本发明涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种信道分配方法及网络系统。
背景技术：
随着wlan(wirelesslocalareanetworks，无线局域网络)的不断发展，wlan广泛应用于各个领域。目前ieee802.11系列标准是wlan系统的主流标准，mac(mediumaccesscontrol，介质访问控制)层是其研究的重点之一。
在目前的ieee802.11系列标准中，主要通过802.11dcf(distributedcoordinationfunction，分布式协调功能)机制实现信道共享。通常采用beb(binaryexponentialbackoff，二进制指数退避)算法来避免站点碰撞。
在802.11dcf机制中，当某个站点有数据要发送时，该站点首先侦听信道，若信道空闲，则继续侦听一个difs(distributedinter-framespacing，分布式帧间间隙)，在(0，cw)内随机选择退避时间，其中，cw为竞争窗口大小。若在此期间内信道一直空闲，则该站点当退避时间减少到0时，发送mac帧，开始传输数据。若在此期间侦听到信道忙，则该站点冻结退避计数器，等待信道空闲后再继续递减。在上述过程中，cw从最小值7开始，每发生一次碰撞，cw就会成倍增长，直至增加到最大值255。
由此可见，在802.11dcf机制中，信道利用率很低，尤其在网络状态趋于饱和时，在高密度网络条件下的dcf机制的信道碰撞会急剧增加，高碰撞率将导致系统吞吐量大幅下降，出现性能异常和时延增加等问题，难以保证各个站点的数据业务传输质量。
技术实现要素：
为了克服现有技术中的上述不足，本发明提供一种信道分配方法及网络系统，其通过将信道竞争与数据传输进行解耦，解耦为信道竞争及数据传输两个阶段，每个阶段有对应的管控机制，可有效提高信道的利用率，提升整个系统的吞吐量，保证各个站点的数据业务传输质量。
本发明较佳实施例的第一目的在于提供一种信道分配方法，所述方法应用于网络系统，所述网络系统包括相互通信连接的至少一个接入点及多个站点，所述站点按照通信周期与所述接入点进行数据通信，每个通信周期包括信道竞争阶段及数据传输阶段，所述方法包括：
当网络系统处于信道竞争阶段时，需要传输数据的多个站点进行信道竞争，接入点将具备信道占用条件的站点加入竞争队列；
当所述信道竞争阶段结束时，接入点发送用于告知信道竞争阶段结束数据传输阶段开始的信标帧给多个站点；
所述多个站点按照所述竞争队列的队列顺序依次与所述接入点进行数据传输，直到所述竞争队列为空。
本发明较佳实施例的第二目的在于提供一种网络系统，所述网络系统包括相互通信连接的至少一个接入点及多个站点，所述站点按照通信周期与所述接入点进行数据通信，每个通信周期包括信道竞争阶段及数据传输阶段；
当网络系统处于信道竞争阶段时：
需要传输数据的多个站点，用于进行信道竞争；
接入点，用于将具备信道占用条件的站点加入竞争队列；
当所述信道竞争阶段结束时：
所述接入点，还用于发送用于告知信道竞争阶段结束数据传输阶段开始的信标帧给多个站点；
所述多个站点按照所述竞争队列的队列顺序依次与所述接入点进行数据传输，直到所述竞争队列为空。
相对于现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
本发明较佳实施例提供一种信道分配方法及网络系统。所述方法应用于网络系统，所述网络系统包括相互通信连接的至少一个接入点及多个站点，所述站点按照通信周期与所述接入点进行数据通信，每个通信周期包括信道竞争阶段及数据传输阶段，所述方法包括：当网络系统处于信道竞争阶段时，需要传输数据的多个站点进行信道竞争，接入点将具备信道占用条件的站点加入竞争队列。当所述信道竞争阶段结束时，接入点发送用于告知信道竞争阶段结束数据传输阶段开始的信标帧给多个站点。所述多个站点按照所述竞争队列的队列顺序依次与所述接入点进行数据传输，直到所述竞争队列为空。由此，通过将信道竞争与数据传输解耦为两个阶段，每个阶段有对应的管控机制，可避免发生在高密度网络条件下信道碰撞急剧增加的情况，可有效提高信道的利用率，提升整个系统的吞吐量，保证各个站点的数据业务传输质量。并且，在高密度网络条件下，本方案可考虑延长竞争阶段周期，从而降低信道竞争冲突概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明较佳实施例提供的网络系统10的通信示意图。
