一种无线自组织网络中避免发送冲突的可进化调度方法
【专利摘要】本发明提供一种无线自组织网络中避免发送冲突的可进化调度方法。技术方案包括以下步骤：步骤（一）：修改标准协议中的帧格式；步骤（二）：设置发送节点的相关初始值；步骤（三）：发送节点发送数据；步骤（四）：目标节点返回信息；步骤（五）：发送节点判断冲突情况，并调节下一发送周期的数据包发送时刻。本发明技术方案简单、收敛速度快，对网络节点能力要求低，也不会给网络带来额外负载。
【专利说明】—种无线自组织网络中避免发送冲突的可进化调度方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信网络【技术领域】，涉及一种无线自组织网络中避免发送冲突的可进化调度方法。
【背景技术】
[0002]在基于IEEE802.11MAC协议的无线自组织网络中，当地理位置临近的两个节点同时用同一频段向它们各自的目标节点发送数据时，会引起发送冲突导致他们的目标节点不能正确接收到数据。这种发送冲突会引发数据的重传，进而引起数据传输延迟的增大、吞吐量性能的下降和网络无线资源的浪费。
[0003]目前无线自组织网络中常用的避免发送冲突的调度方法有基于退避机制调节的方法和基于时隙预留的方法。基于退避机制调节的方法是每个发送节点分别选择不同的避退时间长度，避免两个发送节点在同一时刻结束退避后同时开始发送数据，其代表性的算法包括L-BEB和L-MAC。基于时隙预留的方法的思想是为不同的发送节点预留不同的时隙，避免它们同时传输，从而避免冲突，其代表性的算法包括ZC和L-ZC。其中，L-MAC和 L-ZC 是文献“M.Fang, et al., Decentralised learning MACs for collision-freeaccess in WLANs, Springer Wireless Networks, May2012”中提出的两种方法，ZC和 L-BEB则分别是文献“J.Lee and J.ffalrand, Design and analysis of an asynchronous zerocollision MAC protocol, vol.Tech.Rep.UCB/EECS-2007-63, 2007”和文献“J.Barcelo, etal., Learning-BEB:Avoiding Collisions in WLAN, Eunice Summer School2008，，中给出的方法。但是，在无线自组织网络中，基于退避机制调节的方法和基于时隙预留的方法主要有四个问题。首先，每个发送节点都是分别随机进行发送时间的调整，这种调整往往需要迭代很多次才能达到各发送节点无冲突的发送，收敛速度慢。其次，当前的方法中都是假设每个发送节点发送一个数据包所占用的时间都相同，这种假设在实际中并不总是满足。第三，这些方法都依赖于节点对网络中空闲时间段这一信息的认知，但为了获得这一信息网络会带来额外的网络开销。第四，发生发送冲突后，发送节点在下一次发送数据包时都是以更高的概率选择网络空闲的时间段，但事实上这种方法并不高效，而且在网络负载较高的情况下，可能永远无法达到无冲突发送的状态。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供一种更简单、收敛速度更快、更适合于无线自组织网络的避免发送冲突的可进化调度方法。
[0005]本发明的基本思路是:各网络节点分别判断发送的数据包所发生冲突的情况，按照设定的准则调节该节点下一个发送周期内的数据包发送时刻，每次调节都会使该节点发生冲突的概率减小，且调节步长会随着冲突的情况自适应的调节，这样通过若干次调节后可以快速达到无冲突的发送。
[0006]技术方案包括以下步骤:[0007]步骤(一):修改标准协议中的帧格式
