一种基于动态窗口的连续传输方法与流程

本发明涉及可见光通信网络领域，更具体地，涉及一种基于动态窗口的连续传输方法。

背景技术：

在可见光通信网络中，多用户依据IEEE 802.15.7标准中定义的带冲突避免的多路访问控制机制(CSMA/CA)接入信道。如图1所示，在该机制中，网络中每个争用信道的节点在试图接入信道时保留两个参数NB和BE。NB为本次传输过程中该节点已经执行的退避算法的次数，与该节点所处的退避阶段(Backoff stage，BS)相对应，MAC层规定退避次数最大值为macMaxRABackoff。在开始尝试发送每个新的分组之前，NB的值都被初始化为0。BE则为退避算法中的退避指数，并且每次初始化的值为macMinBE。BE在每个退避阶段的值计算表达式为：

BE＝min(macMinBE+NB,macMaxBE) (13)

其中macMaxBE为BE最大值。当一个节点试图开始发送分组时，MAC层先对NB和BE进行初始化，然后计算退避时间的边界，每个退避阶段对应的退避时间边界计算为(2^BE-1)。然后节点将随机延时若干个完整的aBackoffperiod时间，延时aBackoffperiod的数目我们称其为退避时间，它将在区间(0,2^BE-1)中随机均匀选择，每过一个aBackoffperiod的时间减1。在退避延时计数减为0时，节点将会执行空闲信道评估(Clear-channel assessment，CCA)用于判断信道当前的状态。若CCA判定当前信道是空闲的，那么该节点就可以发送分组；若判定信道忙，则节点进入下一个退避状态。如果分组发送成功，则发送节点将会接收到确认帧(Acknowledgment frame，Ack)。如果在macAckWaitDuration时间内发送端没有接收到Ack，这种情况预示着可能在发送时发生了碰撞，那么该发送节点也将进入下一个退避阶段。无论哪种情况在进入下一个退避阶段时，节点都将更新NB和BE的值。若NB<macMaxRABackoff，则NB加1，BE按照公式(1)方法更新；若NB≥macMaxRABackoff，则该次传输失败丢弃该分组，继续新的传输。

在IEEE 802.15.7中，给出了macMinBE、macMaxBE、macMaxRABackoff等参数的默认值，在整个算法中这些参数的值为固定的。从上述随机接入过程的描述我们可以看出，该算法会不可避免地浪费一些带宽，因为每个节点无法获取网络中其它竞争节点的情况，会出现即使所有节点均有分组等待发送，但由于都处于退避时期却使信道空闲的情形。随着节点数目增加，又会使节点同时完成退避发生碰撞的概率增加。

如图2所示为饱和流量状态下CSMA/CA算法的节点状态转移模型。图中，一个状态会在一定条件下转移到另一个状态，例如，若空闲信道评估结果为信道闲，则节点将会从“空闲信道评估”状态转移到“传输状态”；若信道忙则节点将转移到“退避阶段”，进入下一个退避阶段继续退避，这里我们只考虑节点退避阶段没有超出macMaxRABackoff的情况。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提出一种基于动态窗口的连续传输(DCW-ST)方法，来改进现有的CSMA/CA机制，使该机制能够更有效地利用资源，提升网络性能。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

1.一种基于动态窗口的连续传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：在网络饱和流量情景下，即每个节点都始终有分组等待发送的情况，计算随节点数目变化的动态最小竞争窗口；

S2：当一个节点加入网络第一个分组到达时，该节点先初始化NB和CW的值，使NB＝0，CW＝w_min-csma，并且初始化动态最小竞争窗口的最大扩大次数的值为d；其中，NB为本次传输过程中该节点已经执行的退避算法的次数，CW表示动态最小竞争窗口的大小，w_min-csma表示现有CSMA/CA方案中最小竞争窗口的大小；

S3：节点在0到(CW-1)内随机选择退避时间的值，即延时aBackoffperiod的数目，当退避时间计时减为0时，节点开始做空闲信道评估：

如果发现信道空闲，则节点可以开始发送数据，然后等待接收端回复确认帧。

如果发现信道忙，则更新NB和CW的值，重新选择退避时间开始进入下一个退避阶段；

S4：NB与macMaxRABackoff比较，如果NB≤macMaxRABackoff则进入下一个退避阶段，反之则此次接入失败，等待下一次新的接入；

S5：如果节点在macAckWaitDuration时间内收到了确认帧，表示该次发送成功，那么分别计算下次发送分组时动态最小竞争窗口的大小以及下次首次退避时间；然后等待下一个分组到来并且准备就绪准备执行接入算法时，除了同样的初始化NB＝0外，应使CW＝w_opt(n)，其中，W_opt(n)归一化的网络吞吐量取得最大值时动态最小竞争窗口大小，退避时间取上次传输结束的计算值而非随机在竞争窗内选择；

