CN109104772B - 一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法及系统 - Google Patents

一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法及系统，一个工作周期包括竞争时段和和发送时段，在进入竞争时段后，各发送站点分别向AP发送RTS帧；解析各RTS帧中所包含的业务类型，各发送站点执行竞争，AP创建竞争列表并将竞争成功的发送站点记录入竞争列表中，记录每个发送站点所需的发送时间；竞争时间结束或竞争列表中请求发送站点数量达到上限，进入发送时段；AP根据储存下来的竞争列表发送CTS帧，通知一对应发送站点发送数据；当AP收到目的发送站点C发的ACK确认帧后，返回前一步骤通知下一对应发送站点，直至列表中的发送站点完成数据发送；计算下一次竞争时段长短；进入下一次竞争时间段。采用本发明进行MAC接入，数据处理效率高。

Description

一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法及系统
技术领域
本发明无线通信领域，更具体的说涉及一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法及系统。
背景技术
CSMA/CA协议针对无线接入提出了许多有效的方法，但仍然存在着一些问题。存在的问题主要分为两方面：
首先，CSMA/CA协议采用退避算法是BEB算法。BEB算法实现简单，但其对退避时间的调整过于激烈：检测到有冲突发生时，这个退避时间量就会呈二进制指数增长；而当一次成功传输后，这个退避时间量就会恢复到它的最小值。这会导致退避时间量有一个相当大的浮动。例如，站点一次成功发送后，退避值变为最小，其它站点的退避值较大，退避值较小的站点在下一个竞争期较容易成功发送，成功发出后，退避值又变为最小，而其它节点的退避值再次增大，造成了严重的不公平。应考虑改进的算法以避免这样的激烈浮动，从而保证网络具有更好的公平性。
其次，DCF模式也存在着固有缺陷。DCF模式在网络负载较轻时比较有效，但随着负载冲突的增加，退避执行过程浪费了大量时间，吞吐量会逐渐降低，不能保证有效的端到端时延。同时，在DCF模式下，一个BSS内的所有站点都以同样的优先级竞争信道，因此，也就没有了区分机制来保证高优先级的站点的服务。
CN104320859B公开了一种基于AP控制的竞争与分配相结合的MAC接入方法，在一个BSS中利用AP对站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段T1和分配时段T2这两个时段，在竞争时段T1过程中站点向AP发送请求，在分配时段T2过程中AP对各个站点发送数据的时机进行分配。然而，上述过程中的竞争时段T1和分配时段T2的时长均为固定时长，在固定时长内，有可能数据无法全部发送完成，也有可能在数据全部发送完成后还存在空闲时间，造成数据的发送效率缓慢。
发明内容
针对上述数据的发送效率缓慢的技术问题，本发明提出一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法及系统，以解决上述BEB算法所造成的接入机制的不公平性和DCF模式在大负载冲突下的时延大以及没有区分机制来保证高优先级的站点的服务的技术缺陷，并且保证数据的发送效率。
根据本发明的其中一方面，本发明为解决其技术问题，提供了一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法，利用AP接入点对发送站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段和发送时段；
竞争时段包含如下步骤：
S1、在进入第i次竞争时间段后，各发送站点分别向AP接入点发送RTS帧；
S2、解析各RTS帧中所包含的业务类型，各发送站点执行竞争，AP接入点创建竞争列表并将竞争成功的发送站点记录入竞争列表中，记录每个发送站点所需的发送时间；其中，每种业务类型对应一个不同的竞争优先级参数以控制不同优先级的业务的退避过程；
S3、第i次竞争时间结束或竞争列表中请求发送站点数量达到上限，进入发送时段；
发送时段的时长等于竞争列表中各发送站点所需的发送时间的时间之和，发送时段具体包括：
S4、AP接入点根据储存下来的竞争列表发送CTS帧，通知一对应发送站点发送数据；
S5、当AP接入点收到目的发送站点C发的ACK确认帧后，返回步骤S4通知下一对应发送站点，直至竞争列表中的所有发送站点完成数据发送后进入步骤S6；
S6、计算下一次竞争时段长短；
S7、返回步骤S1进入第i+1次竞争时间段直至所有竞争时间段结束，完成数据的发送。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法中，步骤S6具体包括：
