面向802.11e VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向802.11e?VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，1)根據(jù)接入的MAC層參數(shù)和VoIP編碼方式計算無線接入點即AP的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)接入概率2)根據(jù)計算AP的最小、最大競爭窗口大小的最優(yōu)值3)計算AP處第j個周期的平均沖突率再根據(jù)與閾值fopt的關(guān)系調(diào)整站點(STA)的網(wǎng)絡(luò)接入概率τSTA；4)AP根據(jù)τSTA計算站點的最大、最小競爭窗口；AP使用周期性的Beacon幀廣播站點的最大、最小競爭窗口。該面向802.11e?VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法能提升無線信道有效利用率，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，提升VoIP容量。
【專利說明】面向802. 11e Vo IP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著基于因特網(wǎng)協(xié)議的語音（VoIP)技術(shù)和無線局域網(wǎng)（WLAN)技術(shù)的迅速發(fā)展， 基于WLAN的VoIP近年來得到了快速、廣泛的應(yīng)用。IEEE802. 11分布式協(xié)調(diào)功能（DCF)媒 體接入控制（MAC)協(xié)議以其簡易性與健壯性成為目前主流的WLAN MAC協(xié)議，其基本思想是 載波偵聽多路訪問（CSMA)與沖突避免（CA)。IEEE802. 11DCF協(xié)議以傳輸非實時性數(shù)據(jù)流 作為其主要支持的業(yè)務(wù)，為了增強對VoIP等實時業(yè)務(wù)的支持，IEEE制定出增強分布式信道 接入機制（EDCA，Enhanced Distributed Channel Access)。EDCA 在 DCF 機制的基礎(chǔ)上進行 QoS支持?jǐn)U展，提供了對不同的業(yè)務(wù)流進行優(yōu)先級區(qū)分的機制，提高了無線局域網(wǎng)（WLAN) 內(nèi)VoIP等實時業(yè)務(wù)相對于其他業(yè)務(wù)流的優(yōu)先性，從而在一定程度上保障其QoS要求。但 EDCA MAC層參數(shù)使用固定值，無法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并不能使系統(tǒng)性能實現(xiàn) 最優(yōu)，很多研究表明，在高負(fù)載狀況下，由于網(wǎng)絡(luò)中有較高的沖突率，EDCA的性能表現(xiàn)并不 如人意；此外，EDCA沒有對WLAN中站點（Stations，STAs)和接入節(jié)點（AP)進行優(yōu)先級的 區(qū)分，導(dǎo)致AP處上下行業(yè)務(wù)流量的不平衡，并造成瓶頸效應(yīng)，限制了 VoIP容量。
[0003] (1)靜態(tài)參數(shù)造成高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中較高的沖突率
[0004] CSMA/CA機制當(dāng)工作于基本接入方式時，其工作流程為：節(jié)點在檢測到信道空閑 時間超過DIFS (distributed inter frame space)后發(fā)送分組；若信道忙，節(jié)點在等待信道 空閑DIFS后將隨機選擇一個退避時延（退避時隙值）并啟動退避計時器，等待該退避時延 后才發(fā)送分組。退避計時器在信道空閑時隨時間遞減；信道忙時將掛起，直到信道空閑時間 超過DIFS后才恢復(fù)遞減；當(dāng)退避計時器減為0時節(jié)點開始發(fā)送分組。退避時隙值在離散區(qū) 間[0，CW]內(nèi)按均勻分布隨機選擇。CW又稱為競爭窗口，競爭窗口初始值為CW min，每次發(fā)送 失敗，競爭窗口都加倍，并重新開始上述過程競爭接入信道，直到發(fā)送成功或達(dá)到最大競爭 窗口 CWmax。源節(jié)點在發(fā)送分組后，要等待目的節(jié)點發(fā)送確認(rèn)接收的ACK幀；而目的節(jié)點接收 到正確的分組后，則要在等待信道空閑SIFS后向源節(jié)點發(fā)送ACK幀，對接收到的分組進行 確認(rèn)。
[0005] CSMA/CA機制沖突回退算法通過擴大競爭窗口來避免下一次的沖突，但無法確定 能夠成功避免，也許會經(jīng)過多次退避過程才能發(fā)送成功。很多研究表明，在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中， 一個數(shù)據(jù)包通常要經(jīng)歷多次沖突后，才能被成功的發(fā)送。這種方式難以保證VoIP傳輸時對 延遲、抖動等QoS的保障。EDCA中CW min與CWmax的靜態(tài)設(shè)置，導(dǎo)致高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)數(shù)據(jù)包 在相同的離散區(qū)間[0，CW max]內(nèi)進行選擇，加重了沖突的概率。沖突的增加大大浪費了信道 資源，使吞吐量迅速下降，無法實現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)。
[0006] (2) AP的瓶頸效應(yīng)限制VoIP容量
