一种无线局域网性能最优化的控制方法.pdf

本发明公开了一种无线局域网性能最优化的控制方法，首先判断发送终端i所对应的情况，在“非发送状态”下，发送终端不发送数据分组。在“发送状态”下，发送终端的退避计数器的计数值为0，发送终端将在接下来的时隙内把当前的数据分组发送出去。若发送终端i所判断的系统状态si≥2，计算最佳分组发送速率、最佳分组冲突概率、最佳最小竞争窗尺寸，填写相应参数αi和Bi的数值，发送当前数据分组并控制退避过程；若发送终端i所判断的系统状态si＜2，则填写相应参数αi和Bi的数值后发送当前数据分组。本发明可以保证系统中所有发送终端的分组传输延迟达到最小，而且自适应的调整“最小竞争窗尺寸”，保证系统的工作点一直维持在最佳状态下。

1、  一种无线局域网性能最优化的控制方法，其特征在于包括下述步骤：
(a)判断发送终端i当前所对应的情况；
(b)发送终端i不处于发送数据分组的状态下：
步骤1：检测信道上的发送活动，直到接收到一个由终端j发送的数据分组，
步骤2：从接收到的数据分组中提取出参数α_j和B_j，
步骤3：根据B_j的值(为0或是为1)对当前系统状态s_i进行估计；
(c)发送终端i处于发送数据分组的状态下，同时系统状态s_i≥2：
步骤1：计算最佳分组发送速率 τ I _ ap * = α i T c 2 σ · Σ j = 1 M α j · B j , ]]>
步骤2：计算最佳分组冲突概率p_i≈1-e^-1/K，
步骤3：计算最佳最小竞争窗尺寸 W i = 2 ( 1 - 2 p i ) ( 1 - 2 p i ) · τ i _ ap * + p i · τ i _ ap * [ 1 - ( 2 p i ) m i , max ] , ]]>
步骤4：将发送终端i的相应参数α_i和B_i的数值填写到即将发送的数据分组的相应数据域中，
步骤5：发送当前数据分组，
步骤6：以新计算出的最佳“最小竞争窗尺寸”W_i作为当前所采用的竞争窗尺寸，并按照IEEE 802.11标准的规定去控制其后续的退避过程；
(d)发送终端i处于发送数据分组的状态下，同时系统状态s_i＜2：
步骤1：将发送终端i的相应参数α_i和B_i的数值填写到即将发送的数据分组的相应数据域中，
步骤2：立即发送该数据分组。

一种无线局域网性能最优化的控制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是一种无线局域网的控制方法。
背景技术
随着技术的飞速发展，近年来基于IEEE 802.11的无线局域网技术得到了广泛的应用，IEEE 802.11标准已经成为了无线局域网接入技术的公认国际标准。一方面，随着越来越多的用户使用这一技术，IEEE 802.11无线局域网所工作的频段的频谱资源变得越来越紧张。另一方面，IEEE 802.11标准所推荐使用的工作参数往往使系统工作在远离最佳性能的状态下。解决以上矛盾的一个有效途径就是给出基于IEEE 802.11的无线局域网进行性能优化的方法，从而保证系统工作在能够充分利用无线频谱资源的最佳工作点处。遗憾的是在IEEE 802.11标准中，并未给出如何对系统性能进行优化的方法。
当前在IEEE 802.11标准中主要定义了两种多址接入协议：其一是分布式协调功能(DCF)，另外一个是点协调功能(PCF)。DCF是基于载波侦听与冲突回避机制的一种多址随机接入策略，是被业界广泛采用的多址接入标准。下面我们就基于DCF多址接入标准讨论无线局域网性能最优化的控制方法。
要解决系统性能的优化问题，主要的技术难点就在于对IEEE 802.11无线局域网深入的性能分析上。因为只有掌握了IEEE 802.11无线局域网的内在规律，才能有效的去控制网络的工作状态，即工作点。意大利的F.Cali教授和G.Bianchi教授等分别在1998年和2000年提出了两种关于IEEE 802.11无线局域网性能分析的理论模型，然而这些分析均是基于系统工作于“饱和状态”下的假设。在饱和状态下，发送终端在发送完一个分组后，便马上会有下一个分组在发送队列中等待发送。这样的假设方便了理论分析，但由于和实际系统工作状态不相一致(实际系统是工作在非饱和状态下)，因此这些分析模型很难被应用到实际的系统中去控制分组的传输延迟。另外，他们提出的性能分析，并未给出如何对系统进行性能优化的方法。
