[发明专利]一种远距离分布式载波检测无线网络退避时隙长度优化方法

说明书

本发明公开了一种远距离分布式载波检测无线网络退避时隙长度优化方法。该方法首先确定节点间距离分布函数。然后采用二维离散马尔可夫链对远距离条件下分布式载波检测无线网络节点退避过程进行建模，根据非空一步状态转移概率得出分布式载波检测无线网络退避阶段的稳态概率分布，并利用稳态概率归一化条件求出节点的发送概率。进而根据网络节点在一个时隙中平均成功传输的数据比特数及时隙的平均长度，计算网络饱和吞吐量。最后通过数值搜索法确定不同网络规模条件下退避时隙长度的最优取值。无线网络仿真环境EXata中的仿真实验证明了该方法的有效性。

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及远距离分布式载波检测无线网络退避时隙长度优化方法。

背景技术

随着无线局域网(Wireless Local Area Networks)的普及和应用，IEEE 802.11标准受到人们的广泛关注。IEEE 802.11标准采用分布式接入功能(DCF)作为媒质接入控制协议。DCF协议采用载波检测多路访问冲突避免(CSMA/CA)机制和二进制指数退避(BEB)算法避免冲突。IEEE 802.11 DCF协议最初被应用于实现短距离接入的无线局域网，而近年来，该协议已被逐渐应用于一些远距离组网的场景。例如，在地广人稀的贫困地区，IEEE802.11 DCF协议被用于构建远距离无线通信网络，以低廉的成本解决远距离数据传输。

二进制指数退避算法(BEB)是保证分布式接入协议性能的关键。根据BEB算法，节点发送数据包之前，首先监听信道持续空闲DIFS时长，然后在区间[0，W-1]内随机选择一个整数b(t)作为退避计数器初始值，并在b(t)δ的时间内继续监听信道，其中W为当前退避窗口长度，δ为一个单位时隙长度。退避计数器值减小到0，即退避定时器超时后，节点发送数据包。如果节点在退避时间内侦听信道变忙，则节点保存当前退避计数器的剩余值，并在下一次重新侦听信道持续空闲DIFS时长后，继续从该剩余值开始继续退避。如果节点发送数据包成功，则节点保持当前退避窗口不变，而如果节点发送数据包失败，节点则把当前W的值扩大一倍，并在重发数据包之前，在新的退避窗口中重新选择退避计数器的初始值，W的取值范围为(CW_min，CW_max)。节点多次重传数据包失败，并将该数据包丢弃后，节点将W的值设置为最小值。

在远距离条件下，研究DCF协议性能，提高网络饱和吞吐量具有重要意义。由于BEB算法是DCF协议性能的关键，因而研究人员已针对BEB算法开展了大量的研究工作。现有的研究工作都假定单位时隙长度δ的取值不小于节点的最大传播时延，因而数据包冲突仅发生在多个节点在同一个时隙内完成退避的条件下。只要多个节点不在同一个时隙完成退避，则不会发生冲突。然而，在远距离的应用场景中，节点最大传播时延远大于短距离的应用场景(假定节点最大传输距离为150公里，则最大传播时延为0.5毫秒)。如果仍然将单位时隙长度δ的取值设置为不小于节点的最大传播时延，则退避等待将导致极大的开销，严重影响网络总平均吞吐量。因此，寻找最优的退避时隙长度成为了提高远距离分布式载波检测无线网络性能的关键问题，本发明的内容即围绕该问题展开。

发明内容

本发明的目的是针对远距离分布式载波检测无线网络，提出一种退避时隙长度优化方法，从而获得最大的网络饱和吞吐量性能。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：确定节点之间距离的分布函数。

步骤2：采用离散马尔可夫链对远距离环境下网络中节点退避过程进行建模，节点在离散马尔可夫链中的状态用二维随机变量{s(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示节点退避阶段；b(t)表示节点当前退避计数器的剩余值；根据节点状态之间的转移关系得出离散马尔可夫链非空一步状态转移概率。

步骤3：根据节点非空一步状态转移概率以及稳态概率分布归一化条件求出节点发送概率及条件冲突概率。

步骤4：根据网络节点在一个时隙中平均成功传输的数据比特数及时隙的平均长度，计算网络饱和吞吐量。