图2是本发明较佳实施例提供的信道分配方法的步骤流程图之一。
图3为本发明较佳实施例提供的图2中步骤s110的子步骤的流程示意图之一。
图4为本发明较佳实施例提供的图2中步骤s110的子步骤的流程示意图之二。
图5为本发明较佳实施例提供的信道竞争阶段的站点竞争示意图。
图6为本发明较佳实施例提供的图2中步骤s140的子步骤的流程示意图。
图7为本发明较佳实施例提供的数据传输阶段的队列变化示意图。
图8是本发明较佳实施例提供的信道分配方法的步骤流程图之二。
图标：10-网络系统；100-接入点；200-站点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
请参照图1，图1是本发明较佳实施例提供的网络系统10的通信示意图。所述网络系统10包括相互通信连接的至少一个接入点100及多个站点200。所述站点200可按照通信周期与所述接入点100进行数据通信，每个通信周期包括信道竞争阶段及数据传输阶段。
在本实施例中，所述接入点100可以是，但不限于，基站、ap(accesspoint，无线接入点)等。所述站点200可以是，但不限于，个人电脑(personalcomputer，pc)、平板电脑、智能手机、个人数字助理(personaldigitalassistant，pda)、穿戴设备等。
请参照图2，图2是本发明较佳实施例提供的信道分配方法的步骤流程图之一。所述方法应用于上述的网络系统10，所述网络系统10包括相互通信连接的至少一个接入点100及多个站点200，每个站点200可按照通信周期与所述接入点100进行数据通信，每个通信周期包括信道竞争阶段及数据传输阶段。下面对信道分配方法的具体流程进行详细阐述。
步骤s110，当网络系统10处于信道竞争阶段时，需要传输数据的多个站点200进行信道竞争，接入点100将具备信道占用条件的站点200加入竞争队列。
在本实施例中，所述多个站点200是指与所述接入点100关联的站点200。
请参照图3，图3为本发明较佳实施例提供的图2中步骤s110的子步骤的流程示意图之一。所述步骤s110包括子步骤s111、子步骤s112、子步骤s113、子步骤s114、子步骤s115及子步骤s116。
子步骤s111，需要传输数据的多个站点200在预设退避值范围内选择一个退避值。
在本实施例中，在信道竞争阶段，需要传输数据的多个站点200在预设退避值范围(比如：[0，n-1])内随机选择一个固定值作为退避值。其中，n值表示网络系统10中需要传输数据的站点200的数目。所述预设退避值范围可根据实际需求进行设定。
子步骤s112，每个站点200检测选择的退避值是否为0。
当存在退避值为0的站点200时，执行子步骤s113。
当存在退避值不为0的站点200时，执行子步骤s116。
子步骤s113，所述退避值为0的站点200发送信道请求帧给所述接入点100，并检测是否发生信道冲突。
在本实施例中，所述信道请求帧可以是，但不限于，dtr帧(datatransactionrequest，数据传输请求)。所述退避值为0的站点200通过发送dtr帧，以告诉所述接入点100该站点200有数据需要传输，可竞争信道进行数据传输。
在本实施例中，与传统的dcf机制采用mac帧来竞争信道相比，本方案在信道竞争阶段采用dtr帧来竞争信道。由于dtr帧占用的空间较小，即使产生信道冲突导致dtr数据丢失，也不会造成太大的损失。
若未发生冲突，执行子步骤s114，所述站点200具备信道占用条件。
