是指当前参与竞争信道资源的节点，其数目反映网络当前的拥塞程度，活跃节点越多，说明网络竞争激烈，拥塞程度高；通过所述的计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN获取相应的时隙信息估计当前网络中的活跃节点数目。
3.根据权利要求2所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，所述的活跃节点数可通计算，其中r和T为节点计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN的实际统计值。
4.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，当节点发送数据包失败需要进行重传时，重传竞争窗口的设置与重传调整因子θ有关，通过CWi＝int(min[θ*CWi，CWmax])计算，其中i表示节点的第i次重传，CWi表示第i次重传时的竞争窗口，CWmax表示竞争窗口的最大值。
5.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，所述节点进入退避期前需要设置初始竞争窗口CW0，选择退避时间；根据估算出来的活跃节点数目Nesti，求得饱和吞吐量情况下的节点最佳传输概率：
通过建立二维马尔科夫模型得到传输概率τ与初始竞争窗口CW0、活跃节点数Nesti之间的关系：
依据CW0＝int(max[CWmin，CW0])计算初始竞争窗口CW0，其中CWmin为竞争窗口的最小值；最终节点根据初始竞争窗口选择随机退避时间；上面公式证明，在最大重传次数m确定的情况下，节点传输概率τ实际是初始竞争窗口CW0与活跃节点数Nesti的函数。
6.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，所述的侦听期指节点没有数据发送，不需竞争信道，只对周围状况进行侦听；当节点完成一次传输后将会进入侦听期，先将内部的两个计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN清零，并开始分别统计侦听期内监测到的信道空闲时隙数目和总的时隙数目；当节点准备发送数据时，两个计数器停止统计，准备进入退避期。
7.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，所述的退避期指节点处于有数据需要发送，但需要竞争信道资源的时间段；当信道空闲且节点的退避计时器不为零，则该退避计时器递减，当递减过程中信道被占用，则退避计时器冻结，暂停退避过程；当再次侦听到信道空闲后，退避计时器恢复工作，当退避计时器减小为零时，节点接入信道，进入传输期进行数据传输。
8.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入方法，其特征在于，所述的随机退避时间为节点选取的一个时间进行退避以延迟信道接入，退避时间的选择依据
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