一種基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法

2023-06-06 08:46:31 3

一種基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，該方法包含的步驟有：數據包接收階段、數據包發送階段、ACK監聽階段。本協議在介質訪問控制層中引入了網絡編碼機制，比傳統基於衝突避免的介質訪問控制方法有較大的吞吐提升；該方法解碼成功率高，控制開銷少，硬體消耗計算消耗低，移植性強，兼容性好，從另外一個角度，部分解決了網絡擁塞問題。
【專利說明】一種基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線網絡【技術領域】，具體涉及一種基於網絡編碼的無線網絡介質訪問控制方法，適用於以提供高吞吐量為服務目的的無線網狀網絡。
【背景技術】
[0002]如何提高數據吞吐量是無線網狀網絡的重點研究課題。在信道介質資源有限的情況下，為接入設備提供高帶寬高吞吐優質的數據傳輸服務，對無線網狀網絡的物理層、介質訪問控制層提出較高要求。同時，無線網狀網絡的組網設備一般價格低廉，數據緩存能力、運算處理能力有限，在這樣苛刻的硬體條件下，保證介質訪問控制方法高效穩定運行同樣是一個關鍵性問題。由於網絡編碼對吞吐量提升有顯著作用，另外，網絡編碼需要額外的硬體資源，所以，基於網絡編碼兼具穩定性擴展性的無線網狀網絡介質訪問控制方法是一個突破口。
[0003]無線網狀網絡在近些年有了廣泛應用。主要為企業、學校、商場、車站等人員密集場所提供無線網絡接入解決方案。其主要特徵在於部署便捷、成本低廉、自動組網、擴展性高。在有線網絡部署困難，擴展性無法保證的情況下，使用無線網狀網絡替代底層基礎設施，是最簡單有效的辦法。利用無線網狀網絡提供網際網路接入服務的關鍵在於，如何為眾多無線終端提供高吞吐、穩定的數據傳輸機制。現有技術中，為了提高無線網狀網絡的數據吞吐量，主要有以下幾種研究:
[0004]第一類:物理層更高帶寬；該方法的缺點是通過硬體技術，提高單頻帶寬或多頻復用，技術難度大，增加了無線接入設備價格，對終端設備要求高，屬於一種治標不治本的解決辦法。同時高頻通信、多頻通信，換取吞吐量的代價是無線信號空間的電磁汙染。
[0005]第二類:網絡層機會路由；該方法的缺點是額外通信開銷大，控制複雜，實現難度大。路由協議一般工作在網絡層，機會路由正常工作使用的控制信息需要額外傳輸來完成，這導致數據鏈路層付出了額外開銷。而且機會路由實現起來技術難度大，對硬體資源的消耗還沒有詳盡的研究。
[0006]第三類:更嚴格的介質訪問控制方法；該類方法的缺點是要求無線網狀網絡節點與節點之間達到一定程度的默契，也就是說彼此知道對方即將做什麼，節點之間時鐘同步要求極高。而且，一旦網絡中某個設備出現問題，與其合作的其他設備也將面臨同樣問題。網絡普適性、魯棒性、擴展性都存在問題。
[0007]第四類:網絡層加入網絡編碼機制；該類方法的缺點是網絡編碼獨立於介質訪問控制層和TCP層，需要使用額外的無線廣播協議來提供可靠的廣播服務。同時，這類方法會在網絡中製造範圍更大的虛擬瓶頸節點，導致大範圍網絡擁塞。而且，網絡層的擁塞控制理論，會導致這類方法無法正常工作。另外，這類方法也很少考慮對硬體資源的消耗，實現起來技術難度大，設備適應性差。
[0008]獨立於介質訪問控制層和TCP層的網絡編碼機制，每個節點都要機會監聽鄰居節點廣播的數據包，放在自己的緩存內，以備解碼時使用。這樣做帶來的缺陷主要有:1)無節制的監聽鄰居數據包對本地緩存消耗是災難性的。其緩存消耗除了鏈路負載外，還受鄰居個數影響。而且這些監聽到的數據包是否會被利用也是未知數。吞吐量提升付出的機會成本太高，應用不確定性高，可控性差。2)節點預測鄰居是否緩存了某個數據包，主要依據鏈路傳輸成功率ETX指標進行概率估計。根據ROC校驗理論，其使用的估計模型都有固定的錯誤率。在節點數量高，終端設備多，通信幹擾大，無線鏈路質量較差的情況下，此固定錯誤率會導致相當一部分編碼包不能被正確解碼，從而浪費了更多硬體資源和信道資源。3)這種機制通常追求每次編碼都將儘可能多的數據包編在一次，以減少單個節點的廣播次數。但這種做法在實際中並不合適。一來未必所有的目標節點都能正確解碼，二來可靠的廣播協議在目的節點多的時候，往往會限制更大範圍內的節點通信，造成整片區域信道利用率低下。

