一种无线自组织网中优化通过率性能的方法

摘要

本发明公开了一种无线自组织网中优化通过率性能的方法，克服了传统的IEEE802.11DCF机制采用的是二进制指数退避BEB算法的最小竞争窗口存在处理节点竞争不够及时和过于被动等不足，动态的检测竞争信道的发送节点个数，然后根据RTS分组的误帧率，计算出该发送节点在成功完成本次传输后下次的最小竞争窗口，优化退避时隙，减小节点平均接入信道的时间，退避机制优于传统的二进制指数退避BEB算法。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，是一种无线自组织网络中基于最佳退避机制的变速率MAC优化通过率性能的方法。

背景技术

变速率MAC，即V-MAC(Variable rate Media Access Control protocol)。其算法主要思想是发送节点根据信噪比值，感知信道状态，动态改变数据分组的传输模式，以提高通过率。目前已有的变速率传输方法主要分为两类：第一类是基于接收端的变速率算法，第二类是基于发送端的变速率算法。基于接收端的变速率算法主要采用RTS/CTS交换机制，接收端决定后续的数据分组采用何种传输模式，并将此信息放在CTS中反馈给发送端。其算法主要有RBAR。在RBAR中，接收端根据接收到的RTS的信号强度来估计无线信道的质量，然后决定发送端数据分组的传输模式，并通过CTS将传输模式传给发送端；另一种基于发送端的变速率传输算法，则是由发送端通过统计先前发送数据分组的误帧率来决定增高或降低数据分组的传输速率，其算法主要有ARF，ARF是第一个实现变速率传输的MAC协议。在ARF中，若数据分组传输连续成功，发送端则提高数据分组的传输速率，否则降低数据分组的传输速率。

网络中的节点在传输分组之前，需要先经历一段随机退避时间，目的是在多个节点竞争信道的时候，保证接入的有效性。802.11DCF采用的退避算法是二进制指数退避BEB(Binary Exponential Backoff)。节点在退避前，随机产生一个退避时间BackoffTime。

BackoffTime＝Random()×aSlotTime

其中，Random()是均匀分布在[0，CW-1]之间的随机整数，竞争窗口CW(Contention Window)是介于由物理层特征决定的最小竞争窗口CW_min和最大竞争窗口CW_max之间的一个整数值，即CW_min≤CW≤CW_max。aSlotTime是由物理层特性决定的一个时隙的实际长度值，对于802.11a，一个时隙的长度是9μs。退避时间是一个以时隙为单位的随机整数。

一个节点执行退避过程时，在每一个时隙中侦听信道的状态，如果信道闲，则将退避时间计数器减1；如果信道忙，则退避时间计数器暂停(即不再递减)，直到侦听到信道处于连续空闲状态达到DIFS时间，退避过程重新被激活，继续递减。当退避计数器递减到0时，节点就可以执行发送。当多个节点同时竞争信道时，每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占据信道，这样就大大减少了冲突发生的概率。另外，通过采用退避过程中的冻结机制，使得被推迟的节点在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间，只需继续进行计数器递减，那么，等待时间长的节点的优先级就高于新加入的节点，就可能优先得到信道，从而维护了竞争节点之间一定的公平性。

在通信过程中，竞争窗口CW的初始值为CW_min，如果一个节点传输数据失败，则CW需要加倍，直至加倍到CW_max，即CW＝2^m·CW_min，其中m为重传次数。当CW的值增加到CW_max后，再次重传的竞争窗口维持CW_max不变，直到该节点发送成功，或者达到最大重传次数，CW将被重新置为CW_min，如图1所示。

IEEE 802.11DCF的退避机制中，采用固定的最小竞争窗口，当竞争信道的发送节点个数较少的时候，最小竞争窗口相对较大，节点接入信道的平均时间较长，对信道的利用率是种浪费；当竞争信道的发送节点个数较多的时候，最小竞争窗口相对较小，增加了RTS分组的冲突概率，降低了网络的通过率。

