无线网络在物联网使用自适应竞争窗口的表现

文摘

物联网(物联网)网络包含了异构计算资源受限的设备物联网环境中有其独特的声誉。尽管它的特殊性,网络性能恶化的分布式节点的争用共享无线媒介物联网。物联网网络的介质访问控制(MAC)层竞争影响拥堵在传输层的水平。此外,增加节点争用在MAC层增加链路层帧下降导致超时在传输层段和TCP的性能降低。除此之外,期满最大重传的尝试和高竞争驱动MAC重发和相关管理费用减少链接吞吐量和分组交付率水平。为了解决上述问题,自适应竞争窗口(联队)提出,其目的是为了减少MAC开销和重发通过确定活动队列大小的竞争节点和节点的能量水平提高TCP的性能。此外,根据节点的MAC调整竞争窗口活动队列大小和残余能量和TCP拥塞窗口动态调整基于MAC竞争窗口。因此,通过调整MAC适应性竞争窗口,该模型有效地分配访问介质,确保提高网络吞吐量。最后,仿真研究通过ns-2实现与现有的方法相比,如跨层拥塞控制窗口和动态适应(CC-BADWA);该模型提高了网络吞吐量最小碰撞。

1。介绍

在物联网领域,仍有许多挑战在创新研究以及互操作性技术解决方案,集成、异构物联网系统互连,在一个不同的水平。均匀交叉平台领域各种物联网应用程序阻碍了开发人员与各种挑战包括成本、可伸缩性和可重用性的物联网解决方案。图1计划有助于无线技术反过来支持物联网系统的互操作性。

一个智能的对象可以是一个传感器,一个东西,或任何物理设备,有能力感知环境,从中收集数据,和与其他物理设备进行交互。这些设备被称为智能,因为他们表现出智能行为与其他设备连接和交互通过一些无线协议和交互操作和自动通过互联网(1- - - - - -4]。这些设备的例子包括,但不限于,智能手表,建筑自动化传感器,医疗和医疗设备、智能手机、智能电视、汽车、和安全系统(图2)。这些设备需要传输数据通过捕获中以公平的方式。MAC层的竞争窗口提供补偿时,介质是忙碌的。补偿时间设置根据节点的队列大小和能量水平减少MAC层重发。当前的研究方法在窗口自适应补偿MAC模型有助于整个系统。

分布式访问共享无线介质是由介质访问控制(MAC)协议。特设的基础网络部署标准IEEE 802.11 MAC协议确定单跳的可靠性。IEEE 802.11 MAC使用两种不同的访问机制。分布式协调功能(DCF)允许异步数据传输的节点。不用于光纤通信控制基础设施。点协调函数(PCF),另一方面,有一个中心协调者来控制访问共享介质。

基本的访问机制用于贴现的载波监听多路访问冲突避免(CSMA / CA)。在CSMA / CA通道状态感知节点在数据传输之前。允许传输或递延基于通道是免费的或闲置。节点的传感范围最终彼此相撞数据包时感觉中闲置和同时传输。来自接收者的CSMA / CA使用积极的承认来保证传输帧的接收。DCF特性交换发送控制包准备发送/清楚(RTS / CTS)发送者和接收者之间缓解隐藏节点或隐藏终端问题[5]。

传输一帧,发送方传送RTS信号接收器,如果介质后感觉到闲置dif间隔时间和随机补偿(BT)。BT值递减后每槽如果发现介质空闲;否则,BT冻到明年dif贴现帧间间隔)信道的空闲时间。补偿时间的随机值降低了帧之间的碰撞几率。后与CTS信号接收器响应sif(短帧间间隔)时期中是免费的。在收到来自接收者的CTS,发送方发送数据帧后sif和ACK sif后来自接收者的接收。这消息交换的序列称为四握手和成功的数据传输包括dif + RTS + CTS +数据+ ACK + 3 sif时期。