S61、计算本次竞争阶段RTS帧接受间隔E(idle)：
其中，n表示竞争列表中的发送站点数量，RTSTimek表示第k个发送站点的RTS帧的接收时刻；
S62、对E(idle)进行平滑处理得出本次竞争中E(idlei)的值：
E(idlei)＝αE(idlei-1)+(1-α)E(idlei)，
α为预设的平滑因子，0＜α＜1；
S63、更新下一次竞争时段时长Ti+1：
Ti+1＝K*E(idlei)；
式中，K为预设值且为大于1的正整数，i≥1。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法中，第一次竞争时段时长T1为预设值。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法中，所述业务类型被划分为视频业务、音频业务、尽最大努力交付的业务和背景流业务。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法中，竞争列表在数据发送时，退避算法只把退避窗口减小到发送成功时的一半。
根据本发明的另一方面，本发明为解决其技术问题，还提供了一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，利用AP接入点对发送站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段和发送时段；
竞争时段包含如下模块：
RTS发送模块，用于在进入第i次竞争时间段后，各发送站点分别向AP接入点发送RTS帧；
竞争列表生成模块，用于解析各RTS帧中所包含的业务类型，各发送站点执行竞争，AP接入点创建竞争列表并将竞争成功的发送站点记录入竞争列表中，记录每个发送站点所需的发送时间；其中，每种业务类型对应一个不同的竞争优先级参数以控制不同优先级的业务的退避过程；
竞争结束模块，用于第i次竞争时间结束或竞争列表中请求发送站点数量达到上限，进入发送时段；
发送时段的时长等于竞争列表中各发送站点所需的发送时间的时间之和，发送时段具体包括：
发送触发模块，用于AP接入点根据储存下来的竞争列表发送CTS帧，通知一对应发送站点发送数据；
循环发送模块，用于当AP接入点收到目的发送站点C发的ACK确认帧后，返回步骤S4通知下一对应发送站点，直至竞争列表中的所有发送站点完成数据发送后进入步骤S6；
时长计算模块，用于计算下一次竞争时段长短；
再次竞争模块，用于返回RTS发送模块进入第i+1次竞争时间段直至所有竞争时间段结束，完成数据的发送。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统中，时长计算模块具体包括：
RTS帧接收间隔单元，用于计算本次竞争阶段RTS帧接收间隔E(idle)：
其中，n表示竞争列表中的发送站点数量，RTSTimek表示第k个发送站点的RTS帧的接收时刻；
平滑处理单元，用于对E(idle)进行平滑处理得出本次竞争中E(idlei)的值：
E(idlei)＝αE(idlei-1)+(1-α)E(idlei)，
α为预设的平滑因子，0＜α＜1；
时长更新单元，用于更新下一次竞争时段时长Ti+1：
Ti+1＝K*E(idlei)；
式中，K为预设值且为大于1的正整数，i≥1。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统中，第一次竞争时段时长T1为预设值。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统中，所述业务类型被划分为视频业务、音频业务、尽最大努力交付的业务和背景流业务。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统中，在将竞争列表中数据进行发送时，，退避算法只把退避窗口减小到发送成功时的一半。
实施本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，具有以下有益效果：本发明保证了站点接入时的公平性且具有延时小的优点，并利用区分机制来保证了高优先级的站点的服务，采用本发明进行MAC接入，数据处理效率高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法的一实施例的流程图；
图2是吞吐量的示意图；
图3是端到端时延的示意图；
图4是信道利用率的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参考图1，图1是本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法的一实施例的流程图，利用AP接入点对发送站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段和发送时段；
