本發(fā)明涉及電機技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種提升移動自組網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量保證效率的方法。

背景技術(shù)：

最近幾年以來，無線移動通信得到的快速的發(fā)展，使得人們的生活更加的方便和快捷。目前存在的無線移動網(wǎng)絡(luò)主要有兩種：一種是基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)比較典型的有無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，移動節(jié)點不具備路由選擇功能.只有移動交換機負責(zé)路由和交換的功能。但是，在一些特殊場合，往往是不方便或者是不可能設(shè)置有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，在這種情況下，用戶如果要完成通信，則必須借助于第二種無線網(wǎng)絡(luò)，也就是不基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)——無線自組織網(wǎng)絡(luò)。

由于無線自組網(wǎng)移動性、方便性等優(yōu)點，在以后人們的工作和生活中，對其需求將越來越大。同有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線自組網(wǎng)的性能和服務(wù)質(zhì)量還有很大差距，其主要制約因素在于物理層和MAC層的特點，因此，對于移動自組網(wǎng)MAC層的性能分析和改進，以及與MAC層相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量保證問題的研究具有非常重要的意義。

隨著無線網(wǎng)絡(luò)中對延遲敏感的實時多媒體業(yè)務(wù)(如音頻、視頻等)的增多，研究移動自組網(wǎng)的公平性能以及區(qū)分服務(wù)能力越來越重要。自組網(wǎng)的高層服務(wù)質(zhì)量保證技術(shù)，都是假設(shè)MAC協(xié)議能在無線環(huán)境下分布式提供可靠的單播通信和為實時業(yè)務(wù)提供資源預(yù)留的前提下設(shè)計的。MAC子層主要用來管理和協(xié)調(diào)多個用戶共享可用的頻譜資源，它需要解決如何將頻譜劃分為不同的信道以及如何將信道資源分配給不同的用戶。MAC子層處于協(xié)議棧的底層，是所有數(shù)據(jù)報文和控制消息在無線信道上進行發(fā)送和接收的直接控制者，它能否高效地使用無線信道是上層各種協(xié)議和機制所提供的服務(wù)質(zhì)量保證能否得到最終保障的一個關(guān)鍵因素。

媒體接入控制協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的最底層，直接關(guān)系到無線信道的利用率和整個網(wǎng)絡(luò)的性能，許多研究者通過改變幀間距和競爭窗口來實現(xiàn)在MAC層提供服務(wù)質(zhì)量保證。相關(guān)文獻中提出了一種競爭窗口的慢遞減方法，取代了802.11中每次發(fā)送成功后競爭窗口減小到CW_min，從而減小了碰撞率和重傳次數(shù)。相關(guān)文獻中EDCF作了改進，提出了自適應(yīng)EDCF機制(A-EDCF)，在A-EDCF中，每種類型的業(yè)務(wù)根據(jù)估計的碰撞率自適應(yīng)地進行窗口調(diào)整，在高負載的情況下能提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。相關(guān)文獻用一種自適應(yīng)的退避機制代替二進制指數(shù)退避提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。相關(guān)文獻用不同的CW、IFS、最大幀長來提供服務(wù)區(qū)分和優(yōu)先級劃分。相關(guān)文獻根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時狀況的好壞來調(diào)整CW和IFS大小，網(wǎng)絡(luò)狀況的好壞是用網(wǎng)絡(luò)層的碰撞率、丟包率來表示的，但是該文僅考慮了單跳的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。相關(guān)文獻在為數(shù)據(jù)包分配優(yōu)先級時考慮了時延因素，該文假定一個傳感器網(wǎng)絡(luò)被分為幾個小單元(每個小單元內(nèi)的節(jié)點構(gòu)成一個單跳網(wǎng)絡(luò))，單元內(nèi)部的數(shù)據(jù)包依據(jù)EDF規(guī)則確定發(fā)送順序。相關(guān)文獻也采用了EDF規(guī)則以提高無線局域網(wǎng)的吞吐量。然而以上的研究都只是在單跳網(wǎng)絡(luò)中進行討論，在多跳的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更為復(fù)雜，在為它設(shè)計MAC協(xié)議時應(yīng)該充分考慮到它的多跳性特點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提升移動自組網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量保證效率的方法，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種提升移動自組網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量保證效率的方法，采用跨層設(shè)計的方法將網(wǎng)絡(luò)層的跳數(shù)因素引入到MAC層的信道競爭機制中去，跳數(shù)的引進包括以下方法：

