基于队列长度和冲突风险的信道接入方法技术

本发明专利技术涉及一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，包括以下步骤：节点在发送之前根据队列信息中各节点的状态预测数据包的冲突风险，优先发送冲突风险小的数据包；当接收节点一跳范围内有活跃节点时，发送节点以通知帧形式传输队列信息，发送成功后再发送数据。本发明专利技术利用节点队列信息，降低隐藏终端引起的冲突，提高网络吞吐量，及降低传输时延。

【技术实现步骤摘要】
基于队列长度和冲突风险的信道接入方法
本专利技术涉及无线自组网
，特别是涉及一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法。
技术介绍
无线Mesh网络(WirelessMeshNetworks，WMNs)由无线路由器和终端设备组成，融合了无线局域网(WLAN)和无线自组网(Ad-Hoc)技术，是自组织、多跳的分布式网络。WMNs相对于传统的无线网络不仅具有高速率和高容量的优势，还具有覆盖范围广、传输可靠性高和扩展性强等优势。WMNs自身的各种优势和特点，使得它不仅可以应用于城域网、物联网，也可以应用于无线传感网、应急通信、智能交通、军事通信等领域。但是目前WMNs并没有在现实生活中实现大范围的部署和应用，在实际应用方面它还存在诸多技术问题亟需解决。介质访问控制(MediaAccessControl,MAC)层的信道介入机制作为无线Mesh网络的核心技术还存在很多问题是限制其走向应用的重要因素。MAC层是网络的重要组成部分，负责为节点分配无线通信资源并控制节点的物理层，直接影响信道利用率、网络延时、系统功耗以及信道使用的公平性等等。由于缺乏固定基础设置，当节点加入分布式网络，接入信道，抢占资源时，必须要自行组织并重新配置。所有节点的本质上都是相同的，并且网络中没有自然的分级或中央控制器，所有的功能都必须在节点之间分布。如何在有限的无线信道资源条件下充分利用信道，使各个用户能够高效快速的接入信道是MAC协议的关键任务。分布式信道接入的典型代表为IEEE802.11DCF(DistributedCoordinationFunction)协议，目前已被广泛应用于Ad-Hoc网络的各种仿真。分布式接入较为灵活，在节点密度较小、网络业务负载较轻的情况下，采用该协议可以获得较好的网络性能，因而适用于多跳Mesh网络。CSMA/CA是802.11DCF等众多协议的基础，隐藏节点问题是其最大的缺点之一。隐藏节点影响数据的正确接收，引起数据的频繁重传，而且过多的重传使MAC层认为接收节点失效，向网络层报告链路失败，网络层重新启用路由选择过程，导致网络冲突加剧，吞吐量急剧降低。802.11DCF以RTS/CTS机制解决隐藏节点问题，是目前无线网络中使用最广泛的协议。节点在发送大数据包之前通过RTS/CTS握手预留信道资。如图1所示(R为节点发送半径)，节点A向节点B发送数据之前先向节点B发送RTS消息，节点B收到RTS消息后如果允许节点A发送数据则回复CTS消息，RTS/CTS中包含后续数据传输所需的时间信息，节点A和节点B周围收到RTS、CTS消息的节点在传输数据的时间内保持静默，不发送任何消息。在高业务量网络中RTS/CTS可以有效提高网络性能，但是RTS/CTS本身会因隐藏节点问题握手失败，同时存在暴露节点的问题，网络性能提升有限。802.11DCF解决隐藏节点问题主要基于一种假设，认为所有隐藏节点位于接收节点的发送范围内。但是，通信范围和干扰范围的不同会导致RTS/CTS机制失效。Takeda等人提出一种基于队列长度交互的调度方案以解决隐藏节点问题。节点实时交换队列信息，允许两跳范围内队列长度最长的节点发送数据。节点分为活跃(active)和非活跃(inactive)两种状态，使用CSMA方式接入信道。当退避计数器为0时，active节点可以接入信道发送数据，inactive节点只可以回复。节点通过数据帧和ACK交换队列信息，其余节点监听信道更新队列信息。队列信息包括发送节点，接收节点，发送节点一跳范围内除接收节点以外的队列长度最大节点的ID、当前状态、队列长度。如图2所示，D发送数据给E，携带A(A、B、C中队列长度最长的节点)、D(发送方)、E(接收方)的队列信息，状态切换规则如表1所示。和CSMA、RTS/CTS相比，基于队列长度的调度方案在高业务量的WMNs中吞吐量和时延等方面都有较大的优势，但是当节点数量增多，传输速率变大时，时延明显增加。表1状态切换规则在QECW方案中，队列信息由数据帧和ACK携带发送。当网络负载较大时，时效性差，因此两跳范围内的队列信息容易出现不一致。