发明内容

为了克服现有技术信道利用率低或者网络通过率低的不足，本发明提供一种基于最佳退避机制的变速率MAC，即OV-MAC(Variable rate Media Access Control protocol with Optimal Backoff)，对网络通过率有明显改善。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于最佳退避机制的变速率MAC，在接收节点成功接收到RTS分组后，接收节点根据RTS分组的信噪比，计算IEEE802.11a的8种速率模式的误帧率，通过公式选择数据分组的最佳传输速率，且根据网络中等待发送数据的节点个数，计算出本次成功传输后下次退避的最小竞争窗口。

判断当前网络中等待发送数据的节点个数原理为：对于发送节点i，当监听到发送节点j发送的数据分组时，读出节点j数据中的B_j，修改当前状态的参数k，k表示网络中等待发送数据的节点个数；(B_j＝1表示节点j还有数据分组等待发送；B_j＝0表示节点j无数据分组等待发送)。

为了支持上述提出的算法，我们重新定义了CTS的帧格式，如图4所示。在CTS帧格式中分别加入1个字节的“传输模式”域和1个字节的“最小竞争窗口”域。对于“传输模式”域的8位，前5位暂不使用，后3位表示IEEE 802.11a的8种传输模式；对于“最小竞争窗口”域的8位，只使用最后1位表示B_j的值，其余的暂不使用。

具体步骤如下：

情况1：发送节点i第一次发送数据分组。

步骤1：发送节点i在第一次发送数据分组时，采用802.11DCF二进制指数退避BEB(Binary Exponential Backoff)，在退避时间结束后，发送RTS分组；

步骤2：若发送节点i正确收到CTS分组，读出其携带的传输模式值和最小竞争窗口值，使用该传输模式发送数据分组，并将值保存起来；如果节点i还有后续数据分组，将B_j＝1写入数据分组中，否则将B_j＝0写入数据分组；若发送节点没有收到CTS分组，则将竞争窗口加倍，采用BEB重选退避值，进入退避过程，返回步骤1；

步骤3：若发送节点i正确接收到ACK确认分组，则说明本次传输成功，将最小竞争窗口修改为值，回到退避状态，等待传输下一个数据分组。若发送节点没有正确接收到ACK，表明此次传输失败，则将竞争窗口加倍，采用BEB重选退避值，在等待信道持续空闲1个DIFS帧间间隔后，进入退避过程，返回步骤1。

情况2：发送节点i第二次发送数据分组及第n次发送数据分组，n＞2。

步骤1：发送节点i在第二次发送数据分组时，采用情况1中第一次发送数据分组成功后计算出的最小竞争窗口选择退避时间，在退避时间结束后，发送RTS分组；若发送节点i在第n次发送数据分组时，采用第n-1次发送数据分组成功后计算出的最小竞争窗口选择退避时间，在退避时间结束后，发送RTS分组；

步骤2、3分别同情况1中的步骤2、3。

情况3：接收节点正确收到给自己的RTS分组。

步骤1：接收节点没有正确接收RTS分组，不做任何反应；正确接收RTS分组，计算传输数据分组的最佳速率；

假设当前时隙节点将要在时间T内发送或重发数据分组(包括传输RTS、CTS和ACK的时间在内)，设发送数据分组的时间为T_L，无论采取何种速率发送数据分组，T_L为固定长度。此时，该时隙的通过率可以用下式表示：

$\frac{(1-p_{c,i})(1-P_{e,i})·R_i·T_L}{T}\Rightarrow R_i(1-P_{e,i})---\left(1\right)$

其中p_c，i表示节点i的冲突概率，当每个节点的数据分组都相同时它可以被看作常数1-e^1/K，并且也是一个常数。R_i代表节点i的传输模式对应的传输速率，P_e，i代表在该传输模式下数据分组的误帧率。可以看出R_i(1-P_e，i)是决定系统通过率的关键因素，尽可能的使R_i(1-P_e，i)最大，将得到最好的通过率，因此，使R_i(1-P_e，i)最大所对应的R_i就表示传输数据分组的最佳速率。

