基于门限服务的CSMA/CA多址接入方法技术

本发明专利技术提出一种基于门限服务的CSMA/CA多址接入方法，需要接入信道的节点按照CSMA/CA协议来抢占信道；当退避计数器的值减到0后，节点检查缓存队列的长度，并将剩余计数器的值设为该缓存队列的长度；节点发送一个数据帧，然后启动计时器来记录等待ACK确认的时间；判断节点是否在ACK_TIMEOUT时间内收到ACK确认，如果是，则数据帧发送成功。本发明专利技术可以极大地缩小节点的竞争时延，让数据帧尽早地一次性发完，从而提升网络的吞吐量，减小数据帧的平均时延和延迟抖动，增强系统的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
基于门限服务的CSMA/CA多址接入方法
本专利技术涉及无线通信
，特别是一种基于门限服务的带冲突避免的载波侦听(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance，以下简称为CSMA/CA)多址接入方法。
技术介绍
随着互联网的高速发展和智能终端的大规模使用，移动通信网络流量增长迅猛。思科白皮书指出，目前全球移动通信数据流量的年增长率为47％，到2021年，每年的移动数据流量将超过0.5ZB，且超过半数是语音、视频等实时业务。而全球大约有60％的流量是通过Wi-Fi网络卸载，因此这对Wi-Fi等无线局域网的网络容量提出了更高的要求。目前无线网络可以支持较高的链路速率，如IEEE802.11n可达到600Mbps的链路速率，且下一代光无线网络有望达到Gbps的速率，但链路利用率依然很低，导致网络吞吐量不高。因此提升网络的带宽利用率是一个亟待解决的问题。媒质接入控制(MediumAccessControl，MAC)协议是影响网络吞吐量的一个重要因素。无线接入网中多个用户共享同一信道，各个用户之间通过竞争来发送数据，用户数据之间的冲突会造成大量的带宽浪费。目前无线局域网采用的DCF(DistributedCoordinationFunction)协议主要是一种基于CSMA/CA的信道接入机制。其核心思想是，节点在发送数据之前先监听信道并进行随机退避，以尽可能地减少节点之间的冲突。这种机制的主要缺点是虽然通过随机退避减少了节点之间的冲突，但大量带宽被节点的随机退避时间所浪费，真正有效发送数据的时间很少，因此系统吞吐量仍有限。尤其是当负载较高时，该协议极易造成系统不稳定。为了克服这一缺点，人们试图对传统的CSMA/CA协议进行改造来提高系统的吞吐量。现有的策略有以下不足的地方：(1)只适用于特定场景，如用户数比较密集的情况。(2)需要改动现有的数据帧结构或增加硬件复杂度，实现成本高。(3)算法实现复杂，需要网络的全局信息或过去的网络状态统计信息(如成功概率，信道利用率等)来作为算法调度的参数。因此，面向下一代大容量、高速率的无线局域网，本专利技术提供一种基于门限服务的CSMA/CA多用户信道接入协议，在提高网络的吞吐量的同时，降低数据帧平均延迟和延迟抖动，且该协议实现简单，成本较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对无线接入网带宽利用率低，无法很好地支持高负载、低延迟业务的问题，提供一种基于门限服务的CSMA/CA媒质接入控制协议，以提高网络的吞吐量，降低数据帧延迟。为实现上述专利技术目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种基于门限服务的CSMA/CA多址接入方法，其特点在于：包括如下步骤：步骤S1，需要接入信道的节点按照CSMA/CA协议来抢占信道：节点监测信道，当监测到信道持续空闲DIFS时间后，节点随机退避，在退避过程中，节点每个时隙监测一次信道，如果信道空闲，则退避计数器减1，如果信道忙，则冻结退避计数器的值，并继续监测信道，当信道再次空闲DIFS时间后，节点再从上次冻结的计数值开始退避；步骤S2，当退避计数器的值减到0后，节点检查缓存队列的长度，并将剩余计数器的值设为该缓存队列的长度；步骤S3，节点发送一个数据帧，然后启动计时器来记录等待ACK确认的时间；步骤S4，判断节点是否在ACK_TIMEOUT时间内收到ACK确认，如果是，则数据帧发送成功，将剩余计数器的值减1，并进入步骤S5，如果否，则数据帧发送失败，节点结束传输，返回步骤S1；步骤S5，判断节点剩余计数器的值是否为0，如果是，则数据帧发送完毕，节点结束传输，释放信道；如果否，则返回到步骤S3继续发送下一个数据帧。所述的剩余计数器是记录节点每次占领信道期间可连续发送的数据帧数。需要发送数据的节点首先按照原始的CSMA/CA协议竞争信道，在接入信道前节点需要先检查缓存队列的长度，并在本地维护一个计数器(这里我们称为剩余计数器)来记录该队长。如果节点竞争信道失败，则更新竞争窗口，重新进行随机退避，并在下次接入信道时更新剩余计数器的值为当时的缓存队长。如果节点竞争信道成功，则发送一个数据帧并等待接收确认信息ACK。当接收到该数据帧的ACK后，节点将剩余计数器的值减1，并在SIFS(ShortInterFrameSpace)时间后继续发送下一个数据帧。