在本实施例中，若未发生信道冲突，则表明当前没有其他站点200与所述站点200竞争信道，可判定所述站点200具备信道占用条件。
若发生冲突，执行子步骤s115，所述站点200在本次通信周期内不再进行信道竞争。
在本实施例中，当网络系统10中存在两个或两个以上的站点200同时发送dtr帧时，会发生信道冲突。此时，发生信道冲突的站点200在本次通信周期内不再竞争信道，等到下一通信周期再竞争信道。由此，可有效减低站点200之间的碰撞率，提高整个系统的吞吐量。
在本实施例中，发生信道冲突的站点200在下一通信周期竞争信道时，可选择较低的退避值，优先进行信道竞争。比如，系统中需要数据传输的站点数目n为10，预设退避值范围为[0，9]，某个站点200选择的退避值为5，发生信道冲突，该站点200在下一通信周期竞争信道时，可优选在[0，4]的范围内随机选择退避值，以提高该站点200信道竞争成功的概率。
子步骤s116，所述退避值不为0的站点200每经过一个时隙将对应的退避值减1。
在本实施例中，若站点200选择的退避值不为0，则所述站点200进入退避过程，所述站点200每经过一个时隙(无论该时隙内信道是否被占用)将对应的退避值减1。其中，所述时隙(slot)表示速率为1mbps的站点200发送dtr帧需要的时间。
请参照图4，图4为本发明较佳实施例提供的图2中步骤s110的子步骤的流程示意图之二。所述步骤s110还包括：子步骤s117及子步骤s118。
子步骤s117，所述接入点100接收具备信道占用条件的站点200发送的信道请求帧，并获取所述站点200对应的站点信息。
在本实施例中，所述站点信息可以包括，但不限于，站点id。其中，所述站点id由对应站点200的mac地址映射得到。
子步骤s118，所述接入点100将获取的所述站点信息加入到竞争队列中。
在本实施例中，所述竞争队列可以采用，但不限于，cq队列(contentionqueue，竞争队列)。cq队列可由用户进行预先定义。用户可根据协议类型、报文大小、协议端口号以及相应的accesslist规则配置队列并分配相应带宽。
下面通过举例上述步骤s110包括的多个子步骤进行说明。
例如，请参照图5，图5为本发明较佳实施例提供的信道竞争阶段的站点竞争示意图。在一个网络系统10中有5个需要发送数据的站点200(站点1、站点2、站点3、站点4及站点5)。假设站点1随机选择的退避值为0，站点2选择的退避值为1，站点3和站点4选择的退避值为2，站点5选择的退避值为3。
当信道竞争开始时，由于只有站点1选择的退避值为0，站点1将成功发送dtr帧，接入点100将站点1的id加入竞争队列。此时经过了一个时隙，站点2、站点3、站点4及站点5的退避值均减1，此时，只有站点2的退避值为0，站点2成功发送dtr帧，接入点100将站点2的id加入竞争队列。此时又经过一个时隙，站点3、站点4及站点5的退避值均减1，站点3和站点4的退避值均为0，同时发送dtr帧，发生信道冲突，站点3和站点4在检测到冲突后在本次通信周期内不会再竞争信道。最后，站点5的退避值减1为0，没有发生冲突，站点5成功发送dtr帧，接入点100将站点5的id加入竞争队列。
请再次参照图2，所述方法还包括：
步骤s130，当所述信道竞争阶段结束时，接入点100发送用于告知信道竞争阶段结束数据传输阶段开始的信标帧给多个站点200。
在本实施例中，当信道竞争阶段结束，接入点100将发送一个信标帧(beacon帧)来告知网络系统10中的站点200信道竞争阶段结束，进入数据传输阶段。其中，所述接入点100可通过广播的方式将信标帧(beacon帧)发送到网络中，每个站点200均可接收所述信标帧。
所述接入点100发送信标帧周期的计算公式如下。
tb(t)＝tcp(t)+tdtp(t-1)(1)
tdtp＝t1+t2+....+ti(2)
