[发明专利]一种基于DCF协议的无线ad hoc网络链路可用带宽预测方法

权利要求书

1.一种基于DCF协议的无线ad hoc网络链路可用带宽预测方法，所采用的步骤是：

步骤1：计算链路最大吞吐量，链路最大吞吐量是指在不存在干扰业务的情况下，adhoc网络链路层能获得的最大吞吐量，将链路传输的数据帧大小与链路成功完成一轮数据传输所需要的时间相比，得到链路最大吞吐量，并将链路最大吞吐量视为ad hoc网络中一条链路可用带宽的上限值；

定义链路收发节点成功完成一轮数据传输所需要的时间为t，根据IEEE 802.11 DCF协议规约t可以分为两部分：

(1)完成RTS/CTS控制帧交互所需时间t₁，包括分布式帧间间隔t_DIFS、退避过程所经历的平均时间t_B、传输RTS和CTS控制帧的时间t_RTS、t_CTS，以及收发转换时间间隔t_SIFS；

(2)完成数据帧传输和应答所需的时间t₂，包括传输DATA帧和ACK帧的时间t_DATA、t_ACK，以及两个t_SIFS时间；

整个传输周期t可以表示为：

t＝t₁+t₂ (1)

时间t₁、t₂可以表示为：

根据传输的DATA帧大小L_DATA，以及传输周期t，可以得到链路最大吞吐量B_max为：

步骤2：根据IEEE 802.11 DCF协议规约，链路两端的发送和接收节点在每个观测周期内通过载波检测机制获得信道空闲时长，并判断信道空闲时长与DIFS时长关系，同时结合MAC层状态估算发送可用时长和接收可用时长，发送和接收可用时长得到后计算链路两端发送和接收节点可用时长不同步概率，并结合链路最大吞吐量，得到链路可用带宽的初步估计值；

定义一定长度的时间为信道观测周期，每个节点维护空闲时长计时器，初始值设为0，总发送可用时长和总接收可用时长变量，初始值均为0；节点在每个观测周期内，通过物理载波检测机制侦听信道状态，如果信道由忙变空闲且MAC层状态不处于任何等待状态，如等待CTS、等待ACK等，则开启空闲时长计时器，如果信道由空闲变忙或者观测周期结束，则关闭空闲时长计时器，进而得到该段空闲时长持续时间，同时，节点通过虚拟载波检测获取信道持续忙的时间，并从空闲时长持续时间中去除空闲时长计时过程中与虚拟载波检测机制指示的信道持续忙的时间重叠的部分，然后判断新的空闲时长持续时间是否大于DIFS时长，如果大于DIFS时长且MAC层状态不处于任何等待状态，则认为节点可以发起RTS请求，并且将该段空闲时长加到总发送可用时长中，否则忽略该段空闲时长，对于总接收可用时长，只要MAC层状态不处于任何等待状态，即可将该段空闲时长加到总接收可用时长中，当观测周期结束时，即可获得节点在一个观测周期内的发送可用时长和接收可用时长；

对于链路(S，R)，估算得到发送节点S的发送可用时长T_T(S)和接收节点R的接收可用时长T_R(R)；一次成功的数据传输要求满足当链路上的发送节点可以使用信道发送数据时，对应的接收节点同样可以接收，即收发节点的可用时长同步，然而，由于链路收发节点周围存在的背景业务干扰不同，链路收发节点的可用时长并不能保证完全同步；将T_L定义为任一观测周期T内链路(S，R)收发节点同步的可用时长，即链路可用时长，设事件CE₁表示节点S可以作为发送节点但节点R不可以作为接收节点，事件CE₂表示节点R可以作为接收节点但是节点S不可以作为发送节点，则T_L可以表示为：

T_L＝min{[1-P(CE₁)]·T_T(S)，[1-P(CE₂)]·T_R(R)} (4)

其中，P(CE₁)和P(CE₂)分别表示CE₁和CE₂的事件概率，可通过以下方式得到：

在每个观测周期T内，结合链路所能获得的最大吞吐量B_max，可得到链路(S，R)可用带宽的初步估计值AB_pre为：

步骤3：根据隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的两种情况：隐藏节点发送的数据与发送节点发送的RTS帧或者与发送节点发送的DATA帧在接收节点处产生冲突，并结合RTS帧和DATA帧传输时间与隐藏节点数据传输时间重叠情况，推导出隐藏节点数据传输导致链路收发节点传输失败的概率，对链路可用带宽初步估计值进行修正，得到最终的链路可用带宽修正值；

