[发明专利]专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于IEEE 802.11的专用控制信道多信道协议吞吐量的计算系统及方法。

背景技术

多信道协议是在MAC层单个冲突域内同时调度多个信道来提高网络的吞吐量。多信道的研究最早开始于蜂窝网络。在移动Ad-hoc网络与无线Mesh网络的研究中，进一步提出在MAC层采用多信道的方法进行网络设计。经过多年的研究积累，已形成Single Rendezvous和Parallel Rendezvous两大类多信道协议。其中，Single Rendezvous类多信道协议又可分为专用控制信道（Dedicated Control Channel）、公共跳（Common Hopping）、分裂阶段（Split Phase）等三类。多信道协议的研究已经逐渐成熟，这为无线mesh网络相关标准中采用多信道机制提供了强有力的理论支持。但是，现有文献记载中，绝大多数都是采用NS-2模拟软件对所提出的多信道协议进行性能评估，缺乏数学模型，从而难以进行精确性能分析。

专用控制信道多信道协议的原理如图1示意，每个节点需要两个射频接口，一个射频接口在控制信道（0）上通过RTS/CTS交互竞争数据信道，另一个射频接口则切换到相应数据信道（1/2/3）上传输数据。由于采用两个射频接口，节点可以同时侦听控制信道和进行数据传输，无间断地知道其它节点的状态和信道使用情况。优点是不需要严格的网络时间同步；缺点是需要独立的射频接口和独立的控制信道。

由于IEEE 802.11标准采用DCF作为基本的MAC接入机制，专用控制信道多信道协议的性能分析可以建立在DCF机制性能分析的基础之上。本发明在Giuseppe Bianchi提出的DCF机制二维Markov链模型的基础上，对专用控制信道多信道协议的性能展开数学分析，提出一种专用控制信道多信道机制的吞吐量的计算系统及方法。

首先回顾802.11中传统DCF机制的吞吐性能分析。

假设条件如下：稳定速率信道，不考虑传输错误，只考虑协议本身的性能，只要出现任意长度的帧重叠就是发生冲突；单一冲突域，域内每个站点始终有数据帧要发送（饱和状态）并且数据帧到达（包括新数据帧和重发数据帧）是泊松过程；数据帧的长度相同；帧的重传次数不受限制，直到成功发送为止；在竞争站点数量相等情况下，无论帧发送或重传多少次，其发生冲突的概率恒定且相互独立；不考虑隐藏站点问题和捕获效应；站点的移动是有限的，忽略站点发送和接收帧时的位置变化。

传统IEEE 802.11的DCF机制，仅使用一个信道。

定义τ为站点在任意时隙发送数据帧的概率。定义p_tr为一个时隙中至少有一个帧在发送的概率，则p_tr=1-(1-τ)ⁿ；定义p_s为一个时隙中有帧发送时有且仅有一个帧在发送的概率，则p_s＝nτ(1-τ)^n-1/p_tr；p_tr·p_s表示一个时隙中仅有一个帧在发送的概率。

定义E[P]为数据帧有效载荷值，f为信道速率。将Giuseppe Bianchi推导的饱和吞吐量公式转换形式可得

其中，σ是802.11规定的时隙长度，T_c是冲突的平均时间，T_s是数据帧成功发送的平均时间。冲突时间T_c和成功发送时间T_s分别为

T_c=DIFS+RTS+δ                                                               (2)

T_s=T₀+SIFS+H+E[P]+δ+SIFS+ACK+δ                                             (3)

其中，T₀＝DIFS+RTS+δ+SIFS+CTS+δ，H＝物理层帧头+MAC层帧头。传播时延δ、DIFS和SIFS均以时间为单位。为便于表述，式中E[P]、ACK、H（以比特为单位）换算成在无线信道中发送需要的时间，其值与信道速率成反比。