CN102256317B

CN102256317B - 无线信道访问控制方法

Info

Publication number: CN102256317B
Application number: CN 201110241696
Authority: CN
Inventors: 冷甦鹏; 刘畅玥; 邵彩幸; 方飞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-08-22
Also published as: CN102256317A

Abstract

本发明公开了一种无线信道访问控制方法，包括：步骤1：对网络中不同的接入类型进行优先级区分；步骤2：针对不同的优先级设置不同的分组重传概率，对不同优先级节点的发送概率进行动态求解；步骤3：根据求得的不同优先级信息的发送概率，在同一时隙里竞争发送数据。本发明的方法通过调整不同优先级节点的分组重传概率，可以动态得到不同优先级信息的发送概率，使具有更高发送概率的节点动态调整等待发送的时隙长度，进而有效地保证了重要信息具有更高的优先级，能够得到更快地投递，能够实现保证QoS基础上信道的最有效利用。

Description

无线信道访问控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体地说，涉及一种适用于无线网络的信道访问控制方法。

背景技术

无线自组织(Ad hoc)网、无线传感器网、无线局域网和无线Mesh网等新型网络技术，近年来受到学术界和工业界的广泛重视。这些无线网络通常采用竞争共享型信道，可用在事故的突发现场以及人们希望能迅速共享信息的会议、办公室等场所。

网络协议是指为了进行网络中的数据交换和建立规则或约定，具有层次特性。MAC协议是无线网络协议的重要组成部分，是分组在无线信道上发送和接收的主要控制者。在无线网络中，MAC协议需要考虑的是如何充分利用信道，避免冲突。目前应用广泛的协议主要有载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CA)协议和时分多址(TDMA)机制。

为了便于本领域的普通技术人员理解本发明及其背景技术，在对本发明的背景技术进行描述时，首先做出如下定义：

(1)共享信道：多个节点共同使用的信道。信道共享可以采用频分复用或时分复用等方式。

(2)服务质量(QoS，Quality of Service)：网络的一种安全机制，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在正常情况下，如果网络只用于特定的无时间限制的应用***，并不需要QoS。但对于关键应用和多媒体应用就十分必要。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，保证网络的高效运行。

(3)分布协调功能(DCF，Distributed Coordination Function)：一种基本的媒质访问协议，允许使用CSMA/CA和一个随机退避过程，在兼容的PHY之上实现自动媒质共享。DCF协议中有一些可以选择的参数，用户可以针对不同的网络情况对之进行调整以提高性能。

(4)载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)：一种工作在MAC层的协议，在一个支持多个用户共享资源的共享信道中，由发送者在发送数据前先进行网络的可用性检测的机制。

(5)优先级：当有多个数据等待处理是，决定各个数据接入信道的优先等级的参数。

(6)时隙(aSlotTime)：任何能唯一识别和定义的周期性时段。

(7)AIFS：不同优先级的接入类型在启动或是唤醒退避过程之前等待信道空闲的时间长度。

(8)DIFS：DCF帧间隔，使用DCF的站点，在信道空闲DIFS且退避时间到后传输。

(9)数据碰撞/冲突：当某个接收节点B正在接收发送节点A发出的分组时，网络中其它节点也同时发送分组，从而使节点B无法正确接收到发送节点A发出的分组的现象。

(10)退避过程：在CSMA/CD协议中，一旦检测到冲突，为了降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再试图传输。这一等待随机时间的过程即退避过程。

(11)退避计数器(BC，Backoff Counter)：退避过程中对退避时间的一个记录，在经过初始化之后，每经过一个信道空闲时隙其值将减1。退避计数器的值直接影响着产生的延迟时间的长短。当退避计数器的值较大时，产生的随机退避时间值一般来说较长；当退避计数器的值较小时，产生的随机时间值一般较短。节点退避计数器的值越小，它抢占信道的能力就越强；反之，它抢占信道的能力就越弱。也就是说，退避计数器的值反映了节点接入信道的能力。

