專利名稱：一種通過跨層結構減少無線局域網媒體訪問沖突的方法
技術領域：
本發明屬于計算機通信領域，特別是無線分組網絡中的通信，涉及到采用共享介質訪 問的中小規模無線局域網中的沖突避免與通信容量提高的問題。
背景技術：
無線局域網(英文縮寫為WL緒)，是一種短距離無線分組數據通信技術，適用于在圖書 館、機場等公共場合中為流動的終端提供網絡接入服務或在不能夠進行布線的環境中快速 建立通信網絡，具有較強的靈活性和廣泛的應用前景。
目前在中國采用的無線局域網技術主要是IEEE802.il系列標準中制定的物理層和媒 體訪問控制等技術標準。在媒體訪問控制方面，該技術采用了帶有沖突避免機制的載波偵 聽媒體訪問(CSMA/CA)信道競爭機制，根據是否采用中心節點進行調度可以細分為點協 調功能(PCF)和分布式協調功能(DCF);在DCF機制中各節點使用相同的頻譜資源進行通信， 對無線信道進行統計時分復用，采用競爭機制對信道資源進行分配，類似以太網中的信道 分配方法，但加入了沖突避免的功能，具體的信道分配過程為當節點有報文需要發送時， 首先對信道進行偵聽，監測信道的狀態，若信道空閑，則隨機退避一段時間，若在退避過 程中信道持續空閑則在退避期結束后進行報文的發送，否則當檢測到信道被占用則鎖定退 避計時器，直到檢測到信道再次空閑，恢復退避計時器的運行，如此反復直到退避計時器 計時到零且信道空閑，節點進行報文的發送。
退避計時器計時的基本單位為時隙，每次檢測到信道空閑后需要等待DCF幀間間隔 (DIFS)后才能啟動退避計時器。DIFS的長度為短幀間間隔(SIFS)與一個時隙長度之和。 SIFS是考慮了無線信號在空間中傳播需要的時間因素而設定的可辨別不同幀的時間長度。 退避計時器的初始化使用
之間均勻分布的整數確定等待時隙的個數，其中CW成 為征用窗口，是媒體訪問控制協議的參數之一。時隙與SIFS的長度根據物理層的調制方 式和使用的頻譜資源進行相應的設定，IEEE802. 11系列標準中對這些有比較詳細的說明。
在上述的DCF媒體訪問機制中，依靠信道狀態檢測和退避時間的隨機選擇在一定程度 上避免了多個節點在同一時刻范圍內進行報文發送而導致的報文發送不成功事件的發生， 這種多個節點恰巧選擇在同一時刻范圍內進行報文發送而導致報文發送失敗的事件被稱 為沖突，沖突發生的概率與網絡中要發送報文節點的數目有關，當網絡的負載較重，有大 量的節點要進行報文發送時，沖突發生的概率比較大，嚴重地影響了無線局域網中的通信 容量。
對于無線局域網的通信問題，存在的一種可以利用的性質就是無線信道的廣播特性， 由于各節點的接收和發送都采用相同的頻譜資源， 一個節點發送的幀可以被無線局域網中所有的節點所接收。可以利用這一性質在每一幀的發送中加入特定的控制信息通知無線局 域網中的其他節點，能夠提高無線局域網的通信能力。
在傳統的網絡體系結構設計中，為了簡化功能設計， 一般采用分層設計的結構，如0SI7 層模型和TCP/IP架構，這些分層的設計在早期的分組網絡起到重要的作用，但隨著現代 網絡技術特別是無線網絡的發展，分層設計的局限性逐步顯現出來，各層之間的孤立設計 影響了網絡技術的進一步發展，在這種背景下，跨層設計的思想逐漸被設計者接受，成為 現代無線網絡研究的熱點。跨層設計的主要思想是針對網絡的特點進行層與層之間的融合 或使層與層之間進行更多的交互，實現更理想的網絡通信效果，本發明中也基于跨層設計 的思想。
在節點進行報文發送的過程中，通常在緩沖區中還會緩存一些待發送的報文，這與節 點的數據產生過程有關，對于一些數據應用如視頻數據的傳輸，當以視頻幀編碼后進行傳 輸時，由于數據量較大，該視頻幀的數據會被分解成多個不同的網絡層報文，這些報文會 被送到發送緩沖區進行儲存，可以通過網絡層與無線媒體訪問控制模塊之間接口的改進使 每個物理層幀發送時都能夠及時獲得本節點的發送緩沖區情況，這種方法在一些跨層設計 的研究中具有一定的應用。
發明內容
本發明的目的是為解決無線局域網的通信中發生沖突的問題,提出一種通過跨層結構 減少無線局域網媒體訪問沖突的方法,本發明能實現媒體訪問層和網絡層的聯合優化，能 夠有效的減少沖突和不必要的退避,提高對信道的利用效率。
