专利名称：Ieee 802.11无线网络节点的竞争窗口平均长度的数学建模方法
技术领域：
本发明属于软件技术、无线网络技术和数学建模方法在无线网络节点接入与共享信道方面的应用，适用于包含基于IEEE 802. 11标准的无线网络的各种便携计算设备。
背景技术：
在基于IEEE 802. 11标准的无线网络中，节点的无线收发器使用工业科学医疗无线频段即 ISM 频段，8卩 hdustrial，Scientific and Medical Band 进行通信。由于 ISM 频段是免执照即License-free的，因此，目前市场上出售的便携计算设备包括便携电脑、 智能手机、个人数字助理PDA即Personal Digital Assistant等，均配置了 Wi_fi接口即 IEEE 802. 11 接口。在无线网络中，由于无线信道的排它性，在任一时刻，如果网络中有多个节点使用无线信道，就会相互产生干扰，导致数据包碰撞，造成节点之间无法传递数据。鉴于此，IEEE 802. 11标准引入了分布式协调功能DCF即DistributedCoordination Function，用于控制节点对信道的使用。DCF包含了二进制指数退避算法BEB即Binary Exponential Backoff0在本发明之前，相关的发明有2004年6月10日西安电子科技大学李建东等人申请了专利“无线局域网分布式竞争控制退避方法”。该方法基于慢退避的思想，利用检测所得到的退避寄存器的停止次数和初始化的退避时隙数得出时隙利用率的初始估计值，并对时隙利用率的初始估计值进行平滑处理后，获得待发送数据帧的发送概率；再根据发送概率自适应地调整节点的当前数据帧发送动作；最后，根据该数据帧是否发送或发送后是否与其它节点的数据帧发生碰撞来选取发送后节点的竞争窗口，设置退避寄存器的初始值，以确定节点再次发送数据帧的退避时隙数。2007年9月18日，重庆邮电大学刘宴兵等人申请了“一种基于拥塞程度概率P的无线竞争接入控制方法”，该方法基于节点执行退避基本思想，通过执行载波监听机制，节点估计网络拥塞状态，根据信道忙的时隙数和退避过程经过的总时隙数计算时隙利用率， 并由此确定拥塞程度概率P，根据概率P值与节点随机数设置节点的竞争窗口值，在节点每次发送成功后将以概率P判将竞争窗口是否变为最小值。从而避免了不必要碰撞。信道发生碰撞时，将翻倍竞争窗口值直到达到最大值，并根据竞争窗口确定退避计数器的值，以此控制网络数据的碰撞。2007年12月5日，摩托罗拉公司伊萨姆.R.马赫卢夫等人申请了专利“在存在周期性间歇干扰时保持无线通信性能的重传方案”，该发明可以建立缺省重传算法和干扰重传算法。该缺省重传算法可以是在MAC层中实施的基于分布式协调功能(DCF)的算法，该算法符合基于IEEE 802. 11的标准。缺省传输算法的最小累积退避时间可以小于干扰重传算法的最小累积退避时间。干扰重传算法的最小累积退避时间可以大于PII的开启循环并且小于PII的开启和关闭循环的和(例如，对于微波炉生成的PII，在 8. 3MS和 16. 7MS
4之间)。可以确定周期性间歇干扰是否存在。如果这样，则可以自动地利用缺省重传算法用于无线数据传送。当存在PII时，可以自动地利用干扰重传算法。2010年11年19日，清华大学钟晓锋等人申请了“增强802. 11分布式协调功能性能的限制发送方法”。该专利提出一种增强802. 11分布式协调功能性能的限制发送方法， 当网络站点数量大于预设值时，可根据网络站点数量动态调整限制概率达到减小碰撞几率以增大站点接入概率，避免了基本接入机制的吞吐量开始下降，平均分组时延急剧增加的缺陷，从而提升无线局域网802. 11分布式协调功能的性能。2011年3月四日，华北电力大学唐良瑞等人申请了专利“基于网络负载预测的无线竞争接入控制退避方法”。该方法基于站点执行退避思想，首先基于模糊理论建立网络负载状况预测值与数据包发生碰撞可能性的隶属度函数；然后通过多次数据发送时计算退避计数器冻结次数与初始值之比得到反映网络负载状况的参数序列，并根据参数序列，利用数学预测方法得出下次数据发送时的网络负载状况预测值；最后将预测值代入隶属度函数，得出时隙选择方案的控制参数，确定竞争窗口范围。之前，国内外学者对IEEE 802. 11标准所提出的二进制指数退避算法的数学建模方法，是利用意大利学者G. bianchi在2000年提出的二维马尔可夫链方法进行建模，参考文献 1 :G. Bianchi, "Performance analysis of the IEEE 802. Ildistributed
