CN106793149A - 一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，采用跨层设计的方法将网络层的跳数因素引入到MAC层的信道竞争机制中去，跳数的引进是结合动态源路由协议DSR实现的，DSR是一个专门为多跳无线自组织网络设计的简单且高效的路由协议，DSR规定节点所发送的每个数据包均在其包头中携带完整的路由信息，DSR路由协议使用特定的包头携带控制信息，包头中的DSR选项头包含了多个选项字段，本发明对EDCF进行改进，能够有效减小多跳网络中多媒体包的端到端时延，并能提高网络的吞吐量，是一种适合无线自组织网络、能够有效提高多媒体服务质量保障的媒体接入控制机制。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体为一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法。
背景技术
最近几年以来，无线移动通信得到的快速的发展，使得人们的生活更加的方便和快捷。目前存在的无线移动网络主要有两种：一种是基于网络基础设施的网络，这种网络比较典型的有无线局域网和蜂窝网。在这样的网络中，移动节点不具备路由选择功能.只有移动交换机负责路由和交换的功能。但是，在一些特殊场合，往往是不方便或者是不可能设置有线网络基础设施，在这种情况下，用户如果要完成通信，则必须借助于第二种无线网络，也就是不基于网络基础设施的网络——无线自组织网络。
由于无线自组网移动性、方便性等优点，在以后人们的工作和生活中，对其需求将越来越大。同有线网络相比，无线自组网的性能和服务质量还有很大差距，其主要制约因素在于物理层和MAC层的特点，因此，对于移动自组网MAC层的性能分析和改进，以及与MAC层相关的服务质量保证问题的研究具有非常重要的意义。
随着无线网络中对延迟敏感的实时多媒体业务(如音频、视频等)的增多，研究移动自组网的公平性能以及区分服务能力越来越重要。自组网的高层服务质量保证技术，都是假设MAC协议能在无线环境下分布式提供可靠的单播通信和为实时业务提供资源预留的前提下设计的。MAC子层主要用来管理和协调多个用户共享可用的频谱资源，它需要解决如何将频谱划分为不同的信道以及如何将信道资源分配给不同的用户。MAC子层处于协议栈的底层，是所有数据报文和控制消息在无线信道上进行发送和接收的直接控制者，它能否高效地使用无线信道是上层各种协议和机制所提供的服务质量保证能否得到最终保障的一个关键因素。
媒体接入控制协议处于网络协议栈的最底层，直接关系到无线信道的利用率和整个网络的性能，许多研究者通过改变帧间距和竞争窗口来实现在MAC层提供服务质量保证。相关文献中提出了一种竞争窗口的慢递减方法，取代了802.11中每次发送成功后竞争窗口减小到CWmin，从而减小了碰撞率和重传次数。相关文献中EDCF作了改进，提出了自适应EDCF机制(A-EDCF)，在A-EDCF中，每种类型的业务根据估计的碰撞率自适应地进行窗口调整，在高负载的情况下能提高网络吞吐量。相关文献用一种自适应的退避机制代替二进制指数退避提高了网络吞吐量。相关文献用不同的CW、IFS、最大帧长来提供服务区分和优先级划分。相关文献根据网络实时状况的好坏来调整CW和IFS大小，网络状况的好坏是用网络层的碰撞率、丢包率来表示的，但是该文仅考虑了单跳的网络环境。相关文献在为数据包分配优先级时考虑了时延因素，该文假定一个传感器网络被分为几个小单元(每个小单元内的节点构成一个单跳网络)，单元内部的数据包依据EDF规则确定发送顺序。相关文献也采用了EDF规则以提高无线局域网的吞吐量。然而以上的研究都只是在单跳网络中进行讨论，在多跳的无线自组织网络中，网络环境更为复杂，在为它设计MAC协议时应该充分考虑到它的多跳性特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，采用跨层设计的方法将网络层的跳数因素引入到MAC层的信道竞争机制中去，跳数的引进包括以下方法：
A、节点在发送数据是沿着自顶向下的方向从应用层向下递交并逐层封装数据，经运输层到网络层；
