一种基于DCF协议的无线ad hoc网络链路可用带宽预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DCF协议的无线ad hoc网络链路可用带宽预测方法。该方法首先定义了链路最大吞吐量，并将其作为链路可用带宽的上限值。然后，该方法要求链路两端的收发节点通过载波检测机制估算各自的可用时长，并通过计算收发节点可用时长不同步的概率得到链路可用带宽的初步估计值。在此基础上，通过求解隐藏节点数据传输导致链路收发节点数据传输失败的概率对链路可用带宽的初步估计值进行修正，最终得到链路可用带宽修正值。无线网络仿真环境GloMoSim下的仿真结果表明，与现有的可用带宽预测方法相比，该方法能更加准确地预测链路的可用带宽。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线网络领域，特别涉及基于DCF协议的无线adhoc网络链路可用带宽预测方法。
技术介绍
无线adhoc网络是一种新型的不需要依赖固定基础设施的无线网络，由于具有组网快速、灵活、可靠性高的特点，在民用和军事领域得到广泛应用。近年来，随着无线网络技术的迅速发展，无线网络中音频、视频以及流媒体等带宽敏感多媒体业务快速增多，在adhoc网络中支持多媒体业务的传输吸引了越来越多人的关注。然而，adhoc网络中网络带宽资源有限，加之无线信道的共享特性和节点之间的相互干扰使得保障多媒体业务的通信服务质量(QualityofService，QoS)变得困难。如何准确、实时地掌握网络状态，尤其是链路可用带宽信息，成为保障网络中通信业务QoS的关键。此外，链路可用带宽信息对路由协议的选择、端到端的接入控制、减少和控制冲突、提高网络整体性能同样具有重要作用。无线adhoc网络中，媒质接入控制(MediumAccessControl，MAC)协议决定了共享无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源并控制节点物理层，是影响链路可用带宽资源的关键。IEEE802.11DCF(DistributedCoordinationFunction)是无线局域网中的标准协议，目前已被广泛应用于adhoc网络的各种仿真和测试床，成为了事实上的adhoc网络MAC协议规范。该协议通过物理载波检测和虚拟载波检测机制避免发送节点之间的冲突，并采用RTS/CTS控制帧握手机制部分的解决了隐终端问题。本专利技术即在DCF协议的基础上研究adhoc网络链路可用带宽的预测方法。按照是否需要向网络中注入探测包，可以将现有链路可用带宽预测方法分为两类：基于主动探测的链路可用带宽预测方法和基于被动测量的链路可用带宽预测方法。基于主动探测的链路可用带宽预测方法要求节点通过向网络中注入端到端的探测包来预测信道上的可用带宽，通过响应数据包和分析探测包来获取网络状况，具有复杂度低、操作性强等优点。然而该类方法中节点发送的探测包会引入额外的网络开销，对已有数据流和其他探测包产生干扰，影响预测结果的准确性。基于被动测量的链路可用带宽预测方法通常仅利用本地获得的带宽利用信息来预测链路的可用带宽。该类方法无需发送探测包，不占用网络中的可用带宽，不会对网络中的已有业务产生影响，因而与主动探测相比，该类方法能够获得更加准确的链路可用带宽预测结果。然而现有的被动测量方法大多用于单点监测，难以获得链路两端的性能，导致预测的链路可用带宽和实际链路可用带宽之间存在一定偏差。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有被动测量方法在预测链路可用带宽时的不足进行改进，在IEEE802.11DCF协议的基础上，提出一种基于节点可用时长的链路可用带宽预测方法，该方法可以准确预测链路的可用带宽，从而保障网络中通信业务的QoS。为了实现该目的，本专利技术所采用的步骤是：步骤1：计算链路最大吞吐量，链路最大吞吐量是指在不存在干扰业务的情况下，adhoc网络链路层能获得的最大吞吐量，将链路传输的数据帧大小与链路成功完成一轮数据传输所需要的时间相比，得到链路最大吞吐量，并将链路最大吞吐量视为adhoc网络中一条链路可用带宽的上限值。步骤2：根据IEEE802.11DCF协议规约，链路两端的发送和接收节点在每个观测周期内通过载波检测机制获得信道空闲时长，并判断信道空闲时长与DIFS时长关系，同时结合MAC层状态估算发送可用时长和接收可用时长，发送和接收可用时长得到后计算链路两端发送和接收节点可用时长不同步概率，并结合链路最大吞吐量，得到链路可用带宽的初步估计值。步骤3：根据隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的两种情况：隐藏节点发送的数据与发送节点发送的RTS帧或者与发送节点发送的DATA帧在接收节点处产生冲突，并结合RTS帧和DATA帧传输时间与隐藏节点数据传输时间重叠情况，推导出隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的概率，对链路可用带宽初步估计值进行修正，得到最终的链路可用带宽修正值。本专利技术提出的基于DCF协议的无线adhoc网络链路可用带宽预测方法已经在GloMoSim网络仿真环境中实现。考虑不同网络拓扑，分别将本专利技术提出的链路可用带宽预测算法ABLT和现有基于被动测量的可用带宽预测方法AAC(AdaptiveAdmissionControl)、ABE(AvailableBandwidthEstimation)进行比较。附图7给出了四点链状运动拓扑下的仿真结果。仿真中设置相距150m且处于同一水平线上的目标链路与背景业务链路。背景链路的业务负载量为500Kbps，且每条链路的收发节点间的距离相同。仿真中，改变两条链路收发节点间的距离依次为100m和150m。