如果确认帧等待超时，则执行和空闲信道评估检测到信道忙一样的程序。

在一种优选的方案中，步骤S1中，计算随节点数目变化的动态最小竞争窗口，其具体方法为：

用t_p，t_backoff，t_cca和t_ack分别表示节点发送一个分组所用的时间，发送该分组前用于退避的平均时间，发送该分组前用于空闲信道评估的平均时间和一次“接收或等待ACK”状态的时间；

在饱和流量情况下，用p表示该节点的传输概率，计算得：

因为退避时间在竞争窗中的选择是均匀的，故退避阶段0的平均退避时间为：

其中，W_min表示竞争窗中的大小，同理一个周期内节点处于退避阶段的平均时间可表示为：

其中为节点发送数据时处于退避阶段i的概率，M为最大退避次数，则上式可近似表示为：

其中γ与一个周期内节点经历的退避阶段次数有关，同理定义参数δ为一个周期内CCA执行的次数，T_cca为执行一次CCA所用时间，可得到：

t_cca＝δT_cca。 (18)

将(29)(30)代入(26)，我们得到节点传输概率的表达式：

用S表示归一化的网络吞吐量，可计算得：

S＝np(1-p)^n-1 (20)

其中，n表示网络中节点的个数，求S关于p的偏导数得S最大时的p值为：

S′＝n(1-p)^n-2(1-np)＝0

令w_opt(n)表示S取得最大值时动态最小窗口的大小，并将

(33)代入(31)可得：

另一方面，周期时延，即节点经历一整周期所用时间可表示为：

由(35)可知d_c与W_min成反比，公式(34)表明w_opt(n)随着n的增大而增大，为了在节点数目n的增大时控制d_c的增加，为W_min设置上限；由(26)式可得令w_min-csma表示现有CSMA/CA方案中最小竞争的大小，考虑p_csma＝p_opt的情况，即w_min-csma＝w_opt(n)，求得此时的n值为

由于n_cri可能为非整数，我们将其向上取整，得到动态最小竞争窗口的上界：

从而得到随节点数目变化的动态最小竞争窗口大小为：

w_dcw(n)＝min(w_opt(n),w_ub)。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明在IEEE 802.15.7CSMA/CA算法的基础上，针对小规模可见光通信网络流量饱和的情况，提出一种基于动态窗口的连续传输(DCW-ST)方法。首先，本发明基于对网络吞吐量的分析，得到使网络吞吐量最大化动态竞争窗口，然后基于对周期时延的分析，提出了兼顾吞吐量和时延的动态竞争窗口调节方法；进一步地，根据网络节点数目的情况，提出连续传输方案，以降低节点接入时延，从而达到网络吞吐量与时延的平衡，提高了信道资源利用效率。本发明所提出的DCW-ST方法相比于原CSMA/CA方案在吞吐量、时延方面均有提升。

附图说明

图1：节点随机接入信道过程示意图。

图2：饱和流量下的节点状态转移意图。

图3：本发明一种基于动态窗口的连续传输方法(DCW-ST)的算法流程图。

图4：归一化网络吞吐量曲线对比。

图5：动态情景归一化节点吞吐量曲线对比。

图6：平均时延曲线对比。

图7：动态情景时延曲线对比。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种基于动态窗口的连续传输方法。本发明对介质访问控制机制进行改进，提高了多用户访问信道时的网络性能。本发明关注饱和流量情景，即每个节点都始终有分组等待发送的情况。如图2所示为饱和流量状态下CSMA/CA算法的节点状态转移模型。图中，一个状态会在一定条件下转移到另一个状态，例如，若空闲信道评估结果为信道闲，则节点将会从“空闲信道评估”状态转移到“传输状态”；若信道忙则节点将转移到“退避阶段”，进入下一个退避阶段继续退避，这里我们只考虑节点退避阶段没有超出macMaxRABackoff的情况。

下面首先针对原CSMA/CA方案不能适应网络动态变化的缺点，对动态最小竞争窗口的实施方式进行说明。

考虑图2中从“退避阶段”到“接收或等待ACK状态”的一个循环，即该节点经过若干次“退避阶段”和“空闲信道评估”，一次“传输状态”和一次“接收或等待ACK”。用t_p，t_backoff，t_cca和t_ack分别表示节点发送一个分组所用的时间，发送该分组前用于退避的平均时间，发送该分组前用于空闲信道评估的平均时间和一次“接收或等待ACK”状态的时间。

在饱和流量情况下，我们考虑图2中从“退避阶段”到“接收或等待ACK状态”的一个循环，用p表示该节点的传输概率根据图2可计算得

因为退避时间在竞争窗中的选择是均匀的，故退避阶段0的平均退避时间为

同理一个周期内节点处于退避阶段的平均时间可表示为

其中为节点发送数据时处于退避阶段i的概率，M为最大退避次数。则上式可近似表示为

其中γ与一个周期内节点经历的退避阶段次数有关。同理定义参数δ为一个周期内CCA执行的次数，T_cca为执行一次CCA所用时间，可得到

t_cca＝δT_cca。 (30)