[0008]基于IEEE802.11标准协议，修改数据包MPDU的帧格式:把CRC域移动到MACheader域之后；修改ACK的巾贞格式:在Receiver address域和FCS域之间增加1字节的数据域RES，数据域RES的初始值为0。
[0009]步骤(二):设置发送节点的相关初始值
[0010]对网络中的任意发送节点S，设置调节步长的初始值是数据包发送时间长度的二分之一，连续缩短步长的次数为零，在发送周期内随机选择某一时刻作为发送时刻。
[0011]步骤(三):发送节点发送数据
[0012]发送节点S在设置的发送时刻发送数据包给目标节点D。
[0013]步骤(四):目标节点返回信息
[0014]如果目标节点D正确接收上述数据包，则在规定的时间内向发送节点S发送ACK帧；如果目标节点D不能正确接收上述数据包，但所接收到上述数据包的CRC域能顺利通过校验，则目标节点D将ACK帧中的数据域RES的值修改为1，并在规定时间内发送ACK帧给发送节点S ;其他情况下，目标节点D不发送任何信息给发送节点S。
[0015]步骤(五):发送节点判断冲突情况，并调节下一发送周期的数据包发送时刻
[0016](a):如果发送节点S在规定时间内收到ACK帧，并且该ACK帧中数据域RES的值为0，则返回步骤(三)开始新一轮的数据发送。
[0017](b):如果发送节点S在规定时间内收到ACK帧，并且该ACK帧中数据域RES的值为1，则发送节点S检查前面两个发送周期的调节状态是否满足条件一:
[0018]条件一:前面两次发送周期的调节状态按时间顺序依次为推后和提前；
[0019]情况①，如果满足条件一，则发送节点S将调节步长设为前一发送周期的调节步长的二分之一，并将连续缩短步长的次数加1;
[0020]如果连续缩短步长次数小于5次，发送节点S在下一发送周期将发送时刻提前，提前的时间长度等于调节步长的长度，然后返回步骤(三)开始新一轮的数据发送；如果连续缩短步长次数不小于5次，则将连续缩短步长的次数置零、调节步长恢复到初始值，发送节点S进行退避，退避的时间长度为发送周期时长的N倍，N是1至5之间的某一随机整数，退避完成后在发送周期内随机选择某一时刻作为数据包的发送时刻，然后返回步骤(三)开始新一轮的数据发送。
[0021]情况②:如果不满足条件一，则发送节点S在下一发送周期将发送时刻提前，提前的时间长度等于调节步长的初始值，然后返回步骤(三)开始新一轮的数据发送。
[0022](c):如果发送节点S在规定时间内没有收到ACK帧，则发送节点S检查前面两次发送周期的调节状态是否满足条件二:
[0023]条件二:前面两次发送周期的调节状态按时间顺序依次为提前和推后；
[0024]情况①，如果满足条件二，则发送节点S将调节步长设为前一发送周期的调节步长的二分之一，并将连续缩短步长的次数加1 ;
[0025]如果连续缩短步长次数小于5次，发送节点S在下一发送周期将发送时刻推后，推后的时间长度等于调节步长的长度，然后返回步骤(三)开始新一轮的数据发送；如果连续缩短步长次数不小于5次，则将连续缩短步长的次数置零、调节步长恢复到初始值，发送节点S进行退避，退避的时间长度为发送周期时长的N倍，N是1至5之间的某一随机整数，退避完成后在发送周期内随机选择某一时刻作为数据包的发送时刻，然后返回步骤(三)开始新一轮的数据发送。
[0026]情况②:如果不满足条件二，则发送节点S在下一发送周期将发送时刻推后，推后的时间长度等于调节步长的初始值，然后返回步骤(三)开始新一轮的数据发送。
[0027]本发明的有益效果是:
