面向802.11e VoIP应用的竞争窗口调整方法
【专利摘要】本发明公开了一种面向802.11e?VoIP应用的竞争窗口调整方法，1)根据接入的MAC层参数和VoIP编码方式计算无线接入点即AP的最优网络接入概率2)根据计算AP的最小、最大竞争窗口大小的最优值3)计算AP处第j个周期的平均冲突率再根据与阈值fopt的关系调整站点(STA)的网络接入概率τSTA；4)AP根据τSTA计算站点的最大、最小竞争窗口；AP使用周期性的Beacon帧广播站点的最大、最小竞争窗口。该面向802.11e?VoIP应用的竞争窗口调整方法能提升无线信道有效利用率，提高网络吞吐量，提升VoIP容量。
【专利说明】面向802. 11e Vo IP应用的竞争窗口调整方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法。
【背景技术】
[0002] 随着基于因特网协议的语音（VoIP)技术和无线局域网（WLAN)技术的迅速发展， 基于WLAN的VoIP近年来得到了快速、广泛的应用。IEEE802. 11分布式协调功能（DCF)媒 体接入控制（MAC)协议以其简易性与健壮性成为目前主流的WLAN MAC协议，其基本思想是 载波侦听多路访问（CSMA)与冲突避免（CA)。IEEE802. 11DCF协议以传输非实时性数据流 作为其主要支持的业务，为了增强对VoIP等实时业务的支持，IEEE制定出增强分布式信道 接入机制（EDCA，Enhanced Distributed Channel Access)。EDCA 在 DCF 机制的基础上进行 QoS支持扩展，提供了对不同的业务流进行优先级区分的机制，提高了无线局域网（WLAN) 内VoIP等实时业务相对于其他业务流的优先性，从而在一定程度上保障其QoS要求。但 EDCA MAC层参数使用固定值，无法根据网络状况进行自适应调节，并不能使系统性能实现 最优，很多研究表明，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；此外，EDCA没有对WLAN中站点（Stations，STAs)和接入节点（AP)进行优先级的 区分，导致AP处上下行业务流量的不平衡，并造成瓶颈效应，限制了 VoIP容量。
[0003] (1)静态参数造成高负载网络中较高的冲突率
[0004] CSMA/CA机制当工作于基本接入方式时，其工作流程为：节点在检测到信道空闲 时间超过DIFS (distributed inter frame space)后发送分组；若信道忙，节点在等待信道 空闲DIFS后将随机选择一个退避时延（退避时隙值）并启动退避计时器，等待该退避时延 后才发送分组。退避计时器在信道空闲时随时间递减；信道忙时将挂起，直到信道空闲时间 超过DIFS后才恢复递减；当退避计时器减为0时节点开始发送分组。退避时隙值在离散区 间[0，CW]内按均匀分布随机选择。CW又称为竞争窗口，竞争窗口初始值为CW min，每次发送 失败，竞争窗口都加倍，并重新开始上述过程竞争接入信道，直到发送成功或达到最大竞争 窗口 CWmax。源节点在发送分组后，要等待目的节点发送确认接收的ACK帧；而目的节点接收 到正确的分组后，则要在等待信道空闲SIFS后向源节点发送ACK帧，对接收到的分组进行 确认。
[0005] CSMA/CA机制冲突回退算法通过扩大竞争窗口来避免下一次的冲突，但无法确定 能够成功避免，也许会经过多次退避过程才能发送成功。很多研究表明，在高负载网络中， 一个数据包通常要经历多次冲突后，才能被成功的发送。这种方式难以保证VoIP传输时对 延迟、抖动等QoS的保障。EDCA中CW min与CWmax的静态设置，导致高负载网络中多数数据包 在相同的离散区间[0，CW max]内进行选择，加重了冲突的概率。冲突的增加大大浪费了信道 资源，使吞吐量迅速下降，无法实现系统性能的最优。
[0006] (2) AP的瓶颈效应限制VoIP容量
[0007] 在无线局域网中，接入节点AP(Access Point)位于有线网络和无线网络的结合 部，同时传输从有线网络到无线网络的下行流和从无线网络到有线网络的上行流。VoIP通 话过程通常在无线站点和AP外部的有线站点或无线站点之间进行。假设系统中只存在 VoIP数据流，每个站点通过AP与外部站点建立了一个双向的VoIP通话过程。当存在N个 站点时，有N条上行的发送链路竞争信道，而从外部站点反方向的语音通话过程需通过AP 完成信道的接入。相对而言，AP中的发送负载是各个站点发送负载的N倍。根据CSMA/CA 机制的原理，AP与各个站点具有相同接入信道概率，都是通过公平的竞争来完成无线媒介 的接入的。当VoIP通话链路容量增大，系统达到饱和时，AP由于负载过重产生堆栈溢出而 影响从有线到无线方向的数据传输，产生语音数据包的丢失，延时的增加。这些包丢失和延 时的增加影响了所有站点发起的VoIP通话过程，限制了系统容量的增加。
