無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)接入機(jī)制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)估計(jì) 的自適應(yīng)接入機(jī)制。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（WMN，Wireless Mesh Network)通常也被稱為無線網(wǎng)狀網(wǎng)，是一 種由多個(gè)無線鏈路連接設(shè)備和Mesh路由器結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，集自組織、自修復(fù)、多跳級(jí)聯(lián)等特 點(diǎn)于一身的新型寬帶無線網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了無線局域網(wǎng)（WLAN)和移動(dòng)自組織網(wǎng) (MNET)的優(yōu)點(diǎn)，依靠其高伸縮性、高健壯性和便利性，成為未來建設(shè)無線智慧城市的關(guān)鍵 網(wǎng)絡(luò)類型之一。
[0003] 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中有許多的關(guān)鍵技術(shù)和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中的媒體接入控制（MAC， Media Access Control)協(xié)議決定了如何在眾多的通信節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線信道資 源，使這些資源能夠合理充分地被利用，在時(shí)延、吞吐量和公平性等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)上盡量達(dá) 到最優(yōu)。因此如何合理地設(shè)計(jì)媒體接入控制協(xié)議是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)研究人員需要重點(diǎn)考慮 的問題。
[0004] 當(dāng)前無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制協(xié)議可以劃分為單信道協(xié)議和多信道協(xié) 議。對(duì)于單信道情況下節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，存在傳統(tǒng)的隱藏/暴露終端問題，因此有 較多的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議，都采用基于IEEE 802. 11標(biāo)準(zhǔn)的分布式協(xié)調(diào)功能 (Distributed Coordination Function，DCF)機(jī)制讓節(jié)點(diǎn)去競(jìng)爭(zhēng)信道資源。DCF機(jī)制米 用了載波偵聽多址訪問 / 沖突避免（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)機(jī)制來偵聽信道并降低網(wǎng)絡(luò)沖突，同時(shí)引入發(fā)送/允許發(fā)送（Request To Send/Clear To Send，RTS/CTS)交互方式來解決隱藏終端問題。但是DCF機(jī)制仍有許 多不足之處，例如節(jié)點(diǎn)難以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞程度選擇合理的退避時(shí)間，導(dǎo)致信道資源浪費(fèi)，網(wǎng) 絡(luò)的自適應(yīng)性差；競(jìng)爭(zhēng)窗口在發(fā)送失敗后呈指數(shù)倍增或發(fā)送成功后減小為零的變化，會(huì)導(dǎo) 致嚴(yán)重的公平性問題。
[0005] 在 DCF 機(jī)制的改進(jìn)上，文獻(xiàn) "A Simple and Effective Back-off Scheme for the IEEE802. IlMAC Protocol'，（Chatzimisios P, Boucouvalas A C, et al. 2nd International Conference on Cybernetics and Information Technologies, Systems and Applications,CITSA 2005, Ilth International Conference on Information Systems Analysis and Synthesis, ISAS 2005,2005,1:48-53)提出了 DIDD(Double Increment Double Decrement)競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)節(jié)機(jī)制。DIDD算法使得競(jìng)爭(zhēng)窗口的變化趨于平 緩，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量起到了一定的優(yōu)化作用。其缺點(diǎn)在于仍然不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)情況進(jìn) 行自適應(yīng)地調(diào)節(jié)。
[0006] 文獻(xiàn) "A New Back-off Algorithm for the IEEE 802. I IDistributed Coordination Function'，（Deng J, Varshney P K, Haas Z. In Communication Networks, Distributed Systems Modeling and Simulation, 2004:215-225.)提出了一種 競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)節(jié)方法LMILD (Linear/Multiplicative Increase and Linear Decrease)，當(dāng)信 道發(fā)送沖突時(shí)，引起沖突的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)窗口值將呈乘性增長，周圍偵聽到?jīng)_突的節(jié)點(diǎn)都將競(jìng) 爭(zhēng)窗口值線性增加一定的值。LMILD是一種無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)的信息進(jìn)行收集的較為簡單的算法， 但是因?yàn)橹車鷤陕牭經(jīng)_突的節(jié)點(diǎn)都會(huì)把自身的競(jìng)爭(zhēng)窗口值線性增大，直接影響節(jié)點(diǎn)接入信 道的概率，這種網(wǎng)絡(luò)公平性的提升以犧牲了一定的吞吐量為代價(jià)。