本發明的一種通過跨層結構減少無線局域網媒體訪問沖突的方法，該方法包括在報文 傳輸過程中的節點偵聽報文后的處理和發送報文的處理兩部分，其特征在于，每個節點設 置順序標號，各節點內部保存以下狀態信息本節點上一次報文發送所使用的節點順序標 號，最近一次偵聽到報文的節點順序標號及其物理地址；
所述節點偵聽為對所有接收到的報文讀取其相應的控制信息，在報文封裝成幀的過程 中將兩種控制信息一起加入到報文的首部，該兩種控制信息分別是本節點的發送緩沖區是 否為空的狀態和一個非負整數表示的發送節點順序標號；
所述節點偵聽到任意一個報文后的處理，包括以下步驟
11) 首先判斷偵聽到報文是否聲明發送緩沖區非空，若聲明非空，則將本節點在下一 輪無退避循環中需要等待的物理地址設為當前偵聽到報文的物理地址；
12) 判斷當前節點所處的狀態，若節點處于CSMA/CA退避過程中，則執行CSMA/CA退 避規則，暫停退避計時器，等待本次偵聽接受后再啟動退避計時器，本次報文偵聽處理結 束；若節點已經持有節點標號處于等待發送狀態，則轉到步驟13);
13) 判斷偵聽到的報文是否來自于本輪發送中所等待的物理地址，若是則在等待本次 偵聽結束后等待SIFS間隔之后進行報文的發送；否則等待本次偵聽結束后繼續進行下一 次偵聽；
所述節點發送報文的處理，包括以下步驟21) 判斷當前節點是否剛接入網絡進行偵聽，若是則持續偵聽信道2XCW個時隙的長 度，之后按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到取得信道的訪問權，轉到步驟22);
否則判斷當前節點是否已經持有節點順序標號，若沒有持有節點順序標號則按 CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到取得信道的訪問權，轉到步驟22)，若已經持有節點 順序標號則轉到步驟24);
22) 獲取當前的發送緩沖區狀態，判斷當前發送緩沖區中是否為空，若當前發送緩沖 區為空則將本次報文中的節點順序標號設為最近一次偵聽到的報文的節點順序標號，轉到 步驟23);若當前發送緩沖區非空，則將本次報文的節點順序標號設為最近一次偵聽到報 文的節點順序標號加l，轉到步驟23);
23) 將節點順序標號和發送緩沖區狀態添加到待發送的報文的頭部，并發送報文結束 本次報文的發送過程，若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發 送過程；
24) 判斷所持有的節點順序標號是否為0，若節點順序標號為0則轉到步驟25)否則 轉到步驟26);
25) 按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到獲得信道的訪問權，使用當前的發送緩沖 區狀態和節點順序標號0添加的待發送報文的頭部，并發送報文結束本次報文的發送過程， 轉到步驟26);若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發送過程；
26) 等待持有前一節點順序標號對應物理地址的節點發送報文，獲得該報文后轉到步 驟27);
27) 獲取持有前一節點順序標號對應物理地址的節點所發送報文中新聲明的節點順序 標號，判斷該順序標號是否為O，若該標號為0則轉到步驟28);否則轉到步驟29);
28) 獲取持有前一節點順序標號對應物理地址的節點所發送報文中說明的緩沖區狀 態，若該報文中說明的節點發送緩沖區為空則將本次發送報文的順序標號設為0，否則將 本次發送報文的順序標號設為1;轉到步驟210)
29) 獲取當前的緩沖區狀態，判斷當前發送緩沖區中是否為空，若當前發送緩沖區為 空則將本次報文中的節點順序標號設為最近一次偵聽到的報文的節點順序標號，轉到
210);若當前發送緩沖區非空，則將本次報文的節點順序標號設為最近一次偵聽到報文的 節點順序標號加l,轉到步驟210);
