專利名稱：基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，具體 涉及一種基于IEEE802. 11協(xié)議的WMN(Wireless Multi-hop Network，無線多跳網(wǎng)絡(luò))中 MAC (Media Access Control，媒體訪問控制)層最大重傳次數(shù)的優(yōu)化調(diào)整方法，屬于無線通 信網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，隨著無線多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)對(duì)QoS(Quality of Service，月艮 務(wù)質(zhì)量)要求的日益增加，分層的路由協(xié)議設(shè)計(jì)由于未考慮鏈路質(zhì)量和信道干擾的影響 導(dǎo)致鏈路層的過度重傳或網(wǎng)絡(luò)層的重路由，不僅消耗了寶貴的網(wǎng)絡(luò)資源，同時(shí)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò) 性能急劇下降。為了滿足不同的QoS要求，保證無線多媒體傳輸?shù)馁|(zhì)量，重傳控制和跨 層設(shè)計(jì)技術(shù)被越來越多的應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)中，通過利用物理層的差錯(cuò)模型、MAC(Media AccessControl)層的環(huán)境測(cè)量以及網(wǎng)路層的跨層路由實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化，提高無線資源 的利用率和網(wǎng)絡(luò)性能。IEEE802. 11是美國電機(jī)電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)為解決無線網(wǎng)路設(shè)備互連，于 1997年6月制定發(fā)布的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。802. 11是IEEE制訂的第一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo) 準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于 數(shù)據(jù)訪問，速率最高只能達(dá)到2Mbit/s。在基于IEEE 802. 11的無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中，由于 信道的擁塞或沖突，發(fā)送的數(shù)據(jù)分組被重傳以提高成功傳輸?shù)母怕?。在只有少?shù)節(jié)點(diǎn)移 動(dòng)的骨干網(wǎng)絡(luò)中，信道的擁塞或分組的競(jìng)爭(zhēng)更容易導(dǎo)致路由失敗?；贗EEE 802. 11的 DCF (Distributed Coordination Function，分布式協(xié)調(diào)函數(shù))由于未區(qū)分丟包原因?qū)е沦Y 源利用率較低。因此，如何利用動(dòng)態(tài)測(cè)量的方法估計(jì)丟包原因，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)重傳優(yōu)化是當(dāng)前無 線網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。當(dāng)前，針對(duì)上述問題許多MAC層協(xié)議或改進(jìn)方案被提出，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同業(yè)務(wù)的QoS支 持。這些方案主要通過利用聚類、端到端時(shí)延或可用帶寬等特征限制MAC層重傳或控制發(fā) 送速率，然而這些方案主要依賴于集中控制，只適應(yīng)于特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。在現(xiàn)有的技術(shù)方案中，IEEE 802. IlMAC層協(xié)議采用分布式協(xié)調(diào)函數(shù)DCF接入信 道，通過使用RTS (Request To Send，發(fā)送請(qǐng)求)/CTS (Clear To Send，消除請(qǐng)求)四次握手 機(jī)制及競(jìng)爭(zhēng)退避機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生丟失時(shí)，采用指數(shù)退避機(jī)制進(jìn)行MAC重 傳，包重傳次數(shù)被固定的設(shè)定為4(數(shù)據(jù)包)或7(RTS包)。若節(jié)點(diǎn)經(jīng)過多次重傳嘗試(達(dá) 到最大重傳次數(shù))仍無法成功將報(bào)文發(fā)送到下一跳，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)發(fā)生鏈路傳輸錯(cuò)誤，即 該鏈路失效或鏈路斷裂(Link Loss)，從而調(diào)用數(shù)據(jù)流傳送的錯(cuò)誤處理機(jī)制，并判定該路由 失效，啟動(dòng)路由維護(hù)過程。