中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法及系统与流程

本发明涉及信息处理技术领域，尤其是中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法及系统。

背景技术：

在采用dcf协议的wlan中，多个设备有可能后退计数同时到0，导致多个设备同时发送信号，这些信号相互干扰，从而导致传输失败，这一现象被称为冲突。随着wlan中节点数目的增加，冲突问题也变得愈发严重。802.11ah标准将wlan的范围提升至1.5km，并加入大量无线传感器设备；802.11ax任务组也在考虑如何提升高用户密度环境下的平均信道利用率；然而目前的无线技术仍旧采用传统的dcf协议。

中心化随机后退(centralizedrandombackoff，crb)方法可以有效降低冲突概率。在crb方法中，后退状态由运行在接入点(accesspoint，ap)的虚拟后退算法(virtualbackoffalgorithm，vba)生成，并通过ack帧分配给连接到该ap的节点。网络中的节点通过分配的后退状态决定信道接入时机，网络能在收敛时间后达到无竞争的收敛状态。如果vba中选择的随机后退数与其他已有节点的后退数相等，则认为发生了虚拟冲突。通过虚拟冲突机制，ap可以给其所有发送节点分配唯一后退状态。由于crb中节点接入信道的方式由运行在ap上的后退状态生成算法决定，而ap通常维护了一个到互联网的可靠连接，因此该算法可随时按需更新。

但是，现有的crb方法中主要存在两个问题：第一、网络节点较多时收敛速度慢，例如，20个节点的crb需要1个小时以收敛到无竞争状态；第二、与已有的dcf设备之间的公平性需要提升，同时，dcf的自适应控制算法目前也处于空白状态。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法，通过自适应调整虚拟竞争窗口大小，使中心化随机后退方法能够快速收敛到无竞争状态，提升网络的服务质量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：

一种中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法，包括以下步骤：

s1，无线局域网中的发送节点有数据包需要发送，即数据包到达发送节点时，发送节点根据其发送队列的状态，确定数据包的发送行为，并依据此发送行为将需要发送的数据包发送给接入点；

s2，接入点在接收到该数据包后，为该数据包的发送节点产生一个唯一的后退基数k，并将此唯一的后退基数k发送给该数据包的发送节点；

s3，发送节点在接收到该后退状态后，即表示数据包传输成功，且发送节点根据其发送队列的状态以及根据其从接入点获取到的后退基数k的情况，确定数据包的发送行为，并依据此发送行为将下一个数据包发送给接入点。

步骤s1中，具体包括以下步骤：

s101：数据包到达发送节点时，判断发送节点的发送队列是否为空：

若发送节点的发送队列为空，则跳转执行步骤s102，即执行csma/ca的dcf过程；

若发送节点的发送队列不为空，且发送节点没有成功传输过数据，即发送节点没有从接入点获取到唯一的后退基数k，则跳转执行步骤s103；

s102，发送节点开始侦听信道：

若信道空闲，则发送节点直接发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，即接入点接收数据包；若数据未成功发送，则跳转执行步骤s103；

若信道忙，则发送节点在区间(0,2ⁱ·w0-1)中随机选取一个整数作为后退基数k，其中，i为重试次数，初始赋值为0；w0为802.11标准预设的最小竞争窗口大小；

发送节点进入后退状态，后退时间为k·t；其中，t为单个时槽持续时间；且发送节点在后退时持续侦听信道，若信道忙，则暂停后退时间计数，直至信道空闲再恢复后退时间计数；

后退结束时，发送节点发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，接入点接收数据包；若数据未成功发送，则跳转执行步骤s103；

s103，发送节点执行自适应后退过程，其中，重试次数i的初始赋值为0，自适应后退过程如下所示：

将重试次数i的值增加1，判断重试次数i是否超过最大重试次数m，若重试次数i超过最大重试次数m，则丢弃该数据包，结束该数据包的传输；若重试次数i未超过最大重试次数m，则发送节点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；其中，是自适应竞争窗口大小；

发送节点进入后退状态，后退时间为k·t；且发送节点在后退时持续侦听信道，若信道忙，则暂停后退时间计数，直至信道空闲再恢复后退时间计数；

后退结束时，发送节点发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，即接入点接收数据包；若数据未成功发送，则重新执行步骤s103；

步骤s101和步骤s3中，数据包到达发送节点时，若发送节点的发送队列不为空，且发送节点已经成功传输过数据，即发送节点已经从接入点获取到唯一的后退基数k，则发送节点基于从接入点获取到唯一的后退基数k，进入后退状态，后退时间为k·t；且发送节点在后退时持续侦听信道，若信道忙，则暂停后退时间计数，直至信道空闲再恢复后退时间计数；

