基于无线网状网中的流量负载自适应地提高吞吐量的方法

专利名称：基于无线网状网中的流量负载自适应地提高吞吐量的方法
技术领域：
本发明涉及在无线网状网中数据流量动态改变的情况下获得高数据
吞吐量的方法，特别是涉及在媒体接入控制(MAC)中根据系统的数据流量， 自适应地提高网络系统的吞吐量的方法。
背景技术：
近年来，已经提出了将无线网状网(丽N)作为无线网络中的骨干网， 以便通过无线链路将各个无线局域网连接成一个统一的网络。I.F. Akyildiz禾口 X. Wang发表的题为"A survey on wireless mesh networks，， 的文章(参见IEEE Radio Communications, pp. 23-30, S印.2005)对 此进行了描述。由于骨干链路上合成的数据流量的相似特性，因此WMN设 计中的主要问题之一是如何在数据流量波动较高的状况下提供有效且可 靠的数据传输。这种高波动的数据流量有可能使无线网络系统中的负载在 某些时候接近于零，而在另一些时候非常之大。因此，需要在数据流量动 态改变的状况下获得较高的数据吞吐量。
目前，提高WMN的数据吞吐量的传统方法是通过在IEEE 802. 11标准 的ad hoc模式上添加多信道的功能来实现的。按照控制信息在系统中传 输方式的不同，现有技术的方案可以分为两类 一类是基于专用的控制信 道来提高系统的数据吞吐量；另一类是基于接入窗口来提高系统的数据吞 吐量。基于专用控制信道的方法是利用一个专用的控制信道进行信令的传 送。而利用接入窗口的方法是在每帧中一个预先定义的时间窗口内，通过 一个默认信道进行信令交换。对于后者而言，该时间窗口被称为接入窗口 (AW)。传统WMN中的MAC协议被统一标称为802. lls类协议，并且正处于 标准化过程中。
目前已有的MAC方法主要涉及如何在多信道环境下协调信道间的接
入，例如，解决多信道状态下的隐藏终端问题，而很少有关注如何提高MAC 协议对动态改变的流量负载的自适应能力。事实上，目前的MAC协议中流
量负载自适应能力的不足在高度动态的流量环境下会极大地限制网络吞
吐量的提高。具体地讲，对于基于接入窗口的协议类型，AW的大小是一个 由系统定义的、在每帧中都保持固定的静态参数。由于数据流量在每帧中 都会动态地变化，因此很难正确地设置该AW的大小。 一方面，如果将AW 设定得过小，就会使得该接入窗口的长度不足，造成虽然在紧随其后的数 据传输窗口中很可能还有空余的时间，却不能让本帧内的所有活跃节点都 接入信道。另一方面，如果将AW设定得过大，则跟在其后的数据传输窗 口的长度就会受到压縮。这种情况下，虽然活跃的节点都能够接入信道， 但是它们不能获得足够的时间用来传输数据。
由于在目前的协议中AW的尺寸是静态的，所以无法用它来满足所有 帧中活跃节点的接入以及数据传输的需要。因此上述两种情况都会限制系 统的吞吐量。
除了 AW大小为静态的原因之外，目前的协议中另一个制约系统吞吐 量的因素在于信道接入与数据传输在时间上是顺序进行的。为了解决多信 道隐藏节点的问题，虽然在接入窗口中信道的接入只需要占用某一默认信 道，已完成了信道接入的节点此时也没有办法跳转到其它空闲的信道上去 进行通信。只有等待接入窗口结束了以后，所有已接入的节点才能跳转到 选定的信道进行数据的传输。可见该约束直接降低了系统的吞吐量，尤其 是当接入窗口比较大，即，系统的流量负载比较大的时候更是如此。类似 的问题也存在于基于专用控制信道的协议之中。例如，在专用控制信道上 不能进行数据的传输，在信令包的长度很小的情况下使得控制信道经常处 于空闲的状态。
下面说明目前无线网状网中多信道MAC协议的现状。该领域内早期的 工作主要集中在控制信道的接入机制。在S. L. Wu， C. Y. Lin, Y. C. Tseng 和J. R Sheu发表的题为"A new multi-channel MAC protocol with on-demand channel assignment for multi-hop mobile ad hoc networks"的文章 (参见in Proc. International Symposium on Parallel Architectures, Algorithms and Networks (ISPAN)) , 2000)中的动态信道指派协议(DCA)提出了一种基 于点播的信道动态分配方案。该方案要求一个专用的信令信道。另外，为 了解决多信道隐藏节点问题，要求每一个节点装备两套收发信机，其中的 一套收发信机用于在数据信道上进行数据通信，而另一套收发信机始终监 听信令信道。M. Benveniste和Z. Tao发表的题为"Performance evaluation of a medium access control protocol for IEEE 802.11s mesh networks"的文 章(参见in Proc.正EE Samoff Symposium, 2007 )中提出了公用控制信道 (CCC)协议。该协议定义了一套灵活的媒体接入控制结构，用以与拥有任 意套收发信机(例如， 一套， 一套半，或两套及以上)的节点进行通信。CCC 协议与DCA协议有类似之处，但是CCC协议在单信道的环境下退化为 802. lie中的EDCA模式。