B、在网络层首先判断包类型，如果是路由控制数据包，为了尽量提高路由控制包的接入优先级，设置剩余跳数为网络中数据流的最大跳数值；如果是普通数据包，则读取包头中剩余分段的值，并将这个值用参数H表示，传递到MAC层。
优选的，步骤B中引入参数H后数据帧的发送过程包括以下步骤：
A、发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到DIFS时间，发送RTS报文给目的站；
B、目的STA收到RTS报文后，发送给报文CTS报文给源STA，经过这次握手后，就可以发送数据帧；
C、如果媒体忙，则延迟接入，直到媒体空闲时间达到DIFS以后，进入退避过程；
D、主机根据加入剩余跳数参数的退避算法选择一个退避时间，并设置退避时间计数器；在媒体空闲时，退避时间计数器每隔一个时隙减1；在媒体忙时，退避时间计数器停止计数；
E、在退避时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧；
F、发出数据后，如果在规定的时间内没有收到ACK，表明数据帧发送失败，进入重传退避过程，回到步骤C；
G、如果在规定的时间内收到ACK，表明数据帧发送成功。
优选的，所述步骤D中剩余跳数参数的退避算法对优先级进行了调整，调整公式为：CWnew[AC]＝min((CWold[AC]+β*(Hmax-H))-1，CWmax[AC])；其中，Hmax表示网络中的最大跳数，发送数据时使用RTS/CTS方式，源站在每次数据传输前发送小的控制帧RTS预留信道，目的站收到RTS帧，如果准备接收，就回应CTS帧；当源站收到CTS，则开始传输数据；节点通过在RTS帧中携带各自的Hmax来实现对Hmax的维护，每当收到其他节点的RTS帧时，将携带的Hmax与自己当前的Hmax来比较，若当前自己保留的Hmax较小，则用收到的Hmax替换；β称为区分因子，它的大小代表了相差一跳的数据包之间所对应的退避窗口的差距，以此作为不同跳数之间在发送优先级上的区分。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用跨层设计的方法将网络层的跳数因素引入到MAC层的信道竞争机制中去，对EDCF进行改进，能够有效减小多跳网络中多媒体包的端到端时延，并能提高网络的吞吐量，是一种适合无线自组织网络、能够有效提高多媒体服务质量保障的媒体接入控制机制。
附图说明
图1为本发明的无线自组织网络跨层设计流程图；
图2为本发明中节点1到节点25的端到端时延曲线图；
图3为本发明中EDCF与其改进协议在时延上的比较曲线图；
图4为本发明中EDCF与其改进协议在接入时延上的比较曲线图；
图5为本发明中节点25的吞吐量曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，采用跨层设计的方法将网络层的跳数因素引入到MAC层的信道竞争机制中去，跳数的引进包括以下方法：
A、节点在发送数据是沿着自顶向下的方向从应用层向下递交并逐层封装数据，经运输层到网络层；
B、在网络层首先判断包类型，如果是路由控制数据包，为了尽量提高路由控制包的接入优先级，设置剩余跳数为网络中数据流的最大跳数值；如果是普通数据包，则读取包头中剩余分段的值，并将这个值用参数H表示，传递到MAC层。
图1所示，进行信息交互的层包括应用层、传输层、网络层、链路层及物理层，由上层到下层的机制将信息由上层传递到下层。例如应用层可将其相关信息(传输时延或分组丢失率)传递到链路层，使得链路层能够调整其纠错机制。或者应用层的优先级信息被传递到TCP层，从而使其接收窗口能够得到调整，以获得相应的优先级。