后退结束时，发送节点发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，即接入点接收数据包；若数据未成功发送，则跳转执行步骤s103。

步骤s2中，具体包括以下步骤：

s201，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；其中，i为重试次数，初始赋值为0；是自适应竞争窗口大小；

判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否与其他同步节点产生虚拟冲突，即判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否其他同步节点的后退基数k相等，若存在相等，即表示该发送节点与其他同步节点产生虚拟冲突，跳转执行步骤s202；若均不相等，即表示该发送节点与其他同步节点均不产生虚拟冲突，跳转执行步骤s203；

所述同步节点是指：由于已成功发送过数据包，而从接入点获取到后退基数k的发送节点；

s202，判断重试次数i是否小于最大重试次数m，若重试次数i小于最大重试次数m，则将重试次数i的值增加1，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；若重试次数i不小于最大重试次数m，则重试次数i的值等于最大重试次数m，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；

判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否与其他同步节点产生虚拟冲突，即判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否其他同步节点的后退基数k相等，若存在相等，即表示该发送节点与其他同步节点产生虚拟冲突，重新执行步骤s202；若均不相等，即表示该发送节点与其他同步节点均不产生虚拟冲突，跳转执行步骤s203；

s203，接入点将随机选取的该发送节点的唯一的后退基数k发送给该发送节点。

本发明还提供了应用于所述的一种中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法的系统，包括接入点和发送节点；其中，所述发送节点发送数据包给接入点；所述接入点接收到数据包后，该数据包的发送节点产生一个唯一的后退基数k，并将该唯一的后退基数k发送给该发送节点。

发送节点发送数据包给接入点时，若该发送节点的当前发送队列为空，则采用载波侦听多路复用/冲突避免的分布式协调机制向接入点发送数据。

发送节点发送数据包给接入点时，若发送节点的当前发送队列不为空，且发送节点没有成功发送过数据，即发送节点没有从接入点获取到唯一的后退基数k，则该发送节点采用自适应的竞争窗口随机向接入点发送数据。

发送节点发送数据包给接入点时，若发送节点的发送队列不为空，且发送节点已经成功传输过数据，即发送节点已经从接入点获取到唯一的后退基数k，则该发送节点依照接入点为其分配的后退基数k进入后退状态并传输数据包。

所述接入点为该数据包的发送节点产生一个唯一的后退基数k，具体产生方式如下所示：

s201，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；其中，i为重试次数，初始赋值为0；是自适应竞争窗口大小；

判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否与其他同步节点产生虚拟冲突，即判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否其他同步节点的后退基数k相等，若存在相等，即表示该发送节点与其他同步节点产生虚拟冲突，跳转执行步骤s202；若均不相等，即表示该发送节点与其他同步节点均不产生虚拟冲突，跳转执行步骤s203；

所述同步节点是指：由于已成功发送过数据包，而从接入点获取到后退基数k的发送节点；

s202，判断重试次数i是否小于最大重试次数m，若重试次数i小于最大重试次数m，则将重试次数i的值增加1，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；若重试次数i不小于最大重试次数m，则重试次数i的值等于最大重试次数m，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；

判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否与其他同步节点产生虚拟冲突，即判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否其他同步节点的后退基数k相等，若存在相等，即表示该发送节点与其他同步节点产生虚拟冲突，重新执行步骤s202；若均不相等，即表示该发送节点与其他同步节点均不产生虚拟冲突，跳转执行步骤s203；

