一種無線區域網中基於退避機制的分組調度方法

2023-06-03 11:39:16

專利名稱：一種無線區域網中基於退避機制的分組調度方法
技術領域：
本發明涉及無線區域網(IEEE 802.11)系統中基於退避機制的分組調度算法，屬於無線 區域網系統中的媒體接入控制(MAC)層技術領域。
技術背景在現代通信系統中無線通信手段越來越受到人們的重視。與有線網絡系統相比，無線網 絡可利用的信道帶寬非常窄，無線網絡節點間通過競爭使用無線信道，無線區域網系統中MAC 層中的帶有衝突檢測的載波監聽多路訪問(CSMA/CA)機制可以用來解決節點間的競爭問題， 因此它也被其它系統如無線自組織網絡、無線傳感器網絡的MAC層所使用。這種機制在高負 載網絡系統中，暴露出了信道利用率低的缺點。目前，提高無線區域網吞吐量性能的方案，主要有改進介質接入協議、改變競爭窗口調 節機制、管理信息庫(MIB)參數優化等。在改進介質接入協議中，幀突發方法允許無線節點(WS)在獲得介質接入後連續發送N 個幀，因此發送多個數據幀只需一個分布式幀間隔(WFS)和一個退避時間。其主要問題是 無線節點(WS)將獨佔介質，導致其它無線節點(WS)出現飢餓現象。增強的確認幀(ACK) 方法通過完全去掉AUK幀、使用前向糾錯碼(FEC)或在傳輸一組數據幀後只發送一個ACK幀 來提高效率。完全去掉ACK幀的方法只能用於差錯率非常低的環境；FEC力法的目的在於減 少重傳帶來的時延，因為數據幀的FEC編碼引入了額外的開銷，它並不能提高吞吐量，並且 其複雜度較高。在改變競爭窗口調節機制的方法中， 一個提高吞吐量性能的著名方法是減少 退避狀態所佔的時間，如減小初始競爭窗口大小，然而這將因碰撞概率增加而導致容量下降。 在管理信息庫(MIB)參數優化方法中，通過多個可用簡單網絡管理協議(SNMP)協議更新的屬 性，允許一個外部管理代理確定無線節點(WS)的狀態，並能對其進行具休參數設定、性能 測量與協調；這其屮的分片閾值方法，在較大的誤比特率(BER)信道中，採用短的分組傳輸， 其考慮的是信道狀況與採用何種數據分組的關係。 發明內容本發明針對現有無線區域網系統中MAC層的CSMA/CA機制存在的信道利用率低的缺點， 提供一種在高負載的網絡中能夠提高系統的吞吐量、信道利用率高的無線區域網中基於退避 機制的分組調度方法，該方法的複雜度低，與標準的兼容性好。本發明的無線區域網中基於退避機制的分組調度方法是網絡節點採用基於無線區域網媒體接入控制(MAC)層中的請求發送/清除發送(RTS/CTS) 的接入方式訪問信道，將節點訪問信道前的退避過程分為第一競爭退避階段和第二競爭退避 階段兩個退避階段，第一競爭退避階段的窗口值範圍為O—1023，第二競爭退避階段的窗口 值範圍為0—255，數據分組按順序完成兩個競爭退避階段後，節點才能訪問信道；網絡系統 開始運行並且信道空閒時，所有節點都從第一競爭退避階段開始退避，用於隨機退避的競爭 窗口是按均勻分布隨機產生的，窗口值是隨機的，完成第一競爭退避階段的節點將進入第二 競爭退避階段，首先完成第二競爭退避階段的節點訪問信道，在單條傳輸範圍內，有數據傳 輸任務的兩個節點在傳輸數據的同時，其它沒有完成第一競爭退避階段過程的節點將繼續退
避，在數據分組傳輸結束以前如果第一競爭退避階段的退避計時器減為0則停留在值為0的 狀態；第二競爭退避階段只有在數據信道空閒以後才能開始，在經過第一競爭退避階段的過 濾之後，每次將只有部分節點進入第二競爭退避階段。這樣減小了節點間的碰撞概率。由於 進入第二競爭退避階段的節點數較少，所以該階段退避窗口較小的取值範圍就可以滿足退避 過程的需要。本發明的分組調度算法的具體步驟是如果一個競爭節點有數據包等待發送，它從第一競爭退避階段使用退避計數器(BC1)丌 始進行競爭退避，除非BC1是非零值，否則BC1將從
範圍內按均勻分布隨機選擇一個 值，其中CW1是第一競爭退避階段的競爭窗口，其最大值為1023。在信道空閒以後，BC1每 經過一個時隙減1;並且，當該節點接收到清除發送CTS幀時，如果檢測本節點不是該CTS 幀的目的站時，本節點的BC1仍將每經過一個時隙遞減1，實現數據的傳輸與退避同時進行。 信道空閒分布式時間間隔DIFS以後，沒有遞減到0的BC1繼續遞減(BC1減為0即第一競爭 退避階段退避完成)，第一競爭退避階段退避結束的進入第二競爭退避階段。第二競爭退避階 段的退避計數器(BC2)的值從
中隨機選擇產生，其中CW2是第二競爭退避階段的競 爭窗口，其最大值為255。 BC2每經過一個時隙遞減1，首先減到O的節點開始訪問信道。一 旦一個節點成功發送完數據分組，它將返回第一個競爭退避階段重新競爭訪問信道。實際上的信道碰撞發生在第二競爭退避階段，而在該階段發生碰撞時，CW1和CW2都是以 2的指數次冪增加，直到達到它們各自的最大值。碰撞節點仍將停留在第二競爭退避階段， 繼續使用退避計時器BC2競爭信道。CW1在[CWminl， CWmaxl]的範圍內取值，CW2在 [CWmin2，CWmax2]的範圍內取值。在數據分組成功發送後，競爭窗口將返回它們的最小值。本發明包括了兩個競爭退避階段且數據分組的傳輸與競爭退避同時進行，這樣在高負載 的網絡系統中，信道利用率得到大幅度提升，保持了與標準很好的兼容性，易於實現。在網 絡負載較重(節點數目較多)時，本發明的算法提高了系統性能。