下列顺序描述了成功的IEEE 802.11 RTS / CTS帧传输访问方法如图3:t0-t1: STA1感官媒介作为dif的空闲时间t1 - t2: STA1进入竞争窗口t2-t3: STA1 RTS播出t3-t4: sif传送CTS从STA2 t4-t5: CTSt5-t6: sif在传输数据之前t6-t7:数据传输从STA1 STA2t7-t8: sif ACK之前STA1 t8-t9:从STA2发送ACK

如果RTS发送方没有收到CTS RTS或ACK传播数据帧,然后重新传输触发,直到最大重传限制(7控制帧和数据帧4)之后的框架(控制帧和数据帧)被删除。这个场景假定作为丢包是因为链接失败在MAC级和认为是网络层的路由失败。因此,TCP运行在IEEE 802.11遭受超时,因为MAC的争用损失和错误地认为交通拥堵。因此,拥塞控制措施导致调用重发在传输层和网络吞吐量下降。因此,争夺在MANET影响TCP性能。MAC层使用二进制指数补偿算法(BEB)选择倒扣计数器值随机 在连续波是当前竞争窗口。连续波∈( , )和连续波设置为初始值每一个失败的尝试后,翻了一倍,直到达到的值(6,7]。BEB防止同时访问无线介质通过随机补偿过程进行随机访问时间。CWmin的值为802.11和802.11 b是16和32岁的分别。CWmax是1024的价值在这两种情况下(8,9]。

BEB工作如下:

。

Channel_slot_time依赖于节点的物理层的特点。

BEB的节点与成功传输得到最小补偿时间,用更少的竞争让他们访问介质插槽。其他节点推迟访问共享介质和增加竞争窗口遭受更多的数据包后滴最大重试限制(短重试计数控制信号和长时间重试计数数据信号)。重发了在MAC帧级和失败重发后重试限制导致TCP发送超时。因此,TCP发送方要求假拥塞控制措施加剧了条件。补充说,MAC层滴也误解为一个失去链接和路线重新发现过程启动网络中增加开销。因此,很明显,连续波值影响交通拥堵在传输层。因此,如果适当的竞争窗口值设置在MAC层(CW)不适当的考虑,由此产生的网络性能严重退化。

拟议的MAC模型联队分析网络的当前状态以及预测连续波和倒扣窗口值的节点。而不是完全取决于传输层因素决定拥堵,联队带来跨层参数考虑碰撞导致交通拥堵。联队集CW基于节点的队列大小和节点的剩余能量水平。然后使用MAC参数连续波调整传输层CWND拥塞窗口。正确设置连续波降低MAC碰撞和重发。因此,包交货率增加和TCP吞吐量也得到改善。

2。相关工作

改善网络性能,进行各种研究IEEE 802.11连续波来确定适当的值。BEB的解决问题,努力在[10)描述了一种竞争窗口调整方案称为温和(乘法增加和线性减少)的连续波乘以1.5碰撞和减少1成功传输。它包括一个连续波CW复制的复制机制来听到成功的传播。它阻止快速升级成功后最低连续波传输,从而提高性能。作者的11]贡献指数增加,指数下降(ey)时的性能,提高了更多的竞争节点访问介质存在于无线区域。是翻倍后的竞争窗口传输成功后碰撞和减半。轻微的扩展提出了(12]是线性/乘法增加和线性减少(LMILD)。发送方连续波用乘法增加账户的碰撞。任何节点听到碰撞集连续波线性和成功的节点连续波线性降低。

在[13],作者预测的优秀网络中的数据争用延迟的帮助下经历了由数据包和吞吐量通过连接。沿着路径旅行,每包包括每跳争用延迟和接收端估计平均每跳争用延迟。连续变化的RTT发现接收者然后广告发送方调整发送速率。他们研究了TCP intraflow详细不稳定,该方法动态地调整TCP传输速度,以避免过度累积数据包队列中。研究[14]讨论了跨层竞争控制方法缓解CWND过度的问题。它测量了争用RTT通过转发数据帧和落后的ACK介质访问层和被认为是争用方差的RTT每跳(VCRH)争用状态。