近年来，该领域的研究重点已转移至基于接入窗口的媒体控制协议， 因为该类型的协议通常只要求每个节点装备一套收发信机。J. So和N. Vaidya发表的题为"Multi-channel MAC for ad hoc networks: handling multi-channel hidden terminals using a single transceiver"的文章(参见in Proc. ACM MobiHoc'04， Roppongi, Japan, May 24-26， 2004)中提出了多信 道媒体接入控制(醒AC: Multi-channel MAC)方法。该方法在每帧中利用 一段固定的接入窗口来协调各活跃节点间的信道分配。为了避免多信道隐 藏节点的问题，数据传输仅仅发生在AW结束之后。对这类方法而言，在 H. Woesner， J. Ebert， M. Schlager禾卩A. Wolisz发表的题为"Power-saving mechanisms in emerging standards for wireless LANs: the MAC level perspective "的文章(参见IEEE Personal Communications, June 1998)中通 过仿真指出对接入窗口大小的设置是影响系统吞吐量的关键因素之一。
为了克服这种静态的接入窗口， J. M. Choi, Y. B. Ko和J. H. Kim,发 表的题为"Enhanced power saving schemes for IEEE 802.11 DCF based wireless networks " 的文章(参见 in Proc. IFIP Personal Wireless Communications (PWC03))，2003)中提出了 TIPS协议，该协议提供了一定 的AW对网络中数据流量的自适应性。在TIPS协议中，AW窗口被分为两段。 如果在第一段中有任意一个信道接入请求被提出，则AW窗口将自动延伸 至第二段的结束以容纳更多的节点接入信道。相反，如果在第一段内没有
接收到信道接入请求，TIPS则认为在当前帧中没有活跃节点需要接入信
道，因而AW在第一段结束后将终止。因为该协议仅能区分0N/0FF类型的 数据流量，它所提供的流量自适应性能是很有限的。
E. Jung禾口 N. Vaidya发表的题为"An energy efficient MAC protocol for wireless LANs"的文章(参见in Proc.正EE INFOCOM， 2002)提出可以通 过检测侦听时间的方式来动态改变AW的大小，以提供更好的数据吞吐量 自适应性能。但是，该方案仅适用于单跳、单信道的系统，即无线局域网 WLAN。与动态地调整AW大小的方法不同，J. Wang，Y.Fang，和D. Wu发表 的题为 "A power-saving multi-radio multi-channel MAC protocol for wireless local area networks"的文章(参见in Proc.正EE INFOCOM'06, 2006)提出了一种PSM-MMAC方法。在该方法中，AW实时地对活跃节点进 行估计，并根据该估计调整发送参数，以提高系统的数据吞吐量与能量利 用效率。

发明内容
本发明的目的是提供一种在无线网状网中数据吞吐量动态改变的情 况下获得高数据吞吐量的方法，能够自适应地调整AW的大小，从而提高 系统的数据吞吐量。
根据本发明的一个方面，提供一种在无线网络中自适应地提高数据吞
吐量的方法，包括步骤在每帧预先定义时间窗口，用于使网络中的活跃 节点在发送数据前在默认信道上进行信令交换；在所述接入窗口内，网络 中的所有节点都跳转至默认信道上进行侦听；在所述接入窗口内，活跃节 点在默认信道上与它的目的节点之间对要接入进行数据通信的信道进行 协商；已完成信道协商的源与目的节点对立刻跳转至所选定的通信信道进 行数据通信。
根据本发明，提出了一种基于动态接入窗口的多信道MAC方法 MMAC-DA丽(DA頭动态接入窗口)。将每帧中的AW的大小与该帧中的活 跃节点的数目联系起来。通过采用接入延时计时器，该机制使得AW的大 小随帧中活跃节点数目成正比地增长。