當(dāng)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生丟失時(shí)，使用BEB (BinaryExponential Backoff，二 進(jìn)制指數(shù)退避)機(jī)制控制退避窗口，窗口大小依賴于傳輸失敗次數(shù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，若 分組發(fā)送失敗可重復(fù)發(fā)送，同時(shí)調(diào)整競(jìng)爭(zhēng)窗口尺寸，當(dāng)分組重傳次數(shù)達(dá)到設(shè)定的最大值仍 然不能成功發(fā)送時(shí)，則丟棄該分組，同時(shí)發(fā)送下一個(gè)分組，數(shù)據(jù)分組的最大重傳次數(shù)設(shè)定為4;同樣，發(fā)送RTS/CTS分組時(shí)，若分組發(fā)送失敗可嘗試重傳該分組，直至達(dá)到最大重傳次數(shù) 為止，RTS/CTS的最大重傳次數(shù)設(shè)定為7。當(dāng)達(dá)到最大重傳次數(shù)，仍然不能將分組成功傳送 時(shí)，將發(fā)送下一個(gè)分組。而實(shí)際鏈路的最佳重傳次數(shù)往往與信道狀態(tài)密切相關(guān)，這種接入機(jī) 制的不公平性，造成不必要的分組重傳且過大的鏈路層重傳使網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。在無線 網(wǎng)絡(luò)中造成分組傳送失敗的原因主要包括無線鏈路的隨機(jī)差錯(cuò)和網(wǎng)絡(luò)擁塞/碰撞丟包。 現(xiàn)有的各種基于802. 11的MAC層算法并未對(duì)造成數(shù)據(jù)傳輸失敗的真正原因進(jìn)行判斷，導(dǎo)致 網(wǎng)絡(luò)誤判嚴(yán)重，帶寬利用率較低。傳統(tǒng)的IEEE 802. IlMAC層協(xié)議對(duì)發(fā)送失敗的分組進(jìn)行重傳，在一定程度上提高 了分組的成功傳遞率，但是由于MAC層的最大重傳次數(shù)被固定的設(shè)定為4或7，不能適應(yīng)各 種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，而實(shí)際鏈路的最佳重傳次數(shù)往往與丟包原因密切相關(guān)，因此現(xiàn)有的DCF 接入機(jī)制的不公平性，造成不必要的超時(shí)重傳且過大的鏈路層重傳次數(shù)使網(wǎng)絡(luò)性能急劇下 降，網(wǎng)絡(luò)的丟包率增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率顯著降低?，F(xiàn)有技術(shù)中，Sudhaakar R. S等提出了一種低功率、單跳無線網(wǎng)絡(luò)的媒體接入控 制方案，該方案基于數(shù)據(jù)分組到達(dá)分布近似服從泊松分布的假設(shè)，利用數(shù)值分析的方法，使 成功傳遞概率最大化時(shí)獲得最佳的重傳次數(shù)來實(shí)現(xiàn)最大化傳遞概率或最小化網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，實(shí) 現(xiàn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化重傳。由于該方案中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有發(fā)送模塊無接收模塊，且每個(gè)發(fā)送 間隔只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送較小的數(shù)據(jù)包，接收端不能接收來自其他節(jié)點(diǎn)的任何控制信息，如 ACK (ACKnowledge Character,確認(rèn)字符)或 NAK (NAKnowledge Character,否定字符)，僅 僅適應(yīng)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載率較小的情況。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是在負(fù)載率較高的無線多媒體網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 包必然會(huì)產(chǎn)生沖突，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包重傳以及如何提高無線分組的傳輸效率，提出一種基 于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法(MRCOS，MaximumRetransmission Count Optimization Scheme)，通過對(duì)信道狀態(tài)的測(cè)量，利用多屬性判決方法估計(jì)當(dāng)前信 道的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化最佳重傳，實(shí)現(xiàn)信道資源的有效利用。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，包括如下步驟步驟A，基于對(duì)無線鏈路的期望傳輸效率的計(jì)算值ETEijGO估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的整體 狀態(tài)，具體步驟如下A-I步，構(gòu)建期望傳輸效率函數(shù)ETEijGO,
2
_ 3] ETEij {k) - SSRC入k、+ SLRC州 + 2，其中SLRC代表MAC層的數(shù)據(jù)幀的有效重傳次數(shù)，SSRC代表MAC層的RTS幀的有 效重傳次數(shù)，SSRCijGO代表所述MAC層的數(shù)據(jù)幀從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j的次 數(shù)，SLRCij (k)代表所述MAC層的RTS幀從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j的次數(shù)，k、i、 j分別為自然數(shù)；A-2步，對(duì)期望傳輸效率函數(shù)ETEijGO采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法進(jìn)行平滑迭代 處理