210)將節點順序標號和當前的發送緩沖區狀態添加到待發送的報文的頭部，等待SIFS 時間間隔并發送報文結束本次報文的發送過程，若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟 21)進行新一輪的報文發送過程。
上述步驟22)、 29)中獲取當前的緩沖區狀態，具體可分為兩種實現方式， 一種是將 網絡層報文向下傳遞的過程中將發送緩沖區的狀態作為參數伴隨網絡層報文一起向下傳 遞從而獲取該方法包括在報文傳輸過程中，節點偵聽報文后的處理和發送報文的處理兩部 分，；另一種是使發送緩沖區提供可查詢的接口，使媒體訪問層在進行報文封裝的過程中 能夠快速的對發送緩沖區進行査詢得到當前的緩沖區狀態。
本發明原理本發明通過跨層結構將對現有的無線局域網技術進行改進，設計了新型媒體訪問控制 的工作方式，能夠在一定程度上避免沖突出現的概率，從整體上提高無線局域網的通信容 量。本發明的基本原理是將當前發送緩沖區的狀態(空或者非空)作為控制信息添加到發 送報文的首部中，利用無線信道的廣播特性使各節點都能獲得這一信息；在一段時間內有 大量報文需要發送的節點稱為活躍節點，各節點通過了解當前網絡中其它節點在接下來一 段時期內是否仍將有報文進行發送這一信息，自組織地形成活躍節點發送環，在下一輪的 報文發送過程中高效地進行報文發送，減小沖突發生的概率并減少不必要的退避過程，提 高網絡的通信容量。 ' 本發明的特點及有益效果
本發明的主要貢獻在于使用跨層結構并利用無線網絡的廣播特性設計了新型媒體訪 問控制的工作方式。
1. 只需要對現有的體系結構和相關協議進行少量修改就能顯著降低無線局域網環境中沖 突發生的概率并在一定程度上避免了不必要的退避。
2. 算法簡單，計算復雜度小，易于實現。
3. 各節點只需要保存少量的狀態信息，實現成本較低。
4. 在任何情況下，該方法都會比現有的協議更有效的工作，提高整個網絡的吞吐量。
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圖1為本發明的節點偵聽到任意一個報文后的處理流程框圖； 圖2為本發明的節點發送報文的處理流程框具體實施例方式
本發明提出的一種通過跨層結構減少無線局域網媒體訪問沖突的方法結合附圖及實 施例詳細說明如下
本發明方法包括在報文傳輸過程中的節點偵聽報文后的處理和發送報文的處理兩部 分，其特征在于，每個節點設置順序標號，各節點內部保存以下狀態信息本節點上一次 報文發送所使用的節點順序標號，最近一次偵聽到報文的節點順序標號及其物理地址；
所述節點偵聽為對所有接收到的報文讀取其相應的控制信息，在報文封裝成幀的過程 中將兩種控制信息一起加入到報文的首部，兩種控制信息分別是本節點的發送緩沖區是否 為空的狀態和一個非負整數表示的發送節點順序標號；
所述節點偵聽到任意一個報文后的處理流程如圖1所示，包括以下步驟
11) 首先判斷偵聽到報文是否聲明發送緩沖區非空，若聲明非空，則將本節點在下一 輪無退避循環中需要等待的物理地址設為當前偵聽到報文的物理地址；
12) 判斷當前節點所處的狀態，若節點處于CSMA/CA退避過程中，則執行CSMA/CA退 避規則，暫停退避計時器，等待本次偵聽接受后再啟動退避計時器，本次報文偵聽處理結
束；若節點已經持有節點標號處于等待發送狀態，則轉到步驟13);
13) 判斷偵聽到的報文是否來自于本輪發送中所等待的物理地址，若是則在等待本次偵聽結束后等待SIFS間隔之后進行報文的發送；否則等待本次偵聽結束后繼續進行下一 次偵聽；
所述節點發送報文的處理流程，如圖2所示，包括以下步驟
21) 判斷當前節點是否剛接入網絡進行偵聽，若是則持續偵聽信道2XCW個時隙的長 度，之后按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到取得信道的訪問權，轉到步驟22);
否則判斷當前節點是否已經持有節點順序標號，若沒有持有節點順序標號則按 CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到取得信道的訪問權，轉到步驟22)，若己經持有節點 順序標號則轉到步驟24);