A、節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)是沿著自頂向下的方向從應(yīng)用層向下遞交并逐層封裝數(shù)據(jù)，經(jīng)運輸層到網(wǎng)絡(luò)層；

B、在網(wǎng)絡(luò)層首先判斷包類型，如果是路由控制數(shù)據(jù)包，為了盡量提高路由控制包的接入優(yōu)先級，設(shè)置剩余跳數(shù)為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的最大跳數(shù)值；如果是普通數(shù)據(jù)包，則讀取包頭中剩余分段的值，并將這個值用參數(shù)H表示，傳遞到MAC層。

優(yōu)選的，步驟B中引入?yún)?shù)H后數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程包括以下步驟：

A、發(fā)送主機監(jiān)聽媒體，如果媒體空閑達到DIFS時間，發(fā)送RTS報文給目的站；

B、目的STA收到RTS報文后，發(fā)送給報文CTS報文給源STA，經(jīng)過這次握手后，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀；

C、如果媒體忙，則延遲接入，直到媒體空閑時間達到DIFS以后，進入退避過程；

D、主機根據(jù)加入剩余跳數(shù)參數(shù)的退避算法選擇一個退避時間，并設(shè)置退避時間計數(shù)器；在媒體空閑時，退避時間計數(shù)器每隔一個時隙減1；在媒體忙時，退避時間計數(shù)器停止計數(shù)；

E、在退避時間計數(shù)器減到零后，主機立即發(fā)出數(shù)據(jù)幀；

F、發(fā)出數(shù)據(jù)后，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到ACK，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗，進入重傳退避過程，回到步驟C；

G、如果在規(guī)定的時間內(nèi)收到ACK，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功。

優(yōu)選的，所述步驟D中剩余跳數(shù)參數(shù)的退避算法對優(yōu)先級進行了調(diào)整，調(diào)整公式為：CW_new[AC]＝min((CW_old[AC]+β*(H_max-H))-1，CW_max[AC])；其中，H_max表示網(wǎng)絡(luò)中的最大跳數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時使用RTS/CTS方式，源站在每次數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)送小的控制幀RTS預(yù)留信道，目的站收到RTS幀，如果準備接收，就回應(yīng)CTS幀；當(dāng)源站收到CTS，則開始傳輸數(shù)據(jù)；節(jié)點通過在RTS幀中攜帶各自的H_max來實現(xiàn)對H_max的維護，每當(dāng)收到其他節(jié)點的RTS幀時，將攜帶的H_max與自己當(dāng)前的H_max來比較，若當(dāng)前自己保留的H_max較小，則用收到的H_max替換；β稱為區(qū)分因子，它的大小代表了相差一跳的數(shù)據(jù)包之間所對應(yīng)的退避窗口的差距，以此作為不同跳數(shù)之間在發(fā)送優(yōu)先級上的區(qū)分。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明采用跨層設(shè)計的方法將網(wǎng)絡(luò)層的跳數(shù)因素引入到MAC層的信道競爭機制中去，對EDCF進行改進，能夠有效減小多跳網(wǎng)絡(luò)中多媒體包的端到端時延，并能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，是一種適合無線自組織網(wǎng)絡(luò)、能夠有效提高多媒體服務(wù)質(zhì)量保障的媒體接入控制機制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的無線自組織網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計流程圖；

圖2為本發(fā)明中節(jié)點1到節(jié)點25的端到端時延曲線圖；

圖3為本發(fā)明中EDCF與其改進協(xié)議在時延上的比較曲線圖；

圖4為本發(fā)明中EDCF與其改進協(xié)議在接入時延上的比較曲線圖；

圖5為本發(fā)明中節(jié)點25的吞吐量曲線圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-5，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種提升移動自組網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量保證效率的方法，采用跨層設(shè)計的方法將網(wǎng)絡(luò)層的跳數(shù)因素引入到MAC層的信道競爭機制中去，跳數(shù)的引進包括以下方法：

A、節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)是沿著自頂向下的方向從應(yīng)用層向下遞交并逐層封裝數(shù)據(jù)，經(jīng)運輸層到網(wǎng)絡(luò)層；

B、在網(wǎng)絡(luò)層首先判斷包類型，如果是路由控制數(shù)據(jù)包，為了盡量提高路由控制包的接入優(yōu)先級，設(shè)置剩余跳數(shù)為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的最大跳數(shù)值；如果是普通數(shù)據(jù)包，則讀取包頭中剩余分段的值，并將這個值用參數(shù)H表示，傳遞到MAC層。