2004年，美国的O.Tickoo和B.Sikdar提出了基于非饱和状态假设下的IEEE 802.11无线局域网之性能分析方法，该方法利用概率生成函数来计算数据分组传输延迟的概率密度分布函数。由于该计算方法的计算量极大，使其很难被应用到实际的系统中。针对这点不足，我们在专利申请号为200610104739.2的中国专利中提出了一个简单的自适应数据分组传输延迟的控制方法。利用该方法，可以有效的将数据分组的传输延迟控制在规定的目标值附近。但是该方法不能保证系统是工作在频谱利用率最高的最佳工作点处。
发明内容
为了解决现有技术中IEEE 802.11无线局域网工作频段频谱资源紧张的问题，本发明给出了一种在非饱和状态下能保证系统工作在最佳工作点处的控制方法，该方法通过控制各个发送终端最小竞争窗尺寸从而保证IEEE 802.11无线局域网工作在最佳工作点处。在最佳工作点处，各个发送终端所对应的平均数据分组传输延迟均达到了最小值，也就是说，系统的频谱资源被得到了最充分的利用。
考虑无线局域网中有M个发送终端，每个发送终端均承载有一个业务流。为了叙述方便起见，我们对M个发送终端予以编号(从1号一直到第M号)。业务流由数据分组组成，每个数据分组的有效载荷在无线信道上的传输时间为T_Len。另外，第i(i＝1，...，M)个业务流拟占用信道带宽的比例表示为α_i。第i(i＝1，...，M)个发送终端(对应着第i(i＝1，...，M)个业务流)所检测到的系统状态表示为s_i。系统状态表示某特定时刻，M个发送终端中真正有数据分组等待发送的发送终端数。显然，信道状态s_i取值在0和M之间。
下面结合第i(i＝1，...，M)个发送终端，给出实现系统性能最优化的具体技术方案。
本控制方法的执行将分为三种不同的情况。因此，发送终端i需要首先判断出当前所对应的是哪种情况。情况一就是“非发送状态”。在“非发送状态”下，发送终端并不发送数据分组(执行退避过程，或是等待新的数据分组到来)。情况二就是“发送状态”，在发送状态下，发送终端的退避计数器的计数值为0，发送终端将在接下来的时隙内把当前的数据分组发送出去。另外在情况二中，发送终端i所判断的系统状态s_i≥2(即至少有两个发送终端的发送队列中有数据分组等待发送)；在情况三中，发送终端处于“发送状态”，同时发送终端i所判断的系统状态s_i＜2。下面就每种情况，对本方法加以说明：
情况一：发送终端i不处于发送数据分组的状态下。
步骤1：检测信道上的发送活动，直到接收到一个由终端j发送的数据分组。
步骤2：从接收到的数据分组中提取出参数α_j和B_j。
步骤3：根据B_j的值(为0或是为1)对当前系统状态s_i进行估计。
情况二：发送终端i处于发送数据分组的状态下，同时系统状态s_i≥2。
步骤1：计算最佳分组发送速率 τ i _ ap * = α i T c 2 σ · Σ j = 1 M α j · B j ; ]]>
公式中σ表示退避过程中一个空闲时隙的长度。该值在IEEE 802.11标准中有明确规定。T_c＝PHY_header+MAC_header+T_Len+DIFS。其中，PHY_header表示用于传输分组中物理层头信息所需要的时间；MAC_header表示用于传输分组中多址接入层头信息所需要的时间；DIFS为IEEE 802.11标准中规定的固定参数。这些参数均可参照IEEE 802.11的规定得到。
步骤2：计算最佳分组冲突概率p_i≈1-e^-1/K；
公式中 K = T c / 2 σ . ]]>