ETEyik) = WlETEiJ (k) + Yd wM ETEy {k -1)，
/=1其中W1為指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法的加權(quán)因子，W1 e
；1表示第1個(gè)指數(shù)加權(quán) 數(shù)，1 = 1，2，…M，M表示指數(shù)加權(quán)個(gè)數(shù)。A-3步，當(dāng)A-2步得到的期望傳輸效率函數(shù)值小于閾值V1時(shí)，則判定當(dāng)前 網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能差，進(jìn)入步驟B ；當(dāng)Α-2步得到的期望傳輸效率函數(shù)值^^(A:)大于閾值V1時(shí)，采用降低最大重傳 次數(shù)或者增加應(yīng)用層的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，結(jié)束操作；其中，V1為期望傳輸效率的判斷閾值，0 < V1 < 1 ；步驟B，無線信道狀態(tài)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信道的丟包類型的區(qū)分，具體步驟為B-I步，構(gòu)建判斷函數(shù)Judge ( ·)Judge(i^(χ), Queuei) = α,^(χ) + (1-α,)Queuel ；其中，Pi(X)表示成功傳遞概率，χ為數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)，PiOO通過利用泊松分布 的概率統(tǒng)計(jì)的方法獲得；Queuei表示隊(duì)列空閑率，Queuei通過隊(duì)列緩存空間的定時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè) 量和指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法獲得-,a,為判斷函數(shù)Judge (·)的加權(quán)因子，B1 e
；B-2步，將B-I步求得的判決函數(shù)Judge ( ·)的函數(shù)值與丟包區(qū)分的判斷閾值V2 進(jìn)行比較①、當(dāng)判決函數(shù)Judge ( ·)的函數(shù)值小于閾值V2時(shí)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型判 為擁塞或碰撞；②、當(dāng)判決函數(shù)Judge ( ·)的函數(shù)值大于閾值\，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型判為隨 機(jī)差錯(cuò)；其中，0<V2<1;步驟C，根據(jù)步驟B區(qū)分的無線信道的丟包類型，對(duì)MAC層的最大重傳次數(shù)進(jìn)行調(diào) 整，具體步驟為C-I步，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型為B-2步驟中所述第①種情況時(shí)，通過降低MAC層 最大重傳次數(shù)Nmax緩解當(dāng)前的擁塞或碰撞水平，N' max = Nfflax-I,同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行路由維 護(hù)；C-2步，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型為B-2步驟中所述第②種情況時(shí)，通過增加MAC層
最大重傳次數(shù)Nmax提高分組的成功傳遞率，N' max = Nmax+1。進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，在 步驟A的A-3步中，當(dāng)期望傳輸效率函數(shù)值大于閾值V1時(shí)，采用降低最大重傳次數(shù)或者增 加應(yīng)用層的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，具體步驟為i，采用步驟B中的B-I步的方法構(gòu)建判斷函數(shù)Judge ( ·)；ii，將判決函數(shù)Judge( ·)的函數(shù)值與第二丟包區(qū)分判斷閾值V3進(jìn)行比較當(dāng)判決函數(shù)Judge ( ·)的函數(shù)值小于閾值V3，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型判為擁塞 或碰撞，通過降低MAC層最大重傳次數(shù)Nmax緩解當(dāng)前的擁塞或碰撞水平，N' max = Nfflax-I，同 時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行路由維護(hù)；當(dāng)判決函數(shù)Judge ( ·)的函數(shù)值大于閾值V3，通過增加MAC層的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)網(wǎng) 絡(luò)吞吐量的提高；
其中0 < V3 < 1，V3 < V2。進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，在 步驟B-I步中利用泊松分布的概率統(tǒng)計(jì)的方法獲得成功傳遞概率Pi(X)的計(jì)算方法為
γ -Miv γ
^(x) = (l-Pe(x)) = l-[l-e T f(l-^-e 2σ)]χ