下面我们给出误帧率P_e，i的计算方法。

对于BPSK调制，误比特率计算方法为：

$P_b^{\left(2\right)}=P_2=Q\left(\sqrt{2{\gamma }_i}\right)---\left(2\right)$

对于QPSK、16-QAM和64-QAM调制，高斯白噪声环境下，误比特率计算方法(M_i表示指定调制方式发送符号的种类个数)如下：

$P_b^{\left(M_i\right)}\approx \frac{1}{{\log }_2{M}_i}·P_{s,i}(M_i,{\gamma }_i)---\left(3\right)$

首先计算误符号率P_s，i(M_i，γ_i)：

$P_{s,i}(M_i,{\gamma }_i)=1-{[1-2·(1-\frac{1}{\sqrt{M_i}})·Q\left(\sqrt{\frac{3}{M_i-i}·{\gamma }_i}\right)]}^2---\left(4\right)$

其中γ_i为每符号平均信噪比，E_b，i表示一个符号的平均能量，N_0，i表示噪声的功率谱密度。

其中的Q函数为$Q\left(x\right)=\underset{x}{\overset{\infty }{\int }}\frac{1}{\sqrt{2\pi }}·e^{-y^2/2}\mathrm{dy}---\left(5\right)$

式(5)中x表示一个未知变量。

然后计算误帧率由于卷积码的误比特之间相互关联，因此不能使用其他分组码由信道误比特率直接计算误帧率，而应该通过数学方法分析维特比译码的特性，给出卷积码误帧率的上限。

假定使用维特比硬判决译码方式，计算传输模式为m，整数m表示IEEE 802.11a标准中定义的8种传输模式所对应的序号。l₁为前导符号与PLCP头部比特总数，l₂为MPDU的比特总数。长度为l比特(l＝l₁+l₂)的数据分组的误帧率上限公式如下：

$P_{e,i}^m\left(l\right)\le 1-{[1-P_u^m\left(l_1\right)]}^{l_1}{[1-P_u^m\left(l_2\right)]}^{l_2}---\left(6\right)$

$P_u^m\left(l\right)\le {\Sigma }_{d=d_{\mathrm{free}}}^{\infty }{a}_d·P_d---\left(7\right)$

式(7)中，为首次事件错误概率的联合界。

式(8)中，d_free是模式m下卷积码的自由距离；a_d是重量为d的错误事件的总数，可查表得到；P_d是与正确路径距离为d的错误路径被维特比译码器选择的概率，p_m为使用传输模式为m的误比特率。以上就是本方法中关于误帧率和速率选择的计算方法。

步骤2：根据步骤1中数据分组选择的传输模式对应的误帧率P_e，i，计算最小竞争窗口包括以下步骤：

$\overline{P_{e,i}}(t+1)={\beta }_1·\overline{P_{e,i}}\left(t\right)+(1-{\beta }_1)·P_{e,i}---\left(9\right)$

式(9)中β₁表示一个取值在0～1之间的参数，表示节点i在t时刻的平均误帧率，表示节点i在t+l时刻的平均误帧率。

${{\tau }^{*}}_{\mathrm{ap},i}=\frac{1}{\sqrt{\frac{T_c^{*}}{2}·N}}---\left(10\right)$

式(10)中τ^*_ap，i表示节点i的近似最佳工作点，N表示等待发送数据的节点个数(N＝k)，表示归一化的冲突持续的平均时间。

$T_c^{*}=\frac{T_c}{\sigma }---\left(11\right)$

式中T_c表示信道感知到冲突持续的平均时间，T_c＝T_DIFS+T_RTS(T_DIFS表示帧间隔DIFS的时间长度，T_RTS表示传输RTS分组的时间长度)，σ表示一个空时隙。

${p^{*}}_{c,i}\approx 1-\frac{e^{-1/K}}{(1-{\tau }_{\mathrm{ap},i}^{*})}---\left(12\right)$

式(12)中P^*_c，i表示节点i的冲突概率，$K=\sqrt{T_c^{*}/2}.$

$p_{f,i}^{*}={p^{*}}_{c,i}+(1-{p^{*}}_{c,i})·\overline{P_{e,i}}---\left(13\right)$

