CN107659997A - 一种ieee 802.11 dcf协议的接入机制选择方法和系统 - Google Patents

一种ieee 802.11 dcf协议的接入机制选择方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法，属于无线网络通信领域。本发明根据当前无线局域网的网络参数，精确的计算该网络的RTS阈值，再根据当前数据帧长和RTS阈值的大小关系，选择当前网络状态下最合适的接入机制；本发明还实现了一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择系统。本发明技术方案解决现有无线局域网IEEE 802.11标准中RTS阈值设为固定值，以至于无法动态地根据网络物理参数，在基本接入机制和RTS/CTS接入机制间进行正确选择与切换，使网络达到更高的吞吐量的问题。

Description

一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法和系统
技术领域
本发明属于无线网络通信领域，更具体地，涉及一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法和系统。
背景技术
IEEE 802.11是IEEE为解决无线网络设备互联，于1997年6月制定的第一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。随着无线局域网的飞速发展，与有线网络相比，无线局域网自身安装便捷、使用灵活、经济节约和易于扩展等优点更加突出，对应的IEEE802.11MAC的DCF协议也得到越来越多的关注。
在IEEE 802.11MAC协议中，DCF协议是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式，它把带冲突避免的载波侦听多址接入技术和确认技术结合起来，采用二进制指数退避策略来避免冲突。DCF协议设立了两种接入机制，分别为基本接入机制和RTS/CTS接入机制。其中，两次握手的基本接入机制为目前的默认接入机制，它的特点是及时反馈确认帧(ACK)达到数据正确传输的目的。假设一个节点队列里有数据帧等待发送。当使用基本接入机制时，①如果节点侦听信道为空闲状态并持续DIFS，节点发送数据帧；②如果节点侦听信道为繁忙状态，该节点将暂停传输直至信道为空闲状态并持续DIFS。然后，该节点从一个退避窗口中随机选择一个退避值，在接下来每一个空闲时隙对退避计数器依次减一，繁忙时隙则冻结计数器，直至信道为空闲状态并持续DIFS再重新激活。③当退避计数器达到零，该节点发送数据帧，并等待确认包。如果在SIFS时间内收到确认包，则认为数据帧发送成功。此时如果该节点仍有数据帧需要发送，则回到步骤②。④如果在ACK-TIMEOUT时间内没有收到确认包，认为数据帧发送失败，此时，该节点回到步骤的退避过程，退避次数加一且退避窗口值变为之前的两倍，直至退避次数达到最大退避次数，此时退避窗口值不再增加直至数据帧发送成功。图1给出了基本接入方式的示意图。
另一种机制是四次握手的RTS/CTS机制，目前为DCF协议中的选用接入机制。最初是用来解决隐藏节点问题，它的特点是在发送数据之前节点先发送较短的请求发送帧(Request-To-Send，RTS)，用允许发送帧(Clear-To-Send，CTS)回复发送节点，达到预约信道的目的。当节点队列里有数据帧等待发送时，它先发送一个RTS请求发送帧给目的节点，其中包含了发送数据帧和确认包所需要的总时长。当目的节点收到RTS请求发送帧时，它在SIFS时间后回复一个CTS允许发送帧，该帧为广播帧，用于允许请求节点进行发送，并且通知网络内所有其他节点在预约时间段内进行传输。所有网络内的侦听节点在收到了CTS允许发送帧后，即可根据其中信息更新网络分配矢量(Network Allocation Vector，NAV)，从而不会在该预约时间段内试图接入信道。数据帧的发送在成功交换了RTS请求发送帧和CTS允许发送帧后开始。图2给出了RTS/CTS接入机制的示意图。
相较于基本接入机制的数据帧之间的冲突导致发送失败，RTS/CTS接入机制的优点在于发生冲突仅限于RTS请求发送帧之间的冲突。由于网络中的数据帧长度往往远超过控制帧的长度，使得RTS/CTS接入机制在遭遇冲突时损失较小，能有效的提升网络效率。但RTS/CTS接入机制需要发送RTS请求发送帧、CTS允许发送帧等控制帧，又增加了网络中不必要的通信冗余，降低了网络效率。因此，如何根据网络当前状态，准确的在两种接入机制之间进行选择，使得网络能够达到更高的吞吐量，是一个亟待解决的问题。虽然目前IEEE802.11标准中设立了RTS阈值为3000字节，这意味着当数据帧长超过3000字节时，网络使用RTS/CTS接入机制，否则使用基本接入方式，然而在实际网络环境中，RTS阈值设置为固定值不利于网络达到更高的吞吐量，因此为了网络的吞吐率达到最优，需要使RTS阈值应随网络物理参数的动态变化而变化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法和系统，其目的在于根据当前无线局域网的网络参数，精确的计算该网络的RTS阈值，解决现有无线局域网IEEE 802.11 标准中RTS阈值设为固定值，以至于无法动态地根据网络物理参数，在基本接入机制和RTS/CTS接入机制间进行正确选择与切换，使网络达到更高的吞吐量的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法，所述方法包括以下步骤：