σχ為數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)，Pe (χ)表示χ次重傳都失敗的概率，e表示分組傳輸失敗 指數(shù)，T表示信道占用的時(shí)間周期，N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，、表示時(shí)間間隔，γ為瑞利衰落信道的 信噪比，σ為瑞利衰落噪聲均值；進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，在 步驟B-I步中Queuei的獲得方法為通過隊(duì)列緩存空間動(dòng)態(tài)測(cè)量Queuei
^Length - CacheQueuel =-----, Queuei e
Lengtni其中，Lengthi表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)固定的數(shù)據(jù)隊(duì)列緩存區(qū)容量的大小，Cachei表示數(shù)據(jù) 隊(duì)列緩存區(qū)中已占用的數(shù)據(jù)大小；采用指數(shù)加權(quán)平均算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列空閑率進(jìn)行平滑處理，
__M _Queuei (k) = XvQueuei (k) + ^Queuei (k - /), X1 e
I=IX1為指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法的加權(quán)因子，1表示第1個(gè)指數(shù)加權(quán)數(shù)，1 = 1,2,… M，M表示指數(shù)加權(quán)個(gè)數(shù)。進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，期 望傳輸效率的判斷閾值V1的選擇是通過在4X4和5X5的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校赪，l]范圍 內(nèi)分別取不同值，利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，通過比較不同取值下的網(wǎng)絡(luò)性能，最終確定 一個(gè)普遍適用各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的值作為判斷閾值V1 ；所述丟包區(qū)分的判斷閾值V2的選擇是通過在4X4的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，在W，l]范 圍內(nèi)分別取不同值，利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，通過比較不同取值下的網(wǎng)絡(luò)性能，最終確 定一個(gè)普遍適用各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的值作為判斷閾值V2。進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，第 二丟包區(qū)分判斷閾值％的選擇是通過在4X4的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校赪，l]范圍內(nèi)分別取 不同值，利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，通過比較不同取值下的網(wǎng)絡(luò)性能，最終確定一個(gè)普遍 適用各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的值作為閾值V3。進(jìn)一步的，本發(fā)明的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，網(wǎng) 絡(luò)性能包括網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量、時(shí)延以及丟包率。本發(fā)明采用以上技術(shù)方案具有以下有益效果本發(fā)明通過動(dòng)態(tài)測(cè)量MAC層的期望傳輸效率、分組成功傳遞概率以及隊(duì)列空閑率 等狀態(tài)參數(shù)，利用多屬性判決算法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，動(dòng)態(tài)區(qū)分當(dāng)前丟包的主要原因是否是由 于無線鏈路隨機(jī)差錯(cuò)所致，自適應(yīng)優(yōu)化MAC層的最大重傳次數(shù)，合理控制無線網(wǎng)絡(luò)的重傳。本發(fā)明首先通過測(cè)量無線網(wǎng)絡(luò)的重傳次數(shù)獲得無線鏈路的期望傳輸效率參數(shù)，其 次通過估計(jì)無線信道的成功傳遞概率和隊(duì)列利用率實(shí)現(xiàn)分組丟失類型的區(qū)分，即信道狀態(tài)的判斷，最后通過獲得的傳輸效率參數(shù)和信道狀態(tài)的判斷實(shí)現(xiàn)802. IlMAC層的最大重傳次 數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，合理控制發(fā)送速率，提高路由維護(hù)效率。本發(fā)明通過對(duì)無線信道環(huán)境的不斷感知和測(cè)量，自適應(yīng)優(yōu)化MAC層的最大重傳次 數(shù)，提高分組的成功傳遞概率。
