CN109005598B - 一种无线局域网的网络分配向量重置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无线局域网的网络分配向量重置方法，用于解决无线局域网中由于不能正确设置网络分配向量而导致信道的利用率较低的问题。实现步骤为：构建无线局域网络，发送方发送增强型RTS帧，能够接收增强型RTS帧但不能接收增强型CTS帧的站点根据增强型RTS帧内的时长字段设置自己的网络分配向量，然后这些站点估算接收方发送增强型CTS帧的时长T_ac，接下来计算等待时长T_R，并在接收到增强型RTS帧T_R时长后，对增强型RTS帧头部标记的信道进行空闲信道评估，然后根据主信道的空闲时间是否小于分布式帧间间隔，来选择对自己的网络分配向量的重置方式。

Description

一种无线局域网的网络分配向量重置方法

技术领域

本发明属于无线局域网络技术领域，涉及一种网络分配向量NAV的重置方法，具体涉及一种无线局域网的网络分配向量NAV重置方法，可以用于采用增强型RTS/CTS模式的分布式协调功能的信道接入机制无线局域网络。

背景技术

无线局域网络技术作为一种没有空间限制的通信技术，一经提出，就在市场上取得了巨大的反响，现在已经成为我们日常生活当中不可缺少的技术。随着手持式无线站点的大规模普及以及层出不穷的新服务的提出，人们对无线局域网的吞吐量的要求越来越高。

吞吐量指的是网络设备在单位时间内传输的有效的数据量，吞吐量主要由两个因素来决定，即发送速率和丢包率。一般而言，发送速率越快，吞吐量就越大，丢包率越高，吞吐量会越低。而发送速率与信道带宽直接相关，带宽越大，发送速率也会越大，但是在无线局域网中，总带宽是有限的，因此通过提高信道的利用率来等效的提高信道带宽是提高无线局域网吞吐量的重要方法。

为了保证网络的吞吐量，网络设备在传输数据的时候，应避免冲突。因为一旦发生冲突，就会造成数据包的丢失。为了避免冲突，802.11引入了分布式协调功能DCF信道接入机制，其包括基本访问模式和RTS/CTS模式两种模式。在基本访问模式中，发送方在发送数据前需要对其工作信道进行空闲信道评估，如果信道在分布式帧间间隔时长DIFS以及退避过程中保持空闲状态，则站点可以在信道传送数据。否则站点等待信道变为空闲，然后重新对信道进行空闲信道评估。

基本访问模式的DCF信道接入机制虽然可以解决大部分冲突问题，但无法解决隐藏站点问题。隐藏站点问题出现在以下情形中，站点STA_x正在向站点STA_y发送数据，站点STA_z没有侦测到STA_x的信号，开始向STA_y发送数据。此时所有发送给STA_y的数据都会丢失。

为了解决隐藏站点问题，研究人员在分布式协调功能的基本访问模式的基础上开发出了RTS/CTS模式。在RTS/CTS模式中，发送方在经过信道竞争得到向接收方发送数据的信道接入权后，会向发送方通信范围内的站点发送RTS帧。RTS帧内有一个时长字段，对应着发送方预计其发送完RTS帧到接收方发送数据确认帧的时长。接收到RTS帧的除目的接收方外的其他站点通过RTS帧内的时长字段来设置自己的网络分配向量NAV。目的接收方收到RTS帧后，会向其通信范围内的站点发送CTS帧作为接收到RTS帧的响应，除发送方外其余接收到CTS帧的站点会根据CTS帧内的时长字段来设置自己的网络分配向量NAV。CTS帧内的时长字段为接收方发送CTS帧到发送数据确认帧的时长，发送方接收到CTS帧后，开始传送数据。站点的网络分配向量NAV每经过一个时隙都会进行自减1的操作，在自己的网络分配向量NAV归零前，站点会保持静默状态。

在802.11n和802.11ac中，为了提高吞发送速率，引入了信道绑定技术。在802.11n中可以将2个相邻的20MHZ的信道绑定成一个40MHz的信道进行数据传输，而在802.11ac中，可以将2个相邻的20MHZ的信道绑定成一个40MHZ的信道，也可以将两个相邻的40MHZ的信道绑定成一个80MHZ的信道，也可以把两个80MHZ的信道绑定成一个160MHZ的信道。每一个带宽大于20MHZ的信道都被分为一个主信道和一个或多个辅信道。站点只在主信道上执行分布式协调功能DCF信道接入机制，因此RTS/CTS模式无法解决辅信道上的隐藏站点问题。

