在无线局域网中提高节能机制重负载性能的方法 【技术领域】
本发明涉及一种在无线局域网中提高IEEE802.11节能机制重负载性能的方法，属于无线通信中无线网络的性能改进与增强技术领域。
背景技术
近年来，由于无线通信能够为用户提供方便、快捷的接入手段，无线通信技术日益受到业内人们的关注，并得到飞速发展。无线局域网作为无线本地接入的一种重要手段，在军工和民用方面都具有广泛的应用前景。为此，美国电气和电子工程师学会IEEE在1999年制定了无线局域网的标准IEEE802.11，以提供宽带的、支持异步或同步服务的网络。IEEE802.11的基本接入方式是异步共享信道的分布式对等接入方式(DCF，Distributed Coordination Function)。这种DCF接入方式中，站点之间竞争接入信道是通过窗口指数退避机制完成地：当站点接入信道时，需要先察看信道是否空闲，如果不空闲，则需要退避一段时间再察看；当退避时间结束后，如果信道空闲，则在DCF帧间距DIFS(DCFInterFrame Space)之后发送数据。每个站点都以一个初始竞争窗口值接入信道，一旦遭遇碰撞，该窗口值指数退避，以缓解碰撞。这种机制具有一定的自适应特性；但在站点数较多、竞争剧烈的重负载情况下，系统性能低下。
由于无线局域网中的移动站点通常由电池供电，而电池提供的能量有限，且电池技术在近三十年内没有大的突破。为延长移动站点每次充电的使用时间，IEEE 802.11中还定义了节能机制PSM(power saving mechanism)。该节能机制是在DCF的基础上实现节能。
下面参照图1说明该节能机制的工作原理。在该节能机制中，时间被分为一系列的传输周期(beacon interval)。每个周期又分为ATIM(Ad-Hoc TrafficIndication Message)窗口和数据发送窗口。所有站点在每个传输周期的开始醒来，并在整个ATIM窗口时间内保持清醒。当站点A有分组数据要发给另一个站点B时，它必须在ATIM窗口内发送ATIM帧给目的站点B，告知目的站点B在ATIM窗口结束后保持清醒，以接收该分组。ATIM帧的发送也是基于DCF的竞争机制。站点A发送完ATIM帧之后，必须在该传输周期剩余的时间内保持清醒。当站点B接收到ATIM帧后，必须立即回应一个确认ACK，并在剩余的时间内保持清醒。已经发送了ATIM帧并收到确认ACK的站点A，在ATIM窗口结束后，就会基于正常的DCF竞争机制发送分组。如果发送站点A在该ATIM窗口发送了ATIM帧，但是没有接收到ACK，它应该继续在下一个ATIM窗口中继续尝试发送ATIM帧，直至超过规定的次数为止。如果一个站点(如图1中的站点C)没有发送ATIM帧，也没有收到任何ATIM帧，它就可以在ATIM窗口结束后睡眠，直至下一个传输周期的开始。
如果两个或更多个站点都选择在同一个时隙发送数据分组，则数据分组会发生重叠，导致这两个或多个数据分组均不能被接收端正常接收，这种情况称为站点之间发生碰撞。一个好的无线局域网协议的一个重要指标就是多站点竞争时造成的碰撞较少。当站点的无线网络接口卡监听到大于接收门限的能量信号，却不能正确对其进行解码时，认为发生了碰撞；当站点的无线网络接口卡监听到无线信号并能正确解码时(包括目的地不是本机的数据分组)，则认为是分组发送成功。
为了能够很好地反映网络的忙闲情况，本发明定义了一个参数：碰撞因子R＝网络中发生的碰撞个数/网络中的成功发送个数。为了使网络的吞吐量实现最大化，碰撞因子R既不能过小，也不能过大，应有一个最优值；通过理论分析，该最优值Ropt为0.2，且其与分组的大小无关。DCF的指数退避机制具有一定的自适应特性；但在站点数较多、竞争剧烈的重负载情况下，DCF产生的碰撞过多，会导致系统性能低下。对DCF协议进行理论分析与计算，可以得出采用DCF的无线局域网中的碰撞因子R随网络中站点数的变化情况如图2所示。参见图2，在站点数为10时，碰撞因子在最优值Ropt(0.2)附近，随着站点数的增加(即网络负载的增加)，网络中的碰撞因子急剧增大。图3是网络吞吐量随站点数的变化情况，在重负载情况下，图示为站点数超过50以后，由于过多的碰撞导致网络吞吐量迅速下降。
