无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统

技术领域

本发明属于移动通信网络技术领域，涉及一种退避方法及系统，特别是涉及一种无线分 布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统。

背景技术

现有的无线分布式网络MAC层标准多采用载波侦听多路访问/冲突避免(CarrierSense MultipleAccesswithCollisionAvoidance,CSMA/CA)协议。在基于竞争的分布式无线网络当 中，所有站点在发送数据包之前，首先进行载波侦听，即需要侦听信道是否处于空闲状态。 若信道空闲，则站点等待一定时间后再发送数据包。在发送过程中也需要侦听信道状态。若 侦听到冲突发生，则发送过程立即停止，等待一段时间后再进行尝试。

等待过程被称作退避过程。选择合理的退避策略对整个系统的性能至关重要。选择合理 的退避策略的目的主要有两点，即尽量减少碰撞和降低系统时延。减少碰撞主要是尽可能避 免不同站点同时发送数据包，提高系统的发送成功概率和吞吐量。从用户角度来说，用户是 不希望有过长的时延体验的，因此也需要降低系统的时延。而要同时使这两种性能都能得到 提升是有难度的。

目前最流行的退避策略是二进制指数退避算法(BinaryExponentialBackoff,BEB)。BEB 工作流程如下：记退避窗长(ContentionWindow)为CW，每次退避时站点将在[0,CW)区间 内随机选择一个数作为退避时长。首次退避时CW限定为最小退避窗长CW_min。若再次碰撞， CW窗长将加倍，站点将在新的[0,CW)区间内重新随机选择一个数字作为退避时长。若再次 碰撞则CW再次加倍，直至达到最大退避窗长CW_max为止。若数据包发送成功，则退避窗长 重置为CW_min。

现在无线分布式网络中广泛应用的BEB退避策略算法简单，实现方便，但是其性能却不 能达到最优。它虽然可以减少碰撞，但不能避免碰撞。在站点数较多或负载量较高时，碰撞 加剧，发送成功率显著下降，进而造成时延变大、能耗增高、资源浪费和用户体验变差等负 面影响。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无线分布式网络中MAC层 的自适应确定性退避方法及系统，用于解决现有技术中退避算法在站点数较多或负载量较高 时，碰撞加剧，发送成功率显著下降，进而造成时延变大、能耗增高、资源浪费和用户体验 变差等负面结果的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种无线分布式网络中MAC层的自 适应确定性退避方法，所述无线分布式网络中包括若干个站点，所述若干个站点共用用于传 输数据包的传输信道，包括：步骤一，判断第i站点是否存在需要发送的数据包；若是，则 继续下一步骤；若否，对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作；其中，i为 大于等于1的正整数；步骤二，执行第一次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态， 若是，则执行退避操作，并执行第二次侦听信道；若否，则执行第二退避操作，并返回至第 二次侦听信道；所述第二退避操作中包括对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更 新操作；步骤三，执行第二次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态，若是，则将 需要发送的数据包发送出去，并执行与发送相关的后续操作；若否，则返回执行所述第二退 避操作。

可选地，所述与发送相关的后续操作包括：判断所述数据包是否发送成功，若是，则执 行所述退避窗口值更新操作；若否，则表示所述数据包需要重新发送，并判断所述数据包的 重传次数是否大于重传次数最大门限值，若是，则丢弃该数据包，及继续更新操作；若否， 则返回至所述第二退避操作中的对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作。

可选地，判断所述数据包是否发生成功的依据是判断是否接收到已成功接收数据包的反 馈信息。

可选地，所述更新操作包括：若所述第i站点成功发送需要发送的数据包时，则将已存 在的所述第i站点中的退避窗口值清除为零；在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若 所述第i站点侦听到第j站点成功发送需要发送的数据包的次数为1时，则将所述第i站点中 的退避窗口值更新为已存在的所述第i站点中的退避窗口值+1；其中，j为不等于i，大于等 于1的正整数；在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若所述第i站点侦听到第j站点 第二次或第二次以后成功发送需要发送的数据包时，则将所述第i站点中的退避窗口值保持 为已存在的所述第i站点中的退避窗口值。

可选地，所述第一退避操作指退避已存在的所述第i站点中的退避窗口值个时隙。

可选地，所述第二退避操作指在侦听到所述传输信道处于非空闲状态时，转为等待状态 直至所述传输信道再次处于空闲状态时，执行所述退避窗口值更新操作，并退避已存在的所 述第i站点中的退避窗口值个时隙。