[0007] 總之，目前一些針對(duì)DCF機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)的算法和協(xié)議，都在一定程度上依據(jù)節(jié)點(diǎn) 的發(fā)送成敗和信道的忙閑，如何在上述基礎(chǔ)上，再結(jié)合信道的擁塞程度自適應(yīng)地調(diào)節(jié)競(jìng)爭(zhēng) 窗口，成為設(shè)計(jì)MC協(xié)議的要點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)現(xiàn)有協(xié)議的不足，本發(fā)明提出了一種無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控制機(jī)制，該 機(jī)制能夠使節(jié)點(diǎn)有效地自適應(yīng)接入信道，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并改善網(wǎng)絡(luò)公平性。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明以活躍節(jié)點(diǎn)（指當(dāng)前參與信道競(jìng)爭(zhēng)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)）的數(shù)目作為指標(biāo)來反映網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的擁塞程度。節(jié)點(diǎn)需要偵測(cè)信道的空閑時(shí)隙數(shù)來估 算網(wǎng)絡(luò)中的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)，通過建立一個(gè)二維馬爾科夫模型，推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)的傳輸概率是初始 競(jìng)爭(zhēng)窗口與活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)的函數(shù)，再利用傳輸概率與競(jìng)爭(zhēng)窗口的關(guān)系動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)初始競(jìng)爭(zhēng)窗口 值；當(dāng)發(fā)生沖突時(shí)，根據(jù)活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)和重傳次數(shù)調(diào)整重傳因子，合理設(shè)置重傳窗口值，從而 有效地提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量和公平性。
[0010] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明包括如下步驟：
[0011] 步驟1 :節(jié)點(diǎn)處于偵聽期，通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)部增設(shè)的計(jì)數(shù)器NUM_IDLE和NUM_LISTEN分 別統(tǒng)計(jì)偵聽期信道空閑時(shí)隙數(shù)目r和總時(shí)隙數(shù)目T ;
[0012] 步驟2:節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，首先偵聽信道是否空閑，確認(rèn)空閑時(shí)長為DIFS后進(jìn)入 退避期；根據(jù)內(nèi)部計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)結(jié)果估算網(wǎng)絡(luò)活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)凡 stl，并設(shè)置初始競(jìng)爭(zhēng)窗口值CW。；
[0013] 步驟3 :在退避期，節(jié)點(diǎn)根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)窗口值選擇隨機(jī)退避時(shí)間；信道空閑時(shí)長為Slot Time，則退避計(jì)數(shù)器的值減1，當(dāng)退避計(jì)數(shù)器的值減為0時(shí)，節(jié)點(diǎn)接入信道，進(jìn)入傳輸期；
[0014] 步驟4 :在傳輸期內(nèi)，發(fā)生沖突使數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則需要進(jìn)行重傳；當(dāng)重傳次數(shù)i 達(dá)到限制，則丟棄數(shù)據(jù)，等待下一次發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的重傳次數(shù)i沒有超過最大重傳次 數(shù)，增設(shè)重傳調(diào)整因子Θ，根據(jù)重傳調(diào)整因子Θ設(shè)置重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口值，然后跳至步驟3。
[0015] 其中活躍節(jié)點(diǎn)隊(duì)stl指當(dāng)前參與競(jìng)爭(zhēng)信道資源的節(jié)點(diǎn)，其數(shù)目反映網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前 的擁塞程度，活躍節(jié)點(diǎn)越多，說明網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭(zhēng)激烈，擁塞程度高；通過計(jì)數(shù)器NUM_IDLE和 NUM_LISTEN獲取相應(yīng)的時(shí)隙信息估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)目。活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)可通過
:十算，其中r和T為節(jié)點(diǎn)計(jì)數(shù)器NUM_IDLE和NUM_LISTEN的實(shí)際 統(tǒng)計(jì)值。
