专利名称：一种基于拥塞程度概率p的无线竞争接入控制方法
技术领域：
本发明涉及无线网络通信技术领域，尤其是一种无线局域网的竞争接入 控制方法。
技术背景随着宽带无线技术和Internet的发展，无线局域网(WLAN)被广泛应用到 公共通信网不发达的状态下，如大学校园、医院、机场、大型超市等不适合 布线的环境中。但随着无线局域网用户的日益增加，网络负荷越来越重，如 何提高网络利用率，己成为无线局域网发展的一个有待解决的关键技术问题。在IEEE 802.11 DCF接入机制下，所有的节点在竞争共享的无线信道，碰 撞随着用户的增加而增大，从而导致网络吞吐率性能下降和时延增加，并且 还存在不公平性。为解决此问题，在无线局域网接入协议中引入了退避方法。 现有的退避方法主要有三种第一种是IEEE 802.11标准协议中所采用的二进 制指数退避方法(Binary Exponential Backoff algorithm)简称BEB;第二种是 基于"慢退避"机制的退避方法(Slow CS Decrease)简称SD—DCF;第三种 是基于分布式竞争控制机制的退避方法(Distributed Contention Control Mechanism)简称DCC。所述的二进制指数退避方法BEB己被应用于IEEE 802.11协议中。该方法通过竞争窗口和退避级数两个参数来解决碰撞问题。初始条件下退避级数 为0，竞争窗口值为最小值C7f^。在每次传输碰撞后，退避级数增加l，竞争 窗口值将翻倍直到达到最大值C『^。在每次成功传输后，退避级数变为0，竞争窗口恢复为最小值c『，。在网络拥塞程度低时，该方法显示出良好的性能，但当网络拥塞程度高时，网络中活跃节点多，大量无线网络节点在成功 发数据帧后，节点的竞争窗口值变为最小值，则各个节点发送数据帧的碰撞 概率增大，进而重新碰撞选择竞争窗口值。而重新碰撞选择竞争窗口值，会 导致更多无意义的碰撞，使得网络吞吐量迅速下降，整个网络性能恶化，不 适合高负荷的无线局域网使用。基于分布式竞争控制机制的退避方法DCC ，是由Luciano Bononi教授 等人提出的，其核心思想是引入了 "虚拟碰撞"的机制，在每次发送数据帧 时，利用高负荷网络中数据帧发送前的退避过程来记录网络当前的拥塞情况， 根据网络的拥塞程度来决定在退避结束后是否发送该数据帧。这种方法虽说 克服了原有BEB方法在网络繁忙时仍然盲目地发送数据帧的缺点，使得网络 不会进入持续恶化的状态。但是DCC方法仍然没有解决BEB方法原有的弊 端，即每次发送成功后将自己的竞争窗口盲目减为最小值，而没有根据网络 当前的拥塞状况合理地选取竞争窗口。因此当网络一直工作在高负荷状态下 时，每次数据帧成功发送均需要经历多次退避，导致时延增大和吞吐率性能 的下降。基于"慢退避"机制的退避方法SD_DCF，最早是由IEEE 802.11工作组 的强尼教授等提出。中国专利(专利申请号200410026210.4)公开一种采 用基于"慢退避"机制和DCC方法结合的退避方法，该方法主要用于解决当 网络工作在高负荷环境中多个竞争节点竞争单个业务信道时多次碰撞的问 题，其核心思想是在每次数据帧发送成功后，并不将竞争窗口值置为最小值， 而是将其减小至当前竞争窗口的相应倍数，从而减少数据帧的碰撞。该方适合高负载情况。但该方法并没有根据网络环境规划和拥塞程度，只是简单 的减小竞争窗口值，其会使时隙选择更加不均匀，有可能导致额外更多的碰 撞；它不能保证当前帧的成功接入，相反，盲目的等待退避结束后即将数据 帧发往无线信道有可能导致无线网络通信环境的进一步恶化。 发明内容本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中基于载波侦听冲突避免 CSMA/CA退避机制中存在的上述缺陷，设计一种基于概率P的无线局域网分 布式竞争控制的动态退避方法P—PBA (P-Persistent Backoff Algorithm),以解 决在高负荷网络中，现有的退避方法没有实时动态记录网络拥塞程度所造成 的高碰撞概率，无线局域网络在高负荷状态下时延增大和吞吐率性能下降的 问题。 .本发明解决上述技术问题的技术方案是基于节点执行退避的基本思想， 根据网络时隙利用率计算出设置节点竞争窗口值的拥塞程度概率P;控制处理 器根据概率P将节点竞争窗口值设为最小值，或者以(l-P)的概率保持竞争 窗口值不变，并根据竞争窗口随机选择退避计数器的值，以确定节点再次发 送数据帧的退避时隙数，其具体步骤如下待发送数据的节点根据当前竞争窗口，确定退避计数器的值后，从该时 隙起，执行退避过程，若该时隙信道空闲，退避计数器的值减l，如信道忙， 退避计数器冻结，冻结计数器加1以计算退避计数器被冻结的次数；根据退 避计数器被冻结的次数，估计信道忙的时隙数；节点控制器算法模块根据信 道忙的时隙数M^一5"^ —7Va/^和退避过程经过的总时隙数 S—f/;由时隙利用率根据公式P = 1-S—C/确定拥塞程度概率P， P可以反映网 络的拥塞程度，即P值较大时，网络拥塞程度小，当P值逐渐变小，网络拥 塞程度逐渐变大；接点控制处理器根据拥塞程度概率P值与节点产生的随机 数的比较结果设置节点的竞争窗口值，以此控制网络数据帧的碰撞。其中，节点退避计数器被冻结的次数可以作为对信道忙的估计，退避过 程经过的总时隙数包括空闲时隙数和信道忙的时隙数。在发送数据帧后，若 节点随机数小于概率P，则节点控制处理器将竞争窗口值设置为最小值，若随 机数大于概率P，竞争窗口值保持不变，若信道发生碰撞时，节点将竞争窗口 值翻倍直到达到最大值，并根据当前竞争窗口确定退避计数器的值。根据概率P值与节点生成随机数的值设置节点的竞争窗口值，在节点每 次发送数据成功后以概率P判断是否将竞争窗口变为最小值，从而有效地避 免了不必要的碰撞；信道发生碰撞时，翻倍竞争窗口值直到达到最大值，并 根据竞争窗口值选择退避计数器的值进行退避，以此控制网络数据帧的碰撞。本发明提出的基于拥塞程度概率P的无线局域网分布式竞争、实时动态 控制退避方法，可以满足现有的IEEE 802.11标准协议的要求，无需任何额外 的硬件开销和帧结构改变；本发明通过基于拥塞概率程度，动态控制节点的 竞争窗口的值，解决了标准协议没有记录网络拥塞程度的问题，有效的降低 碰撞概率，可保证在高负荷网络环境中节点仍然能够获得更好的时延性能及 低丢包率。
图1所示为基于概率的节点退避机制嵌入IEEE 802.11标准协议中的原理 示意图。
图2所示为本发明实现流程图。 图3所示为无线局域网系统网络吞吐量比较图。 图4所示为无限局域网系统接入时延比较图。
具体实施方式
本发明实现在IEEE 802.11标准协议中嵌入基于概率的节点退避机制，提 出一种基于P一PBA改进型的正EE 802.11协议，通过该改进的协议完成节点 对等待发送数据帧接入信道的控制。以下结合附图和具体实施例对本发明的 实施作进一步详细描述。如图1所示为将基于概率的节点退避机制嵌入IEEE 802.11标准协议中的 原理示意图。无线局域网中的各种移动终端，如手机、手提电脑等作为网络 节点，节点根据IEEE 802.11标准发送数据。本发明将动态调整节点的竞争窗 口值，通过时隙利用率，拥塞程度概率P确定竞争窗口值，来控制节点数据 发送。当数据帧成功传输后，以概率P设竞争窗口值为初始值，并根据竞争 窗口值按均匀分布原则随机选取退避计数器的值。若节点有数据帧要发送，初始化节点寄存器和退避计数器,并设置冻结计 数器值为0，根据最小竞争窗口值，按均匀分布原则随机产生退避计数器的值， 执行二进制指数退避过程，若该时隙信道空闲，退避计数器的值减l，如信道 忙，退避计数器冻结，冻结计数器加l。退避过程结束后，立即发送数据帧； 根据退避计数器被冻结的次数，确定信道忙的时隙数；算法模块根据信道忙 的时隙数和退避过程经过的总时隙数计算时隙利用率S—c/;由时隙利用率确定 拥塞程度概率P，节点产生一个0到1之间的均匀分布的随机数，比较模块对 该随机数与概率P进行比较；若随机数小于概率P，控制处理器设置节点的当