步骤3：计算最佳最小竞争窗尺寸 W i = 2 ( 1 - 2 p i ) ( 1 - 2 p i ) · τ i _ ap * + p i · τ i _ ap * [ 1 - ( 2 p i ) m i , max ] ; ]]>
步骤4：将自己(即发送终端i)的相应参数α_i和B_i的数值填写到即将发送的数据分组的相应数据域中。其中，如果即将发送的数据分组后面没有其他数据分组排队等待发送，则B_i设置为0；如果其后面还有数据分组等待发送，则B_i设置为1；
步骤5：发送当前数据分组；
步骤6：以新计算出的最佳“最小竞争窗尺寸”W_i作为当前所采用的竞争窗尺寸，并按照IEEE 802.11标准的规定去控制其后续的退避过程(关于退避过程完全按照标准之规定执行)。
情况三：发送终端i处于发送数据分组的状态下，同时系统状态s_i＜2。
步骤1：将自己(即发送终端i)的相应参数α_i和B_i的数值填写到即将发送的数据分组的相应数据域中。其中，如果即将发送的数据分组后面没有其他数据分组排队等待发送，则B_i设置为0；如果其后面还有数据分组等待发送，则B_i设置为1；
步骤2：立即发送该数据分组。
注意，以上只给出了通过调节发送终端“最小竞争窗尺寸”从而达到系统最佳工作点的方法。具体的无线接入协议，即DCF，可参照IEEE 802.11标准之规定。
本发明的有益效果是：本发明可以保证系统中所有发送终端的分组传输延迟达到最小。而且随着网络业务到达的动态变化，本方法可以做到自适应的调整发送终端的“最小竞争窗尺寸”，从而保证系统的工作点一直维持在最佳状态下。下面，通过仿真结果给出本方法所能达到的技术效果。
以拥有M＝15个发送终端的无线局域网为例，每个发送终端均承载有一个业务流。系统的主要参数设置是依照IEEE 802.11b标准给出。对于每一个发送终端来说，其业务流的到达遵从开关过程。“关状态”服从均值为1秒的指数分布；“开状态”服从均值为9秒的指数过程。在开状态下，数据分组的到达服从泊松过程。在关状态下，没有数据分组到达相应的发送终端。实验中我们利用两种方法得到系统的最佳性能，即最小平均分组延迟：方法1，对特定竞争窗尺寸进行仿真，得到该值所对应的平均分组传输延迟。然后对原先的竞争窗尺寸加上一个很小的步长(如，ΔW＝5)，并以新的竞争窗尺寸再做仿真，并得到新的系统性能。如此重复该过程，直到在很宽的范围内，将所有竞争窗尺寸所对应的系统性能得到，并挑选出系统的最佳性能值(即最小分组传输延迟)。我们将该方法叫做“穷举搜索法”(显然，该方法在实际中是很难得到应用的)。方法2，就是利用本发明提出的自适应算法，直接得出系统的最佳性能值。通过下表对两种方法的性能对比，可见本发明所提出的自适应控制方法可以达到“穷举搜索法”所能达到的性能，而且计算简单。也就是说，提出的自适应控制方法完全可以使系统自适应的保持在最佳工作状态下。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
具体实施方式
为了在IEEE 802.11 DCF的基础上支持所提出的控制方法，我们定义了一个新的数据分组格式。在原有IEEE 802.11 DCF分组格式的基础上附加了一个32位长度的域(即，扩展域)。其中前31位表示该业务流拟占用信道带宽的比例α_i(i＝1，...，M)，最后一位表示B_i(i＝1，...，M)。该扩展域可以放在“数据帧体域”之前(“数据帧体域”的位置在标准中有明确规定)。另外，该新定义的数据帧的子类型在“帧控制域”的子类型字段中给出。这样的定义可以做到完全与IEEE 802.11标准之规定相兼容。本方法可以作为无线接入网卡驱动程序的一部分加以实现。不需要额外的硬件支持。在“所采取的技术方案”部分，我们给出了本方法实现的步骤。下面结合实例对每一步的实现加以详细的说明。