将(29)(30)代入(26)，我们得到DCW方案中节点传输概率的表达式

根据归一化网络吞吐量的定义，即用于成功传输的时隙在所有时隙中所占的比例，用S表示归一化的网络吞吐量，我们可计算得

S＝np(1-p)^n-1， (32)

其中，n表示网络中节点的个数。我们求S关于p的偏导数得S最大时的p值为

S′＝n(1-p)^n-2(1-np)＝0

令w_opt(n)表示S取得最大值时动态最小窗口的大小，并将

(33)代入(31)可得

另一方面，周期时延，即节点经历图2中一个周期所用时间可表示为

由(35)可知d_c与W_min成反比。公式(34)表明w_opt(n)随着n的增大而增大，为了在节点数目n的增大时控制d_c的增加，我们为W_min设置上限。由(26)式可得令w_min-csma表示原方案中最小竞争的大小，考虑p_csma＝p_opt的情况，即w_min-csma＝w_opt(n)，求得此时的n值为

由于n_cri可能为非整数，我们将其向上取整，得到竞争窗口的上界

从而得到本发明提出的随节点数目变化的动态最小竞争窗口大小为

w_dcw(n)＝min(w_opt(n),w_ub)。 (38)

为进一步提高信道资源利用率，降低时延，本发明提出一种连续传输方案。下面对本发明提出的基于动态竞争窗口连续传输方案进行说明。

在连续传输方案中，定义p_bo(n)为所有节点均处于退避状态或空闲信道评估状态的情况下，有且仅有一个节点退避时间减为0的概率。该概率的计算为

其中

在原CSMA/CA方案中，从一个节点接收到Ack到新一次的退避算法开始执行期间，网络中其余节点均处于退避状态或空闲信道评估状态，此时至少一个时隙浪费的概率为(1-p_bo(n))。因此根据该概率，为了尽可能地减少时隙的浪费，本发明提出对于上次传输成功的节点，在进行该次传输时，退避时间选取如下

基于上述理论设计，本发明提出的DCW-ST的信道接入方案算法的完整流程如图3所示。

当一个节点加入网络第一个分组到达时，该节点先初始化NB和CW的值，使NB＝0，CW＝w_min-csma。并且初始化窗口大小的最大扩大次数的值为d。接着，节点在0到(CW-1)内随机选择退避时间的值，即延时aBackoffperiod的数目。当退避时间计时减为0时，节点开始做空闲信道评估。如果发现信道空闲，则节点可以开始发送数据，然后等待接收端回复确认帧。如果发现信道忙，则根据图3所示方法更新NB和CW的值，重新选择退避时间开始进入下一个退避阶段。并且与此同时，NB需要与macMaxRABackoff比较，如果NB≤macMaxRABackoff则进入下一个退避阶段，反之则此次接入失败，等待下一次新的接入。如果节点在macAckWaitDuration时间内收到了确认帧，表示该次发送成功，那么它将根据分别按照公式(38)和公式(40)计算下次发送分组时最小竞争窗口的大小以及下次首次退避时间。然后等待下一个分组到来并且准备就绪准备执行接入算法时，除了同样的初始化NB＝0外，应使CW＝w_opt(n)，退避时间取上次传输结束的计算值而非随机在竞争窗内选择。如果确认帧等待超时，则执行和空闲信道评估检测到信道忙一样的程序。

为了更充分地阐述本发明所具有的有益效果，以下结合仿真分析及结果，我们进一步对本发明的有效性和先进性予以说明。仿真系统是由一个协调器和若干和节点组成的星型拓扑可见光通信网络。我们采用IEEE 802.15.7标准中的默认值设置参数值，初始化macMinBE＝3，macMaxBE＝5，macMaxRABackoffs＝4，d＝macMaxBE–macMinBE。

图4给出了本发明所提出的DCW-ST方案归一化网络吞吐量随节点数目变化的曲线，并与IEEE 802.15.7标准定义的CSMA/CA方案进行比较。如图4所示，本发明提出的DCW-ST方案相比于原方案，能实现更高的归一化网络吞吐量。进一步地，图5提供了动态情境下两个方案性能比较。仿真总共进行了10⁴个时间单位，节点数目变化为4,10,3,12。我们随机挑选一节点比较其在两个方案下吞吐量随时间的变化。图4证明进一步了本发明提出的方案能更好地适应网络变化，在节点数目变化的情况下吞吐量始终优于原方案。

另一方面，图6提供了DCW-ST方案与原方案接入时延的比较，接入时延指从节点开始执行退避算法时刻到接收到Ack确认帧所经历的时间。从图中可以看出，DCW-ST方案可以有效地降低时延，尤其是在节点数目少的时候，时延降低更为明显。图7比较了动态情境下两个方案的时延性能，结果证明了本发明提出的方案在动态情境下可以有效地降低节点的接入时延。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。本发明可以有各种合适的更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。