前竞争窗口值为最小值，反之则节点的竞争窗口值保持不变；当信道发生碰 撞时，若数据帧发送失败，节点控制器算法模块将竞争窗口值进行倍乘，使 竞争窗口值自动翻倍，直至达到物理层参数规定的最大值，将其作为最大竞 争窗口值，根据竞争窗口值选择退避计数器的值。 如图2所示为本发明的具体实现过程流程图。1、 首先对各寄存器和计数器进行初始化和更新，检测无线信道，根据信 道状态，设置各计数器当前值。初始化节点寄存器、退避计数器、冻结计数器；置记录退避计数器处于 冻结状态数值的冻结计数器值为0。具体包括如下步骤，初始化进入空闲状态， 检测模块检测是否有数据帧要发送，如有，检测当前时隙信道是否空闲，如 果空闲，将数据帧发送到共享信道，否则根据IEEE 802.11标准协议规定的在 最小竞争窗值内取值作为退避计数器的值，并令节点竞争窗口值的参数拥塞 程度概率P为1，同时冻结退避计数器的值为零。检测信道，执行退避过程， 若当前时隙信道不空闲，退避计数器冻结，冻结计数器加l;若当前时隙信道 空闲，退避计数器的值减l，判断模块判断其节点寄存器的值是否为0，如为 O将数据帧发送到共享信道，反复上述检测过程，直到退避计数器值变为O。2、 节点执行载波监听机制，估计网络拥塞状态，根据退避计数器被冻结 的次数和退避过程经过的总时隙数计算时隙利用率。节点执行载波监听机制，实时得到网络状态的信息。每个节点在发送数 据帧前执行退避方法，并检测信道状态，采集并记录该节点退避计数器被冻 结的次数即iV"w一^^一77m^ ，采集记录退避过程经过的总时隙数 m —Xwn7"6/e —s/她，即包括空闲时隙和信道忙的时隙，包括其他节点成功传
输和碰撞的时隙，由此，节点控制器算法模块调用公式S —77，，计算时隙利用率s "，即时隙利用率为退避计数 iV固_ j vm/"6/e _ s/她 —器被冻结次数与退避过程经过的总时隙的比值。3、执行竞争控制退避过程，由时隙利用率确定拥塞程度概率P，根据概 率P值与节点随机数的值设置竞争窗口值。节点的数据帧发送成功后根据概 率P值，判断是否将竞争窗口值设置为最小值，从而避免不必要的碰撞，若 发送数据帧发生碰撞时，则将翻倍竞争窗口值直到达到最大值。节点控制器算法模块根据时隙利用率调用公式P^—c/计算概率P，当节 点发送数据帧成功后，节点按均匀分布由随机函数产生一个0到1之间的随 机数random(O,l)，判断处理模块对随机数进行判断，若随机数小于概率P(即 Random(O，l) <P)，则节点控制处理器将竞争窗口值设置为标准协议规定的最 小值；若随机数大于概率P，节点的竞争窗口值保持不变，这样，节点的竞争 窗口值设置为最小值的概率为P，保持竞争窗口不变的概率为(l-P)。当共享的无线媒介中有两个或两个以上终端同时发送数据帧，数据帧发 生碰撞时，判断处理模块判断数据帧发送是否达到最大重传次数，如果达到， 反馈上层数据传送失败，并丢弃该数据帧，否则，控制处理器对竞争窗口的 值进行放大处理，将其值翻倍，重传计数器的值加1，判断处理模块进行判断， 当前竞争窗口的值是否达到最大(若当前竞争窗口值大于最大竞争窗口,则取 当前竞争窗口值作为最大竞争窗口值)，根据更新的竞争窗口的值，选择退避 计数器的值。根据概率P值与节点随机数的值设置节点的竞争窗口值，在节 点每次发送成功后将根据概率P判断竞争窗口是否变为最小值，从而避免了 不必要碰撞，信道发生碰撞时，将翻倍竞争窗口值直到达到最大值，并根据
竞争窗口值选择退避计数器的值，以此控制网络数据的碰撞。当完成上述处理过程，数据帧发送完毕，准备发送下一数据帧。基于P_PBA的控制方法在节点发送数据帧成功后，按一定的概率P将竞 争窗口值变为最小值，否则以概率l-P保持竞争窗口不变。由于IEEE 802.11中节点执行载波监听机制，因此时隙利用率很容易得到， 无需任何其他硬件上的要求，也没有带来其他开销。在网络负载轻时，时隙 利用率小，时隙利用率为一个