圖1為基於退避機制的分組調度算法的概念框圖。圖2為數據分組為512位元組時無線區域網(IEEE802.il)系統與本發明的分組調度算法 的飽和吞吐量比較圖。圖3為數據分組為1024位元組時無線區域網(IEEE 802.11)系統與本發明的分組調度算 法的飽和吞吐量比較圖。
具體實施方式
本發明的分組調度算法如圖1所示，節點在訪問信道前要經過兩個競爭退避階段，其中 第一競爭退避階段可以在其它節點間傳輸數據時繼續退避。數據分組按順序完成兩個競爭退 避階段後，節點才能訪問信道。數據分組的傳輸與競爭退避同時進行。首先網絡節點檢測數 據信道是否空閒，若信道忙，在節點接收到CTS幀(目的站不是本節點)時，開始進行退避 計時器BC1的退避計時，如果在數據分組傳輸過程結束以前，BC1減為0，則BC1保持在值為 O的狀態，等待信道空閒分布式時間間隔DIFS後，BC2開始退避遞減計時，BC2先為0的節 點開始訪問信道，如果在數據傳輸結束以前，BC1還沒有遞減為0，則在信道空閒分布式時間間隔DIFS後，BC1接著進行退避計時，若在信道空閒狀態內BC1減為0，則BC2開始退避計 時。本發明的分組調度算法特點是當網絡中的兩個節點使用RTS/CTS (request to send/clear to send)幀建立連接時，網絡中的其它節點監聽到CTS幀，此時這些節點中第 一競爭階段的退避計時器不為零的將繼續退避。圖2和圖3針對不同數據分組大小比較了本發明的算法與IEEE 802. 11標準協議隨節點 數目增多吞吐量的變化情況。圖2給出了數據分組為512位元組時無線區域網(IEEE 802. U) 系統與本發明的分組調度算法的飽和吞吐量比較圖。圖3給出了數據分組為1024位元組時無線 區域網(IEEE 802.il)系統與本發明的分組調度算法的飽和吞吐量比較圖。CWl在[CWminl， CWmaxl]的範圍內取值，CW2在[CWmin2， CWmax2]的範圍內取值。在數據分組成功發送後，競 爭窗口將返回它們的最小值。通過比較可以看出在高負載的網絡系統中，採用本發明的方法信道利用率得到大幅度提升。
權利要求
1.一種無線區域網中基於退避機制的分組調度方法，其特徵在於網絡節點採用基於無線區域網媒體接入控制層中的請求發送/清除發送的接入方式訪問信道，將節點訪問信道前的退避過程分為第一競爭退避階段和第二競爭退避階段兩個退避階段，第一競爭退避階段的窗口值範圍為0--1023，第二競爭退避階段的窗口值範圍為0-255，數據分組按順序完成兩個競爭退避階段後，節點才能訪問信道；網絡系統開始運行並且信道空閒時，所有節點都從第一競爭退避階段開始退避，用於隨機退避的競爭窗口是按均勻分布隨機產生的，窗口值是隨機的，完成第一競爭退避階段的節點將進入第二競爭退避階段，首先完成第二競爭退避階段的節點訪問信道，在單條傳輸範圍內，有數據傳輸任務的兩個節點在傳輸數據的同時，其它沒有完成第一競爭退避階段過程的節點將繼續退避，在數據分組傳輸結束以前如果第一競爭退避階段的退避計時器減為0則停留在值為0的狀態；第二競爭退避階段只有在數據信道空閒以後才能開始，在經過第一競爭退避階段的過濾之後，每次將只有部分節點進入第二競爭退避階段。
全文摘要
本發明公開了一種無線區域網中基於退避機制的分組調度方法，該分組調度方法包括第一競爭退避階段和第二競爭退避階段兩個退避階段，分別有其對應的競爭窗口。第一競爭退避階段的競爭窗口的範圍較大(最大值為1023)，第二競爭退避階段的競爭窗口較小(最大值為255)。數據分組按順序完成兩個退避階段後，節點才可以訪問信道。本發明的分組調度算法的特點是當網絡中的兩個節點使用RTS/CTS幀建立連接時，網絡中的其它節點監聽到CTS幀，此時這些節點中第一競爭階段的退避計時器不為零的將繼續退避。本發明包括了兩個退避階段且數據分組的傳輸與競爭退避同時進行，這樣在高負載的網絡系統中，信道利用率得到大幅度提升。
文檔編號H04L12/28GK101150469SQ200710113258
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月24日 優先權日2007年10月24日
發明者吳印桂, 袁東風 申請人:山東大學