式(13)中表示节点i的总错误概率。

$W_i^{*}\approx \frac{2(1-2p_{f,i}^{*})}{{{\tau }^{*}}_{\mathrm{ap},i}·(1-2p_{f,i}^{*})+{{\tau }^{*}}_{\mathrm{ap},i}·p_{f,i}^{*}·[1-{\left(2p_{f,i}^{*}\right)}^{m_i}]}---\left(14\right)$

式(14)中表示节点i的最小竞争窗口大小，m_i表示节点i的本次传输退避时隙个数。利用公式(14)可以计算出节点i成功发送本次分组后，下次竞争信道时的最小竞争窗口。

步骤3：将计算出的最佳传输模式与最小竞争窗口分别写入CTS头中新引入的“传输模式”域和“最小竞争窗口”域，接收节点发送CTS分组；

步骤4：若接收节点正确接收到数据分组，就会给发送节点返回ACK确认分组。若接收节点没有正确接收到数据分组，则不做任何反应。

本发明的有益效果是：

仿真实验表明，基于最佳退避机制的变速率MAC在通过率性能上优于支持变速率的V-MAC。V-MAC协议中采用固定的最小竞争窗口值，当竞争信道的发送节点个数较少的时候，最小竞争窗口相对较大，节点接入信道的平均时间较长，对信道的利用率是种浪费；当竞争信道的发送节点个数较多的时候，最小竞争窗口相对较小，增加了RTS分组的冲突概率，降低了网络的通过率。而OV-MAC协议可以动态的检测竞争信道的发送节点个数，然后根据RTS分组的误帧率，计算出该发送节点在成功完成本次传输后下次的最小竞争窗口，优化退避时隙，减小节点平均接入信道的时间，从而提高网络的通过率性能。

在非饱和状态下，均匀随机放置收发节点对，每对收发节点相距大约100米，随着收发节点对个数的增加，对比具有最佳退避机制的OV-MAC协议和V-MAC协议的通过率性能，如图5所示。

从图5中可以看出，OV-MAC的网络通过率明显高于V-MAC。因为V-MAC协议采用固定的窗口大小，在发送节点少的时候，最小竞争窗口相对较大，节点接入信道的平均时间相对较长，对无线信道是一种浪费，而OV-MAC可以动态改变最小竞争窗口大小，在发送节点少时，降低最小竞争窗口的值，减小了节点接入网络的平均时间，提高了网络通过率。因此可以看出OV-MAC协议中的退避机制优于传统的二进制指数退避BEB(Binary Exponential Backoff)算法。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是竞争窗口示例示意图；

图2是OV-MAC实现流程图；

图3是PPDU帧格式示意图；

图4是基于最佳退避机制的CTS分组结构示意图；

图5是OV-MAC和V-MAC的性能对比示意图。

具体实施方式

基于最佳退避机制的变速率MAC，在接收节点成功接收到RTS分组后，接收节点根据RTS分组的信噪比，计算IEEE 802.11a的8种速率模式的误帧率，通过公式选择数据分组的最佳传输速率，且根据网络中等待发送数据的节点个数，计算出本次成功传输后下次退避的最小竞争窗口。具体流程图如图2所示：

判断当前网络中等待发送数据的节点个数原理为：对于发送节点i，当监听到发送节点j发送的数据分组时，读出节点j数据中的B_j，修改当前状态的参数k，k表示网络中等待发送数据的节点个数；(B_j＝1表示节点j还有数据分组等待发送；B_j＝0表示节点j无数据分组等待发送)。

为了便于性能对比与分析，结果中只采用18Mbps、36Mbps和54Mbps三种速率传输数据分组，RTS、CTS以及ACK分组采用最低速率传输，即6Mbps。仿真场景采用均匀随机的收发节点对。表1为设置的仿真参数。