由于节能机制中有一段时间(即ATIM窗口)不能发送数据，DCF在重负载情况下性能劣化的问题在节能机制中表现更为严重，已经引起业内众多人士的广泛关注。但是，根据申请人的检索，在现有的文献中尚未发现有针对节能机制重负载性能劣化问题的改进方法。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种在无线局域网中提高IEEE802.11节能机制重负载性能的方法，该方法能够较好地解决节能机制在重负载情况下的性能劣化问题，提高了网络信息的流通性能，并进一步节省了能量。
本发明的目的是这样实现的：一种在无线局域网中提高IEEE802.11节能机制重负载性能的方法，其特征在于：通过监听网络忙闲状况，每个站点自适应地调节各自的接入概率，保证在重负载下同时参加竞争的站点数不致过多和产生的碰撞不致过多，防止节能机制在重负载下性能劣化；而且，决定不参加竞争的站点进入睡眠状态，以节省能量消耗。
该方法包括下列具体操作步骤：
A、测量网络忙闲状况，调整本站点接入概率：各站点在每个传输周期的数据发送窗口监听测量碰撞个数与成功发送个数，并计算两者之比的碰撞因子R数值；再将表示当前网络忙闲状况的该碰撞因子R与其最优值Ropt进行比较，根据比较结果调整各站点的接入概率Paccess；
B、根据接入概率Paccess决定是否参加竞争：在每个传输周期的开始，随机产生一个范围在[0，1]之内的随机数r，如果该站点的接入概率Paccess≥r，则参加竞争；如果接入概率Paccess＜r，则不参加竞争；且不参加竞争的站点在ATIM窗口结束后进入睡眠状态；
C、再次调整接入概率，以提高接入公平性：在每个传输周期的ATIM窗口内，各站点都保持清醒，监听其他站点所捎带的接入概率Paccess；并在ATIM窗口结束时，对监听到的全部接入概率Paccess进行计算求解其平均值Paver，如果该站点的接入概率Paccess与平均值Paver之差的绝对值大于门限值α，则将自己的接入概率Paccess调整为该平均值Paver，否则保持其接入概率Paccess不变；以便保证各站点之间的接入公平性。
所述的步骤A中的碰撞因子R的最优值Ropt是0.2。
所述的步骤A进一步包括下列具体操作步骤：
A1、在数据发送窗口的开始时初始化参数：将碰撞计数器和成功计数器分别置0；
A2、在数据发送窗口期间监听网络碰撞：各个站点每监听到一次碰撞，则对碰撞计数器加1，监听到一次成功发送，则对成功计数器加1；并在该数据发送窗口的结束时，计算碰撞因子R＝碰撞个数/成功发送个数；
A3、在数据发送窗口结束时调整接入概率Paccess：如果连续多个传输周期的碰撞因子R＞0.2+σ，说明同时竞争的站点数过多，导致碰撞增加，浪费带宽，则将接入概率Paccess降低ε，即接入概率Paccess-ε，若两者的差小于0时，取值为0；如果连续多个传输周期的碰撞因子R＜0.2-σ，说明同时竞争的站点数过少，造成网络空闲时间过多，没有充分利用带宽，则将接入概率Paccess提高ε，即接入概率Paccess+ε，若两者的和大于1时，取值为1；如果碰撞因子R位于区间[0.2-σ，0.2+σ]内，则接入概率Paccess保持不变；式中σ为允许振荡的幅度，ε为调整步长；选取连续多个传输周期的碰撞因子的目的是为了减少系统的振荡，增加系统的平稳性。
所述的步骤C进一步包括下列具体操作步骤：
C1、在发送ATIM帧时捎带自己的接入概率Paccess：如果站点决定参加竞争，则执行该步骤，否则跳过该步骤，直接执行步骤C2；