仿真运行过程中，背景链路以20m/s的速度背离目标链路进行匀速运动，仿真时间为25s。仿真中将ABLT所得的可用带宽预测结果与可用带宽实际值以及AAC、ABE方法所得结果进行对比，从仿真结果可以看出，相比于AAC和ABE，ABLT可以更加准确地预测出链路可用带宽随仿真时间的变化情况。附图8给出了随机格状拓扑下的仿真结果。仿真中1800m×1800m的网络区域内随机均匀分布100个节点，整个网络被均匀划分为9个小区域。目标链路(S，R)处于网络的中心区域，节点S和节点R之间的距离为200m。其他八个区域内均随机建立一条相同负载量的泊松流作为背景链路，仿真过程中每条泊松流的负载量由100Kbps增大到1000Kbps，仿真时间为25s。目标链路的可用带宽随不同背景业务负载的变化趋势如附图8所示。从仿真结果可以看出，ABLT能更加准确的预测出不同负载条件下目标链路的可用带宽。附图说明图1是IEEE802.11DCF协议传输周期示意图；图2是背景业务干扰导致收发节点可用时长不同步现象；图3是隐藏节点网络拓扑图；图4是本专利技术讨论传输中断的网络场景；图5是发送节点RTS帧与隐藏节点数据传输冲突；图6是发送节点DATA帧与隐藏节点数据传输冲突；图7是四点链状运动拓扑下可用带宽预测仿真结果；图8是随机格状拓扑下可用带宽预测仿真结果。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。本专利技术提出的基于DCF协议的无线adhoc网络链路可用带宽预测方法已经在无线网络仿真环境GloMoSim中实现，并通过GloMoSim环境中的仿真结果验证了该方法的有效性。在后面的叙述中，将本专利技术提出的链路可用带宽预测方法简记为ABLT(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于DCF协议的无线ad hoc网络链路可用带宽预测方法，所采用的步骤是：步骤1：计算链路最大吞吐量，链路最大吞吐量是指在不存在干扰业务的情况下，ad hoc网络链路层能获得的最大吞吐量，将链路传输的数据帧大小与链路成功完成一轮数据传输所需要的时间相比，得到链路最大吞吐量，并将链路最大吞吐量视为ad hoc网络中一条链路可用带宽的上限值；步骤2：根据IEEE 802.11 DCF协议规约，链路两端的发送和接收节点在每个观测周期内通过载波检测机制获得信道空闲时长，并判断信道空闲时长与DIFS时长关系，同时结合MAC层状态估算发送可用时长和接收可用时长，发送和接收可用时长得到后计算链路两端发送和接收节点可用时长不同步概率，并结合链路最大吞吐量，得到链路可用带宽的初步估计值；步骤3：根据隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的两种情况：隐藏节点发送的数据与发送节点发送的RTS帧或者与发送节点发送的DATA帧在接收节点处产生冲突，并结合RTS帧和DATA帧传输时间与隐藏节点数据传输时间重叠情况，推导出隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的概率，对链路可用带宽初步估计值进行修正，得到最终的链路可用带宽修正值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于DCF协议的无线adhoc网络链路可用带宽预测方法，所采用的步骤是：
步骤1：计算链路最大吞吐量，链路最大吞吐量是指在不存在干扰业务的情况下，ad
hoc网络链路层能获得的最大吞吐量，将链路传输的数据帧大小与链路成功完成一轮数据
传输所需要的时间相比，得到链路最大吞吐量，并将链路最大吞吐量视为adhoc网络中一
条链路可用带宽的上限值；
步骤2：根据IEEE802.11DCF协议规约，链路两端的发送和接收节点在每个观测周期
内通过载波检测机制获得信道空闲时长，并判断信道空闲时长与DIFS时长关系，同时结合
MAC层状态估算发送可用时长和接收可用时长，发送和接收可用时长得到后计算链路两端
发送和接收节点可用时长不同步概率，并结合链路最大吞吐量，得到链路可用带宽的初步
估计值；
步骤3：根据隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的两种情况：隐藏节点发送
的数据与发送节点发送的RTS帧或者与发送节点发送的DATA帧在接收节点处产生冲突，并
结合RTS帧和DATA帧传输时间与隐藏节点数据传输时间重叠情况，推导出隐藏节点数据传
输导致链路收发节点传输失败的概率，对链路可用带宽初步估计值进行修正，得到最终的
链路可用带宽修正值。
2.根据权利要求1所述的一种基于DCF协议的无线adhoc网络链路可用带宽预测方法，
其特征在于计算链路最大吞吐量的具体方法为：
定义链路收发节点成功完成一轮数据传输所需要的时间为t，根据IEEE802.11DCF协
议规约t可以分为两部分：
(1)完成RTS/CTS控制帧交互所需时间t1，包括分布式帧间间隔tDIFS、退避过程所经历的
平均时间tB、传输RTS和CTS控制帧的时间tRTS、tCTS，以及收发转换时间间隔tSIFS；
(2)完成数据帧传输和应答所需的时间t2，包括传输DATA帧和ACK帧的时间tDATA、tACK，以
及两个tSIFS时间；
整个传输周期t可以表示为：
t＝t1+t2(1)
时间t1、t2可以表示为：
根据传输的DATA帧大小LDATA，以及传输周期t，可以得到链路最大吞吐量Bmax为：
。
3.根据权利要求1所述的一种基于DCF协议的无线...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡圣所，雷磊，王夏楠，朱明，徐海楼，徐亚楠，黄太彬，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32