【發明內容】

[0009]基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法與通常的介質訪問控制方法顯著不同，針對現有無線網狀網絡介質訪問控制方法在吞吐量提升能力上的不足和網絡層引入編碼機制的諸多缺陷，本發明提出一種高吞吐、低消耗，兼具普適性魯棒性的介質訪問控制方法。
[0010]為了實現上述任務，本發明採用的技術方案是: [0011]一種基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，在該無線網狀網絡中，當一個節點收到鄰居節點發來的一個數據包後，判斷該數據包是普通數據包還是編碼數據包:
[0012]如果是編碼數據包，則對該編碼數據包進行解碼，解碼成功得到需要的普通數據包，解碼不成功則丟棄該編碼數據包；
[0013]如果是普通數據包，則判斷該普通數據包是否達到編碼數據包的生成條件，如達到則對其進行編碼，並將編碼後的得到的編碼數據包向鄰居節點廣播；
[0014]編碼數據包的生成條件及編碼過程如下:
[0015]在該無線網狀網絡中，節點A至少有兩個鄰居節點，設初始時刻節點A的轉發隊列為空，則從初始時刻開始:節點A收到鄰居節點發來的一個普通數據包p2後，在轉發隊列中尋找一個普通數據包Pl，如果存在Pl同時滿足公式I和公式2，則將pl和p2編碼成為編碼數據包P ;
【權利要求】
1.一種基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，其特徵在於，在該無線網狀網絡中，當一個節點收到鄰居節點發來的一個數據包後，判斷該數據包是普通數據包還是編碼數據包: 如果是編碼數據包，則對該編碼數據包進行解碼，解碼成功得到需要的普通數據包，解碼不成功則丟棄該編碼數據包； 如果是普通數據包，則判斷該普通數據包是否達到編碼數據包的生成條件，如達到則對其進行編碼，並將編碼後的得到的編碼數據包向鄰居節點廣播；如不能達到生成條件，則將該普通數據包按照802.11協議進行轉發； 編碼數據包的生成條件及編碼過程如下: 在該無線網狀網絡中，節點A至少有兩個鄰居節點，設初始時刻節點A的轉發隊列為空，則從初始時刻開始:節點A收到鄰居節點發來的一個普通數據包p2後，在轉發隊列中尋找一個普通數據包pl，如果存在Pl同時滿足公式I和公式2，則將pi和p2編碼成為編碼數據包P ;
2.如權利要求1所述的基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，其特徵在於，所述的普通數據包Pl和Ρ2經過亦或運算編碼成為編碼數據包P，具體為: 將普通數據包Ρ2目的主機MAC地址和pl目的主機MAC地址做亦或運算，所得結果填入Pl的目的主機MAC欄位；將普通數據包p2源主機MAC地址和pl源主機MAC地址做亦或運算，所得結果填入Pl的源主機MAC欄位；將？2的數據部分和pl的數據部分做亦或運算，所得結果填入Pl的數據部分欄位；如果Pl和P2的數據部分長度不一致，則將長度較短的一方尾部填O補位，生成的新的數據包為編碼數據包P。
3.如權利要求1所述的基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，其特徵在於，在該無線網狀網絡中，每個節點中均設置有資源隊列，當節點將一個普通數據包成功發送給另一個節點後，將該普通數據包從轉發隊列移入到資源隊列中，並為該普通數據包啟動一個倒計時器，倒計時器初始值為Θ，倒計時器歸零後，將該普通數據包從資源隊列移除。
4.如權利要求3所述的基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，其特徵在於，當節點收到一個編碼數據包後，對其進行解碼操作:節點從自己的資源隊列中尋找與收到的編碼數據包對應的普通數據包，將找到的普通數據包和收到的編碼數據包進行亦或運算，得到需要的普通數據包。
5.如權利要求1所述的基於網絡編碼的無線網狀網絡介質訪問控制方法，其特徵在於，所述的節點A生成編碼數據包P後，對P進行廣播的步驟如下: 步驟SI，創建廣播RTS幀，將普通數據包pl、p2的下一跳節點的MAC地址寫入RTS幀中，並確定信道佔用時長Tb，將Tb添加到廣播RTS幀的通信時間欄位，Tb計算方法如下:
Tb = 5 X SIFS+ (82+L) X t0 (公式 3) 公式3中，SIFS為802.11協議規定的最短等待時間常數，L為編碼數據包p的長度，h為傳輸一個字節所需要的時間，由鏈路帶寬決定； 步驟S2，節點A廣播RTS幀申請信道； 步驟S3，鄰居節點收到RTS幀後，確定自己回復RTS幀的等待時間Tcts，並在等待時間後回復CTS幀給節點A ；Tcts計算方法如下:
【文檔編號】H04L1/00GK103957085SQ201410216133
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月21日 優先權日:2014年5月21日
【發明者】李海濤, 陳曉江, 房鼎益, 劉晨, 徐丹, 王薇, 尹小燕, 郭軍 申請人:西北大學