本发明另一方面还提供一种无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统，所述 无线分布式网络中包括若干个站点，所述若干个站点共用用于传输数据包的传输信道，所述 无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统包括：第一判断模块，用于判断第i站点 是否存在需要发送的数据包；若是，则调用用于执行第一次侦听信道以判断所述传输信道是 否处于空闲状态的第一侦听模块，当所述第一侦听模块侦听到所述传输信道处于空闲状态， 则调用用于执行第一退避操作的退避控制模块，和用于执行第二次侦听信道的第二侦听模块； 若所述第一侦听模块侦听到所述传输信道处于非空闲状态，则调用所述退避控制模块执行第 二退避操作，和所述第二侦听模块；若否，则调用用于对所述第i站点中的退避窗口值执行 退避窗口值更新操作的更新模块；其中，i为大于等于1的正整数；所述退避控制模块中包括 用于对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作的更新单元；所述第二侦听模 块执行第二次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态，若是，则调用用于将需要发 送的数据包发送出去的发送模块，及用于执行与发送相关的后续操作的操作模块；若否，则 重新调用所述退避控制模块执行第二退避操作。

可选地，所述操作模块用于判断所述数据包是否发生成功，若是，则调用所述更新模块 执行所述退避窗口值更新操作；若否，则表示所述数据包需要重新发送，并调用用于判断所 述数据包的重传次数是否大于重传次数最大门限值的第二判断模块，若是，则调用用于丢弃 该数据包的弃包模块，若否，则返回调用所述退避控制模块中的所述更新单元对所述第i站 点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作。

可选地，所述更新模块和更新单元都用于：若所述第i站点成功发送需要发送的数据包 时，则将已存在的所述第i站点中的退避窗口值清除为零；在所述第i站点下一次成功发送数 据包之前，若所述第i站点侦听到第j站点成功发送需要发送的数据包的次数为1时，则将所 述第i站点中的退避窗口值更新为已存在的所述第i站点中的退避窗口值+1；其中，j为不等 于i，大于等于1的正整数；在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若所述第i站点侦 听到第j站点第二次或第二次以后成功发送需要发送的数据包时，则将所述第i站点中的退避 窗口值保持为已存在的所述第i站点中的退避窗口值。

本发明又一方面还提供一种无线分布式网络设备，包括如权利要求7-9中任一所述的无 线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统。

如上所述，本发明的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统，具有 以下有益效果：

本发明的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统改变了传统退避算 法中的随机退避策略，创新性地提出了利用系统内各站点成功传输数据包产生的反馈信息来 进行确定性退避的方案，提高了系统性能，且本发明利用系统稳定运行时，系统各站点的退 避窗长也会各不相同，从而实现确定性的退避机制，有效避免数据包的碰撞，有效提高网络 系统的吞吐量和发送成功概率，并实现降低发送时延和发送能耗。

附图说明

图1显示为本发明的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法的流程示意图。

图2显示为本发明的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法的一种实施方 式示意图。

图3显示为本发明的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统的原理结构示 意图。

图4显示为本发明的无线分布式网络设备的原理结构图。

元件标号说明

1无线分布式网络设备

10无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统

104第一判断模块

102第一侦听模块

103更新模块

104退避控制模块

105第二侦听模块

106发送模块

107操作模块

108第二判断模块

109弃包模块

1041更新单元

S1～S10步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征 可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图 式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实 际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复 杂。

本发明所述的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统用于避免分布 式无线网络系统中各站点发送数据包可能产生的碰撞。技术原理如下：

本发明在无线分布式网络MAC层中创新性地提出了一种自适应确定性退避算法。该策 略基于系统内各站点成功传送数据包的反馈信息(此处以ACK信号为例)来确定退避窗口大 小，有效避免系统内各站点的新数据包碰撞。对站点i，设A_i为其ACK计数器，其初始值设 为M。A_i的更新过程如表1所示。

表1：A_i的更新过程

对站点i而言，每当有数据包发送成功时，其ACK计数器的值A_i清零。记站点i相邻两 次成功发送数据包内的时间为一个计数周期。站点i继续持续侦听信道，在一个计数周期内， 如果它第一次侦听到站点j(j≠i)成功传输数据包的ACK信号，则A_i加1；如果它第二次或者 第二次以后，即第三次，第四次，第五次，…第N次，…侦听到站点j(j≠i)成功传输数据包 的ACK信号，则A_i不变。

站点i的数据包发送流程描述如下。当站点i有数据包需要发送时，它首先侦听信道是否 空闲。若信道空闲，则退避A_i个时隙；若信道繁忙，则站点需等到信道空闲，再重复该步骤。 退避结束后，再次侦听信道，若信道空闲，则发送数据包；若信道繁忙，则站点需等到信道 空闲后退避A_i个时隙，重复上述过程。