其中，公式(1)中的tb(t)表示接入点100发送信标帧的周期，tcp(t)表示信道竞争阶段的时间，t表示第t个周期。公式(2)中的tdtp表示数据传输阶段的时间，即竞争队列中的全部站点200完成数据传输的总时间。公式(3)中的ti表示站点i在数据传输过程占用信道的时间，rmin表示系统中传输速率最小的站点200的速率，numi表示站点i在数据传输过程中连续发送的数据包的个数，sifs(shortinterframespace，短帧间间隔)是ieee802.11标准推荐使用的3种帧间隔(ifs)中的一种，优先级最高，tack表示应答时间，站点200成功传输完数据后，所述接入点100返回对站点200的确认帧时间对应为tack。
请再次参照图2，所述方法还包括：
步骤s140，所述多个站点200按照所述竞争队列的队列顺序依次与所述接入点100进行数据传输，直到所述竞争队列为空。
请参照图6，图6为本发明较佳实施例提供的图2中步骤s140的子步骤的流程示意图。所述步骤s140包括子步骤s141、子步骤s142、子步骤s143、子步骤s144、子步骤s145及子步骤s146。
子步骤s141，每个站点200获取所述接入点100发送的所述信标帧，并检测所述信标帧中携带的站点信息与每个站点200对应的站点信息是否匹配。
在本实施例中，所述信标帧中携带的站点信息为第一个加入到所述竞争队列的站点信息。每个站点200通过获取所述信标帧，并将所述信标帧中携带的站点信息与自己的站点信息进行匹配。
当存在匹配成功的目标站点200时，执行子步骤s142。
当存在匹配不成功的站点200时，执行子步骤s146。
子步骤s142，所述目标站点200获取通信信道，并根据通信速率确定需要发送的数据包数量及对应的数据包，将所述数据包传输给所述接入点100。
在本实施例中，匹配成功的目标站点200获取通信信道以进行数据传输。所述目标站点200根据通信速率确定需要发送的数据包数量及对应的数据包。发送的数据包个数与该目标站点200的通信速率成正比，通信速率越快，可发送的数据包越多，数据包之间使用sifs隔开。站点200发送数据包的计算方式如下。
其中，ri表示站点i的速率，rmin表示系统中传输速率最小的站点速率，numi表示站点i在数据传输过程中连续发送的数据包的个数。
在本实施例中，传统的dcf机制，站点200在竞争到信道后实现的是吞吐量公平，这就导致低速率站点要实现和高速率站点相同的吞吐量时，占用信道的时间更长，信道利用率低，系统吞吐量低。与传统的dcf机制相比，本方案通过通信速率确定需要发送的数据包数量来实现信道时间公平，从统计角度上看，数据传输完成时，所有站点200占用的信道时间基本一致。由此，可有效提升信道的利用率，提高系统的吞吐量。
子步骤s143，当所述目标站点200完成数据包传输时，所述接入点100更新所述竞争队列，并检测经过更新的竞争队列是否为空。
在本实施例中，当匹配成功的目标站点200成功传输完数据包时，所述接入点100将该目标站点200的站点信息(比如，站点id)从竞争队列的头部移出，并检测此时竞争队列是否为空。
若不为空，执行子步骤s144。
若为空，执行子步骤s145。
子步骤s144，所述接入点100将位于更新后竞争队列头部的站点信息加入到对所述目标站点200回复的确认帧中，并通过广播发送所述确认帧，以使所述确认帧中携带的站点信息对应的站点200进行下一次的数据传输。
在本实施例中，若队列不为空，所述接入点100将竞争队列中位于所述目标站点200后的下一个站点信息更新到竞争队列头部，并将更新后竞争队列头部的站点信息加入到对所述目标站点200回复的确认帧(ack，acknowledgement，确认字符)中，并通过广播发送所述确认帧(ack)。
在数据通信中，如果接收方成功的接收到数据，会回复一个ack给数据发送方，表明发送的数据已确认接收无误。
在本实施例中，系统中的站点200在接收到接入点100发送的确认帧(可在接入点100的物理层进行设置，使系统中的所有与所述接入点100关联的站点200均可接收确认帧)时，会判断确认帧中携带的站点信息是否与自己的站点信息匹配。若匹配成功，则执行上述子步骤s142。若匹配失败，则执行下述子步骤s146。