表1系统仿真参数

具体步骤如下：

情况1：发送节点1第一次发送数据分组。

步骤1：发送节点1在帧间间隔DIFS结束后，采用BEB算法随机产生退避时间(随机选择10个时隙)，在退避时间结束后，发送RTS分组；

步骤2：发送节点1正确收到CTS分组，读出其携带的传输模式值(36Mbps)和最小竞争窗口使用该传输模式发送数据分组，并将值保存起来，检测到本节点队列中有数据分组等待发送，将B_j＝1写入数据分组中，发送数据分组；

步骤3：发送节点1正确接收到ACK确认分组，将最小竞争窗口修改为14，回到退避状态，等待传输下一个数据分组。

情况2：发送节点1第二次发送数据分组及第n次发送数据分组(n＞2)。

步骤1：发送节点1在帧间间隔DIFS结束后，采用情况1中第一次发送数据分组成功后计算出的最小竞争窗口选择退避时间(随机选择3个时隙)，在退避时间结束后，发送RTS分组；

步骤2：发送节点1正确收到CTS分组，读出其携带的传输模式值(54Mbps)和最小竞争窗口使用该传输模式发送数据分组，并将值保存起来，检测到本节点队列中无数据分组等待发送，将B_j＝0写入数据分组中，发送数据分组；

步骤3：发送节点1正确接收到ACK确认分组，将最小竞争窗口修改为16，回到退避状态，等待传输下一个数据分组。

情况3：接收节点2正确收到给自己的RTS分组。

步骤1：接收节点2正确接收RTS分组，计算出RTS的信噪比SNR＝18.6058dB；根据信噪比计算仿真中要求的3种传输模式的误帧率P_e，i，从而计算传输数据分组的最佳速率；

首先计算54Mbps模式下的误帧率；

根据公式(3)得到误符号率：P_s，i(M_i，γ_i)＝0.107355；

根据公式(2)得到误比特率：P_b＝0.0178926；

根据公式(8)得到l₁和l₂的P_d值：

$P_d\left(l_1\right)=\left(\begin{array}{cc}0& a_d=11\\ 0& a_d=0\\ 0& a_d=38\\ 0& a_d=0\end{array}\right)$

P_d(l₂)＝{5.57554e-05a_d＝8

根据公式(7)得到：$P_u^m\left(l_1\right)=0;$$P_u^m\left(l_2\right)=0.000446044;$

根据公式(6)可得误帧率P_e，i：P_e，i＝0.53742；

同理可以得到36Mbps和18Mbps模式下的误帧率P_e，i，即：

$P_{e,i}=\left(\begin{array}{cc}0.53742& R_i=54\mathrm{Mbps}\\ 1.3207e-08& R_i=36\mathrm{Mbps}\\ 0& R_i=18\mathrm{Mbps}\end{array}\right)$

根据公式(1)可以得到：

$R_i·(1-P_{e,i})=\left(\begin{array}{cc}24.97932& R_i=54\mathrm{Mbps}\\ 35.9999995& R_i=36\mathrm{Mbps}\\ 18& R_i=18\mathrm{Mbps}\end{array}\right)$

因此本次传输的最佳速率为36Mbps。

步骤2：根据选择的36Mbps传输模式对应的误帧率P_e，i＝1.3207e-08，计算最小竞争窗口

根据公式(9)得到：$\overline{P_{e,i}}(t+1)=1.3207e-08;$

T_c＝T_DIFS+T_RTS＝86us，σ＝9us，因此$T_c^{*}=9.5556;$

N＝k＝6，因此${{\tau }^{*}}_{\mathrm{ap},i}=\frac{1}{\sqrt{\frac{T_c^{*}}{2}}·N}=0.0762491;$

$K=\sqrt{\frac{T_c^{*}}{2}}=10.929,$因此p^*_c，i≈0.314894；

$p_{f,i}^{*}=0.314894009048195;$mi＝10；因此$W_i^{*}\approx 14.$

步骤3：将计算出的最佳传输模式与最小竞争窗口分别写入CTS头中新引入的“传输模式”域和“最小竞争窗口”域。接收节点发送CTS分组；

步骤4：接收节点2正确接收到数据分组，给发送节点返回ACK确认分组。