为了解决辅信道上的隐藏站点问题，研究人员对RTS/CTS模式进行了增强：发送方在增强型RTS帧的头部对其所有可用信道进行标记，并在其所有可用信道上分别发送标记了可用信道的增强型RTS帧。因此，在发送方通信范围内的站点，若其主信道是发送方的某个可用信道，则该站点会收到一个增强型RTS帧，然后根据增强型RTS帧内的时长字段来设置自己的网络分配向量NAV。接收方接收到增强型RTS帧后，会在增强型RTS帧的头部标记的信道中选出自己的可用信道，并在增强型CTS帧的头部标记这些可用信道，然后在其可用信到信道上分别发送该增强型CTS帧。因此，在接收方有效通信范围的站点，若其主信道是接收方的某个可用的信道，则该站点会收到增强型CTS帧。从而完成自己的网络分配向量NAV的设置。发送方在接收到增强型CTS帧后，会用增强型CTS帧头部标记的信道来传输数据。

因此，发送方在发送增强型RTS帧时，不知道进行数据发送时的信道带宽，导致发送方无法计算在增强型RTS帧内的时长字段，而接收端在发送增强型CTS帧时，不知道准备发送的数据的大小，因此，无法计算增强型CTS帧内的时长字段，因此，增强型RTS帧内的时长字段和增强型CTS帧内的时长字段会设置的比实际需要的大。这会导致在完成此次通信后，信道会保持过长时间的空闲状态，降低了信道利用率。

基于上述原因，为了解决因为无线局域网中网络分配向量NAV的不正确设置而导致的信道利用率低的问题，研究人员提出了许多网络分配向量NAV的重置方法。通过对文件检索发现，2015年6月，作者S.Byeon，C.Yang，O.Lee,K.Yoon和S.Choi在IEEEInternational Conference on Communications(ICC)上发表的论文“Enhancement ofWide Bandwidth Operation in IEEE 802.11ac Networks”中公开了一种在无线局域网中的网络分配向量的设置方法，发送方将增强型RTS帧时长字段设置为以增强型RTS帧头部标记的信道的总带宽进行数据传输到接收方发送数据确认帧所需要的总时间，接收方根据其在增强型CTS帧头部标记的信道总带宽和增强型RTS帧内的时长字段来进行计算该帧内的时长字段，此时增强型CTS帧内的时长字段可以准确的表示接收方发送增强型CTS帧到其发送数据确认帧的时间，因此接收到增强型CTS帧的站点能够正确设置自己的网络分配向量NAV，信道的利用率得到一定程度的提升，但是这种方法存在的不足是，能够接收增强型RTS帧但不能接收增强型CTS帧的站点无法正确设置自己的网络分配向量NAV，特别是当在增强型RTS帧头部标记的信道没有全部被用来进行数据传输时，空闲信道在此次通信过程中会一直保持空闲状态，导致信道的利用率提升幅度有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种无线局域网的网络分配向量重置方法，旨在提高信道的利用率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)构建无线局域网络模型：

构建包括N个站点STA₁、STA₂、…、STA_j、…STA_N的无线局域网，STA_j为第j个站点，N≥3，所述站点采用增强型RTS/CTS模式的分布式协调功能信道接入机制，接收STA_j发送的增强型RTS帧的所有站点组成集合S_j，集合S_j中不接收STA_k发送的增强型CTS帧的所有站点组成集合OS_j，其中：

S_j＝{STA_i|STA_i接收STA_j发送的RTS帧,1≤i≤N}

OS_j＝{STA_d|STA_d∈S_j,且STA_d不接收STA_k发送的增强型CTS帧}

其中，STA_i、STA_d、STA_k分别为N个站点中的第i个、第d个、第k个站点；

(2)STA_j向S_j内的任意站点STA_i发送增强型RTS帧：

(2a)STA_j经过信道竞争获取向STA_k发送数据的信道接入权；

(2b)STA_j计算增强型RTS帧内的时长字段D_rts，并向S_j内的任意站点STA_i发送增强型RTS帧；

(3)集合OS_j中任意站点STA_d设置自己的网络分配向量NAV_d：

集合OS_j中任意站点STA_d根据增强型RTS帧内的时长字段D_rts设置自己的网络分配向量NAV_d；

(4)集合OS_j中任意站点STA_d获取STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac：

集合OS_j中任意站点STA_d将测量到的STA_j发送增强型RTS帧的时长T_RTS作为STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac；