C2、在ATIM帧窗口期间监听网络中其它站点的接入概率Paccess：在每个传输周期的ATIM帧窗口内，各站点都保持清醒，监听其他站点所捎带的接入概率Paccess；
C3、在ATIM窗口结束时调整自己的接入概率：当ATIM窗口结束时，对监听到的各个其他站点的Paccess计算求其平均值Paver，如果该站点自己的接入概率Paccess与平均值Paver之差的绝对值大于门限值α，则将自己的接入概率Paccess调整为该平均值Paver，否则保持该接入概率Paccess不变；以确保站点之间的公平性。
本发明是一种在无线局域网中提高IEEE802.11节能机制重负载性能的方法，该方法中每个站点根据监听到的网络忙闲状况分别调节自己的接入概率，使得整个网络的碰撞因子维持在最优值附近，从而使整个网络的吞吐量在重负载下不致劣化，维持在最优值附近。另外，由于不参加竞争的站点进入睡眠状态，可进一步节省能量。
本发明的主要优点在于其自适应性，每个站点能够根据当前网络忙闲状况自行调整其接入概率，既在很大程度上提高了该节能机制在重负载下的性能，又不降低其在轻负载下的性能。大量仿真试验表明，采用本发明的无线局域网在站点数增加后(从10增加到100)，其吞吐量没有明显下降；并且传输同样的字节数所消耗的能量大大降低，当站点数为100时为标准PSM的1/5。另外各站点之间的公平性相对于标准PSM也有不少提高。
【附图说明】
图1是在IEEE802.11中的节能机制PSM下各站点发送数据的时序示意图。
图2是现有的IEEE802.11中DCF的碰撞因子随站点数变化情况示意图。
图3是现有的IEEE802.11中DCF在不同站点数时的净吞吐量示意图。
图4是本发明方法的总体流程图。
图5是本发明的各个具体操作步骤的时序关系示意图，每个站点周期性地执行这些操作步骤，操作周期从每个传输窗口的数据发送窗口的开始，到下一个传输窗口的ATIM窗口的结束。
图6是本发明的监听网络忙闲状况并调整自己接入概率的流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图详细描述本发明方法的工作机理和具体操作步骤。
众所周知，现有的IEEE802.11协议节能机制的性能之所以在重负载情况下非常低下，是因为同时参加竞争的站点数过多，产生过多碰撞，从而浪费网络带宽，导致网络性能严重劣化。因此，改进方法之一就是如何在重负载情况下减少同时参加竞争的站点数，本发明创新地采用碰撞因子R(碰撞个数/成功发送个数之比)来反映当前网络的忙闲状况。该碰撞因子R数值既不能过大(表明碰撞过多)，也不能过少(表明站点发送数据过于保守，导致空闲时隙过多，同样也浪费带宽)，而是有一个最优值。在该最优值附近，无线网络的带宽才能得到充分的利用。经理论分析和计算，对于物理层采用IEEE DSSS(直接序列扩频)时，碰撞因子R的最优值Ropt为0.2。本发明的基本思想是在重负载下控制同时竞争的站点数，减少碰撞，使碰撞与成功传送的比例(即碰撞因子)维持在最优值附近；也就是每个站点通过监听网络忙闲状况，自适应地调节各自的接入概率，以保证在重负载下同时参加竞争的站点数不致过多和产生的碰撞不致过多，增强节能机制的自适应性，防止节能机制在重负载下性能劣化；而且，决定不参加竞争的站点进入睡眠状态，节省能量消耗，提高节能机制的性能。
参见图4和图5，具体说明本发明实现方法的三个主要操作步骤：
1、测量网络忙闲状况，调整本站点的接入概率：各站点在每个传输周期的数据发送窗口监听测量碰撞个数与成功发送个数，并计算两者之比的碰撞因子R数值；再将本次传输周期测得的碰撞因子R(表示当前网络忙闲状况)与其最优值Ropt进行比较，根据比较结果调整各站点的接入概率Paccess。
图5进一步细化说明了该第1操作步骤的流程：
11、在数据发送窗口的开始时初始化参数：将碰撞计数器和成功计数器分别置0；在站点初始化时，接入概率Paccess设为1，且只初始化设置一次。
