一種遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長 度優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks)的普及和應(yīng)用，IEEE 802. 11 標(biāo)準(zhǔn)受到人們的廣泛關(guān)注。IEEE 802. 11標(biāo)準(zhǔn)采用分布式接入功能（DCF)作為媒質(zhì)接入控 制協(xié)議。DCF協(xié)議采用載波檢測多路訪問沖突避免（CSMA/CA)機(jī)制和二進(jìn)制指數(shù)退避（BEB) 算法避免沖突。IEEE 802. IlDCF協(xié)議最初被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)短距離接入的無線局域網(wǎng)，而近 年來，該協(xié)議已被逐漸應(yīng)用于一些遠(yuǎn)距離組網(wǎng)的場景。例如，在地廣人稀的貧困地區(qū)，IEEE 802. IlDCF協(xié)議被用于構(gòu)建遠(yuǎn)距離無線通信網(wǎng)絡(luò)，以低廉的成本解決遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。
[0003] 二進(jìn)制指數(shù)退避算法（BEB)是保證分布式接入?yún)f(xié)議性能的關(guān)鍵。根據(jù)BEB算法， 節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，首先監(jiān)聽信道持續(xù)空閑DIFS時(shí)長，然后在區(qū)間[0，W-1]內(nèi)隨機(jī)選擇 一個(gè)整數(shù)b(t)作為退避計(jì)數(shù)器初始值，并在b(t) δ的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)監(jiān)聽信道，其中W為當(dāng)前 退避窗口長度，S為一個(gè)單位時(shí)隙長度。退避計(jì)數(shù)器值減小到〇,即退避定時(shí)器超時(shí)后，節(jié) 點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包。如果節(jié)點(diǎn)在退避時(shí)間內(nèi)偵聽信道變忙，則節(jié)點(diǎn)保存當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的剩余 值，并在下一次重新偵聽信道持續(xù)空閑DIFS時(shí)長后，繼續(xù)從該剩余值開始繼續(xù)退避。如果 節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包成功，則節(jié)點(diǎn)保持當(dāng)前退避窗口不變，而如果節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗，節(jié)點(diǎn)則 把當(dāng)前W的值擴(kuò)大一倍，并在重發(fā)數(shù)據(jù)包之前，在新的退避窗口中重新選擇退避計(jì)數(shù)器的 初始值，W的取值范圍為（CW min，CWmax)。節(jié)點(diǎn)多次重傳數(shù)據(jù)包失敗，并將該數(shù)據(jù)包丟棄后，節(jié) 點(diǎn)將W的值設(shè)置為最小值。
[0004] 在遠(yuǎn)距離條件下，研宄DCF協(xié)議性能，提高網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量具有重要意義。由于 BEB算法是DCF協(xié)議性能的關(guān)鍵，因而研宄人員已針對BEB算法開展了大量的研宄工作?，F(xiàn) 有的研宄工作都假定單位時(shí)隙長度S的取值不小于節(jié)點(diǎn)的最大傳播時(shí)延，因而數(shù)據(jù)包沖 突僅發(fā)生在多個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)完成退避的條件下。只要多個(gè)節(jié)點(diǎn)不在同一個(gè)時(shí)隙完 成退避，則不會(huì)發(fā)生沖突。然而，在遠(yuǎn)距離的應(yīng)用場景中，節(jié)點(diǎn)最大傳播時(shí)延遠(yuǎn)大于短距離 的應(yīng)用場景（假定節(jié)點(diǎn)最大傳輸距離為150公里，則最大傳播時(shí)延為0. 5毫秒）。如果仍然 將單位時(shí)隙長度S的取值設(shè)置為不小于節(jié)點(diǎn)的最大傳播時(shí)延，則退避等待將導(dǎo)致極大的 開銷，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)總平均吞吐量。因此，尋找最優(yōu)的退避時(shí)隙長度成為了提高遠(yuǎn)距離分布 式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵問題，本發(fā)明的內(nèi)容即圍繞該問題展開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)，提出一種退避時(shí)隙長度優(yōu) 化方法，從而獲得最大的網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量性能。為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明所采用的步驟是：
[0006] 步驟1 :確定節(jié)點(diǎn)之間距離的分布函數(shù)。
[0007] 步驟2 :采用離散馬爾可夫鏈對遠(yuǎn)距離環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)退避過程進(jìn)行建模，節(jié) 點(diǎn)在離散馬爾可夫鏈中的狀態(tài)用二維隨機(jī)變量{s(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示節(jié)點(diǎn)退 避階段；b(t)表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的剩余值；根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系得出離散 馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。
[0008] 步驟3 :根據(jù)節(jié)點(diǎn)非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率以及穩(wěn)態(tài)概率分布?xì)w一化條件求出節(jié)點(diǎn) 發(fā)送概率及條件沖突概率。
[0009] 步驟4 :根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙中平均成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特?cái)?shù)及時(shí)隙的平均長 度，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量。