通过下面结合

本发明的优选实施例，将使本发明的上述及其 它目的、特征和优点更加清楚，其中
图1是根据本发明实施例的多信道MAC方法的MMAC-DA丽时序图； 图2a和2b示出了在一帧中AW根据网络的数据流量而改变的示意图； 图3示出了说明多信道隐藏节点的示意图4a至4c是说明多跳无线网状网中源节点与目的节点的相互关系的 示意图5示出了在无线网络中自适应地提高数据吞吐量的方法的流程和
图6至9示出了根据本发明的自适应地提高数据吞吐量的方法的仿真 示意图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施例进行详细说明，在描述过程中省略了 对于本发明来说是不必要的细节和功能，以防止对本发明的理解造成混 淆。
在本发明中，提出了一种基于多信道MAC (MMAC)方法，根据无线网 络中的数据吞吐量动态改变接入窗口的方法(MMAC-DA丽)。
时间窗口 AW是每帧中一个预先定义的、用于在发送数据前在默认信 道上进行信令交换。根据本实施例，首先，为了提高AW的效率，自适应 地改变AW的大小，以便将每帧中的AW的大小与该帧中活跃节点的数目联 系起来。通过采用接入延时计时器，使得AW的大小与帧中活跃节点数目 成正比地增长。在数据流量非常大的极端情况下，AW在默认信道上可以占 据整个帧的时间。这就使得基于专用控制信道的MAC成为根据本发明的 MMAC-DAWN在重负载下的一个特例。
另外，MMAC-DAWN方法支持AW期间默认信道上的活跃节点进行信道接 入以及在其他信道上进行数据传送。这种并行发生的接入/传送操作直接 提高了信道的利用率，从而提高了系统的吞吐量。为了实现这一效果，需 要采用后向默认信道监听技术来解决多信道隐藏节点问题(将在后面描述)。
此外，对于多跳类型的业务，本实施例采用了基于滞留量的接入优先 级方案来控制不同活跃节点对AW的接入持续。该方案提高了多跳业务中
的公平性，并且可以提高系统的性能。根据本实施例，在多跳多信道WMN
环境下首先考虑对数据流量的自适应性能的协议。
下面参考图1描述根据本发明实施例的多信道MAC方法的MMAC-DA丽 时序图。如图1所示，在根据本发明的方法中，按等间隔的指示标志 (beacon:信标)将时间划分为等长的间隔，该间隔又被称为帧。在本发明 中，如果节点a可以接收到节点b的信号，则称节点a为b的相邻节点。 相邻的节点同步于同一个时钟。
如图2a和2b所示，在每帧的开始是一段被称为接入窗口 (AW)的时 间段，在该时间段内，网络中的所有节点都跳转至某一默认信道上进行侦 听。为了简单起见，可以假设默认信道为信道l (如图l所示)而不失普 遍性。在该接入窗口内，活跃节点，即，那些有分组包需要传送的节点， 将要在信道l上发起与它的目的节点，即，接收分组包的节点，之间的数 据信道协商。该协商的结果是源与目的节点选定某一个信道来作为它们进 行数据通信的通信信道。
为了实现该目的，在协商开始时，从源节点发送ARTS分组。接收到 ARTS分组的目的节点向发送源节点ACTS帧。ARTS帧中包含了目的节点的 标识以及用于信道协商的源节点方的一些信息(该信息内容将在后面进一 步详述)。ACTS帧中包含了源节点的标识以及信道协商所选定的信道的标 号。 一旦信道协商完成，该对源与目的节点将立刻转移到它们选定的信道 开始数据通信。每个数据分组的传输由请求发送分组/清除发送分组 (RTS/CTS)虚拟信道检测开始，并由一个目的节点发出的对数据包的ACK 确认结尾。
如图1所示，第一对源和目标节点在接收到彼此的ARTS1和ACTS1帧 后选定相应的通信信道(例如，选择信道2为通信信道)，从而完成信道 协商。此后，该对源和目标节点在选定的通信信道2上发送请求发送分组 /清除发送分组(RST/CTS)来进行虚拟信道检测。此后，源节点向目的节 点发送数据DATA1。目的节点在接收到数据DATA1后发出对数据包接收的
确认(ACK)。
与现有技术帧中的MMAC方法不同，根据本发明的醒AC-DA丽方法在 媒体接入控制上作了两项根本性的变化来加强MAC层对流量的自适应性。 首先，MMAC-DAWN中的接入窗口 (AW)的长度是一个与每帧中的活跃节点 数目相关的变量。通过运用接入延时计时器，AW的大小与接入媒体的节点 数目成正比。该自适应性避免了现有的MMAC方法中需要设定AW大小的问 题。此外，根据本发明的醒AC-DAWN方法中，AW将在检测到所有活跃节点 已完成了信道的接入之后终止。于是，信道l在该帧中剩余的时间里可用 于数据分组的传输。例如，如图1所示，在某个源和目的节点对发送完 ARTS4和ACTS4后，在某个预定的时间段内没有接收到信道协商信息后， 可以进行数据通信，例如，在该信道上发送数据DATA4。另外，在根据本 发明的MMAC-DAWN中的接入窗口只对默认信道发生作用。也就是说，与传 统的MMAC方法中数据通信需要等待AW结束之后才能开始所不同，在本发 明的醒AC-DA丽中，已完成信道协商的源与目的节点对可以立刻跳转至所 选定的信道进行数据通信。而此时其他的源与目的节点对可以在默认信道 并发地进行信道的协商。