22) 獲取當前的發送緩沖區狀態，判斷當前發送緩沖區中是否為空，若當前發送緩沖 區為空則將本次報文中的節點順序標號設為最近一次偵聽到的報文的節點順序標號，轉到 步驟23);若當前發送緩沖區非空，則將本次報文的節點順序標號設為最近一次偵聽到報 文的節點順序標號加l，轉到步驟23);
23) 將節點順序標號和發送緩沖區狀態添加到待發送的報文的頭部，并發送報文結束 本次報文的發送過程，若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發 送過程；
24) 判斷所持有的節點順序標號是否為0，若節點順序標號為0則轉到步驟25)否則 轉到步驟26);
25) 按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到獲得信道的訪問權，使用當前的發送緩沖 區狀態和節點順序標號0添加的待發送報文的頭部，并發送報文結束本次報文的發送過程， 轉到步驟26);若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發送過程；
26) 等待持有前一節點順序標號對應物理地址的節點發送報文，獲得該報文后轉到步 驟27);
27) 獲取持有前一節點順序標號對應物理地址的節點所發送報文中新聲明的節點順序 標號，判斷該順序標號是否為O，若該標號為0則轉到步驟28);否則轉到步驟29);
28) 獲取持有前一節點順序標號對應物理地址的節點所發送報文中說明的緩沖區狀 態，若該報文中說明的節點發送緩沖區為空則將本次發送報文的順序標號設為0，否則將 本次發送報文的順序標號設為1;轉到步驟210)
29) 獲取當前的緩沖區狀態，判斷當前發送緩沖區中是否為空，若當前發送緩沖區為 空則將本次報文中的節點順序標號設為最近一次偵聽到的報文的節點順序標號，轉到 210);若當前發送緩沖區非空，則將本次報文的節點順序標號設為最近一次偵聽到報文的 節點順序標號加l，轉到步驟210);
210)將節點順序標號和當前的發送緩沖區狀態添加到待發送的報文的頭部，等待SIFS 時間間隔并發送報文結束本次報文的發送過程，若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟 21)進行新一輪的報文發送過程。
上述步驟22)、 29)中獲取當前的緩沖區狀態，具體可以分為兩種實現方式， 一種是 將網絡層報文向下傳遞的過程中將發送緩沖區的狀態作為參數伴隨網絡層報文一起向下 傳遞；另一種是使發送緩沖區提供可査詢的接口，使媒體訪問層在進行報文封裝的過程中 能夠快速的對發送緩沖區進行查詢得到當前的緩沖區狀態。
權利要求
1、一種通過跨層結構減少無線局域網媒體訪問沖突的方法，該方法包括在報文傳輸過程中的節點偵聽報文后的處理和發送報文的處理兩部分，其特征在于，每個節點設置順序標號，各節點內部保存以下狀態信息本節點上一次報文發送所使用的節點順序標號，最近一次偵聽到報文的節點順序標號及其物理地址；所述節點偵聽為對所有接收到的報文讀取其相應的控制信息，在報文封裝成幀的過程中將兩種控制信息一起加入到報文的首部，該兩種控制信息分別是本節點的發送緩沖區是否為空的狀態和一個非負整數表示的發送節點順序標號；所述節點偵聽到任意一個報文后的處理，包括以下步驟11)首先判斷偵聽到報文是否聲明發送緩沖區非空，若聲明非空，則將本節點在下一輪無退避循環中需要等待的物理地址設為當前偵聽到報文的物理地址；12)判斷當前節點所處的狀態，若節點處于CSMA/CA退避過程中，則執行CSMA/CA退避規則，暫停退避計時器，等待本次偵聽接受后再啟動退避計時器，本次報文偵聽處理結束；若節點已經持有節點標號處于等待發送狀態，則轉到步驟13)；13)判斷偵聽到的報文是否來自于本輪發送中所等待的物理地址，若是則在等待本次偵聽結束后等待SIFS間隔之后進行報文的發送；否則等待本次偵聽結束后繼續進行下一次偵聽；所述節點發送報文的處理，包括以下步驟21)判斷當前節點是否剛接入網絡進行偵聽，若是則持續偵聽信道2×CW個時隙的