12、在整个数据发送窗口期间监听网络碰撞：各个站点每监听到一次碰撞，则对碰撞计数器加1，监听到一次成功发送，则对成功计数器加1。并在该数据发送窗口的结束时，计算碰撞因子R＝碰撞个数/成功发送个数。
13、在数据发送窗口结束时调整接入概率Paccess：如果k个传输周期(前k-1个传输周期再加上本次传输周期)的碰撞因子R＞0.2+σ，说明同时竞争的站点数过多，导致碰撞增加，浪费带宽，则将接入概率Paccess降低ε，即接入概率Paccess-ε，若降低后的差小于0时，取值为0；如果k个传输周期的碰撞因子R＜0.2-σ，说明同时竞争的站点数过少，会造成网络空闲时间过多，没有充分利用带宽，则将接入概率Paccess提高ε，即接入概率Paccess+ε，若增加后的和大于1时，取值为1；如果碰撞因子R位于区间[0.2-σ，0.2+σ]内，则接入概率Paccess保持不变；式中σ为允许振荡的幅度，ε为调整步长。这里所述的k个传输周期为该站点保持清醒状态的周期数量，其在时间上不一定是连续的，所以取k个传输周期的碰撞因子的目的是为了减少系统的振荡，增加系统的平稳性。经大量仿真模拟试验，建议k取3，σ取0.1，ε取0.01。
前面描述的操作都是针对在该数据发送窗口期间保持清醒的站点。而在该数据发送窗口期间睡眠的站点，因没有监听信道，其接入概率Paccess保持不变。
2、根据接入概率Paccess决定是否参加竞争：在每个传输周期的开始，随机产生一个范围在[0，1]之内的随机数r，如果该站点的接入概率Paccess≥r，则参加竞争；如果接入概率Paccess＜r，则不参加竞争。参加竞争的站点在ATIM窗口按DCF协议竞争发送ATIM帧，如果收到回应ACK消息，则在数据发送窗口按DCF协议竞争发送数据；而不参加竞争的站点在ATIM窗口不发送ATIM帧(尽管它有数据要发送)，如果没有数据要接收的话，可以在ATIM窗口结束后进入睡眠状态，直至下一个传输周期的开始。
3、进一步调整接入概率，以提高接入公平性：如果每个站点独立地根据自己所监听的信道情况调整各自的接入概率Paccess，可能会出现少数站点清醒时信道总是很忙，或者说此时参加竞争的站点总是很多，从而一次次地降低自己的接入概率；而另一部分站点则相反：每次清醒时，同时与之竞争的站点总是较少，从而得到信道空闲的假象。为了减少或者避免这种不公平现象，本发明让所有站点共享监听到的忙闲信息，这是通过每个站点在ATIM帧中捎带自己的接入概率Paccess来实现的。IEEE802.11协议规定，在ATIM窗口内，所有的站点都必须保持清醒，如果在ATIM帧中携带接入概率Paccess的话，则所有的站点都可以监听到。决定参加竞争的站点在发送ATIM帧时，必须捎带自己的接入概率Paccess。这样，在ATIM窗口结束时，所有站点能够根据监听到的各个其他站点的Paccess调整自己的接入概率。藉此，可确保各个站点之间的接入公平性。
图5进一步细化该第3操作步骤为下面两个流程：
31、决定参加竞争的站点发送ATIM帧，并在其中捎带自己的接入概率Paccess，如果站点决定不参加本次竞争，则跳过此步骤，直接执行步骤32。
32、各站点在ATIM帧窗口期间都保持清醒，监听网络中其它站点所捎带的接入概率Paccess，并在ATIM窗口结束时调整自己的接入概率：当ATIM窗口结束时，对监听到的各个其他站点的Paccess进行计算求其平均值Paver，如果该站点自己的接入概率Paccess与平均值Paver之差的绝对值大于门限值α，则将自己的接入概率Paccess调整为该平均值Paver，否则保持该接入概率Paccess不变；其中门限值α为允许的最大的接入概率差异的一半，经大量仿真模拟试验，建议α取0.02。这样在一定程度上确保站点之间的公平性。
本发明的实现方法已经在计算机上进行了仿真模拟试验，试验是成功的，实现了发明目的。