本发明的MMAC-DA丽方法通过采用后向的默认信道监听来解决多信道 隐藏节点的问题。就是说，后接入信道的节点在转向所选的通信信道进行 数据通信时要主动避免与先接入该信道的节点发生碰撞。该内容将在后面 进一步详述。
图2a和2b示出了现有的MMAC方法与本发明的MMAC-DAWN方法对信 道的利用率的示意图。其中图2a是现有的躍AC中对信道的使用情况示意 图。图2b是本发明的MMAC-DAWN对信道的使用情况的示意图。在图2a中， 每帧中的AW的长度是固定的，当源和目的节点对在图2a所示的AW时段 中的阴影部分所示的时间段内完成了信道协商后，仍然要等到AW时段结 束后才能开始数据通信。而在图2b所示的本发明对信道的使用情况下， 当信道协商结束后，经过预定的时间段，确定没有源和目的节点进行协商 后，就可以利用该信道开始数据通信。由此，本发明的MMAC-DAWN方法可 以显著地提高信道的利用率。
按照本发明的实施例，每帧中一个完整的媒体接入过程包括在AW中
接入默认信道；源和目的节点在默认信道上进行信道协商，以确定进行数
据通信的信道；以及接入选定的信道进行数据传输。下面描述详细描述这
一过程。
1. 对默认信道的接入
为了实现流量自适应的接入窗口 ，网络中的各个活跃节点对默认信道
的接入遵守基于计时器的带优先级的CSMA(timer-based prioritized CSMA) 方式。根据该方式，在AW期间，每一个在默认信道上侦听的活跃节点都 维护一个接入延时计数器。对于网络中的某个活跃节点i，它的接入延时 计数器的初始值为一随机化的正数《，0<《 <『。。_，其中『。。^为一常数，
表示信道空闲时的最大接入延时。当节点检测到信道为空闲时，其计时器 将开始计时，而当节点检测到信道为忙时计时器将被设置为其初始值《。
作为实例，计时器可以采用倒数计时的方法，但本发明不限于此。具 体地讲，当某个计时器倒数到0时，其相应的活跃节点将在信道1上发出 ARTS包。通过这种方式，各个活跃节点将按照各自的《值的大小顺序接 入默认信道。如果当信道空闲后的『_ 时间内都没有ARTS包在默认信道 出现，则认为所有活跃节点都已经完成了对默认信道的接入。于是，当前 的接入窗口将被终止。为了控制各活跃节点的接入顺序，使《,.的大小被该
源与目的节点组成的链路的滞留分组数目A成反比地偏置，可以利用下面 的表达式(1)决定《。
<formula>formula see original document page 12</formula>
其中丄自表示链路缓冲器的大小，以分组为计量单位，《为均匀分布于
之间的一个随机数。通过该设定，滞留分组数目较多的链路将获
得较小的接入延时《。于是，能够更快地对空闲的默认信道做出反应以发 出ARTS分组。另外，由《带来的随机化效果将减少具有相近滞留分组数 的链路之间接入信道的冲突。
2. 信道协商
在接入窗口中，可以利用后向默认信道侦听方式来进行信道协商。也
就是说，后发出ARTS/ACTS分组的那些节点将侦听到所有在先由其他节 点发出的ARTS/ACTS分组。由于在先节点的信道协商的结果被包含在 ACTS包中，于是在先节点的信道选择结果对后续节点来说是已知的。这 些在先节点的信道选择信息将被后续节点作为信道选择时的依据，以实现 流量负载在各信道上的平衡。具体地讲，依据ARTS包中所携带的源节点 方信息的不同，可以有两种方式来实施信道间的负载平衡，即，节点平衡 与分组平衡。节点平衡适用于ARTS包中没有包含任何流量信息(例如， 在当前帧中将要被发送的分组的数目)的情况。此时，最少被在先节点选 择的信道对本节点而言将具有最高的选择倾向性(preference)。另一方面， 如果ARTS分组中包含有流量信息，则承载在先节点的分组数量最少的那 些信道对本节点而言将具有最高的选择倾向性。