考虑无线局域网中有M＝10个发送终端。每个发送终端均承载有一个业务流。对这10个发送终端予以编号(从1号一直到第10号)。设信道传输速率为11Mbps。每个数据分组的有效载荷在无线信道上的传输时间为 T Len = 16000 bit 11000000 bit / s = 0.0014545 s . ]]>另外，第i(i＝1，...，10)个业务流拟占用信道带宽的比例为α_i＝1.0。第i(i＝1，...，10)个发送终端所检测到的系统状态表示为s_i(取值在0和10之间)。设在时刻t₀，发送终端10成功发送了一个数据分组，而且发送完这个数据分组后，终端10的发送队列中没有其他数据分组等待发送。另外假设，时刻t₀前所有发送终端的发送队列中均有数据分组等待发送，因此各个发送终端所记录的状态s_i＝10(1≤i≤10)。
对于发送终端1来说，t₀时刻它所执行的操作如下：
情况一：发送终端1处于“非发送状态”
步骤1：检测信道上的发送活动，接收到一个由终端10发送的数据分组。
步骤2：接收到由终端10发送的数据分组后，从接收到的数据分组中提取出参数α₁₀＝1.0(31位浮点数)和B₁₀＝0(1位字长)。
步骤3：根据B_j的值为0或是为1，对当前系统状态s₁进行估计。即， s 1 = Σ j = 1 10 B j = 9 . ]]>
接着在时刻t₁发送终端1处于“发送状态”(从时刻t₀到t₁间没有其他发送终端发送数据)。对于发送终端1来说，t₁时刻它所执行的操作如下：
情况二：发送终端1处于“发送状态”下，并且系统状态s₁≥2
步骤1：依照公式(1)计算最佳分组发送速率τ_{1_ap}^*
根据IEEE 802.11b的规定，我们有以下参数设定：PHY_header+MAC_header＝0.0002167s，ACK＝0.0002022s，DIFS＝0.00005s，σ＝0.00002s，B_i＝1(1≤i≤9)且B₁₀＝0，α_i＝1.0(1≤i≤10)。这样，可以得到
                    T_c＝PHY_header+MAC_header+T_Len+DIFS
                      ＝0.0002167s+0.0014545s+0.00005s
                      ＝0.0017212s
于是
τ 1 _ ap * = α 1 T c 2 σ · Σ j = 1 M α j · B j ]]>
= 1 0.0017212 2 × 0.00002 × 9 = 0.016938 ]]>
步骤2：计算最佳分组冲突概率
                          p_i≈1-e^-1/K
                            ＝1-e^-1/6.55973＝0.14139
步骤3：计算最佳最小竞争窗尺寸
w 1 = 2 ( 1 - 2 p 1 ) ( 1 - 2 p 1 ) · τ 1 _ ap * + p 1 · τ 1 _ ap * [ 1 - ( 2 p 1 ) m 1 , max ] ]]>
= 2 × ( 1 - 2 × 0.14139 ) ( 1 - 2 × 0.14139 ) × 0.016938 + 0.14139 × 0.016938 × [ 1 - ( 2 × 0.14139 ) 8 ] ]]>
= 1.43444 0.0121482 + 0.0023947 = 98.635 ]]>
步骤4：将自己(即终端i)的相应参数α₁＝1.0和B₁＝1的数值填写到即将发送的数据分组的相应数据域中(即扩展域)。
步骤5：发送当前数据分组；
步骤6：以新计算出的最佳“最小竞争窗尺寸”W₁＝99作为当前所采用的竞争窗尺寸，并按照IEEE 802.11标准的规定去控制其后续退避过程(关于退避过程完全按照标准之规定执行)。
设在时刻t₃发送终端1处于“发送状态”。除发送终端1以外，其他发送终端的发送队列中均无数据分组等待发送。对于发送终端1来说，t₃时刻它所执行的操作如下：
情况三：发送终端1处于发送数据分组的状态下，同时系统状态s₁＝1。
步骤1：将自己(即发送终端1)的相应参数α₁＝1.0和B₁＝1(表示发送完当前分组后，其发送队列还有其他数据分组等待发送)的数值填写到即将发送的数据分组的相应数据域中。
步骤2：立即发送该数据分组。