[0028]本发明克服现有无线自组织网络冲突避免机制中收敛速度慢、基于相同数据包长度的假设、依赖于对信道空闲时间段的认知和发送节点以过高概率选择网络空闲时间段发送数据的缺点，提供一种更简单、收敛速度更快、更适合于无线自组织网络的避免发送冲突的可进化调度方法。通过本发明步骤(五)的判断，只需要发送节点识别其本身发送数据包所发生冲突的位置，进而有针对性的调节其在下一个发送周期内的数据包发送时刻，可快速收敛到无冲突传输的状态。本发明不需要其他额外的任何辅助手段，对网络节点能力要求低，也不会给网络带来额外负载。实验表明本发明效果好、迭代过程收敛速度块。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明提供的避免发送冲突的可进化调度方法的原理流程示意图；
[0030]图2是本发明基于IEEE802.11标准协议中帧格式修改的MPDU帧格式和ACK帧格式示意图；
[0031]图3是在实验室利用Matlab仿真软件对本发明的有效性进行验证的结果；
[0032]图4是通过Matlab仿真软件对本发明的收敛性进行测试并与现有几种典型方法的比较结果图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0034]图1是本发明提供的避免发送冲突的可进化调度方法的原理流程示意图，包括五个步骤:步骤(一)，基于IEEE802.11标准协议，修改数据包MPDU的帧格式和ACK帧格式；步骤(二)，设置发送节点的相关初始值；步骤(三)，发送节点发送数据；步骤(四):目标节点根据接收数据包的情况返回信息；步骤(五):发送节点判断冲突情况，将冲突情况分成(a)、(b)、(c)三种情况进行处理，并且(b)、(c)两种情况再分别分成情况①和情况②进行处理。需要说明的是，
【发明内容】
中提及的“前面两次发送周期的调节状态按时间顺序依次为推后和提前”，其中推后是指当前发送周期的发送时刻比前一发送周期的发送时刻从发送周期所定义的时间轴范围内有推迟；提前是指当前发送周期的发送时刻比前一发送周期的发送时刻从发送周期所定义的时间轴范围内有提前，即当前发送周期的发送时刻比前一发送周期的发送时刻更靠近其各自发送周期的起始点。
[0035]图2是本发明基于IEEE802.11标准协议中帧格式修改的MPDU帧格式和ACK帧格式示意图。其中图2(a)为IEEE802.11标准协议中原来MPDU帧的格式，图2(b)为修改后MPDU帧的格式，修改后CRC域位于MAC Header域和MSDU域之间。修改MPDU的帧格式的目的是使CRC域能够整体保护PLCP preamble, PLCP header和MAC header三个域。图2 (c)为IEEE802.11标准协议中原来ACK帧的格式，图2 (d)为修改后ACK帧的格式，修改后的帧在Receiver Address域和FCS域之间添加了 RES域。[0036]图3是在实验室利用Matlab仿真软件对本发明的有效性进行验证的结果。其中横坐标代表发送时间，纵坐标代表网络中包含的5个发送节点(即节点1到节点5)，每个发送节点的发送周期长度均为10ms。图3(a)为网络中5个发送节点在本发明设计的调度方法执行之前的数据包发送情况，灰色方框代表发送数据包所占用的时间。可以看到发送的5个数据包中节点3和节点5的数据包在时间上有重叠的部分，节点1、节点2和节点4的数据包在时间上也都有重叠的部分，这些重叠的部分会导致冲突。图3(b)为执行本发明设计的调度方法并经过5次迭代调整后的情况，我们可以看到5个数据包已在时间上完全区分开，因此不会发生冲突。
[0037]图4是通过Matlab仿真软件对本发明的收敛性进行测试并与现有几种典型方法的比较结果图。其中横坐标是发送节点数，纵坐标是达到无冲突传输所需要的迭代次数。图中实线加?表示代表本发明，用E-MAC表示；虚线加□代表L-MAC;实线加△代表L-BEB ；实线加+代表L-ZC;虚线加〇代表ZC。仿真采用1000次蒙特卡罗仿真，每次仿真中发送节点采用的发送周期长度都为10ms时间，而每个发送节点发送数据包所占用的时间长度在每一次仿真中都从lOOus到1ms随机选择，图中给出的结果是1000次仿真的平均值。可以看出本发明给出的方法E-MAC所需要的收敛次数最低，而且随着发送节点数的增多，其所需要收敛次数的增长速度最慢。`