竞争时段包含如下步骤：
S1、在进入第i次竞争时间段后，各发送站点请求进入信号从而将数据发送出去，因此各发送站点分别向AP接入点发送RTS帧。RTS帧被预先增加了一个字段，用来传输背刺要发送的数据的业务类型。业务类型被划分为视频业务(video)、音频业务(audio)、尽最大努力交付的业务(BE)和背景流业务(BG)。
S2、解析各RTS帧中所包含的业务类型，各发送站点执行竞争，AP接入点创建竞争列表并将竞争成功的发送站点记录入竞争列表中，记录每个发送站点所需的发送时间；其中，每种业务类型对应一个不同的竞争优先级参数以控制不同优先级的业务的退避过程，上述四种业务的优先级依次降低。应当理解是的，优先发送是指帧竞争到信道的概率更高，但并不是有多种业务帧时，高优先级的帧一定被优先发送。
S3、第i次竞争时间结束或竞争列表中请求发送站点数量达到上限，进入发送时段。第i次竞争时间是否结束根据竞争列表中发送站点所需的发送时间之和是否达到规定的本次的竞争时长来确定。
发送时段的时长等于竞争列表中各发送站点所需的发送时间的时间之和，发送时段具体包括：
S4、AP接入点根据储存下来的竞争列表发送CTS帧，通知一对应发送站点发送数据；
S5、当AP接入点收到目的发送站点C发的ACK确认帧后，返回步骤S4通知下一对应发送站点，直至竞争列表中的所有发送站点完成数据发送后进入步骤S6；
S6、计算下一次竞争时段长短；具体过程为：
S61、计算本次竞争阶段RTS帧接受间隔E(idle)：
其中，n表示竞争列表中的发送站点数量，RTSTimek表示第k个发送站点的RTS帧的接收时刻；
S62、对E(idle)进行平滑处理得出本次竞争中E(idlei)的值：
E(idlei)＝αE(idlei-1)+(1-α)E(idlei)，
α为预设的平滑因子，0＜α＜1；
S63、更新下一次竞争时段时长Ti+1：
Ti+1＝K*E(idlei)；
式中，K为预设值且为大于1的正整数，i≥1。如将K取值为10。
其中，第一次竞争时段时长T1为预设值。
S7、返回步骤S1进入第i+1次竞争时间段直至所有竞争时间段结束，完成数据的发送。
优选地，在本发明的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法中，在将竞争列表中数据进行发送时，退避算法只把退避窗口减小到发送成功时的一半。
仿真参数及结果
表仿真参数
iatime表示站点发送数据的时间间隔服从(0.0.1s)的正态分布
图2为改进方案(new代表本申请，old代表CN104320859B，其他图中也与此相同)与DCF以站点数目为变量的吞吐量的统计图，由图可以看出在站点数目较少时，本发明的改进方案与原始方案不相上下，但随着站点数目的增加，本发明的方案优势逐渐显现，最终，在网络中有大量站点的情况下，本发明的方案仍能保持吞吐量的增加，说明此时本发明方案中各站点间的碰撞一直保持较低水平，而此时，由于传统DCF机制的限制，其在站点数目较多的情况下，碰撞发生概率变高，导致其吞吐量增加放缓，最终甚至出现下降趋势。对比新旧方案，可以看出，在引入了自适应竞争时段时长计算算法后，进一步提高了网络的吞吐量性能。
图3为以站点数目为变量的改进方案和DCF端到端时延的对比，图中可以看出，在站点数目较少时，改进方案和DCF表现不相上下，但是当站点数目较多时，DCF的性能急转直下，这是因为，站点数目多时，由于DCF的随机接入机制，导致站点间碰撞加剧，站点需要退避很长时间，导致了其端到端时延急剧增加，而本发明的改进方案在发送时段站点会逐一进行数据发送，并不会产生碰撞，使得其端到端时延性能表现一直比较优良。而对比新旧方案，差别不是太大，只是因为本发明方案的核心机制未做太大改变。
图4为改进方案和DCF在信道利用率方面的对比，可以看出，随着站点数目的增加，本发明的改进方案在信道利用率方面也优于DCF。而应用了自适应竞争时段时长计算算法的方案也进一步提高了网络的信道利用率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法，其特征在于，利用AP接入点对发送站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段和发送时段；
竞争时段包含如下步骤：
S1、在进入第i次竞争时间段后，各发送站点分别向AP接入点发送RTS帧；
S2、解析各RTS帧中所包含的业务类型，各发送站点执行竞争，AP接入点创建竞争列表并将竞争成功的发送站点记录入竞争列表中，记录每个发送站点所需的发送时间；其中，每种业务类型对应一个不同的竞争优先级参数以控制不同优先级的业务的退避过程；
S3、第i次竞争时间结束或竞争列表中请求发送站点数量达到上限，进入发送时段；
发送时段的时长等于竞争列表中各发送站点所需的发送时间的时间之和，发送时段具体包括如下步骤S4-S7：