[0007] 在無線局域網(wǎng)中，接入節(jié)點AP(Access Point)位于有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合 部，同時傳輸從有線網(wǎng)絡(luò)到無線網(wǎng)絡(luò)的下行流和從無線網(wǎng)絡(luò)到有線網(wǎng)絡(luò)的上行流。VoIP通 話過程通常在無線站點和AP外部的有線站點或無線站點之間進行。假設(shè)系統(tǒng)中只存在 VoIP數(shù)據(jù)流，每個站點通過AP與外部站點建立了一個雙向的VoIP通話過程。當(dāng)存在N個 站點時，有N條上行的發(fā)送鏈路競爭信道，而從外部站點反方向的語音通話過程需通過AP 完成信道的接入。相對而言，AP中的發(fā)送負(fù)載是各個站點發(fā)送負(fù)載的N倍。根據(jù)CSMA/CA 機制的原理，AP與各個站點具有相同接入信道概率，都是通過公平的競爭來完成無線媒介 的接入的。當(dāng)VoIP通話鏈路容量增大，系統(tǒng)達(dá)到飽和時，AP由于負(fù)載過重產(chǎn)生堆棧溢出而 影響從有線到無線方向的數(shù)據(jù)傳輸，產(chǎn)生語音數(shù)據(jù)包的丟失，延時的增加。這些包丟失和延 時的增加影響了所有站點發(fā)起的VoIP通話過程，限制了系統(tǒng)容量的增加。
[0008] 綜上，有必要設(shè)計一種新的自適應(yīng)調(diào)整方法，對協(xié)議參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整以保證不同 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下的協(xié)議性能；同時能對站點和AP進行優(yōu)先級區(qū)分，弱化AP的瓶頸效應(yīng)對 VoIP容量的制約，提升VoIP容量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整 方法，該面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法能提升無線信道有效利用率，提高網(wǎng) 絡(luò)吞吐量，提升VoIP容量。
[0010] 發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0011] 一種面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，
[0012] 1)根據(jù)接入的MAC層參數(shù)和VoIP編碼方式計算無線接入點即AP的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)接入 概率
[0013] 所述的MAC層參數(shù)包括slot time、SIFS、DIFS及傳輸速率；slot time表示間 隙時間；SIFS (Short Interframe Space)為短幀間隔；DIFS為分布式協(xié)調(diào)幀間隔（DCF Interframe Space)；
[0014] 2)根據(jù)計算AP的最小、最大競爭窗口大小的最優(yōu)值

【權(quán)利要求】
1. 一種面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，其特征在于： 1) 根據(jù)接入的MAC層參數(shù)和VoIP編碼方式計算無線接入點即AP的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)接入概率 ·' 所述的MAC層參數(shù)包括slot time、SIFS、DIFS及傳輸速率；slot time表示間隙時間； SIFS為短幀間隔；DIFS為分布式協(xié)調(diào)幀間隔； 2) 根據(jù)r:計算AP的最小、最大競爭窗口大小的最優(yōu)值
3) 計算AP處第j個周期的平均沖突率/--，再根據(jù)/4與閾值f°Pt的關(guān)系調(diào)整站點 (STA)的網(wǎng)絡(luò)接入概率t sta: 當(dāng)
時，減小站點的網(wǎng)絡(luò)接入概率τ STA以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載； 當(dāng).
時，增加站點的網(wǎng)絡(luò)接入概率τ STA以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載； 4. AP根據(jù)tsta計算站點的最大、最小競爭窗口；AP使用周期性的Beacon幀廣播站點 的最大、最小競爭窗口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，其特征在于， 步驟1)中的計算方法如下：
其中δ為81的^1^;1'(1_和1；。1;分別是傳輸一個￥ 〇1?數(shù)據(jù)包及傳輸相應(yīng)六0(的時間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，其特征在于， 步驟2)中CRf和CRf：的計算方法如下：
其中m為最大退避次數(shù)，取值為3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，其特征在于， 步驟3)中，/i取為當(dāng)前周期沖突率/i,.與歷史沖突率/?1的指數(shù)加權(quán)滑動平均，即：
其中，α為平滑因子，取值為0.875;/^為第j-Ι周期的平均沖突率；/i,.,.為第j周 期的沖突率，由下式確定：
?，其中，E(data_collisionSj)為第j周期內(nèi)沖突的數(shù)據(jù)包 數(shù)目，E(data_sentj)為第j周期內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，其特征在于， 步驟3)中，站點的網(wǎng)絡(luò)接入概率tsta按下式確定：
其中，ε為線性增加因子，ε =〇. 1/n,其中η為網(wǎng)絡(luò)接入站點數(shù)目；β為比例減少因 子，β取值為5/6 ;f°pt的取值為0. 1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的面向802. lie VoIP應(yīng)用的競爭窗口調(diào)整方法，其特 征在于，步驟4)中，站點的最小競爭窗口大小和最大競爭窗口大小CRf1的計算公 式如下：
其中，m為最大退避次數(shù)，取值3 ;站點的條件沖突概率
，η 為網(wǎng)絡(luò)接入站點數(shù)目。
【文檔編號】H04W74/08GK104052745SQ201410272351
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】王建新, 董蘋蘋, 王偉平, 盛羽 申請人:中南大學(xué), 長沙訊億達(dá)信息科技有限公司