(12)请求发送(RTS，Request to Send)分组和允许发送(CTS，Clear to Send)分组：是无线MAC层协议为减少隐藏节点干扰引入的一对控制分组。在发送数据分组前，发送节点和接收节点先通过这对控制分组确立发送接收关系。接收到RTS分组或CTS分组的邻居节点，在RTS分组或CTS分组中规定的时间段内不允许发送数据分组，从而避免了对接收节点的干扰。

(13)竞争窗口值(W)：退避计数器在区间[0，W]上随机地取一个整数值作为其初始值，其中W为DCF的当前竞争窗口值。

(14)冻结状态：在EDCA协议中，当节点侦听到信道转入忙状态时，退避过程将被“冻结”，即停止退避过程，退避计数器也停止递减。

(15)p坚持：适合于时隙信道，当某站准备发送信息时，它首先监听信道，若空闲，便以概率p传送信息，而以概率(1-p)推迟发送。如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。

(16)吞吐量：在某个时刻，在网络中的两个节点之间，提供给应用的剩余带宽。即在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速率。

在现有的无线网络中，大多数采用了IEEE 802.11 DCF协议(见文献：IEEE 802.11.Wireless LAN medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specification.IEEE Std.802.11，2007)，但是该协议无法为网络中多媒体实时业务的传输提供QoS服务支持，因而IEEE 802.11工作组在DCF协议的基础上进一步推出了EDCA(Enhanced Distributed ChannelAccess)协议。与DCF中各类业务平等竞争共享信道资源不同，EDCA可以为不同类型的业务提供有优先级区分的信道接入传输服务，以使得网络中高优先级的实时业务获得比低优先级普通业务优先的MAC传输。

为了本领域的普通技术人员能够更好的理解本发明，现结合图1和图2对现有技术中的IEEE 802.11DCF和EDCA协议进行简单介绍。

EDCA协议是在DCF协议基础上经过QoS支持扩展而来的，其基本的信道接入方式仍然保持与DCF一致。采用DCF协议的网络，各节点以CSMA/CA方式竞争性地接入无线信道，信道的载波检测和数据的发送均以时隙(aSlotTime)为基本单位。当节点有数据需要发送时，节点首先对信道进行侦听。若信道持续空闲DIFS(DCF inter-frame space)时间，则节点立即在信道上发起传输，否则，将等待直到信道空闲后启动退避过程。DCF定义了两种数据传输模式，分别是基本模式和RTS/CTS模式。为了减小节点之间竞争发送产生冲突碰撞的概率，并及时调整节点信道竞争的激励程度，DCF采用了二进制指数退避(BinaryExponential Backoff，BEB)算法。当节点进入发送前的退避过程时，节点启动退避算法，这时，退避计数器(BackoffCounter，BC)在区间[0，W]上随机地取一个整数值作为其初始值，其中W为DCF的当前竞争窗口值。W的大小是动态改变的，其取值范围在***定义的最小竞争窗口值W_min与最大竞争窗口值W_max之间。BC在经过初始化之后，每经过一个信道空闲时隙将其值减1。当节点侦听到信道转入忙状态时，退避过程将被“冻结”，BC停止递减，并在信道恢复空间的DIFS时间之后重新唤醒退避过程。当BC递减到0时，节点在信道上发起数据传输或是RTS帧传输。如果有两个或是两个以上节点的BC同时递减到0，这些节点将同时执行发送，因此在信道上产生碰撞，节点发送的数据将无法得以正确接收。产生数据碰撞的节点将更新竞争窗口的值为W_new＝2×(W_old+1)-1，并重新初始化BC的值，进入重传过程。如果重传次数超过***规定的最大重传次数L，MAC层将放弃该数据的传输，进入发送下一个数据的准备。图1给出了802.11DCF数据传输过程的示意图。

DCF协议中，每个节点只有一个MAC实体，所有不同类型的业务数据都通过该协议实体接入信道进行发送。为了对不同类型的业务数据提供有区分的信道接入传输服务，EDCA协议将每个节点的MAC实体扩展为4个，形成4个不同优先级的接入类型(AccessCategory，AC)。不同的AC采用不同的参数设置控制其信道接入传输过程，这些参数包括W_min/W_max，AIFS以及TXOPlimit。