長度，之后按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到取得信道的訪問權，轉到步驟22)；否則判斷當前節點是否已經持有節點順序標號，若沒有持有節點順序標號則按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到取得信道的訪問權，轉到步驟22)，若已經持有節點順序標號則轉到步驟24)；22)獲取當前的發送緩沖區狀態，判斷當前發送緩沖區中是否為空，若當前發送緩沖區為空則將本次報文中的節點順序標號設為最近一次偵聽到的報文的節點順序標號，轉到步驟23)；若當前發送緩沖區非空，則將本次報文的節點順序標號設為最近一次偵聽到報文的節點順序標號加1，轉到步驟23)；23)將節點順序標號和發送緩沖區狀態添加到待發送的報文的頭部，并發送報文結束本次報文的發送過程，若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發送過程；24)判斷所持有的節點順序標號是否為0，若節點順序標號為0則轉到步驟25)否則轉到步驟26)；25)按CSMA/CA協議的方式競爭信道，直到獲得信道的訪問權，使用當前的發送緩沖區狀態和節點順序標號0添加的待發送報文的頭部，并發送報文結束本次報文的發送過程，轉到步驟26)；若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發送過程；26)等待持有前一節點順序標號對應物理地址的節點發送報文，獲得該報文后轉到步驟27)；27)獲取持有前一節點順序標號對應物理地址的節點所發送報文中新聲明的節點順序標號，判斷該順序標號是否為0，若該標號為0則轉到步驟28)；否則轉到步驟29)；28)獲取持有前一節點順序標號對應物理地址的節點所發送報文中說明的緩沖區狀態，若該報文中說明的節點發送緩沖區為空則將本次發送報文的順序標號設為0，否則將本次發送報文的順序標號設為1；轉到步驟210)29)獲取當前的緩沖區狀態，判斷當前發送緩沖區中是否為空，若當前發送緩沖區為空則將本次報文中的節點順序標號設為最近一次偵聽到的報文的節點順序標號，轉到210)；若當前發送緩沖區非空，則將本次報文的節點順序標號設為最近一次偵聽到報文的節點順序標號加1，轉到步驟210)；210)將節點順序標號和當前的發送緩沖區狀態添加到待發送的報文的頭部，等待SIFS時間間隔并發送報文結束本次報文的發送過程，若緩沖區中仍有報文待發送，則轉到步驟21)進行新一輪的報文發送過程。
2、 如權利要求l所述方法，其特征在于，所述步驟22)、 29)中獲取當前的緩沖區狀 態，是將網纟各層報文向下傳遞的過程中將發送緩沖區的狀態作為參數伴隨網絡層報文一起 向下傳遞而獲取到當前的緩沖區狀態。
3、 如權利要求l所述方法，其特征在于，所述步驟22)、 29)中獲取當前的緩沖區狀 態，是使發送緩沖區提供可查詢的接口，使媒體訪問層在進行報文封裝的過程中能夠對發 送緩沖區進行査詢而得到當前的緩沖區狀態。
全文摘要
本發明涉及一種通過跨層結構減少無線局域網媒體訪問沖突的方法，屬于計算機通信領域。該方法包括在報文傳輸過程中的節點偵聽報文后的處理和發送報文的處理兩部分，每個節點設置順序標號，各節點內部保存以下狀態信息本節點上一次報文發送所使用的節點順序標號，最近一次偵聽到報文的節點順序標號及其物理地址；節點偵聽為對所有接收到的報文讀取其相應的控制信息，在報文封裝成幀的過程中將本節點的發送緩沖區是否為空的狀態和一個非負整數表示的發送節點順序標號一起加入到報文的首部；本發明通過使用跨層結構充分利用網絡中各節點的發送緩沖區的狀態信息來減少小規模無線局域網中沖突發生的概率，進而提高無線局域網中通信容量的目的。
文檔編號H04L12/28GK101291296SQ20081011526
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月20日 優先權日2008年6月20日
發明者張乃堯, 戴瓊海, 肖紅江, 魏宇平 申請人:清華大學