一种载波监听门限与竞争窗口联合控制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种载波监听门限与竞争窗口联合控制的方 法。
【背景技术】
[0002] 无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)是有线网络必要的延伸，随 着个人数据通信的快速发展，WLAN也得到了广泛关注。无线局域网与有线网络相比接入更 方便快捷，同时也更灵活和易于延伸部署，能够提高工作效率。这些优点使得现今无线局域 网得到了广泛应用，而如何提供有效的无线接入机制则引起了学术界的重视。IEEE802. 11 中的CSMA/CA是无线局域网主要的MAC协议，IEEE802.lie是对CAMA/CA协议标准的增补， IEEE802.lie任务组在IEEE802. 11的DCF机制基础上进行QoS支持扩展，提出了EDCA机制。 MAC级QoS增强的引入使得无线局域网不仅可以用于一般的数据传输，也可用于语音、视频 等有QoS需求的实时业务。但是，当网络中负载逐渐增多，数据流量不断增大，信道竞争加 剧时，EDCA中的静态竞争参数设置会导致信道中的碰撞概率加大，使得高优先级、时延敏感 业务数据的时延增大，不能很好的保证高优先级业务的QoS;而在网络中负载较少，信道较 为空闲的情况下，固定的竞争参数设置又会导致空闲时隙的浪费，引起不必要的接入延迟。
[0003] 对于EDCA机制中的相关竞争参数，802.lie提供了一组建议值，适合大部分情况 下的网络应用。但当网络情况较为复杂，网络环境不断变化的情况下，协议标准中的静态参 数设置往往不足以满足各类业务的服务质量需求，难以保证不同网络负载情况下的协议性 能。在网络负载较大时，信道中的竞争加剧，多业务流碰撞概率增大，使得系统吞吐量下降； 在网络负载较轻时，由于设置了固定的竞争参数，造成不必要的延迟接入信道，使得信道利 用率下降。因此，我们可以根据不同的网络状况来自适应的调整协议参数以提高EDCA的性 能。
[0004] 通过以上分析可以看出，EDCA的相关协议参数对业务竞争信道至关重要，不同的 参数设置不仅决定了业务优先级的选择，同时影响了当前网络的服务质量，但是由于网络 状况的复杂性，EDCA中的静态参数设置并不能使系统性能实现最优，很多研宄表明，在高负 载状况下由于网络中有较高的冲突率，EDCA的性能表现并不如人意。因此，对协议参数的 自适应调整以保证不同的网络负载情况下的协议性能成为当前研宄的热点。其中载波监听 门限和竞争窗口对协议的性能有着重要影响，许多学者都在研宄关于载波监听门限和竞争 窗口的自适应调整机制。如LamiaRomdhani提出的AEDCF机制，YounggoKwon提出的FCR 机制，以及MohammadMalli提出的AFEDCF机制等。下面将做简单的分析比较。
[0005] LamiaRomdhani在LamiaRomdhani,QiangNi.AdaptiveEDCF：Enhanced servicedifferentiationforIEEE802.11wirelessad-hocnetworks,Proc.ofthe IEEEWCNC2003,2003,2956-2961中提出，在一次成功传输后，基本的EDCF机制只是简单 的将CW设为其最小值而没有考虑网络状态，实际上，当一个冲突发生时，未来可能还会发 生一个新的冲突，故而提出在成功传送后慢更新竞争窗口以避免爆发冲突。AEDCF通过计算 一个平均冲突率因子来反应网络状况，根据该因子动态调整竞争窗口的大小。每次成功传 输后用以调整竞争窗口的乘数因子是一个小于等于0. 8的参数值，使竞争窗口缓慢的重置 为最小竞争窗口值，以避免将来可能发生连续碰撞。
[0006]YounggoKwon在Y.Kwon，Y-Fang.DesignofMACProtocolswithFast CollisionResolutionforWirelessLocalAreaNetworks.IEEETransactionson WirelessCommunications，2004，Vol. 3 :793-807 提出了FCR机制，比较有效地解决了数据 传输中的相互碰撞问题和在每个竞争周期中引起的空闲时隙浪费问题。在机制中，作者将 站点分为三个状态：数据帧成功传输状态，碰撞状态和推迟传输状态。另外，与IEEE802.lie MAC相比，作者使用更小的初始最小竞争窗口CWmin和更大的最大竞争窗口CWmax，并且在冲 突状态和推迟传输状态都增大节点的竞争窗口，当检测到一段连续的空闲时隙时快速减小 退避计时器的值。但是，FCR对于成功传输了数据的节点重新设置的窗口仍然是最小窗口 值CWmin，而实际上节点成功发送数据帧后，并不意味着网络中拥塞状态已经解除。如果此时 信道中依然拥塞的话，那么该节点由于设置了过小的竞争窗口值反而会加剧拥塞程度且可 能由于再次发生碰撞而再次增大自己的竞争窗口值，这样的"多余"重复过程就会给节点带 来额外等待时间，从而影响整个无线网络的性能。并且由于成功发送数据后的节点拥有较 小的竞争窗口，从而更容易竞争占有信道，这就加剧了节点间的不公平。