AIFS由DIFS扩展而来，其大小由下式确定：

AIFS[AC_i]＝SIFS+AIFSN[AC_i]×aSlotTime 公式(1)

其中，AIFS[AC_i]与具体AC相关的一个非负整数。不同的AIFS置使得不同优先级的AC在启动或是唤醒退避过程之前等待信道空闲的时间长度不等，AIFS越小，其等待时间越短。同等情况下，较小的AIFS设置可以提高退避计数器递减到0的速率，因此，高优先级的AC通常采用较小的AIFS设置。图2给出了不同AIFS设置对退避过程影响的示意图，图中假设了AIFSN分别为2和3的两个不同优先级AC。需要特别注意的是，与DCF协议有所不同，在EDCA协议中，退避过程唤醒后即执行BC减1，并且BC递减到0之后，节点还需要再退避等待一个退避时隙再发起传输(见文献：Xiong LX，Mao GQ，“Saturatedthroughput analysis of IEEE 802.11e EDCA”，ComputerNetwork，3047-3068，2007)。

基于EDCA协议的无线信道访问控制方法的主要缺陷在于：不能保证优先级业务QoS传输。当有大量的高优先级信息接入信道时，由于传输的时隙是固定的值，因此并不能有效地保证高优先级业务的传递。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的无线信道访问控制方法存在的上述问题，提出了一种无线信道访问控制方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案是：一种无线信道访问控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：对网络中不同的接入类型进行优先级区分；

步骤2：针对不同的优先级设置不同的分组重传概率，对不同优先级节点的发送概率进行动态求解；

步骤3：根据求得的不同优先级节点的发送概率，在同一时隙里竞争发送数据。

作为一种较佳的方案，步骤2所述的发送概率具体求解过程如下：

P = ((N - k) q_{a} + {kq}_{r}) e^{- ((N - k) q_{a} + {kq}_{r})},

其中，P为不同优先级节点的发送概率，N为节点的总数，k为等待重传的节点数，q_a为有新分组到达并传输的概率，q_r为分组重传概率。

本发明的有益效果是：本发明的方法通过调整不同优先级节点的分组重传概率，可以动态得到不同优先级信息的发送概率，使具有更高发送概率的节点动态调整等待发送的时隙长度，进而有效地保证了重要信息具有更高的优先级，能够得到更快地投递，能够实现保证QoS基础上信道的最有效利用。

附图说明

图1是现有技术802.11DCF机制示意图。

图2是现有技术EDCA退避过程示意图。

图3是本发明控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明：

本实施例所述的无线信道访问控制方法的各项参数符合IEEE 802.11标准。根据IEEE802.11p标准，定义了W_min和W_max的值，高优先级信息对应的EDCA参数为：AIFSN＝2，W_min＝7，W_max＝15。低优先级对应的EDCA参数为，AIFSN＝3，W_min＝15，W_max＝31。图2中AIFS的大小由下式确定：

AIFS[AC_i]＝SIFS+AIFSN[AC_i]×aSlotTime 公式(2)

不同的AIFS设置使得不同优先级的AC在启动或是唤醒退避过程之前等待信道空闲的时间长度不等，AIFS越小，其等待时间越短。同等情况下，较小的AIFS设置可以提高退避计数器递减到0的速率，因此，高优先级的AC通常采用较小的AIFS设置。

无线信道访问控制方法的流程示意图如图3所示，假设网络中有大量节点需要发送信息，且信息的紧急程度不同，包括以下步骤：

步骤1：对网络中不同的接入类型进行优先级区分；

上述过程即为无线信道访问控制方法，此方法的实质是：通过调整分组重传概率对不同优先级信息的发送概率进行动态求解，使具有更高发送概率的节点动态调整等待发送的时隙长度，这样可以使具有高优先级的紧急信息得到优先投递，从而在提高了信道利用率的同时支持了多优先级业务QoS传输。