[0016] 其中重傳調(diào)整因子Θ，其值大于等于1 ;重傳因子的取值與網(wǎng)絡(luò)中的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)N 和重傳次數(shù)i有關(guān)：
[0017] 6* = log2 Λ'',、;,;一全
[0018] 活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)少，減小競(jìng)爭(zhēng)窗口值，活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)多，增大競(jìng)爭(zhēng)窗口值；重傳次數(shù)多的 節(jié)點(diǎn)優(yōu)先接入信道；采用對(duì)數(shù)函數(shù)值隨變量緩慢的性質(zhì)控制競(jìng)爭(zhēng)窗口的變化率，對(duì)數(shù)函數(shù) 的底數(shù)控制重傳調(diào)整因子Θ的變化幅度，本發(fā)明中底數(shù)的取值2。
[0019] 其中重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口的取值與重傳調(diào)整因子Θ和最大競(jìng)爭(zhēng)窗口 CWmax有關(guān)：
[0020] Cff1= int (min [ Θ *Cff ,, CffnaJ)
[0021] CWi為第i次重傳時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)窗口值，如果Θ *CWi的值大于競(jìng)爭(zhēng)窗口的最大門限值 CWmax，則重傳競(jìng)爭(zhēng)窗口的取值等于最大門限值，否則取值為Θ *CWi。
[0022] 當(dāng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入退避期前需設(shè)置初始競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW。，選擇退避時(shí)間；根據(jù)估算出來的活 躍節(jié)點(diǎn)數(shù)目凡stl，求得飽和吞吐量情況下的節(jié)點(diǎn)最佳傳輸概率：
[0023]
[0024] 通過建立馬爾科夫模型得到傳輸概率τ與初始競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW。、活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)Nestl之 間的關(guān)系：
[0025]
[0026] 依據(jù)CW。= int (max [CW_，CWJ)計(jì)算初始競(jìng)爭(zhēng)窗口 CW。;最終節(jié)點(diǎn)根據(jù)初始競(jìng)爭(zhēng)窗 口選擇隨機(jī)退避時(shí)間。
[0027] 其中偵聽期內(nèi)節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，不需競(jìng)爭(zhēng)信道，只對(duì)周圍狀況進(jìn)行偵聽；當(dāng)節(jié)點(diǎn) 完成一次傳輸后將會(huì)進(jìn)入偵聽期，先將內(nèi)部的兩個(gè)計(jì)數(shù)器NUM_IDLE和NUM_LISTEN清零，并 開始分別統(tǒng)計(jì)偵聽期內(nèi)監(jiān)測(cè)到的信道空閑時(shí)隙數(shù)目和總的時(shí)隙數(shù)目；當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù) 時(shí)，兩個(gè)計(jì)數(shù)器停止統(tǒng)計(jì)，準(zhǔn)備進(jìn)入退避期。
[0028] 退避期內(nèi)節(jié)點(diǎn)處于有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，但需要競(jìng)爭(zhēng)信道資源的時(shí)間段；當(dāng)信道空閑 且節(jié)點(diǎn)的退避計(jì)時(shí)器不為零，則該退避計(jì)時(shí)器遞減，當(dāng)遞減過程中信道被占用，則退避計(jì)時(shí) 器凍結(jié)，暫停退避過程；當(dāng)再次偵聽到信道空閑后，退避計(jì)時(shí)器恢復(fù)工作，當(dāng)退避計(jì)時(shí)器減 小為零時(shí)，節(jié)點(diǎn)接入信道，進(jìn)入傳輸期進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
[0029] 隨機(jī)退避時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)選取的一個(gè)時(shí)間進(jìn)行退避以延遲信道接入，退避時(shí)間的選擇 依據(jù)
[0030] Back-off Time = RandomO XSlot Time
[0031] 其中RandomO是位于[0, CWi]區(qū)間上服從均勾分布的偽隨機(jī)整數(shù)，slot time為 時(shí)隙時(shí)間，與物理層的特征有關(guān)。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：
[0033] (1)本發(fā)明描述的機(jī)制引入兩個(gè)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)時(shí)隙數(shù)，較IEEE 802. IlDCF原有機(jī)制 更好地利用了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度來分配信道資源；
[0034] (2)本發(fā)明描述的機(jī)制并未精確地測(cè)量當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的活躍節(jié)點(diǎn)數(shù)目，而是采用一 種估計(jì)算法，簡單有效，并未增加過多的系統(tǒng)開銷；
[0035] (3)引入了重傳調(diào)整因子，改善了公平性；并且該因子的取值可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 改變，較靈活；
[0036] (4)相比IEEE 802. IlDCF更適合復(fù)雜多變的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。
【附圖說明】
[0037] 圖1本發(fā)明協(xié)議流程圖