一种基于信道占用率的Ad Hoc网络MAC层公平性退避算法
【专利摘要】本发明公开了一种基于信道占用率的MAC层公平性退避算法，属于AdHoc网络领域。节点发送数据前，首先计算节点对当前的信道占用率，判断其值与理想信道占用率的大小关系，同时根据前次通信是否成功，将当前通信状态分为四种类型。然后，根据当前竞争窗口值判断网络负载程度，在不同通信状态下，动态调整竞争窗口值，改变节点对接入信道的能力，最终实现所有节点对的信道占用率趋向1/n发展的相对公平状态。本发明可作为AdHoc网络节点设备选择信道的MAC层协议使用。
【专利说明】—种基于信道占用率的Ad Hoc网络MAC层公平性退避算法
【技术领域】
[0001]本发明属于AdHoc网络领域，涉及一种无线网络MAC层公平性退避算法。
【背景技术】
[0002]Ad Hoc网络中，随着接入节点增多，节点对信道的竞争趋向激烈，导致不同节点获得的通信机会并不相等，即产生所谓公平性问题。公平性反映了不同的用户、节点或应用共享信道的公平程度，实现公平性是无线网络资源分配的主要目标之一。
[0003]I)公平性退避算法
[0004]Ad Hoc网络中，节点接入信道的机制由MAC (Media Access Control)协议实现，信道获取能力主要取决于各节点的退避时间，因此退避算法起着关键作用。传统的 IEEE802.11 无线网络协议米用 DCF(Distributed Coordinat1n Funct1n)机制实现信道无线接入，基于DCF的公平性改进策略主要调整协议中的二进制指数退避(BEB, Binary Exponential Backoff)算法，这是目前网络公平性研究的主要方法(IEEE Std802.11.Wireless LAN Medium Access Control (MAC)and Physical Layer(PHY)Specificat1ns.2007)。其核心思想是节点的退避时间反映了网络中不同节点接入信道的先后顺序，退避时间较短的节点比退时间较长的节点获得更大的信道接入机会。初始时节点选取竞争窗口 CW(Collis1n Window)的最小值CWmin，如果数据传输失败，则将CW值增加一倍，直至CW达到竞争窗口的最大值CWmax ;如果数据发送成功，则重新将CW置为最小值CWfflin0
[0005]BEB算法简单、高效，但是缺点也十分明显，总是倾向于将信道使用权交给最近成功传输信息的节点，造成信道竞争不公平的现象。MACAW (Multiple Access withCollis1n Avoidance for Wireless)协议(V.Bharghavan, A.Demers, S.Shenker.MACAW:aMedia Access Protocol for Wireless LANs.ACM Sigcomm Computer Communicat1nReview.1994, 24:212-225.)提出了倍数增加线性减少退避算法(MILD, MultiplicativeIncrease Linear Decrease)。当传输成功时,MILD算法不会将CW值立即减到最小，因此克服了 BEB算法的缺点。
[0006]但是，MILD算法也有一定缺陷。在活跃节点个数由多到少迅速减少的特定场景中，MILD算法线性递减的特点导致无法快速调整CW值，造成无谓等待，降低了吞吐量。针对这种情况，MIMD (Multiplicative Increase and Multiplicative Decrease)算法(H.ffu, Κ.Long, S.Cheng.1EEE802.1!Distributed Coordinat1n Funct1n(DCF):Analysis andEnhancement.Proceedings of ICC2002.New York:1EEE, 2002:605-609.)提出倍数增加倍数减小竞争窗口值CW的策略。MIMD算法中，CW值的调整幅度较大，相对于BEB算法来说，克服了成功节点长期占用信道的缺陷；相对于MILD算法来说，克服了节点较长时间的无谓等待。
[0007]但是，MMD算法中CW值的变化均采用同样方法，未考虑不同的网络负载情况，造成该算法不能同时适应各种网络负载。NAVB (New Adaptive Varyng Backoff)算法(M.A.Gafur, N.Upadhayaya, S.A.Sattar.Enhancing the Performance of Ad hoc NetworksUsing New Adaptive Varyng Backoff Technique.1nternat1nal Journal of EngineeringScience and Technology, 2010，2:7078-7086.)利用竞争窗口 CW的值作为一个隐式计数器来反映网络负载程度，将CW的取值范围划分为三个连续区间。当发生冲突时，如果网络负载较低，线性增加CW值；如果网络负载中等，以较小倍数增加CW值；如果网络负载较高，以较大倍数增加CW值。当数据传输成功时，同样针对不同的负载情况采用不同的方式修改CW值。如果网络负载较低，将CW值以较 大的倍数减小；如果网络负载中等，以较小倍数减小CW值；如果网络负载较大，线性减小CW值。
[0008]NAVB算法中，CW值不会迅速变大或变小，而是根据网络负载的情况做出适当调整，所有节点退避时间都是在同一个范围内随机取得的，对每个节点都相对公平。但是，NAVB算法也有一些不足之处。首先，对于吞吐量较低的节点，该算法没有区别对待，没有为此类节点提供更多通信机会，以提高公平性；其次，竞争窗口调整时，未考虑本节点吞吐量与网络平均吞吐量之间的关系，不利于进一步提高公平性；再次，NAVB算法的竞争窗口范围均为从O到CW，实际的随机退避时间有可能很小，在网络负载较重的场景下容易导致较大冲突。
[0009]2)公平性评价指数
[0010]为了衡量一种算法对节点信道接入公平性的影响，有诸多文献提出公平性评价指数，例如 FI (Fairness Index)指数(T.0zugur, M.Naghshineh, P.Kerman1.FairMedia Access for Wireless LANs.Global Telecommunicat1ns Conference, 1999.R1 deJaneireo:1EEE, 1999:570-579.)和 IFI (Improved Fairness Index)(李瑞芳，李仁发.Adhoc网络信道接入退避算法研究.科学技术与工程，2006，15(6):2358-2363)指数，能在一定程度上反映网络公平性。此外，还有学者提出FIAL(Fairness Index of All Links)指数(李广.Ad hoc网络多信道MAC协议研究与实现.武汉:武汉理工大学，2009)，能较全面反映全网所有节点对竞争的公平性，该指数定义如公式(a)所示:./Yi {Throughput - Throughpu
【权利要求】
1.一种基于信道占用率的Ad Hoc网络MAC层公平性退避算法，其特征在于， 假设网络中节点对数目为n，对于某节点对，定义从其中发送节点收到ACK确认包开始，到该节点下次收到ACK确认包为止，其间经历的时间为发包间隔T ;定义发包间隔过程中，发送节点发送RTS包和DATA包，接收节点发送CTS包和ACK包所用时间之和为有效时间V ;定义有效时间与发包间隔的比值为该发送节点在该发包间隔内的信道占用率，记作S ;由于前一个发包间隔内的信道占用情况，对网络公平性也有影响，因此定义信道占用率为公式(a)所示的分段递推公式:
【文档编号】H04W74/08GK104039021SQ201410260489
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】赖晓晨, 赵莹, 周国乔, 王默, 陈渊博 申请人:大连理工大学