之间的数，随着时隙利用率的增大，就意 味着数据帧发生碰撞的概率就越大，因此，本发明根据概率能够实时映射网 络的拥塞程度。P_PBA方法通过执行载波监听机制，使各个节点独立获得概率 P，节点根据概率P设置竞争窗口的值为最小值，即在节点每次发送成功后将 以概率P判断竞争窗口是否为最小值，从而避免了不必要的碰撞。根据拥塞 程度，按设置的竞争窗口值随机选取退避计数器的值。如果网络中活跃节点较少，则时隙利用率比较低，概率P值就会比较高， 节点成功发送数据帧后，竞争窗口会以高概率变为初始值，减少产生的空闲 时隙。若网络中活跃节点比较多，时隙利用率会很高，概率P值很小，节点 发送成功后，竞争窗口值会以高概率维持不变。本发明采用的P—PBA方法利 用载波监听机制，通过记录退避过程时隙的状态(忙或空闲)，计算概率P， 能实时根据当前网络状态，动态的优化退避方法，提高无线信道的利用率， 减少了发生碰撞的可能性，提高系统的吞吐率，得到较好的网络性能。该方 法能够获得好的信道共享性，较好的避免了时隙选择概率的不均匀性，减少 由此产生的碰撞。并且，P—PBA方法可以通过参数P，来支持优先级服务或 QoS区分服务。
为了检验IEEE 802.11标准协议使用各种退避方法的性能，将本发明方 法与IEEE 802.11标准退避方法、 一阶SD方法进行仿真比较，我们在 100xl00m2的区域内放置64个节点，各节点通信半径300m，节点每秒产生数 据包平均为20个，选取两种平均大小为128byte和1024byte的数据帧，分别代 表短帧业务和长帧业务进行时延。在开始时有8个活跃节点，每50秒增加8 个活跃节点，350秒后不再增加新的活跃节点。该过程通过网络中活跃节点的 增多，网络拥塞程度不断加大，来考察各方法的性能，仿真参数如表l所示。
表l IEEE802.il仿真参数表
数据速率 (Mbps)物理层特 性短帧允许 重传次数长帧允许 重传次数缓冲区 (bit)时隙长度 (us)SIFS时长最小竞争窗口最大竞争窗口 (us)(时隙数)(时隙数)网络规模
11直扩7425垂2010 31 1023100x100
我们选取网络的接入时延，吞吐量性能指标进行比较。
在相同的节点个数和数据帧业务下，本发明P一PBA方法的吞吐量均优于 SD方法和802.11方法，主要因为P—PBA方法根据节点的时隙利用率， 准确的记录节点网络的拥塞程度。节点通过概率P来确定竞争窗口的大小， 规划节点的下次发送动作，降低了碰撞的概率，改善了网络的吞吐率。
图3所示为无线局域网系统网络吞吐量比较图(帧长为1024byte)。
显示了活跃节点由8个递增到64个时，802.11标准退避方法、 一阶SD 方法和P_PBA方法对于长数据帧业务网络的吞吐量比较。图中横坐标为仿真 时间(单位秒)，纵坐标为无线局域网系统吞吐量(单位为比特每秒)。
节点较少时(少于32个时)，三种方法的吞吐量基本一致。而当节点数超 过32个，三种方法的吞吐量开始下降。802.11标准退避方法，急剧下降， 其次，SD一DCF方法，而本发明的P一PBA方法的吞吐量性能均高于其他两种 方法。该仿真曲线表明，本发明方法的吞吐量性能在不同的网络规模下，均
优于其他两种方法。我们可以看出，802.11标准退避方法随着节点的增多， 吞吐量也在不断增大，在达到一定程度后，开始急剧下降，这是由于随着活 跃节点的增多，碰撞概率增大，造成重传次数增多，导致网络性能恶化。
在网络拥塞程度轻时，退避空闲时隙多，时隙利用率低，节点的竞争窗 口在发送成功后，能以大概率变为最小值，减少了空闲的退避时隙。随着活 跃节点的增多，网络的拥塞程度升高，时隙利用率变大，节点的竞争窗口值 以大概率保持不变，减少了碰撞的概率。在标准协议性能急剧恶化时，P一PBA 方法保持了良好的吞吐率，在同等条件下，吞吐率也优于SD方法。