(1)获取当前网络参数；
(2)根据当前网络参数计算对应RTS阈值L*
其中，BR表示控制帧的发送速率；RTS表示请求发送帧；CTS表示允许发送帧；SIFS表示短帧间间隔；DR表示数据帧的发送速率；PHY表示PHY层头部；MAC表示MAC层头部；pA表示信道空闲的前提下，队列头包发送成功的稳态概率，其中，W0表示朗伯W函数的主分支；n表示网络总节点数；W表示初始退避窗口；
(3)判断L≥L*是否成立，若成立则选择RTS/CTS接入机制；否则选择基本接入机制，其中L表示当前网络的数据帧长度。
进一步地，所述步骤(1)中网络参数包括：初始退避窗口W、网络总节点数量n、MAC层头部MAC、PHY层头部PHY、确认帧ACK、请求发送帧RTS、允许发送帧CTS、短帧间间隔SIFS、分布式帧间间隙DIFS、数据帧的发送速率DR、控制帧的发送速率BR和时隙Ts。
进一步地，所述方法设定时间周期，循环执行步骤(1)～(3)，实现接入机制的动态调整。
按照本发明的另一方面，提供了一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择系统，所述系统包括：
网络参数获取模块，用于获取当前网络参数；
RTS阈值计算模块，用于根据当前网络参数计算对应RTS阈值L*
其中，BR表示控制帧的发送速率；RTS表示请求发送帧；CTS表示允许发送帧；SIFS表示短帧间间隔；DR表示数据帧的发送速率；PHY表示PHY层头部；MAC表示MAC层头部；pA表示信道空闲的前提下，队列头包发送成功的稳态概率，其中，W0表示朗伯W函数的主分支；n表示网络总节点数；W表示初始退避窗口；
接入机制判断模块，用于判断L≥L*是否成立，若成立则选择RTS/CTS接入机制；否则选择基本接入机制，其中L表示当前网络的数据帧长度。
进一步地，所述网络参数获取模块中网络参数包括：初始退避窗口W、网络总节点数量n、MAC层头部MAC、PHY层头部PHY、确认帧ACK、请求发送帧RTS、允许发送帧CTS、短帧间间隔SIFS、分布式帧间间隙DIFS、数据帧的发送速率DR、控制帧的发送速率BR和时隙Ts。
进一步地，所述系统设定时间周期，循环执行网络参数获取模块、RTS阈值计算模块和接入机制判断模块，实现接入机制的动态调整。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：
本发明提供的一种RTS阈值计算方法具有运算简单、分析精确、数据可信度高的优点，可根据当前无线局域网的网络参数，精确的计算该网络的RTS阈值，为实际无线局域网中接入机制的选择提供动态解决方案，使网络达到更高的吞吐量。
附图说明
图1是基本接入机制的示意图；
图2是RTS/CTS接入机制的示意图；
图3是本发明方法的流程示意图；
图4是本发明系统的结构示意图；
图5是基本接入机制与RTS/CTS接入机制的网络吞吐量与网络节点的关系图；
图6是基本接入机制与RTS/CTS接入机制的网络吞吐量与数据帧长的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为本发明方法实施例的流程示意图：
(1)获取当前网络的参数，网络参数包括：初始退避窗口W、网络总节点数量n、MAC层头部MAC、PHY层头部PHY、确认帧ACK、请求发送帧RTS、允许发送帧CTS、短帧间间隔SIFS、分布式帧间间隙DIFS、数据帧的发送速率DR、控制帧的发送速率BR和时隙Ts。如表1所示：
表1 网络参数
初始退避窗口W 32
网络总节点数量n 50
MAC层头部 288bits
PHY层头部 136bits
ACK帧 112bits+PHY层头部
RTS帧 160bits+PHY层头部
CTS帧 112bits+PHY层头部
发送速率DR 54Mbps
控制帧发送速率BR 1Mbps
时隙Ts 9μs
SIFS 16μs
DIFS 34μs
(2)根据当前网络参数计算对应RTS阈值L*，RTS阈值显式表达式的推导过程如下：
首先，根据各自接入流程，当数据帧长度为L时，基本接入机制的发送成功所需时长和发生冲突所需时长分别为：
而和RTS/CTS机制的发送成功所需时长和发生冲突所需时长分别为：
信道空闲的前提下，队列头包发送成功的稳态概率为：
其中，W0表示朗伯W函数的主分支；
网络吞吐量为：
其中，τT是数据帧成功发送的平均时间，τF是冲突的平均时间；
RTS阈值定义为RTS/CTS接入机制的吞吐量超过基本接入机制所需要的最小数据帧长度，结合(1)、(2)、(3)、(4)、(5)和(6)式，可推得RTS阈值L*的显式表达式为：
将步骤(1)中网络参数带入(7)式，求得当前网络的RTS阈值L*。
(3)比较当前网络的数据帧长度与当前网络的RTS阈值L*，如果当前数据帧不小于RTS阈值L*，应选择RTS/CTS接入机制；否则选择基本接入机制。
如图4所示，本发明系统包括网络参数获取模块、RTS阈值计算模块和接入机制判断模块。
设网络参数如表1所示，根据式(5)和式(7)计算可得RTS阈值为比特，其中，是给定信道空闲的前提下，队列头包发送成功的稳态概率，是和网络总节点数量n有关的函数。设数据帧长度等于RTS阈值。从图5可以看到，此时基本接入机制与RTS/CTS接入机制的网络吞吐量相等。这一结果证明了本发明中所得的基于IEEE 802.11 DCF协议的RTS阈值计算方法的准确性。