在任何一种方式中，利用默认信道的节点负载或分组负载被除以上一 帧中扣除AW后剩余的数据窗口所占的比例，艮卩，数据窗口长度与帧长度 之比值，来进行计算。源节点依据各信道上的负载的节点或分组数目对各 信道进行倾向性排序，并且将该信道选择倾向排序表(CPL)包含在ARTS 分组中发送给目的节点。目的节点收到ARTS分组后，可以利用J. So和 N. Vaidya 在 "Multi-channel MAC for ad hoc networks: handling multi-channel hidden terminals using a single transceiver"(参见in Proc. ACM MobiHoc'04， Roppongi, Japan, May 24-26， 2004)中揭示的方法将来自 源节点的CPL与本地的CPL进行比较，并最终确定所选择的信道。该被 选中的信道的标号被包含在ACTS分组中发给源节点。
3.对已选择信道的接入
在接入已选择信道的过程中，需要避免多信道隐藏节点的问题。在本 发明的MMAC-DAWN方法中，将后向默认信道上的ARTS/ACTS包侦听 与基于RTS/CTS包的虚拟信道检测结合起来解决这一问题。具体地讲， 在ARTS与ACTS包中加入该链路上每个数据分组的发送时长信息，即分 组长度除以发送速率所得数值。在源节点跳转至所选择的数据通信信道上 之前，由于它一直在侦听在先接入节点发送的ARTS与ACTS分组，所以 各在先节点的分组发送时长对该源节点来说是已知信息。该源节点记录侦 听到的跳转至同一信道(例如，信道n)的那些节点的最长分组发送时长，
并标记为^"^。该值被称为信道n上的隐藏节点保护时间。从源节点和目 的节点跳转至信道n开始，源节点和目的节点在本帧中在信道n上的停留 时间被分为两个时间段。第一时间段被称为转移阶段(transient phase),包 括从节点跳至信道n开始，到该源节点首次检测到信道n忙时为止，或到 该源节点持续检测到信道n空闲了 ^"max时长时为止。该时段的终点取决于 上述两种情况中的哪一种情况首先发生。第二时间段被称为稳态阶段 (stationaryphase),包括从转移阶段结束起至该帧结束止的时间段。为了避 免多信道隐藏节点问题，源节点在第一阶段内保持静默并持续侦听信道n， 在阶段二内该源节点按照标准的RTS/CTS虚拟信道检测方案进行数据分 组的传输。
图3是说明本发明的方案能够有效地解决多信道隐藏节点问题的示意 图。如图3所示，在该实例中，当源节点c与目的节点d要转移至信道2 的时候，节点a正在信道2上将一个数据分组发送给节点b (参见图l)。 因为节点c距离节点a比较远，所以其无法侦听到a发出的信号。于是， 节点c的信道检测结果为信道2空闲。但实际上由于节点b正在接收节点 a发送来的信号，如果节点c此时立刻开始发送数据的话，来自c的信号 会在节点b处与来自节点a的信号产生碰撞，从而导致产生多信道下隐藏 节点的问题。然而，根据本发明的方案，节点c需要保持静默直到其或者 听到了来自节点b的CTS包，艮卩，听到信道2变为忙，或者节点c检测到 信道2的空闲持续了一个隐藏节点的保护时间^2_ 。该CTS包来自于节 点a向节点b发送下一个数据分组前进行的RTS/CTS握手过程。在该实例 中，节点c的隐藏节点保护时间也就是节点a的单个分组的发送时长。后 一种可能性的发生是由于当节点a发送给节点b的当前分组传送完毕后， 这两个节点没有其他数据分组要发送，于是保持静默。此时，信道2实际 上己经变为空闲。无论发生哪种情况，都可以避免隐藏节点的问题。在该 实例的第二阶段，由于节点c和d与信道2上的在先节点的退避机制已经 建立了同步，所以在剩下的时间内，标准的RTS/CTS虚拟信道检测方式 就可以充分地避免隐藏节点问题。
上面说明了在单跳情况下节点接入网络的过程。在多跳的无线网状网 中，除了单跳的源和目的节点对之外， 一个节点还有可能属于图4a至4c
所示的三种情况之一。图4a示出了某个节点作为多条链路的共同目的节 点。图4b示出了某个节点作为多条链路的共同源节点的示意图。图4c示
出了某个节点作为中继节点的示意图。
参考图4a描述某个节点作为多条链路的共同目的节点的情况。如图 4a所示，节点a与b试图同时将数据传送给他们共同的接收节点c。可以 假设在当前帧中节点a首先与节点c建立了联系并完成了信道协商。例如， 已经选定信道2进行数据通信，并且节点a与c已转移至通信信道2 。节 点b根据对后向ARTS/ACTS包的侦听，清楚地知道节点c已经转移至通 信信道2。为了与前述的方法保持一致并且为了与节点c建立连接，节点 b首先在默认信道上发送一个ARTS包，然后紧接着再在默认信道上发送 —个ACTS-TO-ITSELF包来模拟本来应该由节点c发送的ACTS包。该 ACTS-TO-ITSELF包的格式与ACTS包的格式一致，其中信道选择域中所 包含的是当前节点c所在的信道，即信道2。其他侦听到该包的节点把该 包当成ACTS包进行处理，例如，执行记录信道选择结果等操作。在发送 完ACTS-TO-ITSELF包之后，节点b将立刻转移至通信信道2，然后按照 前面描述的MMAC-DAWN方法中接入已选择的信道的步骤对节点c进行 数据传输。因为在这种情况下各个链路都可以在同一帧中进行数据传输， 由此可以实现高数据吞吐量与较低的分组延迟。