[0010] 步驟5 :利用數(shù)值搜索法求得網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量最大時(shí)對應(yīng)的最優(yōu)時(shí)隙長度。
[0011] 本發(fā)明提出的遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方法已經(jīng)在 EXata 3. 1網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)在單跳傳輸范圍內(nèi)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)；網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)建立10條 業(yè)務(wù)流；信道帶寬為256Kbit/s ;網(wǎng)絡(luò)層采用靜態(tài)路由，傳輸層采用UDP協(xié)議；仿真時(shí)間為 300s〇
[0012] 附圖3給出了本發(fā)明提出的退避過程的原理框圖。附圖4和附圖5給出了在10 條業(yè)務(wù)流，節(jié)點(diǎn)傳輸范圍分別為300km和800km情況下，通過改變退避時(shí)隙長度得到的條件 沖突概率和網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量的仿真值與本發(fā)明得到的計(jì)算值的對比。仿真值與計(jì)算值的一 致性說明了本發(fā)明在不同網(wǎng)絡(luò)條件下，確定退避時(shí)隙長度最優(yōu)取值方法的有效性。
【附圖說明】
[0013] 圖1是節(jié)點(diǎn)分布示意圖；
[0014] 圖2是二維馬爾可夫鏈退避模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明提出的退避過程原理框圖；
[0016] 圖4是條件沖突概率理論值與仿真值對比圖；
[0017] 圖5是飽和吞吐量理論值與仿真值對比圖；
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0019] 本發(fā)明提出的遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方法已經(jīng)在無 線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境EXata 3.1中實(shí)現(xiàn)，并通過仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。下面給出本 發(fā)明的具體實(shí)施步驟：
[0020] 步驟1 :確定節(jié)點(diǎn)之間距離的分布函數(shù)。
[0021] 假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在單跳范圍內(nèi)隨機(jī)分布，如附圖1所示，圓O的半徑R為傳輸距 離的一半，所有節(jié)點(diǎn)在圓O內(nèi)隨機(jī)分布。節(jié)點(diǎn)A、B是圓O內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A、B到圓心 O的距離分別記作a，b。節(jié)點(diǎn)A、B之間的距離為d。OA與OB間夾角為Θ。由余弦定理得
[0022]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方法，所采用的步驟是： 步驟1:確定節(jié)點(diǎn)之間距離的分布函數(shù)； 步驟2 :采用離散馬爾可夫鏈對遠(yuǎn)距離環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)退避過程進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)在 離散馬爾可夫鏈中的狀態(tài)用二維隨機(jī)變量Is(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示節(jié)點(diǎn)退避階 段；b(t)表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的剩余值；根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系得出離散馬爾 可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率； 步驟3 :根據(jù)節(jié)點(diǎn)非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率以及穩(wěn)態(tài)概率分布?xì)w一化條件求出節(jié)點(diǎn)發(fā)送 概率及條件沖突概率； 步驟4:根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙中平均成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特?cái)?shù)及時(shí)隙的平均長度， 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量； 步驟5 :利用數(shù)值搜索法求得網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量最大時(shí)對應(yīng)的最優(yōu)時(shí)隙長度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方 法，其特征在于確定節(jié)點(diǎn)之間距離分布函數(shù)的具體方法為： 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在單跳范圍內(nèi)隨機(jī)分布，設(shè)圓〇的半徑R為傳輸距離的一半，所有節(jié)點(diǎn)在 圓〇內(nèi)隨機(jī)分布，節(jié)點(diǎn)A、B是圓0內(nèi)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A、B到圓心0的距離分別記作a， b，節(jié)點(diǎn)A、B之間的距離為d，0A與OB間夾角為0，由余弦定理得
任意兩節(jié)點(diǎn)間距離的分布函數(shù)可以表示為
由于變量a，b，0是相互獨(dú)立的，故式（2)可改寫為
0的概率密度函數(shù)為
a的分布函數(shù)為
因此a的概率密度函數(shù)可以表示為
同樣，b的概率密度函數(shù)可以表示為
式（2)中限定條件
我們用k表示式（3)中最內(nèi)層0積分的和
式（10)可進(jìn)一步推導(dǎo)為
(11)由式（3)和式 (11)可得任意兩節(jié)點(diǎn)間距離分布函數(shù)為
將式（6)，（7)，（11)代入式（12)中，可得到節(jié)點(diǎn)間距離分布函數(shù)Fd(d)的具體表達(dá)式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方 法，其特征在于確定節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率t及條件沖突概率p的具體方法為： 用、」表示馬爾可夫鏈的穩(wěn)態(tài)概率分布，即bi,」=linit^PtsU) =i，b(t0=j}，iG[〇,m]，jG[〇,W「l]，由模型可得 bi-i.o*P=bi>0^bi>0=piG[1,m] (13)