s203，接入点将随机选取的该发送节点的唯一的后退基数k发送给该发送节点。

自适应竞争窗口大小

其中，是平均每个后退状态中虚拟冲突发生的次数，是同步节点的数目；所述同步节点是指：由于已成功发送过数据包，而从接入点获取到后退基数k的发送节点。

本发明的优点在于：

本发明应用于无线局域网络，通过自适应调整虚拟竞争窗口大小，使中心化随机后退方法能够快速收敛到无竞争状态，提升吞吐率，从而提升无线局域网络的服务质量。

附图说明

图1为本发明的一种中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法的流程图。

图2为本发明的发送节点发送数据包给接入点的方法流程图。

图3为接入点产生并发送后退基数给发送节点的方法流程图。

图4为本发明方法的状态转移马氏链模型图。

图5为本发明方法的状态转移矩阵图。

图6为本实施例中的节点分布示意图。

图7为本实施例中的仿真实验拓扑图。

图8为本实施例中的仿真实验拓扑图。

图9为本实施例中的仿真实验拓扑图。

图10为本实施例中的仿真实验拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出了一种中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法，该方法通过自适应调整虚拟竞争窗口大小，使中心化随机后退方法能够快速收敛到无竞争状态，提升网络吞吐率。接入点观察到，当接入该接入点的同步中心化随机后退节点即同步节点的数量增加，其虚拟冲突也随之增加，而当虚拟冲突增加时，接入点运行的后退状态生成算法会产生一个后退值较大的后退状态。因此，接入点基于同步中心化随机后退节点的数量计算虚拟冲突的平均数，该平均数用于自适应地确定虚拟竞争窗口大小。因此可以周期性自适应调整虚拟竞争窗口大小。

在具体描述本发明提出的自适应中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法之前，首先对本发明涉及的一些概念和术语进行简单的说明。

“同步节点”：是经过成功发送数据包，从而由接入点获取到后退状态的节点。

“收敛”：算法收敛，使得与接入点相连接的所有节点都是同步节点，且此时各节点之间不会发生冲突。

“虚拟冲突”：若随机选择的后退基数与其他同步节点的后退基数相等，则认为发生了虚拟冲突。

基于上述分析，下面将通过一个具体的实施例来详细介绍根据本发明的自适应中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法，由图1所示，该方法包括以下步骤：

s1，无线局域网中的发送节点根据其发送队列的状态，确定数据包的发送行为，并依据此发送行为将需要发送的数据包发送给接入点；由图2所示，具体包括以下步骤：

s101：数据包到达发送节点时，判断发送节点的发送队列是否为空：

若发送节点的发送队列为空，则跳转执行步骤s102，即执行csma/ca的dcf过程；

若发送节点的发送队列不为空，且发送节点没有成功传输过数据，即发送节点没有从接入点获取到唯一的后退基数k，则跳转执行步骤s103；

若发送节点的发送队列不为空，且发送节点已经成功传输过数据，即发送节点已经从接入点获取到唯一的后退基数k，则跳转执行步骤s104；

s102，发送节点开始侦听信道：

若信道空闲，则发送节点直接发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，接入点接收数据包；若数据未成功发送，则跳转执行步骤s103；

若信道忙，则发送节点在区间(0,2ⁱ·w0-1)中随机选取一个整数作为后退基数k，其中，i为重试次数，初始赋值为0；w0为802.11标准预设的最小竞争窗口大小；

发送节点进入后退状态，后退时间为k·t；其中，t为单个时槽持续时间；且发送节点在后退时持续侦听信道，若信道忙，则暂停后退时间计数，直至信道空闲再恢复后退时间计数；

后退结束时，发送节点发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，接入点接收数据包；若数据未成功发送，则跳转执行步骤s103；

s103，发送节点执行自适应后退过程，其中，重试次数i的初始赋值为0，自适应后退过程如下所示：

将重试次数i的值增加1，判断重试次数i是否超过最大重试次数m，若重试次数i超过最大重试次数m，则丢弃该数据包，结束该数据包的传输；若重试次数i未超过最大重试次数m，则发送节点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；其中，是自适应竞争窗口大小：

其中，为平均每个后退状态中虚拟冲突发生的次数，为同步节点的数目，所述同步节点是指：由于已成功发送过数据包，而从接入点获取到后退基数k的发送节点；

发送节点进入后退状态，后退时间为k·t；且发送节点在后退时持续侦听信道，若信道忙，则暂停后退时间计数，直至信道空闲再恢复后退时间计数；

后退结束时，发送节点发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，接入点接收数据包；若数据未成功发送，则重新执行步骤s103；

s104，发送节点基于从接入点获取到唯一的后退基数k，进入后退状态，后退时间为k·t；且发送节点在后退时持续侦听信道，若信道忙，则暂停后退时间计数，直至信道空闲再恢复后退时间计数；

后退结束时，发送节点发送数据包给接入点，若数据成功发送，则进入步骤s2，接入点接收数据包；若数据未成功发送，则跳转执行步骤s103；

s2，接入点在接收到该数据包后，为该数据包的发送节点产生一个唯一的后退基数k，并将此唯一的后退基数k发送给该数据包的发送节点；由图3所示，具体包括以下步骤：

s201，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；其中，i为重试次数，初始赋值为0；是自适应竞争窗口大小：是平均每个后退状态中虚拟冲突发生的次数，是同步节点的数目；