在接待新ACK,如果VCRH超过阈值,拥塞窗口是减少1 MSS(最大段大小)。如果RTO到期,CWND将 。以及其他参数,VCRH和超时量化拥塞窗口适应。

傅et al。15)撰写两种机制来改善TCP链接过载反应:链接红(lr)和适应性节奏。类似于有线网络随机早期检测,基于lr滴帧的数量平均MAC传输计数。随着重试尝试,丢包概率增加,因为这种情况表明拥堵。适应性节奏增加了额外的发送方的MAC机制补偿时间除了当前的延迟时间。

Saraireh et al。16)使用一种方法来改进IEEE 802.11通过动态地调整竞争窗口的服务质量。ToS(类型的服务)的IP包用于高和低优先级流量进行分类。碰撞率(CR)和碰撞速度变化(CRV)用于连续波的参数设置。高优先级流量增加较小的CR和表格的值。在高加载网络流量,CW的高优先级流量会增加减少延迟。差异化服务提示访问介质在轻负荷较低的碰撞率和高负荷的网络条件。木节等。17)研究了基于估计的补偿算法,估计在倒扣期间空闲插槽的数量。当有一个戏剧性的变化在一个活跃竞争节点或交通,争用窗口适当选择。

阿尔高Hubaishi穆罕默德,et Al。18)建议加强二进制指数补偿算法(E-BEB)集CW基于补偿时间阈值。倒扣阈值自适应地调整基于连续波。它增加连续波传输失败和成功传输减少为零。作者(19)考虑网络历史优化连续波的大小。他们实现了一个通道状态向量存储网络和基于网络层次水平,连续波。

秦裕et al。20.]预计一个活跃节点的平均空闲间隔时间动态调整竞争窗口。他们认为这种公平指数网络条件和不太敏感的帧长度和数量的竞争节点。在[21),作者提出了一个动态控制补偿时间算法来处理未饱和交通网络的负载。他们描述了补偿算法与CW-Threshold参考价值。当电流连续波小于或等于 ,连续波指数增加成功成功传输的传输和线性递减1。当网络负载高,然后连续波成倍增加,增加了两个传输失败和由两个线性递减。Gaurav et al。22]提出的跨层机制TCP性能改进。他们专注于链接水平竞争,路线失败,和拥堵估计推断出TCP发送方网络拥塞。

Bhalerao et al。23可可(约束)设计和实现应用程序协议拥塞控制先进)4-state强,适应4状态估计量的变量补偿提高吞吐量。拟议的工作已经明确区分无线损失和拥堵的损失。拉赫曼et al。24)提出了一种MAC策略降低物联网使Intravehicular网络的拥塞问题。

上述研究表明,竞争窗口值集的IEEE 802.11 MAC层的显著改善无线局域网的性能。解决公平问题在竞争节点,基于网络的连续波值设置条件。为了避免碰撞和丢包率,认为电台必须争用槽,这样所有电台都公平的访问中。减少碰撞时,合法的交通的数量增加导致更少的错误预测的链接失败在网络层和TCP发送超时。

拟议的工作强调调整竞争窗口大小自适应网络的流行情况和节点本身;因此,过多的等待倒扣槽减少。

3所示。提出的目标工作

共享和分布式访问无线网络原因MAC层中的媒介网络是高度加载时碰撞。现有的补偿算法减少/增加竞争窗口使用衰减/增量因素当媒介是感觉他很忙。MAC层碰撞造成不公平的连续波触发重发和放大在MAC层包滴。更多包下降较低的层从而引起超时为TCP段和TCP发送方发起不必要的拥塞控制算法。因此,很明显,适当设置的连续波值影响TCP性能的提高。

4所示。提出了工作描述

该空管联队认为队列占用水平和节点的剩余能量调整竞争窗口。连续波设置小当队列占用水平和节点的能量是不允许节点立即访问介质,避免丢包在MAC水平。补偿时间估计使用相邻节点之间链路调度。的平均传输速率节点的邻居的扮演重要的角色在决定补偿时间发送和接收数据包在争议地区。

5。活动队列参数(AQP)