圖1是本發(fā)明的優(yōu)化方法的整體流程圖；圖2是本發(fā)明的最大重傳次數(shù)優(yōu)化調(diào)整方法的具體流程圖；圖3是使用本發(fā)明方法和現(xiàn)有的IEEE 802. 11重傳控制的仿真結(jié)果的性能比較。其中(a)為平均吞吐量隨節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的變化曲線，(b)為平均端到端時(shí)延隨節(jié) 點(diǎn)發(fā)送速率的變化曲線，(c)為平均擁塞丟包率隨節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的變化曲線，(d)為平均隨 機(jī)丟包率隨節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率的變化曲線。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，本發(fā)明包括兩個(gè)進(jìn)程，首先采用基于對(duì)鏈路期望傳輸效率的計(jì)算值 估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)，然后在不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，通過測(cè)量分組的成功傳遞概率和隊(duì) 列空閑率區(qū)分網(wǎng)絡(luò)丟包類型，進(jìn)而優(yōu)化最大的重傳次數(shù)，合理控制發(fā)送機(jī)制。1.無線鏈路的期望傳輸效率的獲取首先定義MAC層的最大期望重傳次數(shù)為Nmax。由于時(shí)延是有限的，當(dāng)重傳次數(shù)達(dá) 到Nmax時(shí)數(shù)據(jù)包仍不能正確接收，則丟棄。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用802. 11 MAC_MIB中的變量 SLRC和SSRC分別表示Data幀和RTS幀的實(shí)際重傳次數(shù)，則節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的鏈路成功發(fā) 送第k個(gè)包的重傳次數(shù)為=NijGO =SSRCijGO+SLRCij (k)。在理想情況下，成功傳送一個(gè)數(shù) 據(jù)包，只需要發(fā)送一次RTS和Data，因此，可以得出計(jì)算從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn) j的期望傳輸效率ETEijGO,如公式(1)所示。
NJk)2ETEJk) = \--^― =- (1)
L 」lA ) Nij(Jc)+ 2 SSRCJk、+SLRCij(Jc)+ 2其中SLRC代表MAC層的數(shù)據(jù)幀的有效重傳次數(shù)，SSRC代表MAC層的RTS幀的有 效重傳次數(shù)，SSRCijGO代表所述MAC層的數(shù)據(jù)幀從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j的次 數(shù)，SLRCij (k)代表所述MAC層的RTS幀從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j的次數(shù)，k、i、 j分別為自然數(shù)；為了避免狀態(tài)突發(fā)抖動(dòng)變化帶來較大誤差的影響，使測(cè)量的信息能更加準(zhǔn)確地反 映網(wǎng)絡(luò)的信道信息，我們對(duì)鏈路的期望傳輸效率ETE采用加權(quán)平均算法進(jìn)行平滑處理。利 用節(jié)點(diǎn)i在發(fā)送第k-Ι個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j時(shí)的信息和當(dāng)前發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j時(shí)測(cè)量的信息 進(jìn)行聯(lián)合預(yù)測(cè)估計(jì)，減小因統(tǒng)計(jì)精度不高帶來參數(shù)估計(jì)的誤差影響。期望傳輸效率的統(tǒng)計(jì) 值如公式(2)所示。
__M_ETEu (k) = WlETEij (k) +1 ETEij (k - /), ^ €
(2)其中W1為指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法的加權(quán)因子，W1 e
；1表示第1個(gè)指數(shù)加權(quán)數(shù)，1 = 1，2，…M，M表示指數(shù)加權(quán)個(gè)數(shù)。2.無線信道狀態(tài)的估計(jì)在基于IEEE802. 11的協(xié)議中，分布式協(xié)調(diào)函數(shù)DCF是最基本的媒體接入信道方 法，即節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)前先利用探測(cè)包RTS偵聽信道的忙閑狀態(tài)，如果信道空閑，說明當(dāng)前信 道不沖突，分組被傳輸；如果信道忙，說明當(dāng)前信道沖突，被發(fā)送的分組等待一個(gè)DIFS的間 隔。對(duì)于無線信道狀態(tài)的估計(jì)本發(fā)明采用分組成功傳遞概率和隊(duì)列空閑率來估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò) 的主要狀態(tài)，對(duì)于不同的信道狀態(tài)，我們采用不同的控制策略。1).在無線多跳網(wǎng)絡(luò)中，雖然每條鏈路都能偵聽彼此的鄰居鏈路，但是每條鏈路為 了接入信道獲得服務(wù)過程必然會(huì)與它的鄰居鏈路進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，競(jìng)爭(zhēng)必然導(dǎo)致沖突和數(shù)據(jù)包的 重傳，因此在實(shí)際信道容量的計(jì)算中應(yīng)該考慮數(shù)據(jù)包的沖突概率和重傳次數(shù)的影響。在單 類的QoS指標(biāo)中由于分組到達(dá)數(shù)目服從泊松分布，因此我們利用泊松分布的概率預(yù)測(cè)模型 預(yù)測(cè)包成功傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)概率及沖突失敗概率，以此反映無線鏈路的隨機(jī)丟包特征。在一個(gè)給定的時(shí)間段內(nèi)，信道的分組到達(dá)分布近似服從泊松分布，在時(shí)間間隔[S， t]內(nèi)，有k個(gè)分組到達(dá)的概率為P(N(t)-N(s) = k) = e — S)[X{f-5)],眾二 1,2,··· (3)，