(5)集合OS_j中任意站点STA_d计算等待时长T_R：

T_R＝2SIFS+T_ac

其中，SIFS为802.11标准中定义的短帧帧间距；

(6)集合OS_j中任意站点STA_d重置自己的网络分配向量NAV_d：

(6a)STA_d在接收到增强型RTS帧的T_R时间后，对增强型RTS帧头部标记的信道进行空闲信道评估，得到STA_d主信道的空闲时间和被标记的信道中处于繁忙状态的信道的总带宽B_b；

(6b)STA_d判断主信道的空闲时间是否小于分布式帧间间隔DIFS，若是，

执行步骤(6c)，否则执行步骤(6d)；

(6c)STA_d重置自己的网络分配向量NAV_d：

NAV_d＝B_r(NAV_d-SIFS)/B_b+SIFS

其中，B_r为增强型RTS帧的头部标记的信道的总带宽；

(6d)STA_d进入退避过程，并将自己的网络分配向量NAV_d重置为0。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明中由于能够接收增强型RTS帧而不能接收增强型CTS帧的站点，在其主信道的空闲时间小于分布式帧间间隔时，站点通过计算通信实际需要的总时长设置自己的网络分配向量，在其主信道的空闲时间大于或等于分布式帧间间隔时，站点将自己的网络分配向量置为0，实现了站点在其主信道的空闲时间不同时，都能正确重置自己的网络分配向量，避免了由于网络分配向量的不正确设置而带来的不必要的等待，降低了信道的空闲时间，有效的提升了信道的利用率。

附图说明

图1为本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述：

参照图1、本发明包括如下步骤；

步骤1)构建无线局域网络模型

本实施例以在具有4个站点的无线局域网中重置网络分配向量为例，其中，该无线局域网的4个站点分别为STA₁、STA₂、STA₃、STA₄，所述站点采用增强型RTS/CTS模式的分布式协调功能信道接入机制，STA_j为第j个站点，所述站点采用增强型RTS/CTS模式的分布式协调功能信道接入机制，接收STA_j发送的增强型RTS帧的所有站点组成集合S_j，集合S_j中不接收STA_k发送的增强型CTS帧的所有站点组成集合OS_j，其中：

S_j＝{STA_i|STA_i接收STA_j发送的RTS帧,1≤i≤4}

OS_j＝{STA_d|STA_d∈S_j,且STA_d不接收STA_k发送的增强型CTS帧}

其中，STA_i、STA_d、STA_k分别为4个站点中的第i个、第d个、第k个站点；

随着人民要求越来越高的无线局域网络的吞吐量，IEEE的802.11工作组在802.11n，802.11ac中提出了信道绑定技术，在802.11n中，可以将两个相邻的20MHZ的信道绑定成为一个40MHZ的信道，在802.11ac中，可以将2、4、8个相邻的20MHZ的信道绑定成一个40MHZ、80MHZ、160MHZ的信道，每一个大于20MHZ的信道都被分成一个主信道和一个或多个辅信道，站点只在主信道上执行分布式协调功能的信道接入机制，因此，RTS/CTS模式的分布式协调功能信道接入机制无法解决辅信道上的隐藏站点问题，对RTS/CTS模式进行了增强。

在增强型RTS/CTS模式中，发送方会在其所有可用信道上都发送一个相同增强的RTS帧。因此，在发送方通信范围内的站点，若其主信道是发送方的某个可用信道，则该站点会收到一个增强型RTS帧。接收方接收到增强型RTS帧后，会在增强型RTS帧的头部标记的信道中选出自己的可用信道，然后在其可用信到信道上都发送相同的一个增强型CTS帧。因此，在接收方有效通信范围的站点，若其主信道是接收方的某个可用的信道，则该站点会收到增强型CTS帧。