下面参考图4b描述某个节点作为多条链路的共同源节点的情况。如 图4b所示，节点a需要同时向节点b和c发送数据。对该情况进行简单 的观察就会发现，根据MMAC-DAWN方法，链路a+b与链路a+c的通 信不可能在同一帧中进行。不失一般性，可以假设链路a+b在当前帧中 首先建立了连接。这种情况下，节点a没有办法在当前帧中与节点c取得 联系。需要说明的是，因为节点c为接收节点，所以在节点a与c取得联 系之前，节点c并不知道节点a要向其传输数据。但是，由于在 MMAC-DAWN方法中各个活跃源节点接入AW的顺序与各链路上的滞留 分组数成反比，而链路a分b在本帧进行了分组的传送而使得滞留的分组 数目减少，所以在下一帧中很有可能是节点a先与节点c建立联系，即建 立链路a^c，而不是链路a+b，从而能够向节点c进行分组传送。由此可 见，MMAC-DAWN方法以一种分布式的方式实现了共享源节点在多条链
路间交替进行的分组传送。另外，通过观察可以证实这种链路间交替传送 分组的方式并不会对系统的吞吐量造成任何损失，但是会增加分组的平均 时延。
下面参考图4c描述某个节点在网络中作为中继节点的情况。如图4c
所示，节点b为节点a与c的中继节点，即节点b是链路a^b的目的节 点，和链路b"^c的源节点。本发明的MMAC-DAWN方法在该情况下的 操作是对前述两种情况的综合。具体地讲，如果在当前帧中链路c首 先接入了默认信道，则节点a仍然可以在该帧中与节点b进行通信，即链 路a+b可以在同一帧中接入信道，如同前面参考图4a所述的情况。相反， 如果链路a—b首先接入默认信道，节点b则无法在本帧中与节点c建立 连接。这种情况下，如同参考图4b描述的情况，链路b+c将在下一帧中 进行分组的传送。
通过上面的描述可以清楚地看到，在多跳应用场景下MMAC-DAWN 方法可以很好地保持系统的高吞吐量，但是会增加分组平均的单段链路的 时延。
下面参考图5描述在无线网络中自适应地提高数据吞吐量的方法的流 程。该流程以网络中的节点接收到信标信号，发送新的一帧开始。首先， 在步骤S501，网络中的节点监听默认信道，进行信令交互。此后，在步骤 S502，判断本节点中是否有数据分组需要发送。如果在步骤S502判断有 数据分组要分送，流程则转到步骤S503。在步骤S503，要发送数据分组 的源节点与目的节点之间进行协商，从源节点发送信道接入请求发送 (ARTS)分组。然后，接收到所述ARTS的目的节点在步骤S504向源节点 发送信道接入允许发送(ACTS)分组，由此在源节点与目的节点之间进行 信道协商。接下来，在步骤S505，完成信道协商的源节点和目的节点跳转 至协商好的信道。此后，在步骤S506，源节点和目的节点转至协商好的信 道，基于RTS/CTS/DATA/ACK的过程进行数据传输。另一方面，当在步骤 S502判断本节点没有数据分组要发送时，流程转到步骤S507，通过判断 接收到的ARTS分组中包括的目的地地址是否与自身的地址一致，来确定 是否有数据分组需要接收。当在步骤S507判断有数据分组需要接收时， 该流程转到步骤S50S。在步骤S508，判断自身要接收数据分组的节点与
要发送数据分组的源节点之间进行信道协商，向源节点发送ACTS，由此确
定源节点与目的节点之间进行通信的信道。接下来，在步骤S509，完成信 道协商的源节点和目的节点跳转至协商好的信道。此后，在步骤S510，源 节点和目的节点转至协商好的信道，基于RTS/CTS/DATA/ACK的过程进行 数据传输。
另外，如果在步骤S507确定没有自己要接收的数据分组，该流程转 到步骤S511，判断信道持续空闲的时间是否达到了信道空闲的最大接入延
时Kc如果信道空闲还没有达到最大接入延时，流程则转回到步骤 S501，继续对默认信道迸行监听。此外，如果在步骤S511确定信道空闲 已经达到最大接入延时，流程则转到步骤S512，结束该接入窗口，并且可 以将默认信道用于数据分组传输。
图6至9示出了根据本发明的自适应地提高数据吞吐量的方法与传统 的MMAC方法的相比所产生的技术效果对比示意图。这些图示出了本发明 的MMAC-DAWN方法在单跳的无线局域网(WLAN)与多跳网络之中的 性能。在WLAN的情况下，可以在区域内设定了50对源和目的节点(即， 总节点数为100)，并且假设任何一个节点都在其他节点的发送范围之内， 即节点之间互相可以接收到对方发送的信号。可以假设系统的可用信道数 为5，每帧长度为IO毫秒，每帧中包含100个时隙，延时计时器的最大延 时参数为『。_ = 2时隙。