由下层到上层的机制将信息由下层传递到上层。例如TCP层的分组丢失率被传递到应用层，使得应用层能够调整其发送速率。或者物理层将信道衰落信息传递到链路层，从而使链路层能够根据信道条件调整数据的发送方式。在分层设计方式中，很多时候，多个层往往可能需要做重复的计算和无谓的交互来得到一些其他层次很容易得到的信息，以至于浪费较长的时间[16]。跨层设计与优化的优势在于通过使用层间交互，不同的层次可以及时共享本地信息，以减少处理和通信开销，优化系统整体性能。与传统的分层结构相比，跨层协议栈的层间交互要复杂些，各层需要了解其他层的行为并需要更多的专用接口，因而会降低通用性。但是，跨层设计方法的好处是：各层协议和功能模块的协同有助于消除冗余功能；采用消息驱动的控制方法，任意层之间可以交互信息；针对特定的场合进行集成设计和优化可以较好地匹配应用需求和网络条件。考虑到无线信道有限的带宽资源、信道的时变特性以及节点自身的局限性，跨层设计方法的优势所带来的好处远远大于层间交互带来的协议设计复杂的缺点。
跳数的引进是结合动态源路由协议DSR实现的。DSR是一个专门为多跳无线Ad Hoc网络设计的简单且高效的路由协议，DSR规定节点所发送的每个数据包均在其包头中携带完整的路由信息。DSR路由协议使用特定的包头携带控制信息，包头中的DSR选项头包含了多个选项字段，DSR选项头中的源路由选项是改进工作的一个重要条件。源路由选项中有一项称为剩余分段(的域，它表示剩余的路由分段的数量，即在到达后的节点之前还需要访问的明确列出的中间节点的数量，当数据从上层传递到MAC层的时候，可以读取剩余分段的值，剩余分段域表示剩余的路由分段的数量，即在到达最后的节点之前还需要访问的中间节点的数量。
步骤B中引入参数H后数据帧的发送过程包括以下步骤：
A、发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到DIFS时间，发送RTS报文给目的站；
B、目的STA收到RTS报文后，发送给报文CTS报文给源STA，经过这次握手后，就可以发送数据帧；
C、如果媒体忙，则延迟接入，直到媒体空闲时间达到DIFS以后，进入退避过程；
D、主机根据加入剩余跳数参数的退避算法选择一个退避时间，并设置退避时间计数器；在媒体空闲时，退避时间计数器每隔一个时隙减1；在媒体忙时，退避时间计数器停止计数；
E、在退避时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧；
F、发出数据后，如果在规定的时间内没有收到ACK，表明数据帧发送失败，进入重传退避过程，回到步骤C；
G、如果在规定的时间内收到ACK，表明数据帧发送成功。
步骤D中剩余跳数参数的退避算法对优先级进行了调整，调整公式为：CWnew[AC]＝min((CWold[AC]+β*(Hmax-H))-1，CWmax[AC])；其中，Hmax表示网络中的最大跳数，发送数据时使用RTS/CTS方式，源站在每次数据传输前发送小的控制帧RTS预留信道，目的站收到RTS帧，如果准备接收，就回应CTS帧；当源站收到CTS，则开始传输数据；节点通过在RTS帧中携带各自的Hmax来实现对Hmax的维护，每当收到其他节点的RTS帧时，将携带的Hmax与自己当前的Hmax来比较，若当前自己保留的Hmax较小，则用收到的Hmax替换；β称为区分因子，它的大小代表了相差一跳的数据包之间所对应的退避窗口的差距，以此作为不同跳数之间在发送优先级上的区分。
当网络负载比较大时，β值每加1，都会对端到端时延产生比较大的影响。当负载较小时，端到端时延对β值的变化敏感程度较低，即β增大或减小1，不会对性能产生较大影响。图2给出了MHF-EDCF当CWmin＝31，β＝2时，发送不同剩余跳数H的数据包采用的CW与重传次数之间的变化曲线。可以看出，随着重传次数的增加，剩余跳数H大的数据包CW增加较慢，而剩余跳数小的数据包CW增加较快，不同剩余跳数的包其CW之间的间隔明显，这样有利于区分不同跳数的数据包的发送优先级。
仿真分析：
为了研究β的取值对于算法性能的影响，在一个5Km见方的平面上，布置了25个节点，相邻节点间的垂直和水平距离为500m，节点的发送功率为0.005w，节点的接收功率阈值-95dBm，这个距离及功率设置能够使得节点仅能与相邻的节点直接通信，而不能与其它的节点通信。当β依次在1-15之间取值时，将改进前后的节点1到节点25之间的端到端时延进行对比，以时延的大小作为性能的衡量标准；由图2中可以看出，在β取值介于1-5时，可以取得较好的效果，在β＝2时端到端时延最小。论文经过大量的仿真研究，得出，在β＝2时，改进的算法具有最优效果。