S4、AP接入点根据储存下来的竞争列表发送CTS帧，通知一对应发送站点发送数据；
S5、当AP接入点收到目的发送站点C发的ACK确认帧后，返回步骤S4通知下一对应发送站点，直至竞争列表中的所有发送站点完成数据发送后进入步骤S6；
S6、计算下一次竞争时段长短；
S7、返回步骤S1进入第i+1次竞争时间段直至所有竞争时间段结束，完成数据的发送。
2.根据权利要求1所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法，其特征在于，步骤S6具体包括：
S61、计算本次竞争阶段RTS帧接受间隔E(idle)：
其中，n表示竞争列表中的发送站点数量，RTSTimek表示第k个发送站点的RTS帧的接收时刻；
S62、对E(idle)进行平滑处理得出本次竞争中E(idlei)的值：
E(idlei)＝αE(idlei-1)+(1-α)E(idlei)，
α为预设的平滑因子，0＜α＜1；
S63、更新下一次竞争时段时长Ti+1：
Ti+1＝K*E(idlei)；
式中，K为预设值且为大于1的正整数，i≥1。
3.根据权利要求2所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法，其特征在于，第一次竞争时段时长T1为预设值。
4.根据权利要求1所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法，其特征在于，所述业务类型被划分为视频业务、音频业务、尽最大努力交付的业务和背景流业务。
5.根据权利要求1所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制方法，其特征在于，竞争列表在数据发送时，退避算法只把退避窗口减小到发送成功时的一半。
6.一种支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，其特征在于，利用AP接入点对发送站点的数据发送顺序进行控制，将一个工作周期分为竞争时段和发送时段；
所述自适应MAC接入过程控制系统在竞争时段包含如下模块：
RTS发送模块，用于在进入第i次竞争时间段后，各发送站点分别向AP接入点发送RTS帧；
竞争列表生成模块，用于解析各RTS帧中所包含的业务类型，各发送站点执行竞争，AP接入点创建竞争列表并将竞争成功的发送站点记录入竞争列表中，记录每个发送站点所需的发送时间；其中，每种业务类型对应一个不同的竞争优先级参数以控制不同优先级的业务的退避过程；
竞争结束模块，用于第i次竞争时间结束或竞争列表中请求发送站点数量达到上限，进入发送时段；
发送时段的时长等于竞争列表中各发送站点所需的发送时间的时间之和，所述自适应MAC接入过程控制系统在发送时段具体包括如下发送触发模块至再次竞争模块：
发送触发模块，用于AP接入点根据储存下来的竞争列表发送CTS帧，通知一对应发送站点发送数据；
循环发送模块，用于当AP接入点收到目的发送站点C发的ACK确认帧后，返回发送触发模块通知下一对应发送站点，直至竞争列表中的所有发送站点完成数据发送后进入时长计算模块；
时长计算模块，用于计算下一次竞争时段长短；
再次竞争模块，用于返回RTS发送模块进入第i+1次竞争时间段直至所有竞争时间段结束，完成数据的发送。
7.根据权利要求6所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，其特征在于，时长计算模块具体包括：
RTS帧接收间隔单元，用于计算本次竞争阶段RTS帧接收间隔E(idle)：
其中，n表示竞争列表中的发送站点数量，RTSTimek表示第k个发送站点的RTS帧的接收时刻；
平滑处理单元，用于对E(idle)进行平滑处理得出本次竞争中E(idlei)的值：
E(idlei)＝αE(idlei-1)+(1-α)E(idlei)，
α为预设的平滑因子，0＜α＜1；
时长更新单元，用于更新下一次竞争时段时长Ti+1：
Ti+1＝K*E(idlei)；
式中，K为预设值且为大于1的正整数，i≥1。
8.根据权利要求7所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，其特征在于，第一次竞争时段时长T1为预设值。
9.根据权利要求6所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，其特征在于，所述业务类型被划分为视频业务、音频业务、尽最大努力交付的业务和背景流业务。
10.根据权利要求6所述的支持QoS的自适应MAC接入过程控制系统，其特征在于，在将竞争列表中数据进行发送时，退避算法只把退避窗口减小到发送成功时的一半。
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