对于数据分组的传输，可以设定一个成功的RTS+CTS+DATA+ACK 交换过程占用IO个时隙。对于AW中对默认信道的接入，可以设定一次 成功的ARTS+ACTS握手过程占用2个时隙。此外，根据表达式(1)来 给定活跃节点的信道接入时延。表达式(1)中的各参数可以设定如下 丄_=50分组，《以等概率取如下数值中的任意一个0,0.005,0.01， 0.015， 0.02， 0.025， 0.03， 0.035。该设置实际上相当于在AW中把每一时隙进一 步细分为200个子时隙，每一个子时隙对应于一个ARTS分组可能的接入 时刻。 一旦一个ARTS帧在当前时隙被发出，默认信道则在下一个时隙结 束之前都被认为是忙信道。在多跳的网络情况下，可以设定工作区域内共 有30个节点，并且随机地从这30个节点中选取50对源和目的节点链路。 这样，某些节点将被重复地选择为不同链路中的源，目的，或是中继节点，
从而使得前面阐述的三种多跳应用中的节点状况得以随机的出现。
对WLAN的应用场景而言，系统性能指标涉及网络的吞吐量以及分组
的平均时延。对多跳的应用场景，系统性能指标主要涉及网络的链路和吞 吐量(即单条链路上的吞吐量之和)以及单链路的分组平均时延。
图6与7分别示出了 WLAN场景下，本发明的MMAC-DAWN方法 与传统的MMAC方法带来的系统吞吐量与分组平均延时。这里，单位流 量负载被定义为每个链路每帧产生一个数据分组，或者相当于50分组/帧 的集成流量。对于一个给定的流量负载，由于MMAC方法的性能主要取 决于所设定的AW的大小，由此通过遍历所有可能的AW大小来找出给定 的负载下获得最大吞吐量的最佳AW大小，并将其定义为该流量下的最佳 AW。
如图6所示，在较低的流量负载下(小于0.4单位)两种方法给出的 网络吞吐量类似。但是，在较大的流量状况下(大于0.4单位) MMAC-DAWN方法的吞吐量要远大于传统MMAC方法的吞吐量。从图6 中可以看到，最大的吞吐量增益在40%左右(在流量大于0.6单位后取得 该增益)。从前面的图2可以很容易的理解，流量增益的显著增加来自于 MMAC-DAWN强大的流量自适应特性。另外，从图6中可以看出，在前 述参数下当流量负载大于0.4单位后，MMAC方法的最佳AW大小为40 时隙左右。为了简化起见，可以将MMAC方法中的AW固定在40时隙。 从图7中可以看到，在本发明的MMAC-DAWN方法中，分组的平均时延 要小于在传统MMAC方法中的时延，特别是当流量负载较大时更是如此。 该特性可以从MMAC-DAWN方法提高了吞吐量得到解释由于在每帧中 MMAC-DAWN方法使得更多的数据分组得到传送，这就使得在系统中滞 留的分组数目减少，从而使得每个分组的等待时间减少。
图8和9分别示出了在多跳应用场景下的吞吐量与分组平均延时的性 能曲线。图8示出了本发明的MMAC-DAWN方法在多跳应用中可以提供与单 跳的WLAN下相当的链路和吞吐量。与此相比，在多跳应用中传统的MMAC 方法的吞吐量有显著的恶化。这一效果使得多跳场景中的MMAC-DA丽的吞 吐量最大增益达到近50%。另外，图9示出的单链路的分组平均时延在两 种方法下相对WLAN应用而言都有所增加。如前面针对多跳应用的讨论所
指出的，该时延的增长是由于多条共享同一源节点的链路交替在不同帧中
发送数据造成的。另一方面，图9示出了在多跳应用中MMAC-DAWN方法的 分组平均时延要明显小于在MMAC方法下的时延，当流量负载比较大时该 时延的改善更为显著。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。本领域技术人员应该 理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、 替换和添加。因此，本发明的范围不应该被理解为被局限于上述特定实施 例，而应由所附权利要求所限定。
权利要求
1.一种在无线网络中自适应地提高数据吞吐量的方法，包括步骤在每帧预先定义时间窗口，用于使网络中的活跃节点在发送数据前在默认信道上进行信令交换；在所述接入窗口内，网络中的所有节点都跳转至默认信道上进行侦听；在所述接入窗口内，活跃节点在默认信道上与它的目的节点之间对要接入进行数据通信的信道进行协商；已完成信道协商的源与目的节点对立刻跳转至所选定的通信信道进行数据通信。
2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括步骤在协商开始时，从源节点发送信道接入请求发送(ARTS)分组； 接收到所述ARTS分组的目的节点向源节点发送信道接入允许发送 (ACTS)分组。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中所述ARTS分组包含目的节点的标 识以及用于信道协商的源节点方的信息；ACTS分组包含源节点的标识以及 信道协商所选定的信道的标号。