coordination function,"IEEE Journal on Selected Areas inCommunications,vol. 18,
no. 3. pp. 535-547,2000 ；即 G. Bianchi, "IEEE 802. 11 分布协调功能”，IEEE 摘选通信领域期刊，第18卷，第3期，第535-547页，2000年，以下称这种模型为Bianchi模型。G. Bianchi 以时间t表示当前的时隙，引入两个随机过程s (t)和b(t)分别表示节点当前所处于的退避阶段和所取得的退避值。也就是说，以s (t) = i表示节点处于第i个退避阶段，即节点的竞争窗口长度被扩大了 i次，i = 0，1，...，m，其中，m是加倍竞争窗口长度次数的最大值， 满足Lm = Cffmax+1.同时，b(t) = j表示节点所取的退避值为j，j = 0,1,...，Li-L Bianchi 模型的状态转移图如
图1所示。在图1中，ρ为节点发送数据包碰撞的概率；圆弧表示概率被几个状态均等瓜分，例如，图1第一行(I-P)Zltl表示转到状态(0，0)，(0,1), (0， L0-D的概率均为(1-p)/Ltl，其余类推。图中圆圈表示状态，圆圈内的数对(i，j)表示节点处于状态s(t) = i且b(t) = j.以by表示在稳态时节点处于状态(i，j)的概率，利用状态转移图1，G. Bianchi得出了 [2]
权利要求
1. 一种IEEE 802. 11无线网络节点的竞争窗口平均长度的数学建模方法，其特征在于对于网络节点所处的退避阶段i，将状态(i，0)，(i，l)，...，(LLi-I)合并为一个状态 Si,其中，Li是节点处于退避阶段i时的竞争窗口长度，符号(i，j)表示节点处于退避阶段 i且它的退避值是j，同时，称(i，0)，(i，l)，···，(i，L「l)为状态Si的子状态，网络节点在这些子状态的概率相等，以by表示节点处于退避阶段i且它的退避值是j的概率，以&表示网络节点处于状态Si的概率，则Q^^lS,} = ^blj(6)b^j = Q1ZL1, i = 0,1, Λ，m，j = 0，1，Λ，Li-I (7) 其中，m是加倍竞争窗口长度次数的最大值；以P为节点发送数据包碰撞的概率，以P ISj I SJ表示网络节点从状态Si转移到状态ι 的一步转移概率，所有状态转移情况概括为式(8). 'P{S0\Sk}=\-p,k = OXA,m<P{Sk+l\Sk}=p,k = 0XK,m-\(8)P{Sm\Sm}=p式(8)的第一行表示网络节点在成功发送一个数据包之后成功接收到接收节点的确认包，这时所述网络节点的竞争窗口长度被复位为初始值即恢复到退避状态Stl，此时网络节点处于第0个退避阶段；式(8)的第二行表示网络节点发送数据包失败，它需要重传数据包，从而导致它的竞争窗口长度被加倍，这时所述网络节点从状态&转移到状态Sk+1，即从第k个退避阶段转移到第k+Ι个退避阶段；式(8)的第三行反映了网络节点在竞争窗口长度已经为最大值即节点处于第m个退避阶段的情况下，网络节点发送数据包再次失败，它需要重传数据包。利用马尔可夫链的特性，得出以下方程组α=(1-^(00+α+α+Λ +Qj Q1=(^-P)Q0Q2=(^-P)Q1(9)M、)Kl-服—2 Qm=(I-P)(Qm-^Qm) 由式(9)，推导得到:q \(1~ρ)ρ\ = 0λΛ ,m-l(10)! [pm,i = m 这样，由式⑵，得:\(l-p)p'/L1J = OXA ,m-l 彳.‘，JHLl-I (Il)尸 IL^I = Tti其中，i = 0，I，Λ，m.利用Li = 2亇0，得至丨」
全文摘要
一种IEEE 802.11无线网络节点的竞争窗口平均长度的数学建模方法，对于网络节点所处的退避阶段i，将状态(i，0)，(i，1)，...，(i，Li-1)合并为一个状态Si，网络节点在这些子状态的概率相等，以Qi表示网络节点处于状态Si的概率，以P{Sj|Si}表示网络节点从状态Si转移到状态Sj的一步转移概率，所有状态转移情况概括为式(8)；利用马尔可夫链的特性，得出以下方程组(9)、(10)，由式(10)得到节点的平均竞争窗口长度，所述网络节点在每一个退避阶段，退避值总是被等概率选择。本发明通信时退避值被等概率选取、增加无线信道的利用率、增加网络的吞吐量。
文档编号H04W74/08GK102395213SQ20111033304
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者朱艺华, 李燕君, 汤一平, 田贤忠 申请人:浙江工业大学