站点i发送数据包时，若发送成功，则A_i清零，开始新的计数周期；若由于隐藏终端的 影响或者信道条件不好等原因发送不成功，则该数据包要进行重传。重传时需首先判断重传 次数是否大于系统设计的重传次数最大门限值，若大于，则丢弃该数据包；若没有达到最大 重传次数，则退避A_i个时隙后进入重传过程。

实施例一

本实施例提供一种无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法，所述无线分布 式网络中包括若干个站点，所述若干个站点共用用于传输数据包的传输信道。请参阅图1， 显示为无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法的流程示意图。如图1所示，所 述无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法包括以下几个步骤：

S1，判断第i站点是否存在需要发送的数据包；若是，则继续下一步骤，即步骤S2；若 否，则执行步骤S3，即对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作，执行完步 骤S3后，返回步骤S1；其中，i为大于等于1的正整数。在本步骤中，所述退避窗口值更新 操作包括：

若所述第i站点成功发送需要发送的数据包时，则将已存在的所述第i站点中的退避窗口 值清除为零；

在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若所述第i站点侦听到第j站点成功发送需 要发送的数据包的次数为1时，则将所述第i站点中的退避窗口值更新为已存在的所述第i 站点中的退避窗口值+1；其中，j为不等于i，大于等于1的正整数；

在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若所述第i站点侦听到第j站点第二次或第 二次以后，，即第三次，第四次，第五次，…第N次，…成功发送需要发送的数据包时，则 将所述第i站点中的退避窗口值保持为已存在的所述第i站点中的退避窗口值。

S2，执行第一次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态，若是，则继续执行下 一步骤S4；若否，则继续执行步骤S6，即在侦听到所述传输信道处于非空闲状态时，转为等 待状态直至所述传输信道再次处于空闲状态时，继续执行步骤S7，即执行所述退避窗口值更 新操作，换句话说，所述第二退避操作中包括对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口 值更新操作，执行完步骤S7之后转入步骤S8，即退避已存在的所述第i站点中的退避窗口值 A_i个时隙。所述步骤S6，S7，S8统称为第二退避操作。在执行完步骤S8后，转入步骤S5。

S4，执行第一退避操作。所述第一退避操作指获取当前已存在的已存在的所述第i站点 中的退避窗口值，退避已存在的所述第i站点中的退避窗口值A_i个时隙。

S5，执行第二次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态；若是，则执行步骤S9， 若否，则返回至步骤S6。

S9，将需要发送的数据包发送出去。

S10，执行与发送相关的后续操作。如图1所示，步骤S10具体包括以下几个步骤：

S101，判断所述数据包是否发生成功，若是，则返回至步骤S3，即执行所述更新操作； 若否，则表示所述数据包需要重新发送，执行步骤S102。在本实施例中，判断所述数据包是 否发生成功的依据是判断是否接收到已成功接收数据包的反馈信息。

S102，判断所述数据包的重传次数是否大于重传次数最大门限值，若是，则执行步骤S103， 即丢弃该数据包，转入步骤S3，并返回步骤S1，若否，则返回至步骤S7，即执行所述第二 退避操作中的对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作。

当系统所有站点均有数据包成功发送后，系统进入稳定状态。请参阅图2，显示为无线 分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法的一种实施方式示意图。如图2所示，以站 点1为例，已存在的站点1中的退避窗口值的初始值设为M，当站点1成功发送数据包，接 收到反馈信息ACK时，将已存在的站点1中的退避窗口值更新为零，当站点1侦听到站点3 第一次成功发送数据包时，将所述站点中1的退避窗口值更新为已存在的所述站点1中的退 避窗口值+1，此时已存在的所述第i站点中的退避窗口值＝0；当站点1侦听到站点2第一次 成功发送数据包时，将所述站点中1的退避窗口值更新为已存在的所述站点1中的退避窗口 值+1，此时已存在的所述第i站点中的退避窗口值＝1；当站1再次成功发送数据包，再次接 收到反馈信息ACK时，将已存在的站点1中的退避窗口值更新为零，当站点1侦听到站点3 第一次成功发送数据包时，将所述站点中1的退避窗口值更新为已存在的所述站点1中的退 避窗口值+1，此时已存在的所述第i站点中的退避窗口值＝0；当站点1侦听到站点4第一次 成功发送数据包时，将所述站点中1的退避窗口值更新为已存在的所述站点1中的退避窗口 值+1，此时已存在的所述第i站点中的退避窗口值＝1，当站点1侦听到站点4第二次成功发 送数据包时，保持此时已存在的所述第i站点中的退避窗口值，此时已存在的所述第i站点中 的退避窗口值＝2；当站点1侦听到站点3第二次成功发送数据包时，保持此时已存在的所述 第i站点中的退避窗口值，时已存在的所述第i站点中的退避窗口值＝2。站点2，站点3，站 点4退避窗口值的变化原理同站点1。