子步骤s145，所述接入点100通过广播发送回复所述目标站点200的确认帧，并判定数据传输阶段结束，进入下一通信周期。
在本实施例的一种实施方式中，当竞争队列为空时，表明本次通信周期的数据传输阶段结束。所述接入点100通过广播发送回复所述目标站点200的确认帧，该确认帧中携带有数据传输阶段结束的信息，以告知系统中的站点200本次通信周期结束，进入下一通信周期，站点200可进行信道竞争。
在本实施例的另一种实施方式中，所述接入点100在通过广播发送回复所述目标站点200的确认帧之后，可单独发送一个用于告知系统中的站点200本次通信周期结束的信标帧。
子步骤s146，所述匹配不成功的站点200等待接收所述接入点100发送确认帧以进行下一次的站点匹配。
下面通过举例上述步骤s140包括的多个子步骤进行说明。
例如，请参照图7，图7为本发明较佳实施例提供的数据传输阶段的队列变化示意图。假设站点i、j、k依次竞争到信道，即竞争队列中的站点顺序为站点i、站点j及站点k。
当数据传输阶段开始时，接入点100发送的beacon帧中携带了站点i的id，站点i匹配成功，站点j及站点k等待下一次匹配。若站点i的通信速率为系统中的最低速率，则站点i发送1个数据包。接入点100在接收到站点i的数据包后，将站点i的站点id移出队列，此时，队列不为空，接入点100更新队列，将站点j的站点id更新到竞争队列头部，并在对站点i的确认帧ack中加入站点j的站点id。站点j获取到对站点i的确认帧ack，匹配成功，站点k等待下一次匹配，若站点j速率为最低速率的3倍，则站点j发送3个数据包。后续过程同理，直到竞争队列为空，结束数据传输阶段。
请参照图8，图8是本发明较佳实施例提供的信道分配方法的步骤流程图之二。所述方法还包括步骤s120及步骤s125。
步骤s120，接入点100检测信道竞争阶段的持续时间是否超过预设阈值。
在本实施例中，所述预设阈值可根据实际需求进行设定。比如，可将所述预设阈值设定为信道竞争阶段的时长：tcp，tcp＝n*slot。其中，n值表示系统中需要传输数据的站点数目，slot表示时隙。
步骤s125，当超过预设阈值时，所述接入点100判定所述信道竞争阶段结束，数据传输阶段开始。
在本实施例中，若未超过预设阈值，表明信道竞争阶段未结束，站点200可继续竞争信道。
在本实施例中，由于所述预设阈值可根据实际需求进行设定，当网络处于高密度状态时，本方案可根据实际需求对所述预设阈值进行调整，以延长竞争阶段周期，从而降低信道竞争冲突概率。
综上所述，本发明较佳实施例提供一种信道分配方法及网络系统。所述方法应用于网络系统，所述网络系统包括相互通信连接的至少一个接入点及多个站点，所述站点按照通信周期与所述接入点进行数据通信，每个通信周期包括信道竞争阶段及数据传输阶段，所述方法包括：当网络系统处于信道竞争阶段时，需要传输数据的多个站点进行信道竞争，接入点将具备信道占用条件的站点加入竞争队列。当所述信道竞争阶段结束时，接入点发送用于告知信道竞争阶段结束数据传输阶段开始的信标帧给多个站点。所述多个站点按照所述竞争队列的队列顺序依次与所述接入点进行数据传输，直到所述竞争队列为空。
在传统的dcf机制中，信道竞争和数据传输是融合在一起同步进行的，本方案将信道竞争和数据传输解耦，解耦为信道竞争及数据传输两个阶段。在信道竞争阶段，通过发送一个较小的dtr帧来竞争信道，即使产生冲突导致dtr数据丢失，也不会导致太大的信道损失。在数据传输阶段，站点可按照竞争队列顺序依次连续传输数据，同时，可根据通信速率确定需要发送的数据包数量来实现站点之间占用信道的时间公平。弥补了dcf机制中低速率站点为实现吞吐量公平而长时间占用信道的不足。由此，可有效提高数据传输效率，提升信道的利用率，提高系统的吞吐量，减少站点冲突。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。