上述步骤2中的无线信道访问控制方法，如图3所示，其发送概率的具体计算公式的推导过程如下：

网络中共有N个节点，令k为在每个时隙开始时刻等待重传的节点数，每个节点以固定的概率q_r在后续的时隙中重传分组直到成功为止，而可以有新分组到达的节点数为N-k，每个节点有新分组到达并传输的概率为q_a＝1-e^-λ/N。在给定k的条件下，令Q_r(i，k)为k个等待重传的节点中有i个终端在当前时隙传输的概率，Q_a(i，k)为有N-k节点中有i个节点在当前时隙传输的概率，则：

\{\begin{matrix} Q_{r} (i, k) = (\begin{matrix} k \\ i \end{matrix}) {(1 - q_{r})}^{k - i} q_{r}^{i} \\ Q_{a} (i, k) = (\begin{matrix} N - k \\ i \end{matrix}) {(1 - q_{a})}^{N - k - i} q_{a}^{i} \end{matrix}

公式(3)

则在一个时隙中成功发送的概率P为：

P = Q_{a} (1, k) Q_{r} (0, k) + Q_{a} (0, k) Q_{r} (1, k)

\approx ((N - k) q_{a} + {kq}_{r}) e^{- ((N - k) q_{a} + {kq}_{r})}

公式(4)

由公式(4)可知，通过调整分组重传概率q_r值的大小，可以得到不同优先级节点的发送概率。

为简化***设计，令q＝q_a＝q_r，即假设重传概率和新分组到达并传输的概率相等，则

P = ((N - k) q_{a} + {kq}_{r}) e^{- ((N - k) q_{a} + {kq}_{r})} = {Nqe}^{- Nq}

公式(5)

由公式(5)可知，当Nq＝1时***能够获得最大吞吐量q/e＝0.368，即当q＝1/N时，***获得最大吞吐量。

由上述可知，当q＝1/N时，***能够获得最大吞吐量。为了防止因为节点数N突变导致发送概率P突变，从而影响方法的稳定性，使***的吞吐量不能稳定在最大值边缘。设***有N个节点有数据进行传输，在第m个时隙估计节点数为M，各节点以概率

进行分组重传，直到数据传输成功。本发明采用一种指数加权移动平均算法(EWMA，Exponentially Weighted Moving Average)模型对估计值进行平滑处理，具体过程如下：

p_{avg}^{m} = θ \times p_{curr}^{m} + (1 - θ) \times p_{avg}^{m - 1}

公式(6)

公式(6)中，θ为EWMA算法的平滑处理系数；m代表当前时隙的序号，

当前时隙的分组重传概率，

前一个时隙的分组重传概率，

代表节点选择在当前时隙发送数据的瞬间概率，

其中，M为对当前时隙发送数据的节点数的估计值。

通过对分组重传概率进行平滑处理，进而可以实现对发送概率P的平滑处理，进而使得本发明的方法具有较强的稳定性。

上述步骤3中的竞争发送数据过程中具体可以采用回退模型，这里采用一种简单的状态转移模型。具体如下：当节点有数据发送时，首先对信道进行侦听；若信道空闲，则以概率P在信道上发起传输，否则，启动退避计数器进入退避状态，直到退避计数器的值为0，再发起数据传输，对于不同优先级的节点，高优先级节点的退避计数器比低优先级节点的退避计数器先递减到0，即先结束退避状态，转移到执行发送状态。

下面以本发明的方法在无线自组织网络(Wireless Ad-hoc Network)中的应用为例进行具体说明。

在无线自组织网络中，随着活动节点数量的增加，有上百个节点需要竞争信道，为了保证紧急信息具有更好的优先级，设置紧急信息为优先级1，其它信息为优先级2，不同优先级的信息以不同发送概率同时竞争信道，其概率的计算方法如公式(3)可得。假设这两种信息的发送概率为p_i，p_j(p_i＞p_j)，同时根据单位时间内产生的紧急信息和一般信息的产生频率等，动态的调整p_i，p_j的值。在保证紧急信息优先传递的前提下，实现***总体性能最优和***的最大吞吐量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。