kl其中λ為強(qiáng)度函數(shù)，在單類QoS指標(biāo)下，;I = ^^，N為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，χ為數(shù)據(jù)包
的重傳次數(shù)，e表示分組傳輸失敗指數(shù)。在[、_、，、+、]間隔內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的每次數(shù)據(jù)包的傳輸 可看做為獨(dú)立事件，則節(jié)點(diǎn)每次成功傳輸?shù)母怕?，tf表示時(shí)間間隔，即在2tf間隔內(nèi)有零個(gè) 分組到達(dá)的概率由上述公式(3)可得(4)考慮無線信道受瑞利衰落的影響，分組成功傳輸?shù)母怕士蛇M(jìn)一步表達(dá)為 g=/^、〗-，其中T表示信道占用的時(shí)間周期，Y為瑞利衰落信道的信噪比，σ
C
為瑞利衰落噪聲均值。則重傳次數(shù)X中至少有一次被成功傳輸?shù)母怕士赊D(zhuǎn)化為求他的對(duì)立 事件，即X次重傳都失敗的概率Pe(X)為=Γ (l~Le 2σ)]χ (5)
k=l σ則χ次重傳中至少有一次成功傳輸?shù)母怕蕿槿绻?6)所示。這樣，我們可以利 用公式(6)獲得的成功傳遞概率近似估計(jì)當(dāng)前無線鏈路的隨機(jī)丟包特征。尸(χ)= (I-^O)) = 1 — [l_e T f(l-^-e 2σ)]χ (6)
σ2).我們利用節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的空閑率參數(shù)做為判斷信道狀態(tài)的另一判據(jù)。用Queuei來
表示節(jié)點(diǎn)i的隊(duì)列空閑率，以此反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的擁塞狀況，定義為，
Length — CacheQueuei =--1----L, Queuel e
(7)
Lengthi其中Lengthi表示的是一個(gè)節(jié)點(diǎn)固定的數(shù)據(jù)隊(duì)列緩存區(qū)容量的大小，Cachei表示 數(shù)據(jù)隊(duì)列緩存區(qū)中已占用的數(shù)據(jù)大小。Queuei可以看作是某一個(gè)時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)隊(duì)列緩存區(qū)中尚未被使用的數(shù)據(jù)緩存的比例。從上式可以看出，Queuei越大，說明節(jié)點(diǎn)可利用的數(shù)據(jù)隊(duì)列 緩存區(qū)就越大，節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可接受的負(fù)載能力越強(qiáng)，相對(duì)來說，就認(rèn)為這些節(jié)點(diǎn)較“空閑”，從 公平使用網(wǎng)絡(luò)資源角度講，應(yīng)該讓這些節(jié)點(diǎn)盡可能參與網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的路由，避免不必要的重 傳。為了減小測(cè)量誤差影響，我們同樣采用加權(quán)平均算法對(duì)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列空閑率進(jìn)行平滑處 理，處理后的節(jié)點(diǎn)空閑率如公式(8)所示，進(jìn)一步減小參數(shù)估計(jì)的誤差。
__M _
權(quán)利要求
一種基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟步驟A，基于對(duì)無線鏈路的期望傳輸效率的計(jì)算值ETEij(k)估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)，具體步驟如下A 1步，構(gòu)建期望傳輸效率函數(shù)ETEij(k)， <mrow><msub> <mi>ETE</mi> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mn>2</mn> <mrow><msub> <mi>SSRC</mi> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>SLRC</mi> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow>其中SLRC代表MAC層的數(shù)據(jù)幀的有效重傳次數(shù)，SSRC代表MAC層的RTS幀的有效重傳次數(shù)，SSRCij(k)代表所述MAC層的數(shù)據(jù)幀從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j的次數(shù)，SLRCij(k)代表所述MAC層的RTS幀從節(jié)點(diǎn)i成功發(fā)送第k個(gè)包到節(jié)點(diǎn)j的次數(shù)，k、i、j分別為自然數(shù)；A 2步，對(duì)期望傳輸效率函數(shù)ETEij(k)采用指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法進(jìn)行平滑迭代處理 <mrow><msub> <mover><mi>ETE</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>w</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>ETE</mi> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><msub> <mi>w</mi> <mrow><mi>l</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><msub> <mover><mi>ETE</mi><mo>‾</mo> </mover> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo> </mrow>其中wl為指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法的加權(quán)因子，wl∈
；l表示第l個(gè)指數(shù)加權(quán)數(shù)，l＝1，2，…M，M表示指數(shù)加權(quán)個(gè)數(shù)。A 3步，當(dāng)A 2步得到的期望傳輸效率函數(shù)值小于閾值V1時(shí)，則判定當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能差，進(jìn)入步驟B；當(dāng)A 2步得到的期望傳輸效率函數(shù)值大于閾值V1時(shí)，采用降低最大重傳次數(shù)或者增加應(yīng)用層的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，結(jié)束操作；其中，V1為期望傳輸效率的判斷閾值，0＜V1＜1；步驟B，無線信道狀態(tài)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線信道的丟包類型的區(qū)分，具體步驟為B 1步，構(gòu)建判斷函數(shù)Judge(·) <mrow><mi>Judge</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>P</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <mover><msub> <mi>Queue</mi> <mi>i</mi></msub><mo>‾</mo> </mover> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn></msub><msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>a</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mover> <msub><mi>Queue</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>‾</mo></mover><mo>;</mo> </mrow>其中，Pi(x)表示成功傳遞概率，x為數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)，Pi(x)通過利用泊松分布的概率統(tǒng)計(jì)的方法獲得；Queuei表示隊(duì)列空閑率，Queuei通過隊(duì)列緩存空間的定時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量和指數(shù)加權(quán)移動(dòng)平均算法獲得；a1為判斷函數(shù)Judge(·)的加權(quán)因子，a1∈
；B 2步，將B 1步求得的判決函數(shù)Judge(·)的函數(shù)值與丟包區(qū)分的判斷閾值V2進(jìn)行比較①、當(dāng)判決函數(shù)Judge(·)的函數(shù)值小于閾值V2時(shí)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型判為擁塞或碰撞；②、當(dāng)判決函數(shù)Judge(·)的函數(shù)值大于閾值V2，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型判為隨機(jī)差錯(cuò)；其中，0＜V2＜1；步驟C，根據(jù)步驟B區(qū)分的無線信道的丟包類型，對(duì)MAC層的最大重傳次數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體步驟為C 1步，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型為B 2步驟中所述第①種情況時(shí)，通過降低MAC層最大重傳次數(shù)Nmax緩解當(dāng)前的擁塞或碰撞水平，N′max＝Nmax 1，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行路由維護(hù)；C 2步，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型為B 2步驟中所述第②種情況時(shí)，通過增加MAC層最大重傳次數(shù)Nmax提高分組的成功傳遞率，N′max＝Nmax+1。FSA00000277059300013.tif,FSA00000277059300014.