[0008] 综上，有必要设计一种新的自适应调整方法，对协议参数自适应调整以保证不同 网络负载情况下的协议性能；同时能对站点和AP进行优先级区分，弱化AP的瓶颈效应对 VoIP容量的制约，提升VoIP容量。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是提供一种面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整 方法，该面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法能提升无线信道有效利用率，提高网 络吞吐量，提升VoIP容量。
[0010] 发明的技术解决方案如下：
[0011] 一种面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，
[0012] 1)根据接入的MAC层参数和VoIP编码方式计算无线接入点即AP的最优网络接入 概率
[0013] 所述的MAC层参数包括slot time、SIFS、DIFS及传输速率；slot time表示间 隙时间；SIFS (Short Interframe Space)为短帧间隔；DIFS为分布式协调帧间隔（DCF Interframe Space)；
[0014] 2)根据计算AP的最小、最大竞争窗口大小的最优值
【权利要求】
1. 一种面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，其特征在于： 1) 根据接入的MAC层参数和VoIP编码方式计算无线接入点即AP的最优网络接入概率 ·' 所述的MAC层参数包括slot time、SIFS、DIFS及传输速率；slot time表示间隙时间； SIFS为短帧间隔；DIFS为分布式协调帧间隔； 2) 根据r:计算AP的最小、最大竞争窗口大小的最优值
3) 计算AP处第j个周期的平均冲突率/--，再根据/4与阈值f°Pt的关系调整站点 (STA)的网络接入概率t sta: 当
时，减小站点的网络接入概率τ STA以适应网络负载； 当.
时，增加站点的网络接入概率τ STA以适应网络负载； 4. AP根据tsta计算站点的最大、最小竞争窗口；AP使用周期性的Beacon帧广播站点 的最大、最小竞争窗口。
2. 根据权利要求1所述的面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，其特征在于， 步骤1)中的计算方法如下：
其中δ为81的^1^;1'(1_和1；。1;分别是传输一个￥ 〇1?数据包及传输相应六0(的时间。
3. 根据权利要求1所述的面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，其特征在于， 步骤2)中CRf和CRf：的计算方法如下：
其中m为最大退避次数，取值为3。
4. 根据权利要求1所述的面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，其特征在于， 步骤3)中，/i取为当前周期冲突率/i,.与历史冲突率/?1的指数加权滑动平均，即：
其中，α为平滑因子，取值为0.875;/^为第j-Ι周期的平均冲突率；/i,.,.为第j周 期的冲突率，由下式确定：
?，其中，E(data_collisionSj)为第j周期内冲突的数据包 数目，E(data_sentj)为第j周期内发送的数据包数目。
5. 根据权利要求1所述的面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，其特征在于， 步骤3)中，站点的网络接入概率tsta按下式确定：
其中，ε为线性增加因子，ε =〇. 1/n,其中η为网络接入站点数目；β为比例减少因 子，β取值为5/6 ;f°pt的取值为0. 1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的面向802. lie VoIP应用的竞争窗口调整方法，其特 征在于，步骤4)中，站点的最小竞争窗口大小和最大竞争窗口大小CRf1的计算公 式如下：
其中，m为最大退避次数，取值3 ;站点的条件冲突概率
，η 为网络接入站点数目。
【文档编号】H04W74/08GK104052745SQ201410272351
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】王建新, 董苹苹, 王伟平, 盛羽 申请人:中南大学, 长沙讯亿达信息科技有限公司