图4所示为无线局域网系统接入时延比较图(帧长为1024byte)。图中显 示了活跃节点由8个递增到64个时，802.11标准退避方法、 一阶SD方法和 P—PBA方法对于长数据帧网络的接入时延比较。图中横坐标为仿真时间(单 位秒)，纵坐标为无线局域网系统接入时延(单位为秒)。
对无线局域网系统接入时延进行对比同上述系统吞吐量比较，随着网络 节点数的增加，各种方法的时延都在增加，本发明的P一PBA方法的时延增长 最小，SD一DCF方法次之，802.11标准退避方法增加最快。
权利要求
1、一种基于拥塞程度概率P的无线局域网分布式竞争控制退避方法P_PBA，其特征在于，该方法包括以下步骤，根据当前节点竞争窗口值，确定退避计数器的值；检测信道状态，执行退避过程，计算退避计数器被冻结的次数；根据退避计数器被冻结的次数估计信道忙的时隙数；算法模块根据信道忙的时隙数Num_Busy_Times和退避过程经过的总时隙数Num_Available_slots计算时隙利用率S_U；由时隙利用率根据公式P＝1-S_U确定拥塞程度概率P；节点控制处理器根据拥塞程度概率P值与节点产生的节点随机数的比较结果设置节点竞争窗口值，以此控制网络数据的碰撞。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述退避过程的执行具体 包括，如果检测时隙信道空闲，退避计数器的值减1，若检测时隙信道不空闲， 退避计数器冻结，冻结计数器加l，直到退避计数器的值为0。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，算法模块调用公式= 肠-丑""廳，计算拥塞程度概率P。
4、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，节点随机数为节点按均匀 分布由随机函数产生的0到1之间的随机数。
5、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置节点的竞争窗口值的 步骤具体包括，在节点成功发送数据帧后，若节点随机数小于概率P，则节点 控制处理器将竞争窗口值设置为最小值；若节点随机数大于概率P，竞争窗口 值保持不变；当节点发送数据帧产生碰撞时，竞争窗口值翻倍直到达到物理 层参数规定的最大竞争窗口值。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，退避过程经过的总时隙数 包括空闲时隙数和信道忙的时隙数。
7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于竞争窗口值设置为最小值 的概率为P，保持竞争窗口不变的概率为(l-P)，若当前竞争窗口值大于最大 竞争窗口值，则取当前竞争窗口值作为最大竞争窗口值。
全文摘要
本发明请求保护一种基于概率P的无线局域网分布式竞争控制退避方法，涉及无线通信技术。该方法基于节点执行退避基本思想，通过执行载波监听机制，节点估计网络拥塞状态，根据信道忙的时隙数和退避过程经过的总时隙数计算时隙利用率，并由此确定拥塞程度概率P，根据概率P值与节点随机数设置节点的竞争窗口值，在节点每次发送成功后将以概率P判将竞争窗口是否变为最小值。从而避免了不必要碰撞。信道发生碰撞时，将翻倍竞争窗口值直到达到最大值，并根据竞争窗口确定退避计数器的值，以此控制网络数据的碰撞。本发明以现有的IEEE 802.11标准协议为基础，无需其它硬件要求，完全分布式，其吞吐率、时延等性能均优于现有退避方法。
文档编号H04L29/06GK101127661SQ20071009271
公开日2008年2月20日 申请日期2007年9月18日 优先权日2007年9月18日
发明者刘宴兵, 红 唐, 川 徐, 杨茜惠, 金 赵 申请人:重庆邮电大学