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，其 特征在于，所述步驟A的A-3步中，當(dāng)期望傳輸效率函數(shù)值大于閾值V1時(shí)，采用降低最大重 傳次數(shù)或者增加應(yīng)用層的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，具體步驟為i，采用步驟B中的B-I步的方法構(gòu)建判斷函數(shù)Judge ( ·)； ii，將判決函數(shù)Judge( ·)的函數(shù)值與第二丟包區(qū)分判斷閾值V3進(jìn)行比較 當(dāng)判決函數(shù)Judge ( ·)的函數(shù)值小于閾值V3,當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包類型判為擁塞或碰 撞，通過降低MAC層最大重傳次數(shù)Nmax緩解當(dāng)前的擁塞或碰撞水平，N' max = Nmax-I,同時(shí)對(duì) 網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行路由維護(hù)；當(dāng)判決函數(shù)Judge( ·)的函數(shù)值大于閾值V3，通過增加MAC層的發(fā)送速率實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞 吐量的提高；其中
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，其 特征在于，所述步驟B-I步中利用泊松分布的概率統(tǒng)計(jì)的方法獲得成功傳遞概率Pi(X)的 計(jì)算方法為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，其 特征在于，所述步驟B-I步中Queuei的獲得方法為通過隊(duì)列緩存空間動(dòng)態(tài)測(cè)量Queuei
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，其 特征在于，所述期望傳輸效率的判斷閾值V1的選擇是通過在4X4和5X5的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?中，在W，l]范圍內(nèi)分別取不同值，利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，通過比較不同取值下的網(wǎng) 絡(luò)性能，最終確定一個(gè)普遍適用各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的值作為判斷閾值V1 ；所述丟包區(qū)分的判斷閾值V2的選擇是通過在4X4的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，在W，l]范圍 內(nèi)分別取不同值，利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，通過比較不同取值下的網(wǎng)絡(luò)性能，最終確定一個(gè)普遍適用各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的值作為判斷閾值V2。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，其 特征在于，所述第二丟包區(qū)分判斷閾值V3的選擇是通過在4X4的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，?br>
范圍內(nèi)分別取不同值，利用NS2進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真實(shí)驗(yàn)，通過比較不同取值下的網(wǎng)絡(luò)性能，最 終確定一個(gè)普遍適用各種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下的值作為閾值V3。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方 法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)性能包括網(wǎng)絡(luò)平均吞吐量、時(shí)延以及丟包率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于網(wǎng)絡(luò)信道狀態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)最大重傳次數(shù)的優(yōu)化方法，屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)領(lǐng)域。首先，根據(jù)無線鏈路的期望傳輸效率參數(shù)ETEij(k)的統(tǒng)計(jì)值估計(jì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差的情況，進(jìn)一步測(cè)量分組成功傳遞概率P(x)和隊(duì)列空閑率Queuei，并構(gòu)建分組丟失區(qū)分的判斷函數(shù)Judge(·)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分組丟失類型的區(qū)分；MAC層根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的主要丟包原因優(yōu)化最大重傳次數(shù)，使之適應(yīng)信道環(huán)境的需求，緩解網(wǎng)絡(luò)的擁塞水平；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較好的情況，為了避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，仍然進(jìn)行丟包區(qū)分，實(shí)現(xiàn)重傳優(yōu)化和速率控制，提高網(wǎng)絡(luò)性能。
文檔編號(hào)H04W28/16GK101938770SQ20101028708
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月20日
發(fā)明者張暉, 汪英瑞, 董育寧, 趙海濤 申請(qǐng)人:南京郵電大學(xué)