在由inactive转为active时，节点发送短帧将状态变更的消息传输给其他节点。如果队列信息失效且接收节点的邻节点为active状态，短帧和数据帧都易发生冲突。如图3所示，A、D、E、I为active节点，其余为inactive节点。D通过F的ACK得知了I的队列信息，D监听E的数据帧，更新队列信息后依据状态切换规则转为active状态。A发送数据给B，D没有存储A的队列信息。此时D的两跳范围同时存在多个active节点，但是D存储了E、F两跳范围内的队列信息，只有A、H、J才是D的隐藏节点。若D发送短帧给C，A正在发送数据给B，数据帧传输时间长，在A结束发送前C将一直受到干扰。以上的冲突分析表明在未获得接收节点一跳范围内队列信息情况下，QECW的隐藏节点问题和CSMA同样严重。因此，需要研究如何利用节点存储的队列信息解决隐藏节点问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，能够降低网络冲突。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，包括以下步骤：(1)节点在发送之前根据队列信息中各节点的状态预测数据包的冲突风险，优先发送冲突风险小的数据包；(2)当接收节点一跳范围内有活跃节点时，发送节点以通知帧形式传输队列信息，发送成功后再发送数据。所述步骤(2)具体包括以下子步骤：(21)判断队列信息内是否有活跃节点，如果有执行下一步；否则，转至步骤(25)；(22)检查缓存区是否有活跃节点和通知节点的数据包，如果有判断活跃节点和通知节点数据包在缓存区中的位置，并执行下一步；否则，转至步骤(25)；(23)如果活跃节点的数据包靠前，将交换标志位置为活跃节点的标号，并转至步骤(25)；如果通知节点的数据包靠前，则执行下一步；(24)如果发送节点成功发送通知帧给通知节点，将交换标志位置为通知节点的标号，并删除通知节点，转至下一步，否则删除通知节点，重新退避；(25)根据交换标志位的具体情况发送数据。所述通知节点为记录一跳范围内队列信息的透明节点。所述交换标志位用于记录优先接收数据包的节点ID。所述步骤(25)具体为：如果交换标志位不是0，将交换标志位对应节点的数据包调至队列头部，发送数据；若交换标志位是0，则直接发送数据。有益效果由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术适用于高业务量的WMNs，用于降低网络冲突，将节点队列长度作为信道接入的衡量标准，通过数据帧和ACK实现队列信息交互，可以有效提高网络吞吐量。本专利技术通过分析各种冲突情况，利用队列信息内各节点的状态预测数据包的冲突风险，节点根据数据包的冲突风险，更改缓存区数据包的顺序，优先发送无隐藏节点方向的数据。附图说明图1是现有技术中隐藏节点模型图；图2是现有技术中队列信息通知示意图；图3是现有技术中QECW的冲突示意图；图4是本专利技术的流程图；图5是本专利技术中通知帧的格式示意图；图6是本专利技术中一个具体实施例冲突避免的示意图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)节点在发送之前根据队列信息中各节点的状态预测数据包的冲突风险，优先发送冲突风险小的数据包；(2)当接收节点一跳范围内有活跃节点时，发送节点以通知帧形式传输队列信息，发送成功后再发送数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)节点在发送之前根据队列信息中各节点的状态预测数据包的冲突风险，优先发送冲突风险小的数据包；(2)当接收节点一跳范围内有活跃节点时，发送节点以通知帧形式传输队列信息，发送成功后再发送数据。2.根据权利要求1所述的基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：(21)判断队列信息内是否有活跃节点，如果有执行下一步；否则，转至步骤(25)；(22)检查缓存区是否有活跃节点和通知节点的数据包，如果有判断活跃节点和通知节点数据包在缓存区中的位置，并执行下一步；否则，转至步骤(25)；(23)如果活跃节点的数据包靠前，将交换标志位置为活跃节点的标号，并转至步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：易辉跃，舒睿俊，刘丹，张武雄，许晖，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海无线通信研究中心，
类型：发明
国别省市：上海,31