圖1所示，進行信息交互的層包括應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層及物理層，由上層到下層的機制將信息由上層傳遞到下層。例如應(yīng)用層可將其相關(guān)信息(傳輸時延或分組丟失率)傳遞到鏈路層，使得鏈路層能夠調(diào)整其糾錯機制?；蛘邞?yīng)用層的優(yōu)先級信息被傳遞到TCP層，從而使其接收窗口能夠得到調(diào)整，以獲得相應(yīng)的優(yōu)先級。

由下層到上層的機制將信息由下層傳遞到上層。例如TCP層的分組丟失率被傳遞到應(yīng)用層，使得應(yīng)用層能夠調(diào)整其發(fā)送速率?；蛘呶锢韺訉⑿诺浪ヂ湫畔鬟f到鏈路層，從而使鏈路層能夠根據(jù)信道條件調(diào)整數(shù)據(jù)的發(fā)送方式。在分層設(shè)計方式中，很多時候，多個層往往可能需要做重復(fù)的計算和無謂的交互來得到一些其他層次很容易得到的信息，以至于浪費較長的時間^[16]。跨層設(shè)計與優(yōu)化的優(yōu)勢在于通過使用層間交互，不同的層次可以及時共享本地信息，以減少處理和通信開銷，優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。與傳統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)相比，跨層協(xié)議棧的層間交互要復(fù)雜些，各層需要了解其他層的行為并需要更多的專用接口，因而會降低通用性。但是，跨層設(shè)計方法的好處是：各層協(xié)議和功能模塊的協(xié)同有助于消除冗余功能；采用消息驅(qū)動的控制方法，任意層之間可以交互信息；針對特定的場合進行集成設(shè)計和優(yōu)化可以較好地匹配應(yīng)用需求和網(wǎng)絡(luò)條件?？紤]到無線信道有限的帶寬資源、信道的時變特性以及節(jié)點自身的局限性，跨層設(shè)計方法的優(yōu)勢所帶來的好處遠遠大于層間交互帶來的協(xié)議設(shè)計復(fù)雜的缺點。

跳數(shù)的引進是結(jié)合動態(tài)源路由協(xié)議DSR實現(xiàn)的。DSR是一個專門為多跳無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的簡單且高效的路由協(xié)議，DSR規(guī)定節(jié)點所發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包均在其包頭中攜帶完整的路由信息。DSR路由協(xié)議使用特定的包頭攜帶控制信息，包頭中的DSR選項頭包含了多個選項字段，DSR選項頭中的源路由選項是改進工作的一個重要條件。源路由選項中有一項稱為剩余分段(的域，它表示剩余的路由分段的數(shù)量，即在到達后的節(jié)點之前還需要訪問的明確列出的中間節(jié)點的數(shù)量，當(dāng)數(shù)據(jù)從上層傳遞到MAC層的時候，可以讀取剩余分段的值，剩余分段域表示剩余的路由分段的數(shù)量，即在到達最后的節(jié)點之前還需要訪問的中間節(jié)點的數(shù)量。

步驟B中引入?yún)?shù)H后數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程包括以下步驟：

A、發(fā)送主機監(jiān)聽媒體，如果媒體空閑達到DIFS時間，發(fā)送RTS報文給目的站；

B、目的STA收到RTS報文后，發(fā)送給報文CTS報文給源STA，經(jīng)過這次握手后，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀；

C、如果媒體忙，則延遲接入，直到媒體空閑時間達到DIFS以后，進入退避過程；

D、主機根據(jù)加入剩余跳數(shù)參數(shù)的退避算法選擇一個退避時間，并設(shè)置退避時間計數(shù)器；在媒體空閑時，退避時間計數(shù)器每隔一個時隙減1；在媒體忙時，退避時間計數(shù)器停止計數(shù)；

E、在退避時間計數(shù)器減到零后，主機立即發(fā)出數(shù)據(jù)幀；

F、發(fā)出數(shù)據(jù)后，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到ACK，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗，進入重傳退避過程，回到步驟C；

G、如果在規(guī)定的時間內(nèi)收到ACK，表明數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功。