步骤2)STA_j向S_j内的任意站点STA_i发送增强型RTS帧：

步骤2a)STA_j经过信道竞争获取向STA_k发送数据的信道接入权；

在无线局域网络中，因为所有站点的信道都是共享的，所以站点想要发送数据时，必须通过信道竞争得到信道接入权后才可以传输数据，信道竞争指的是站点在传输数据前需要对信道进行信道侦听，若信道在分布式时长间隔内都是空闲的，则开始执行backoff个时隙的退避过程，其中，backoff为退避计数器，其值为站点在退避窗口中随机选择的值，每经过一个时隙会减1。若信道在退避过程中成为忙碌状态，则冻结backoff的当前值，等信道变为空闲时重新进行信道侦听。当backoff归零时，站点就得到了信道的接入权，此时可以发送信息，由于backoff是随机选择的时长，所以不同的站点往往都会拥有不同的backoff值，因此，在大部分情况下，不会发生信道冲突。

步骤2b)STA_j计算增强型RTS帧内的时长字段D_rts，并向S_j内的任意站点STA_i发送增强型RTS帧，其中时长字段D_rts计算公式为：

D_rts＝3SIFS+T_CTS+T_d+T_ACK

其中，T_CTS为STA_j估计STA_k发送增强型CTS帧的时间，T_d为STA_j估计的以增强型RTS帧头部标记的的信道总带宽来进行数据传输需要的总时间，T_ACK为STA_j估计的STA_k发送数据确认帧的时间，SIFS为802.11标准中定义的短帧帧间距。

由于接收方在接收到发送方发送的增强型RTS的SIFS后，发送增强型CTS帧，发送方在接收到增强型CTS帧后的SIFS后，开始用增强型CTS帧头部的标记的信道进行数据传输，当发送方发送完所有数据后，再经过SIFS时长，接收方发送数据确认帧，完成本次通信。因此，按上述公式计算出来的时长即为发送方以增强型RTS帧头部标识的信道的总带宽进行数据传输时，发送完增强型RTS帧到接收方发送完数据确认帧的总时间。

步骤3)集合OS_j中任意站点STA_d设置自己的网络分配向量NAV_d：

集合OS_j中任意站点STA_d根据增强型RTS帧内的时长字段D_rts设置自己的网络分配向量NAV_d；

步骤4)集合OS_j中任意站点STA_d获取STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac：

集合OS_j中任意站点STA_d将测量到的STA_j发送增强型RTS帧的时长T_RTS作为STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac；

由于在无线局域网中，增强型CTS帧的长度和增强型RTS帧的长度是相同的，且发送方发送增强型RTS帧和接收方发送增强型CTS帧的速率是一样的，因此，我们可以将STA_d测量的STA_j发送增强型RTS帧的时长T_RTS作为STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac。

步骤5)STA_d计算等待时长T_R：

T_R＝2SIFS+T_ac

其中，SIFS为802.11标准中定义的短帧帧间距；

由于接收方在接收到发送方发送的增强型RTS的SIFS后，发送增强型CTS帧，发送方在接收到增强型CTS帧后的SIFS后，开始用增强型CTS帧头部的标记的信道进行数据传输，因此，T_R可以理解为STA_d估算的STA_j发送完增强型RTS帧到STA_j正式开始传送数据的时长。

步骤6)集合OS_j中任意站点STA_d重置自己的网络分配向量NAV_d：

步骤6a)STA_d在接收到增强型RTS帧的T_R时间后，对增强型RTS帧头部标记的信道进行空闲信道评估，得到STA_d主信道的空闲时间和被标记的信道中处于繁忙状态的信道的总带宽B_b；

空闲信道评估，指的是无线局域网中的站点检测信道上来自其他站点的信号的强度来判断该信道是否空闲，其包括信号检测和能量检测两种方式，802.11标准为两种检测方式设置了不同的阈值，在进行信道评估后，如果检测值高于该门限值，则表示信道忙碌：如果检测值低于该门限值，则表示信道空闲。

步骤6b)STA_d判断主信道的空闲时间是否小于分布式帧间间隔DIFS，若是，执行步骤6c)，否则执行步骤6d)；

在无线局域网络中，在一次通信过程中，任意两个帧的时间间隔为短帧帧间间隔SIFS，而分布式帧间间隔DIFS是大于短帧帧间间隔SIFS的，当信道的空闲时间大于等于与分布式帧间间隔DIFS的时候，我们就可以确定此时发送方没有使用该信道传输数据，即此时信道处于空闲状态。

