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无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制制造技术

技术编号:15107221 阅读:98 留言:0更新日期:2017-04-08 19:34
本发明专利技术提出一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制,以改善网络吞吐量和节点接入信道的公平性受限的情况。本发明专利技术引入“活跃节点” ,通过侦测信道的空闲时隙来估算网络中的活跃节点数,由此推导网络达到饱和吞吐量时节点的最优传输概率,再通过动态调节初始竞争窗口值来提高网络吞吐量;当发生冲突时,引入重传调整因子来改善节点间的公平性,根据活跃节点数和重传次数计算重传因子,再通过重传因子合理地设置重传竞争窗口值以减少数据包的丢失,从而提高了重传接入的成功率。本方法能够有效地改善无线Mesh网络的吞吐量、公平性以及丢包率等方面的性能,是一种无线Mesh网络切实可行的接入控制方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信领域,尤其涉及一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制
技术介绍
无线Mesh网络(WMN,WirelessMeshNetwork)通常也被称为无线网状网,是一种由多个无线链路连接设备和Mesh路由器结点构成的,集自组织、自修复、多跳级联等特点于一身的新型宽带无线网络。无线Mesh网络结合了无线局域网(WLAN)和移动自组织网(MANET)的优点,依靠其高伸缩性、高健壮性和便利性,成为未来建设无线智慧城市的关键网络类型之一。无线Mesh网络中有许多的关键技术和协议标准,其中的媒体接入控制(MAC,MediaAccessControl)协议决定了如何在众多的通信节点之间分配有限的无线信道资源,使这些资源能够合理充分地被利用,在时延、吞吐量和公平性等网络性能指标上尽量达到最优。因此如何合理地设计媒体接入控制协议是无线Mesh网络研究人员需要重点考虑的问题。当前无线Mesh网络的媒体接入控制协议可以划分为单信道协议和多信道协议。对于单信道情况下节点之间的数据传输,存在传统的隐藏/暴露终端问题,因此有较多的无线Mesh网络中的MAC协议,都采用基于IEEE802.11标准的分布式协调功能(DistributedCoordinationFunction,DCF)机制让节点去竞争信道资源。DCF机制采用了载波侦听多址访问/冲突避免(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,CSMA/CA)机制来侦听信道并降低网络冲突,同时引入发送/允许发送(RequestToSend/ClearToSend,RTS/CTS)交互方式来解决隐藏终端问题。但是DCF机制仍有许多不足之处,例如节点难以根据网络拥塞程度选择合理的退避时间,导致信道资源浪费,网络的自适应性差;竞争窗口在发送失败后呈指数倍增或发送成功后减小为零的变化,会导致严重的公平性问题。在DCF机制的改进上,文献“ASimpleandEffectiveBack-offSchemefortheIEEE802.11MACProtocol”(ChatzimisiosP,BoucouvalasAC,etal.2ndInternationalConferenceonCyberneticsandInformationTechnologies,SystemsandApplications,CITSA2005,11thInternationalConferenceonInformationSystemsAnalysisandSynthesis,ISAS2005,2005,1:48-53)提出了DIDD(DoubleIncrementDoubleDecrement)竞争窗口调节机制。DIDD算法使得竞争窗口的变化趋于平缓,对网络的吞吐量起到了一定的优化作用。其缺点在于仍然不能根据网络的实时情况进行自适应地调节。文献“ANewBack-offAlgorithmfortheIEEE802.11DistributedCoordinationFunction”(DengJ,VarshneyPK,HaasZ.InCommunicationNetworks,DistributedSystemsModelingandSimulation,2004:215-225.)提出了一种竞争窗口调节方法LMILD(Linear/MultiplicativeIncreaseandLinearDecrease),当信道发送冲突时,引起冲突的节点竞争窗口值将呈乘性增长,周围侦听到冲突的节点都将竞争窗口值线性增加一定的值。LMILD是一种无需对网络的信息进行收集的较为简单的算法,但是因为周围侦听到冲突的节点都会把自身的竞争窗口值线性增大,直接影响节点接入信道的概率,这种网络公平性的提升以牺牲了一定的吞吐量为代价。总之,目前一些针对DCF机制进行改进的算法和协议,都在一定程度上依据节点的发送成败和信道的忙闲,如何在上述基础上,再结合信道的拥塞程度自适应地调节竞争窗口,成为设计MAC协议的要点之一。
技术实现思路
针对现有协议的不足,本专利技术提出了一种无线Mesh网络的媒体接入控制机制,该机制能够使节点有效地自适应接入信道,提高网络吞吐量并改善网络公平性。为了实现该目的,本专利技术以活跃节点(指当前参与信道竞争的无线Mesh网络节点)的数目作为指标来反映网络当前的拥塞程度。节点需要侦测信道的空闲时隙数来估算网络中的活跃节点数,通过建立一个二维马尔科夫模型,推导出节点的传输概率是初始竞争窗口与活跃节点数的函数,再利用传输概率与竞争窗口的关系动态调节初始竞争窗口值;当发生冲突时,根据活跃节点数和重传次数调整重传因子,合理设置重传窗口值,从而有效地提升网络吞吐量和公平性。本专利技术通过以下技术方案实现,本专利技术包括如下步骤:步骤1:节点处于侦听期,通过节点内部增设的计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN分别统计侦听期信道空闲时隙数目r和总时隙数目T;步骤2:节点准备发送数据,首先侦听信道是否空闲,确认空闲时长为DIFS后进入退避期;根据内部计数器统计结果估算网络活跃节点数Nesti,并设置初始竞争窗口值CW0;步骤3:在退避期,节点根据竞争窗口值选择随机退避时间;信道空闲时长为SlotTime,则退避计数器的值减1,当退避计数器的值减为0时,节点接入信道,进入传输期;步骤4:在传输期内,发生冲突使数据发送失败,则需要进行重传;当重传次数i达到限制,则丢弃数据,等待下一次发送数据;当前节点的重传次数i没有超过最大重传次数,增设重传调整因子θ,根据重传调整因子θ设置重传竞争窗口值,然后跳至步骤3。其中活跃节点Nesti指当前参与竞争信道资源的节点,其数目反映网络当前的拥塞程度,活跃节点越多,说明网络竞争激烈,拥塞程度高;通过计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN获取相应的时隙信息估计当前网络中的活跃节点数目。活跃节点数可通过计算,其中r和T为节点计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN的实际统计值。其中重传调整因子θ,其值大于等于1;重传因子的取值与网络中的活跃节点数N和重传次数i有关:θ=log2Nesti-i3]]>活跃节点数少,减小竞争窗口值,活跃节点数多,增大竞争窗口值;重传次数多的节点优先接入信道;采用对数函数值随变量缓慢的性质控制竞争窗口的变化率,对数函数的底数控本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制,包涵以下步骤:步骤1:节点处于侦听期,通过节点内部增设的计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN分别统计侦听期信道空闲时隙数目r和总时隙数目T;步骤2:节点准备发送数据,首先侦听信道是否空闲,确认空闲时长为DIFS后进入退避期;根据内部计数器统计结果估算网络活跃节点数Nesti,并设置初始竞争窗口值CW0;步骤3:在退避期,节点根据竞争窗口值选择随机退避时间;信道空闲时长为Slot Time,则退避计数器的值减1,当退避计数器的值减为0时,节点接入信道,进入传输期;步骤4:在传输期内,发生冲突使数据发送失败,则需要进行重传;当重传次数i达到限制,则丢弃数据,等待下一次发送数据;当前节点的重传次数i没有超过最大重传次数,增设重传调整因子θ,根据重传调整因子θ设置重传竞争窗口值,然后跳至步骤3。