步驟D中剩余跳數(shù)參數(shù)的退避算法對優(yōu)先級進行了調(diào)整，調(diào)整公式為：CW_new[AC]＝min((CW_old[AC]+β*(H_max-H))-1，CW_max[AC])；其中，H_max表示網(wǎng)絡(luò)中的最大跳數(shù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時使用RTS/CTS方式，源站在每次數(shù)據(jù)傳輸前發(fā)送小的控制幀RTS預(yù)留信道，目的站收到RTS幀，如果準備接收，就回應(yīng)CTS幀；當(dāng)源站收到CTS，則開始傳輸數(shù)據(jù)；節(jié)點通過在RTS幀中攜帶各自的H_max來實現(xiàn)對H_max的維護，每當(dāng)收到其他節(jié)點的RTS幀時，將攜帶的H_max與自己當(dāng)前的H_max來比較，若當(dāng)前自己保留的H_max較小，則用收到的H_max替換；β稱為區(qū)分因子，它的大小代表了相差一跳的數(shù)據(jù)包之間所對應(yīng)的退避窗口的差距，以此作為不同跳數(shù)之間在發(fā)送優(yōu)先級上的區(qū)分。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負載比較大時，β值每加1，都會對端到端時延產(chǎn)生比較大的影響。當(dāng)負載較小時，端到端時延對β值的變化敏感程度較低，即β增大或減小1，不會對性能產(chǎn)生較大影響。圖2給出了MHF-EDCF當(dāng)CW_min＝31，β＝2時，發(fā)送不同剩余跳數(shù)H的數(shù)據(jù)包采用的CW與重傳次數(shù)之間的變化曲線。可以看出，隨著重傳次數(shù)的增加，剩余跳數(shù)H大的數(shù)據(jù)包CW增加較慢，而剩余跳數(shù)小的數(shù)據(jù)包CW增加較快，不同剩余跳數(shù)的包其CW之間的間隔明顯，這樣有利于區(qū)分不同跳數(shù)的數(shù)據(jù)包的發(fā)送優(yōu)先級。

仿真分析：

為了研究β的取值對于算法性能的影響，在一個5Km見方的平面上，布置了25個節(jié)點，相鄰節(jié)點間的垂直和水平距離為500m，節(jié)點的發(fā)送功率為0.005w，節(jié)點的接收功率閾值-95dBm，這個距離及功率設(shè)置能夠使得節(jié)點僅能與相鄰的節(jié)點直接通信，而不能與其它的節(jié)點通信。當(dāng)β依次在1-15之間取值時，將改進前后的節(jié)點1到節(jié)點25之間的端到端時延進行對比，以時延的大小作為性能的衡量標準；由圖2中可以看出，在β取值介于1-5時，可以取得較好的效果，在β＝2時端到端時延最小。論文經(jīng)過大量的仿真研究，得出，在β＝2時，改進的算法具有最優(yōu)效果。

圖3顯示了節(jié)點1發(fā)送給節(jié)點23的音頻業(yè)務(wù)的端到端平均時延，圖中可以看到改進后的MHF-EDCF的時延平均約為1.5s，而EDCF的平均時延約在5-7s，MHF-EDCF節(jié)省了約70％-78％的端到端時延，MHF-EDCF明顯優(yōu)于EDCF；在端到端時延上MHF-EDCF優(yōu)于EDCF的原因是，MHF-EDCF使得跳數(shù)多的節(jié)點在搶占信道上更有優(yōu)勢，圖4顯示了節(jié)點1的信道接入時延，明顯MHF-EDCF要比EDCF要低一些，MHF-EDCF大約為3s，EDCF約為5s，在第一跳的信道接入時延上，MHF-EDCF減小了約40％。

圖5所示為節(jié)點25的吞吐量，MHF-EDCF的吞吐量約為45Kbits，EDCF的吞吐量約為32Kbits，MHF-EDCF在吞吐量方面也有優(yōu)勢。這是因為，MHF-EDCF減小了數(shù)據(jù)包發(fā)送是的碰撞率和重傳次數(shù)。經(jīng)過仿真分析，改進的EDCF能夠有效減小多跳網(wǎng)絡(luò)中多媒體包的端到端時延，并能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，是一種適合無線自組織網(wǎng)絡(luò)、能夠有效提高多媒體服務(wù)質(zhì)量保障的媒體接入控制機制。

本發(fā)明采用跨層設(shè)計的方法將網(wǎng)絡(luò)層的跳數(shù)因素引入到MAC層的信道競爭機制中去，對EDCF進行改進，能夠有效減小多跳網(wǎng)絡(luò)中多媒體包的端到端時延，并能提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，是一種適合無線自組織網(wǎng)絡(luò)、能夠有效提高多媒體服務(wù)質(zhì)量保障的媒體接入控制機制。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。