设网络参数如表1所示，根据式(7)计算可得RTS阈值为1.01×105比特。从图6可以看到，当数据帧长度超过RTS阈值时，RTS/CTS接入机制的网络吞吐量将超过基本接入机制；而当数据帧长度未达到RTS阈值时，RTS/CTS接入机制的网络吞吐量将低于基本接入机制。这一结果证明了本发明中所得的IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法的准确性。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法，其特征在于，所示方法包括以下步骤：
(1)获取当前网络参数；
(2)根据当前网络参数计算对应RTS阈值L*
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其中，BR表示控制帧的发送速率；RTS表示请求发送帧；CTS表示允许发送帧；SIFS表示短帧间间隔；DR表示数据帧的发送速率；PHY表示PHY层头部；MAC表示MAC层头部；pA表示信道空闲的前提下，队列头包发送成功的稳态概率，其中，W0表示朗伯W函数的主分支；n表示网络总节点数；W表示初始退避窗口；
(3)判断L≥L*是否成立，若成立则选择RTS/CTS接入机制；否则选择基本接入机制，其中L表示当前网络的数据帧长度。
2.根据权利要求1所述的一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法，其特征在于，所述步骤(1)中网络参数包括：初始退避窗口W、网络总节点数量n、MAC层头部MAC、PHY层头部PHY、确认帧ACK、请求发送帧RTS、允许发送帧CTS、短帧间间隔SIFS、分布式帧间间隙DIFS、数据帧的发送速率DR、控制帧的发送速率BR和时隙Ts。
3.根据权利要求1所述的一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择方法，其特征在于，所述方法设定时间周期，循环执行步骤(1)～(3)，实现接入机制的动态调整。
4.一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择系统，其特征在于，所述系统包括：
网络参数获取模块，用于获取当前网络参数；
RTS阈值计算模块，用于根据当前网络参数计算对应RTS阈值L*
<mrow> <msup> <mi>L</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mfrac> <mrow> <mi>R</mi> <mi>T</mi> <mi>S</mi> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>p</mi> <mi>A</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>C</mi> <mi>T</mi> <mi>S</mi> </mrow> <mrow> <mi>B</mi> <mi>R</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>S</mi> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mi>S</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>p</mi> <mi>A</mi> <mi> </mi> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <mi>p</mi> <mi>A</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>p</mi> <mi>A</mi> <mo>+</mo> <mi>p</mi> <mi>A</mi> <mi> </mi> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <mi>p</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>D</mi> <mi>R</mi> <mo>-</mo> <mi>P</mi> <mi>H</mi> <mi>Y</mi> <mo>-</mo> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>C</mi> <mo>,</mo> </mrow>
其中，BR表示控制帧的发送速率；RTS表示请求发送帧；CTS表示允许发送帧；SIFS表示短帧间间隔；DR表示数据帧的发送速率；PHY表示PHY层头部；MAC表示MAC层头部；pA表示信道空闲的前提下，队列头包发送成功的稳态概率，其中，W0表示朗伯W函数的主分支；n表示网络总节点数；W表示初始退避窗口；
接入机制判断模块，用于判断L≥L*是否成立，若成立则选择RTS/CTS接入机制；否则选择基本接入机制，其中L表示当前网络的数据帧长度。
5.根据权利要求4所述的一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择系统，其特征在于，所述网络参数获取模块中网络参数包括：初始退避窗口W、网络总节点数量n、MAC层头部MAC、PHY层头部PHY、确认帧ACK、请求发送帧RTS、允许发送帧CTS、短帧间间隔SIFS、分布式帧间间隙DIFS、数据帧的发送速率DR、控制帧的发送速率BR和时隙Ts。
6.根据权利要求4所述的一种IEEE 802.11 DCF协议的接入机制选择系统，其特征在于，所述系统设定时间周期，循环执行网络参数获取模块、RTS阈值计算模块和接入机制判断模块，实现接入机制的动态调整。
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