对于链路(S，R)，设x_b是发送节点S的隐藏节点进行信号发送的累计归一化时间，则在一个观测周期T内，x_b可由发送节点S的隐藏节点所在区域大小与接收节点R传输范围外物理载波检测范围内的区域大小的比值Δ₃，以及接收节点R传输范围外物理载波检测范围内的节点发送信号的总时间T_C得出：

定义x_a为链路(S，R)的可用归一化时长，可表示为T_L/T，定义k₁表示一次数据传输过程中RTS帧的传输时间在传输周期t中所占的比率，k₂表示一次数据传输过程中DATA帧的传输时间在传输周期t中所占的比率，则它们可分别表示为t_RTS/t、t_DATA/t，由此得到发送节点S用于传输RTS、DATA的归一化时间分别为k₁·x_a、k₂·x_a，设定DATA帧的传输时间不小于RTS帧的传输时间；

定义隐藏节点传输数据导致链路收发节点传输失败的情况为“传输中断”，传输中断发生的概率用p_b表示，根据隐藏节点影响链路收发节点传输情况的不同，将传输中断的情况分为以下两种：

(1)发送节点发送的RTS帧和隐藏节点发送的数据在接收节点R处产生冲突

对于链路(S，R)，当隐藏节点的数据传输时间与发送节点S的RTS帧传输时间有重叠时，隐藏节点发送的数据和发送节点S发送的RTS帧会在接收节点R处产生冲突，导致接收节点R接收RTS帧失败，造成传输中断，根据发生冲突的时段不同，进一步地将这种情况细分为情形1与情形2：

情形1：x_b＞(1-k₁·x_a)，这种情况下，隐藏节点的数据传输开始于最初的(1-x_b)归一化时间段内，将最初的(1-x_b)时间段划分为N等份，则隐藏节点的数据传输开始于其中任意一等份的概率为1/N，假设隐藏节点的数据传输开始于第i等份，可以得到情形1中传输中断发生的概率p_b为：

情形2：x_b≤(1-k₁·x_a)，这种情况下，根据隐藏节点数据传输开始时刻的不同，将情形2进一步细分为a、b两种子情形，定义两种子情形中传输中断发生的概率分别为p_b1和p_b2；

子情形a中，隐藏节点的数据传输开始于最初的k₁·x_a归一化时间段内，采用情形1中类似的计算方法可得，传输中断发生的概率p_b1为：

子情形b中，隐藏节点的数据传输开始于最后的1-k₁·x_a归一化时间段内，此时传输中断发生的概率p_b2为：

结合上述两类子情形，可以得出情形2中传输中断发生的概率p_b为：

因此，发送节点发送的RTS帧和隐藏节点发送的数据在接收节点R处产生冲突导致传输中断的概率p_b可表示为：

(2)发送节点发送的DATA帧和隐藏节点发送的数据在接收节点R处产生冲突

对于链路(S，R)，当隐藏节点的数据传输时间与发送节点S的DATA帧传输时间有重叠时，隐藏节点发送的数据和发送节点S发送的DATA帧会在接收节点R处产生冲突，导致接收节点R接收DATA帧失败，造成传输中断，不同于第一种传输中断情况，由于链路(S，R)要提前完成RTS/CTS交互，发送节点才能发送DATA帧，故归一化时长中要预留出RTS/CTS交互时间t_RTS/CTS，类似于第一种情况，将这种情况细分为情形1与情形2：

情形1：x_b＞(1-t_RTS/CTS-k₂·x_a)，这种情况下，隐藏节点的数据传输开始于1-t_RTS/CTS-k₂·x_a时间段内，同样将该段时间划分为N等份，则隐藏节点的数据传输开始于其中任意一等份的概率为1/N，进而得到情形1中传输中断发生的概率p_b为：

情形2：x_b≤(1-t_RTS/CTS-k₂·x_a)，这种情况下，根据隐藏节点数据传输开始时刻的不同，将情形2形进一步细分为a、b两种子情形，假设两种子情形中传输中断发生的概率分别为p_b1和p_b2；

子情形a中，隐藏节点的数据传输开始于k₂·x_a时间段内，则传输中断发生的概率p_b1为：

子情形b中，隐藏节点的数据传输开始于最后的1-t_RTS/CTS-k₂·x_a归一化时间段内，此时传输中断发生的概率p_b2为：

结合上述两类子情形，得出情形2中传输中断发生的概率p_b为：

因此，发送节点发送的DATA帧和隐藏节点发送的数据在接收节点R处产生冲突导致传输中断的概率p_b可表示为：

将两种传输中断情况进一步整合，并令变量r₁、r₂分别表示和得出传输中断概率p_b的最终表达式为：

最终得到链路(S，R)修正后的链路可用带宽AB_ref为：

AB_ref＝(1-p_b)·AB_pre (20)。