【技术特征摘要】
1.一种无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应接入机制,包涵以
下步骤:
步骤1:节点处于侦听期,通过节点内部增设的计数器NUM_IDLE和
NUM_LISTEN分别统计侦听期信道空闲时隙数目r和总时隙数目T;
步骤2:节点准备发送数据,首先侦听信道是否空闲,确认空闲时长为DIFS
后进入退避期;根据内部计数器统计结果估算网络活跃节点数Nesti,并设置初始
竞争窗口值CW0;
步骤3:在退避期,节点根据竞争窗口值选择随机退避时间;信道空闲时长
为SlotTime,则退避计数器的值减1,当退避计数器的值减为0时,节点接入
信道,进入传输期;
步骤4:在传输期内,发生冲突使数据发送失败,则需要进行重传;当重传
次数i达到限制,则丢弃数据,等待下一次发送数据;当前节点的重传次数i没
有超过最大重传次数,增设重传调整因子θ,根据重传调整因子θ设置重传竞争
窗口值,然后跳至步骤3。
2.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应
接入机制,其特征在于,所述的活跃节点Nesti是指当前参与竞争信道资源的节点,
其数目反映网络当前的拥塞程度,活跃节点越多,说明网络竞争激烈,拥塞程
度高;通过所述的计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN获取相应的时隙信息估
计当前网络中的活跃节点数目。
3.根据权利要求2所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应
接入机制,其特征在于,所述的活跃节点数可通过计算,
其中r和T为节点计数器NUM_IDLE和NUM_LISTEN的实际统计值。
4.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应
接入机制,其特征在于,所述的重传调整因子θ,其值大于等于1;重传因子的
取值和网络中的活跃节点数Nesti和重传次数i有关:
θ=log2Nesti-i3]]>活跃节点数少,减小竞争窗口值,活跃节点数多,增大竞争窗口值;重传
次数多的节点优先接入信道;采用对数函数值随变量缓慢的性质控制竞争窗口
的变化率,对数函数的底数控制重传调整因子θ的变化幅度,取值为2。
5.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于活跃节点数估计的自适应
接入机制,其特征在于,当节点...

【专利技术属性】
技术研发人员:周杰英黄正林勤南彭彦皓
申请(专利权)人:中山大学
类型:发明
国别省市:广东;44

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