[0007]MohammadMai1i在M.Mai1i，Q.Ni，T.Turletti.AdaptiveFairChannel AllocmionforQoSEnhancementinIEEE802.ilWirelessLANs.ProceedingsofIEEE ICC.Paris:June2004,645-652中提出了一种自适应公平EDCF机制，机制主要通过自适应 快速减少退避计时器的值，来减少网络系统中对空闲时隙的浪费。其中退避阈值由不同优 先级队列的CW参数计算进行动态调整，其值可以更好的反映网络负载状况并且更好的支 持区分服务。但是，此机制比较适用于网络负载较轻，在信道争用过程中存在一些连续的空 闲时隙的情况下，此时，AFEDCF机制能较好的避免时隙的浪费，并提供相同优先级业务间的 公平性保证。但在网络负载较重，信道争用较为激烈的情况下，该机制并不能较好的维护网 络性能。
[0008]SchmidtRK,BrakemeierA,LeinmilllerT,etal.Advancedcarriersens ingtoresolvelocalchannelcongestion[C]//ProceedingsoftheEighthACM internationalworkshoponVehicularinter-networking.ACM, 2011:11-20 提出了一种 动态调整载波监听门限的方法，其中载波监听门限的调整仅仅取决于当前的等待时间，一 旦一个信息被发送出去，则载波监听门限值将被设为一个默认值。
[0009] 在T.Taleb,M.Ochi,A.Jamalipour,etal.Anefficientvehicle-heading basedroutingprotocolforVANETnetworks[J].inProceedingsIEEEWCNC,Las Vegas，NV，Apr. 2006,pp. 2199 - 2204中，对比了在载波监听门限值可变、不同静态载波监听 门限值和虚拟载波监听机制下的网络性能，仿真表明，通过自适应的改变载波监听门限值 可以在很大程度上改变网络的性能，但这带来的代价是节点接入信道的时延增加。而且，没 有一个固定的载波监听门限值同时适用于低信道负载和高信道负载两种情况，应该是在可 靠性和时延的一个折中。
[0010] 因此，载波监听门限的调整应遵循以下几个基本原则：
[0011] (1)过高的载波监听门限（CCA)会因为隐藏节点增多而导致发送范围变小，但其 信道接入时延较低；
[0012] (2)过低的CCA会导致空间复用率较低，带宽利用率不高，信道接入时延较高，但 其碰撞率较低；
[0013] (3)由于节点数目变化迅速，网络拓扑和环境也随机变化，所以在网络中的CCA应 该不是固定的，而是随着网络的状态而自适应的改变以提高网络性能；
[0014] (4)调整载波监听门限时应考虑信息的优先级，使高优先级信息比低优先级信息 具有较高接入信道的几率。
【发明内容】
[0015] 针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种载波监听门限与竞争窗口联合控制的 方法，结合考虑信息优先级和网络实时状态来调整载波监听门限和竞争窗口，以提高网络 的性能。
[0016] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0017] 一种载波监听门限与竞争窗口联合控制的方法包括如下步骤：
[0018]S1计算网络的当前信道利用率U，并根据门限值UlOT、Uhigh将网络状态划分为三种 网络状态，当U<UlOT时为低信道利用率，UlOT<U<Uhigh时为中信道利用率，Uhigh<U时 为高信道利用率；
[0019]S2根据步骤S1划分的三种网络状态以及不同的信息优先级，为节点分别设置竞 争窗口最小值和竞争窗口最大值，其中记低信道利用率状态、中信道利用率状态和高信道 利用率状态在信息优先级i下的竞争窗口最小值分别为CFF=rf(〇、 竞争窗口最大值分别为Of=(〇、同一信息优先级i下的 CR=(f)