步骤6c)STA_d重置自己的网络分配向量NAV_d：

NAV_d＝B_r(NAV_d-SIFS)/B_b+SIFS

其中，B_r为增强型RTS帧的头部标记的信道的总带宽；

当数据量一定的时候，传输所用的时间与数据的传输速率成反比，而传输速率又与传输所用的带宽成正比，因此，当站点知道了发送方在增强型RTS帧的头部标记的信道的总带宽和以该带宽进行数据传输需要的时间，以及发送方实际使用的信道的总带宽，就可以计算出此次通信实际需要的总时长，该时长即为站点的网络分配向量的正确值。

步骤6d)STA_d进入退避过程，并将自己的网络分配向量NAV_d重置为0。

此时，发送方并没有使用STA_d主信道来传输数据，因此，可以将STA_d的网络分配向量置为零，且由于其检测到空闲时间大于或者等于分布式帧间间隔，因此站点此时可以直接进入随机时长的退避计数每经过一个基本时隙进行自减1的退避过程，不必重新等待一个分布式帧间间隔时长才进入退避过程，可以进一步的减少空闲信道时间，提高信道的利用率。

Claims (2)

1.一种无线局域网的网络分配向量重置方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建无线局域网络模型：

构建包括N个站点STA₁、STA₂、…、STA_j、…STA_N的无线局域网，STA_j为第j个站点，N≥3，所述站点采用增强型RTS/CTS模式的分布式协调功能信道接入机制，接收STA_j发送的增强型RTS帧的所有站点组成集合S_j，集合S_j中不接收STA_k发送的增强型CTS帧的所有站点组成集合OS_j，其中：

S_j＝{STA_i|STA_i接收STA_j发送的RTS帧,1≤i≤N}

OS_j＝{STA_d|STA_d∈S_j,且STA_d不接收STA_k发送的增强型CTS帧}

其中，STA_i、STA_d、STA_k分别为N个站点中的第i个、第d个、第k个站点；

(2)STA_j向S_j内的任意站点STA_i发送增强型RTS帧：

(2a)STA_j经过信道竞争获取向STA_k发送数据的信道接入权；

(2b)STA_j计算增强型RTS帧内的时长字段D_rts，并向S_j内的任意站点STA_i发送增强型RTS帧；

(3)集合OS_j中任意站点STA_d设置自己的网络分配向量NAV_d：

集合OS_j中任意站点STA_d根据增强型RTS帧内的时长字段D_rts设置自己的网络分配向量NAV_d；

(4)集合OS_j中任意站点STA_d获取STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac：

集合OS_j中任意站点STA_d将测量到的STA_j发送增强型RTS帧的时长T_RTS作为STA_k发送增强型CTS帧的时长的估算值T_ac；

(5)集合OS_j中任意站点STA_d计算等待时长T_R：

T_R＝2SIFS+T_ac

其中，SIFS为802.11标准中定义的短帧帧间距；

(6)集合OS_j中任意站点STA_d重置自己的网络分配向量NAV_d：

(6a)STA_d在接收到增强型RTS帧的T_R时间后，对增强型RTS帧头部标记的信道进行空闲信道评估，得到STA_d主信道的空闲时间和被标记的信道中处于繁忙状态的信道的总带宽B_b；

(6b)STA_d判断主信道的空闲时间是否小于分布式帧间间隔DIFS，若是，执行步骤(6c)，否则执行步骤(6d)；

(6c)STA_d重置自己的网络分配向量NAV_d：

NAV_d＝B_r(NAV_d-SIFS)/B_b+SIFS

其中，B_r为增强型RTS帧的头部标记的信道的总带宽；

(6d)STA_d进入退避过程，并将自己的网络分配向量NAV_d重置为0。

2.根据权利要求1所述的一种无线局域网的网络分配向量重置方法，其特征在于：步骤(2b)中所述的STA_j计算增强型RTS帧内的时长字段D_rts，计算公式为：

D_rts＝3SIFS+T_CTS+T_d+T_ACK

其中，T_CTS为STA_j估计STA_k发送增强型CTS帧的时间，T_d为STA_j估计的以增强型RTS帧头部标记的信道总带宽来进行数据传输需要的总时间，T_ACK为STA_j估计的STA_k发送数据确认帧的时间，SIFS为802.11标准中定义的短帧帧间距。

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