4. 根据权利要求l所述的方法，其中在通信信道进行数据通信的步骤 包括在进行数据分组传输前执行发送请求发送分组/清除发送分组(RTS/CTS)的虚拟信道检测的步骤。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中接入窗口的长度与每帧中的活跃 节点数目的相关联。
6. 根据权利要求6所述的方法，其中接入窗口的长度与接入媒体的节 点数目成正比。
7. 根据权利要求l所述的方法，进一步包括在检测到所有活跃节点己 完成了信道协商之后终止所述接入窗口的步骤。
8. 根据权利要求l所述的方法，其中在所有源和目的节点对完成信道 协商后，在预定时间段内没有接收到信道协商信息的情况下，在所述默认 信道上进行数据通信。
9. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括在接入窗口期间，在默认信 道上侦听的每个活跃节点都维护各自的接入延时计数器的步骤，所述接入 延时计数器的初始值是大于零且小于和等于默认信道空闲时的最大接入 延时。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中当节点检测到默认信道为空闲时， 其计时器将开始计时，而当节点检测到信道为忙时计时器将被设置为其初 始值《。
11.根据权利要求10所述的方法，其中相应的活跃节点在经过相应的接 入延时计数器的初始值后在默认信道上发出ARTS包。
12. 根据权利要求9所述的方法，其中在检测到默认信道空闲后，如果 在所述最大接入延时内默认信道中没有出现ARTS分组，则确定所有活跃 节点都己经完成了对默认信道的接入，并终止当前的接入窗口。
13. 根据权利要求9所述的方法，其中所述接入延时计数器的初始值与源节点和目的节点组成的链路的滞留分组数目成反比。
14. 根据权利要求2所述的方法，进一步包括后发出ARTS/ACTS分组的 节点侦听在先节点发出的ARTS/ACTS分组的步骤，其中所述ACTS分组包含信道协商结果。
15. 根据权利要求2所述的方法，进一步包括源节点在跳转到所选择的 数据通信信道之前，记录侦听到的跳转至同一信道的那些节点的最长分组 发送时长作为所述数据通信信道的隐藏节点保护时间的步骤。
16. 根据权利要求15所述的方法，进一步包括源节点和目的节点在跳转 至所述数据通信信道后的第一时间段内保持静默并持续侦听所述数据通 信信道，在第二时间阶段内发送RTS/CTS分组进行虚拟信道检测，以便进行数据分组的传输。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中所述第一时间段是从源节点跳转至所述数据通信信道开始，到所述源节点首次检测到信道忙时为止，或到 所述源节点持续检测到所述数据通信信道空闲了最长分组发送时长时的 两种情况中首先发生的情况为止；所述第二时间段从转移所述第一时间段 结束起至该帧结束为止的时间段。
18. 根据权利要求l所述的方法，其中在至少两个源节点要向一个共同 的目的节点发送数据的情况下，所述至少两个源节点中的一个首先在默认信道上发送 一 个ARTS分组，然后再在默认信道上发送 一 个 ACTS-TO-ITSELF分组来模拟由节点目的节点发送的ACTS分组。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述ACTS-TO-ITSELF分组与 ACTS分组的格式相同。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中发送了ACTS-TO-ITSELF分组的 原节点在在发送完所述ACTS-TO-ITSELF分组之后，立刻跳转至所述数据 通信信道，执行相应的数据传输。
全文摘要
一种在无线网络中自适应地提高数据吞吐量的方法，包括步骤在每帧预先定义时间窗口，用于使网络中的活跃节点在发送数据前在默认信道上进行信令交换；在所述接入窗口内，网络中的所有节点都跳转至默认信道上进行侦听；在所述接入窗口内，活跃节点在默认信道上与它的目的节点之间对要接入进行数据通信的信道进行协商；已完成信道协商的源与目的节点对立刻跳转至所选定的通信信道进行数据通信。
文档编号H04L12/56GK101355553SQ20071013672
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月25日 优先权日2007年7月25日
发明者涛 树, 顾大庆 申请人:株式会社Ntt都科摩