判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否与其他同步节点产生虚拟冲突，即判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否其他同步节点的后退基数k相等，若存在相等，即表示该发送节点与其他同步节点产生虚拟冲突，跳转执行步骤s202；若均不相等，即表示该发送节点与其他同步节点均不产生虚拟冲突，跳转执行步骤s203；

s202，判断重试次数i是否小于最大重试次数m，若重试次数i小于最大重试次数m，则将重试次数i的值增加1，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；若重试次数i不小于最大重试次数m，则重试次数i的值等于最大重试次数m，接入点在区间中随机选取一个整数作为后退基数k；

判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否与其他同步节点产生虚拟冲突，即判断随机选取的该发送节点的后退基数k是否其他同步节点的后退基数k相等，若存在相等，即表示该发送节点与其他同步节点产生虚拟冲突，重新执行步骤s202；若均不相等，即表示该发送节点与其他同步节点均不产生虚拟冲突，跳转执行步骤s203；

s203，接入点将随机选取的该发送节点的后退基数k发送给该发送节点；

s3，后续的，数据包再到达该发送节点时，发送节点根据其发送队列的状态以及根据其从接入点获取到的后退基数k的情况，确定该数据包的发送行为，并依据此发送行为将需要发送的数据包发送给接入点，即跳转执行步骤s104；

下面将通过具体的实验对本发明所述的自适应中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法进行仿真实验并给予说明。

本实验使用montecarlo网络模拟测试avba的实用性，实验参数的详细信息如表1所示，数据传输速率为56mbps，ack传输速率为6mbps，节点分布如图6所示，ap与节点间的距离从区间[2,5]米范围中按三角分布随机选取，并均匀分布在二维环状空间中，模拟实验重复100次。

表1

实验比较了本发明方法与dcf、g-dcf、确定性后退、crb方法，并基于吞吐率对本发明所述的自适应中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法的性能作出说明；所述吞吐率是节点在给定时间内发送数据的平均速率。

图7和图8对比了dcf、g-dcf、确定性后退、crb和本发明方法的总吞吐率。

图7显示了采用本发明方法时随着网络负载增加，吞吐率能增至35mbps。

图8显示当采用dcf时，吞吐率随着节点数增加快速下降。在采用g-dcf时，当节点数在[2，40]范围内增加，吞吐率会缓慢下降。g-dcf的最大吞吐率能达到30mbps。相比之下，三种采用能收敛到无竞争状态的方法：确定性后退、crb和avba，其吞吐率随着节点数增加而提升。其无竞争状态最大吞吐率能达到34-35mbps。在实验开始2秒时，在节点数目处于[14，40]范围时，avba吞吐率性能优于crb。在实验开始120秒时，本发明方法无论节点数目多少，均能达到35mbps的吞吐率。当节点数为30，本发明方法在120秒后的吞吐率优于crb27％。

图9和图10分别展示了当每5秒和每60秒增加5个节点时，吞吐率的变化情况。

图9显示了当时间处于10～15秒时，即网络中有15个节点，本发明方法的吞吐率高于其他所有方法，并且当节点数从15增加到60时，其吞吐率仍优于crb方法。

图10显示了当时间处于180-240秒时，即网络中有20个节点，avba的吞吐率高于其他所有方法。并且当节点数从20增加到60时，其吞吐率仍优于crb方法。

本发明方法能具有更高吞吐率的原因在于avba的自适应虚拟竞争窗口大小能根据网络中同步节点的数目动态调整，以减小冲突发生的概率。

本实例的实验结果说明了本发明所述的自适应中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法较现有信道接入协议有更高的吞吐率，能有效提升无线局域网络性能。

本发明所提供的自适应中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法，综合考虑了网络负载和节点数目，实现无竞争随机信道接入。

以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。

一种中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制系统，包括：发送节点、接入点。其中，

发送节点发送数据包给接入点时，若发送节点的当前发送队列为空，则采用载波侦听多路复用/冲突避免的分布式协调机制向接入点发送数据；

发送节点发送数据包给接入点时，若发送节点的当前发送队列不为空，且发送节点没有成功发送过数据，则该发送节点采用自适应的竞争窗口随机向接入点发送数据；

发送节点发送数据包给接入点时，若发送节点的当前发送队列不为空，且发送节点已经成功发送过数据，则该发送节点依照接入点为其分配的后退基数k进入后退状态并传输数据包。

接入点收到数据包后，为该数据包的发送节点产生一个唯一的后退基数k，并将该唯一的后退基数k发送给该发送节点。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。