图3显示了节点1发送给节点23的音频业务的端到端平均时延，图中可以看到改进后的MHF-EDCF的时延平均约为1.5s，而EDCF的平均时延约在5-7s，MHF-EDCF节省了约70％-78％的端到端时延，MHF-EDCF明显优于EDCF；在端到端时延上MHF-EDCF优于EDCF的原因是，MHF-EDCF使得跳数多的节点在抢占信道上更有优势，图4显示了节点1的信道接入时延，明显MHF-EDCF要比EDCF要低一些，MHF-EDCF大约为3s，EDCF约为5s，在第一跳的信道接入时延上，MHF-EDCF减小了约40％。
图5所示为节点25的吞吐量，MHF-EDCF的吞吐量约为45Kbits，EDCF的吞吐量约为32Kbits，MHF-EDCF在吞吐量方面也有优势。这是因为，MHF-EDCF减小了数据包发送是的碰撞率和重传次数。经过仿真分析，改进的EDCF能够有效减小多跳网络中多媒体包的端到端时延，并能提高网络的吞吐量，是一种适合无线自组织网络、能够有效提高多媒体服务质量保障的媒体接入控制机制。
本发明采用跨层设计的方法将网络层的跳数因素引入到MAC层的信道竞争机制中去，对EDCF进行改进，能够有效减小多跳网络中多媒体包的端到端时延，并能提高网络的吞吐量，是一种适合无线自组织网络、能够有效提高多媒体服务质量保障的媒体接入控制机制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，其特征在于：采用跨层设计的方法将网络层的跳数因素引入到MAC层的信道竞争机制中去，跳数的引进包括以下方法：
A、节点在发送数据是沿着自顶向下的方向从应用层向下递交并逐层封装数据，经运输层到网络层；
B、在网络层首先判断包类型，如果是路由控制数据包，为了尽量提高路由控制包的接入优先级，设置剩余跳数为网络中数据流的最大跳数值；如果是普通数据包，则读取包头中剩余分段的值，并将这个值用参数H表示，传递到MAC层。
2.根据权利要求1所述的一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，其特征在于：步骤B中引入参数H后数据帧的发送过程包括以下步骤：
A、发送主机监听媒体，如果媒体空闲达到DIFS时间，发送RTS报文给目的站；
B、目的STA收到RTS报文后，发送给报文CTS报文给源STA，经过这次握手后，就可以发送数据帧；
C、如果媒体忙，则延迟接入，直到媒体空闲时间达到DIFS以后，进入退避过程；
D、主机根据加入剩余跳数参数的退避算法选择一个退避时间，并设置退避时间计数器；在媒体空闲时，退避时间计数器每隔一个时隙减1；在媒体忙时，退避时间计数器停止计数；
E、在退避时间计数器减到零后，主机立即发出数据帧；
F、发出数据后，如果在规定的时间内没有收到ACK，表明数据帧发送失败，进入重传退避过程，回到步骤C；
G、如果在规定的时间内收到ACK，表明数据帧发送成功。
3.根据权利要求2所述的一种提升移动自组网服务质量保证效率的方法，其特征在于：所述步骤D中剩余跳数参数的退避算法对优先级进行了调整，调整公式为：CWnew[AC]＝min((CWold[AC]+β*(Hmax-H))-1，CWmax[AC])；其中，Hmax表示网络中的最大跳数，发送数据时使用RTS/CTS方式，源站在每次数据传输前发送小的控制帧RTS预留信道，目的站收到RTS帧，如果准备接收，就回应CTS帧；当源站收到CTS，则开始传输数据；节点通过在RTS帧中携带各自的Hmax来实现对Hmax的维护，每当收到其他节点的RTS帧时，将携带的Hmax与自己当前的Hmax来比较，若当前自己保留的Hmax较小，则用收到的Hmax替换；β称为区分因子，它的大小代表了相差一跳的数据包之间所对应的退避窗口的差距，以此作为不同跳数之间在发送优先级上的区分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170531 |