因此，由图2中可见，当系统稳定后，所有站点的ACK计数器的值(即站点i的A_i值) 各不相同，从而每个站点的退避值各不相同，并且可以自适应变化，从而实现了确定性退避。

本发明所述的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法改变了传统退避算法 中的随机退避策略，创新性地提出了利用系统内各站点成功传输数据包产生的反馈信息来进 行确定性退避的方案，提高了系统性能，且本发明利用系统稳定运行时，系统各站点的退避 窗长也会各不相同，从而实现确定性的退避机制，有效避免数据包的碰撞，有效提高网络系 统的吞吐量和发送成功概率，并实现降低发送时延和发送能耗。

实施例二

本实施例提供一种无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统10，所述无线分 布式网络中包括若干个站点，所述若干个站点共用用于传输数据包的传输信道。请参阅图3， 显示为无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统的原理结构示意图。如图3所示， 所述无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系统10包括第一判断模块101、第一侦 听模块102、更新模块103、退避控制模块104、第二侦听模块105、发送模块106、操作模 块107、第二判断模块108、及弃包模块109。

所述第一判断模块101用于判断第i站点是否存在需要发送的数据包；若是，则调用用 于执行第一次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态的第一侦听模块102，当所述 第一侦听模块102侦听到所述传输信道处于空闲状态，则调用用于执行第一退避操作的退避 控制模块104，和用于执行第二次侦听信道的第二侦听模块105；若所述第一侦听模块102侦 听到所述传输信道处于非空闲状态，则调用所述退避控制模块104执行第二退避操作，和所 述第二侦听模块105；若否，则调用用于对所述第i站点中的退避窗口值执行更新操作的更新 模块103；其中，i为大于等于1的正整数；所述退避控制模块104中包括用于对所述第i站 点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作的更新单元1041。其中，所述更新模块103和更 新单元1041都用于执行：

若所述第i站点成功发送需要发送的数据包时，则将已存在的所述第i站点中的退避窗口 值清除为零；

在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若所述第i站点侦听到第j站点成功发送需 要发送的数据包的次数为1时，则将所述第i站点中的退避窗口值更新为已存在的所述第i 站点中的退避窗口值+1；其中，j为不等于i，大于等于1的正整数；

在所述第i站点下一次成功发送数据包之前，若所述第i站点侦听到第j站点第二次或第 二次以后，，即第三次，第四次，第五次，…第N次，…成功发送需要发送的数据包时，则 将所述第i站点中的退避窗口值保持为已存在的所述第i站点中的退避窗口值。

所述第二侦听模块105执行第二次侦听信道以判断所述传输信道是否处于空闲状态，若 是，则调用用于将需要发送的数据包发送出去的发送模块105，及用于执行与发送相关的后 续操作的操作模块107；若否，则重新调用所述退避控制模块104执行第二退避操作。

所述操作模块107用于判断所述数据包是否发生成功，若是，则调用所述更新模块103 执行所述更新操作；若否，则表示所述数据包需要重新发送，并调用用于判断所述数据包的 重传次数是否大于重传次数最大门限值的第二判断模块108，若是，则调用用于丢弃该数据 包的弃包模块109，及更新模块103和第一判断模块101，若否，则返回调用所述退避控制模 块104中的所述更新单元1041对所述第i站点中的退避窗口值执行退避窗口值更新操作。

本实施例还提供一种包括以上所述的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避系 统10的无线分布式网络设备1。请参阅图4，显示为无线分布式网络设备的原理结构图。

综上所述，本发明所述的无线分布式网络中MAC层的自适应确定性退避方法及系统改 变了传统退避算法中的随机退避策略，创新性地提出了利用系统内各站点成功传输数据包产 生的反馈信息来进行确定性退避的方案，提高了系统性能，且本发明利用系统稳定运行时， 系统各站点的退避窗长也会各不相同，从而实现确定性的退避机制，有效避免数据包的碰撞， 有效提高网络系统的吞吐量和发送成功概率，并实现降低发送时延和发送能耗。所以，本发 明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。