当剩余计数器的值减小到0或节点在ACK_TIMEOUT时间后还没有接收到ACK，则节点立刻释放信道。剩余计数器的值减小到0，说明节点成功接入信道前的缓存数据都已经发送完；节点在ACK_TIMEOUT时间后没有接收到ACK说明节点此时的传输路径衰落严重，数据帧无法正确传输。以上任意一种情况发生，节点都要释放信道，并开始新一轮的CSMA/CA接入过程。所述的原始CSMA/CA协议是节点在发送数据之前先监测信道，如果信道持续空闲了DIFS(DistributedInterFrameSpace)时间，则节点开始随机退避。在退避过程中，节点每个时隙检查一次信道，如果信道空闲，则退避计数器减1；如果信道忙，则停止退避并冻结退避计数器的值，继续监测信道。如果信道又空闲了DIFS时间，则激活退避计数器的值重新开始退避。当退避计数器减小到0后，节点发送一个数据帧。当目的节点正确接收到数据帧后，在SIFS时间后返回一个确认信息ACK给源节点。如果源节点在ACK_TIMEOUT时间内没有接收到ACK，则认为数据帧发送失败。所述的剩余计数器是减计数器，在节点每次接入信道前将该计数器的值更新为当时缓存队列的长度，发送一个数据帧并收到确认信息ACK后将该计数器减1，当该计数器的值减小到0后，节点释放信道。所述的门限服务是节点每次成功抢占信道后，只允许连续发送成功之前已缓存的数据帧，在传输期间到达的数据帧推迟到下次信道接入时发送。所述的CSMA/CA协议具体可参见IEEE802.11系列标准。所述的释放信道是节点终止数据的连续发送，让信道变得空闲。节点竞争成功一次可以获得多个数据帧的发授权，被授权的数据帧个数与接入时刻缓存队列的长度有关，但被授权的数据帧能否全部发送成功与传输过程中的信道状态有关。例如，如果节点成功接入信道时，其缓存队列中有5个数据帧，则该节点允许连续发送这5个数据帧。但如果节点在发送第4个数据帧时，由于信道状态不佳导致发送失败，节点没有在规定时间内接收到该数据帧的确认，则节点不再继续发送，而是重新开始监测信道并进行随机退避。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：不需要改动现有的协议框架及硬件设备，只需给每个节点再配备一个计数器来记录每次节点抢占信道后可连续发送的数据帧个数，实现成本低。且该协议是分布式的，不需要接入点(AccessPoint，AP)集中调度，也不需要额外的网络统计信息，实现简单。另外，该协议可以极大地缩短数据帧的竞争时延，提高网络的吞吐量和链路利用率，同时增强系统的稳定性，对于不超过链路容量的任何输入速率都可以稳定支持。附图说明图1是节点信道接入及数据发送流程图；图2是本专利技术一个实施例的节点信道接入时序图；具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于门限服务的CSMA/CA多址接入方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤S1，需要接入信道的节点按照CSMA/CA协议来抢占信道：各节点监测信道，当监测到信道持续空闲DIFS时间后，节点随机退避，在退避过程中，节点每个时隙监测一次信道，如果信道空闲，则退避计数器减1，如果信道忙，则冻结退避计数器的值，并继续监测信道，当信道再次空闲DIFS时间后，节点再从上次冻结的计数值开始退避；步骤S2，当退避计数器的值减到0后，节点检查缓存队列的长度，并将剩余计数器的值设为该缓存队列的长度；步骤S3，节点发送一个数据帧，然后启动计时器来记录等待ACK确认的时间；步骤S4，判断节点是否在ACK_TIMEOUT时间内收到ACK确认，如果是，则数据帧发送成功，将剩余计数器的值减1，并进入步骤S5，如果否，则数据帧发送失败，节点结束传输，返回步骤S1；步骤S5，判断节点剩余计数器的值是否为0，如果是，则数据帧发送完毕，节点结束传输，释放信道；如果否，则返回到步骤S3继续发送下一个数据帧。

【技术特征摘要】
1.一种基于门限服务的CSMA/CA多址接入方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤S1，需要接入信道的节点按照CSMA/CA协议来抢占信道：各节点监测信道，当监测到信道持续空闲DIFS时间后，节点随机退避，在退避过程中，节点每个时隙监测一次信道，如果信道空闲，则退避计数器减1，如果信道忙，则冻结退避计数器的值，并继续监测信道，当信道再次空闲DIFS时间后，节点再从上次冻结的计数值开始退避；步骤S2，当退避计数器的值减到0后，节点检查缓存队列的长度，并将剩余计数器的值设为该缓存队列的长度；步骤S3，节点发送一个数据帧，然后启动计时器来记录等待ACK确认的时间；步骤S4，判断节点是否在ACK_TIMEOUT时间内收到ACK确认，如果是，则数据帧发送成功，将剩余计数器的值减1，并进入步骤S5，如果否，则数据帧发送失败，节点结束传输，返回步骤S1；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄欢欢，叶通，李东，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31