由式（13)和（14)可知，對于節(jié)點(diǎn)所處的任意一個(gè)狀態(tài)bi>k都可表示為和沖突概 率P的函數(shù)關(guān)系式，由歸一化條件
某時(shí)刻節(jié)點(diǎn)X的退避計(jì)數(shù)器值為j的概率記作lx>j，則
其中ceil()表示對括號中數(shù)向上取整， 式（17)中，當(dāng)j值取0時(shí)，1X,Q表示節(jié)點(diǎn)X在任意一個(gè)時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率，記作t， P表示條件沖突概率，其大小與網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量，節(jié)點(diǎn)間距離以及時(shí)隙長度有關(guān)，其值可以 表示為 p= 1_(1_G)n1 (18) 其中G表示任意一個(gè)其他節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)沖突的概率
根據(jù)式（17)，式（18)及式（19)可解得條件沖突概率p，將p值代入式（17)可計(jì)算得 到節(jié)點(diǎn)發(fā)送概率t。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方 法，其特征在于確定分布式網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量的具體方法為： 網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量S定義為單位時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)
在任一時(shí)隙網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包概率為nt(1-p)，包的平均長度為E[P]，因此，在任一時(shí)隙，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)平均成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包比特?cái)?shù)為nT(1-P)E[P]，E[〇]表示 平均時(shí)隙長度，考慮到在任意一個(gè)時(shí)隙，對于一個(gè)給定節(jié)點(diǎn)A可能處于以下任意一種狀態(tài)： 信道始終保持空閑；數(shù)據(jù)包成功傳輸引起的信道變忙；給定節(jié)點(diǎn)A作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)與其他 發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突引起的信道變忙；給定節(jié)點(diǎn)A作為非發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)其他節(jié)點(diǎn)間發(fā)生沖突引 起的信道變忙，因此，平均時(shí)隙長度E[ 〇 ]可以表示為 E[ 〇 ] = (1-Ptr) 8+nt(l-p)Ts+(Ptr-PtrPs) (tpTcl+(l-tP)Tc2) (21) 其中，S表示信道空閑時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙長度， Ptr= 1-(1-t)n (22) 表示在任意一個(gè)時(shí)隙，至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的概率，
表示在至少有一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包的條件下，數(shù)據(jù)包能夠成功被接收的概率， Ts=E[P]+2XPLCP+SIFS+DIFS+ACK+2XE[td] (24) 為節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包所花費(fèi)的時(shí)間，E[td]為平均傳播時(shí)延， Tcl=E[P]+PLCP+ACKTimeout+DIFS (25) 為給定節(jié)點(diǎn)A作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)與其他發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突的情況下，A檢測到的沖突持 續(xù)時(shí)間， Tc2=E[P]+PLCP+DIFS (26) 為給定節(jié)點(diǎn)A作為非發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)其他節(jié)點(diǎn)間發(fā)生沖突的情況下，A檢測到的沖突持續(xù) 時(shí)間， 因此，網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量S可以表示為
由此確定遠(yuǎn)距離分布式網(wǎng)絡(luò)選取不同時(shí)隙長度時(shí)對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種遠(yuǎn)距離分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避時(shí)隙長度優(yōu)化方法。該方法首先確定節(jié)點(diǎn)間距離分布函數(shù)。然后采用二維離散馬爾可夫鏈對遠(yuǎn)距離條件下分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)退避過程進(jìn)行建模，根據(jù)非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率得出分布式載波檢測無線網(wǎng)絡(luò)退避階段的穩(wěn)態(tài)概率分布，并利用穩(wěn)態(tài)概率歸一化條件求出節(jié)點(diǎn)的發(fā)送概率。進(jìn)而根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)隙中平均成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特?cái)?shù)及時(shí)隙的平均長度，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量。最后通過數(shù)值搜索法確定不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下退避時(shí)隙長度的最優(yōu)取值。無線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境EXata中的仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。
【IPC分類】H04W24-02
【公開號】CN104581786
【申請?zhí)枴緾N201510030202
【發(fā)明人】雷磊, 朱曉浪, 王丹, 蔡圣所, 張雅靜, 朱馬君, 朱明
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月19日