【权利要求】
1.一种无线自组织网络中避免发送冲突的可进化调度方法，其特征在于，包括下述步骤:步骤①:修改标准协议中的帧格式:基于IEEE802.11标准协议，修改数据包MPDU的帧格式:把CRC域移动到MAC header域之后；修改ACK的帧格式:在Receiver address域和FCS域之间增加1字节的数据域RES,数据域RES的初始值为0 ;步骤②:设置发送节点的相关初始值:对网络中的任意发送节点S，设置调节步长的初始值是数据包发送时间长度的二分之一，连续缩短步长的次数为零，在发送周期内随机选择某一时刻作为发送时刻；步骤③:发送节点发送数据:发送节点S在设置的发送时刻发送数据包给目标节点D ；步骤④:目标节点返回信息:如果目标节点D正确接收上述数据包，则在规定的时间内向发送节点S发送ACK帧；如果目标节点D不能正确接收上述数据包，但所接收到上述数据包的CRC域能顺利通过校验，则目标节点D将ACK帧中 的数据域RES的值修改为1，并在规定时间内发送ACK帧给发送节点S ;其他情况下，目标节点D不发送任何信息给发送节点S ；步骤⑤:发送节点判断冲突情况，并调节下一发送周期的数据包发送时刻:1:如果发送节点S在规定时间内收到ACK帧，并且该ACK帧中数据域RES的值为0，则返回步骤③开始新一轮的数据发送；I1:如果发送节点S在规定时间内收到ACK帧，并且该ACK帧中数据域RES的值为1，则发送节点S检查前面两个发送周期的调节状态是否满足条件一:条件一:前面两个发送周期的调节状态按时间顺序依次为推后和提前；情况①，如果满足条件一，则发送节点S将调节步长设为前一发送周期的调节步长的二分之一，并将连续缩短步长的次数加1;如果连续缩短步长次数小于5次，发送节点S在下一发送周期将发送时刻提前，提前的时间长度等于调节步长的长度，然后返回步骤③开始新一轮的数据发送；如果连续缩短步长次数不小于5次，则将连续缩短步长的次数置零、调节步长恢复到初始值，发送节点S进行退避，退避的时间长度为发送周期时长的N倍，N是1至5之间的某一随机整数，退避完成后在发送周期内随机选择某一时刻作为数据包的发送时刻，然后返回步骤③开始新一轮的数据发送；情况②:如果不满足条件一，则发送节点S在下一发送周期将发送时刻提前，提前的时间长度等于调节步长的初始值，然后返回步骤③开始新一轮的数据发送；II1:如果发送节点s在规定时间内没有收到ACK帧，则发送节点S检查前面两个发送周期的调节状态是否满足条件二:条件二:前面两个发送周期的调节状态按时间顺序依次为提前和推后；情况①，如果满足条件二，则发送节点S将调节步长设为前一发送周期的调节步长的二分之一，并将连续缩短步长的次数加1;如果连续缩短步长次数小于5次，发送节点S在下一发送周期将发送时刻推后，推后的时间长度等于调节步长的长度，然后返回步骤③开始新一轮的数据发送；如果连续缩短步长次数不小于5次，则将连续缩短步长的次数置零、调节步长恢复到初始值，发送节点S进行退避，退避的时间长度为发送周期时长的N倍，N是1至5之间的某一随机整数，退避完成后在发送周期内随机选择某一时刻作为数据包的发送时刻，然后返回步骤③开始新一轮的数据发送； 情况②:如果不满足条件二，则发送节点S在下一发送周期将发送时刻推后，推后的时间长度等于调节步长的初始值，然后返回步骤③开始新一轮的数据发送。
【文档编号】H04W84/18GK103687041SQ201310692430
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】赵海涛, 魏急波, 王杉, 习勇, 马东堂, 黄圣春, 王欣 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学