链路层队列存储数据包传输到下一个立即跳节点。当队列满时,数据包会下降。到达的数据包存储在队列的入住率水平应该传播迅速缓解丢包。提供意义与更多的数据包队列,连续波认为可用的队列长度在MAC和网络层的节点。让aq可用的队列大小即。,remaining queue capacity at the node, let TQS be the total queue size, and let是AQP直到(n - 1)传输 之间的随机值吗 ;然后 AQP使用指数加权移动平均法来估算值。

对于每个传输,AQP估计传输节点。估计当前缓冲区可用性表明队列很快达到满负荷或是否有足够的空间更多的数据包。AQP达到1的值,也就是说,队列满时;的数据包应该被允许认为介质与连续波的最小值。否则,数据包将下跌触发重发和超时。

6。节点能量参数(NEP)

考虑节点的能量水平的调整竞争窗口节点。节点的能量被还原时,节点传输包为主。一个阈值能量值用于估计棉结。当节点的能量水平减少超出阈值,它是高度优先访问数据传输的介质与连续波设置为最小值。让OE最优能量,让IE的初始能量节点,并让AE是可用的能量在一个节点;然后棉结估计在盒子里1。

Min_Threshold价值考虑最小竞争窗口是20和最优能源(OE)考虑最优竞争窗口是80。棉结和Converted_Energy_wrt_OE如下:

获得的价值定义了节点的能量参数当能级低于阈值能量的价值。获得的价值定义了节点的能量能级时最优参数。

表1汇总的NEP值不同节点剩余能量水平。表1清楚地表明,NEP值低的低能量节点,因此,节点允许访问介质与最小连续波值是否有数据包传输。

让α_1,α₂体重因素。现在,竞争窗口动态调整如下:

让的最大连续波标准;然后 节点的最小能量和最大缓冲区占用可以争中迅速与连续波的最小值。最小的连续波应该立即允许节点传输的数据包通过捕获通道。

7所示。槽时间

总时间分为小的时间框架中节点可以对信道状态和传输数据。该方法实现了调度与分配活动链接传输。总持续时间槽是邻居之间共享完整的节点 积极传播是指节点的当前数据传输。邻居节点,确定槽时间平均数据包传输速率(APTR)去年单位时间和平均包传输速率超过一定时间考虑

这两个和表示节点的数据传输速度。邻居(n1、n2…. . ni)节点的节点n,计算APTR APTR1, APTR2, APTR3….APTRi。根据APTR值,节点的位置估计的时间。让sum_APTR APTR所有活跃节点的总,让Neighbor_的传输速度对所有邻居,让槽时间 ,传输数据;然后补偿时间是由 表示时间节点必须等待捕捉媒介传播。节点有数据传输速率会得到一个公平的份额比节点无线介质用更少的数据传输。

8。TCP拥塞窗口

为了避免过多的网络数据传输速率,TCP CWND调整确定数据包的数量可以在网络。MAC倒扣窗口,而不是选择一个随机值,当前基于网络参数的竞争窗口设置降低了碰撞,因此MAC重发。补偿时间决定的争用严重性级别节点和访问中进而用于TCP传输速度调节到网络。因此,TCP拥塞窗口设置基于跨层MAC参数

9。性能参数

9.1。吞吐量

它被定义为接收器收到的数据包的数量在一个时间单位。通常以每秒位数。

9.2。控制开销

控制开销被定义为的总数控制数据包传输数据包生成。

9.3。规范化的开销

规范化开销的比例控制分组的数量发送到收到的数据包的数量。

9.4。平均能量消耗

平均能量消耗是指网络中所有节点的能量消耗。

10。结果和讨论

该方法联队CC-BADWA是我们之前的改进工作。联队的结果相比CC-BADWA和RACC(接收方协助拥塞控制)拥塞控制方法。获得的结果表明,联队被虐其他两个现有的方法的结果。分析实现进行了使用网络模拟器,2。该模型分析了在1000 x 1000和50个节点拓扑区域移动随机路径模型。MAC标准IEEE 802.11是用于访问中。

图4说明了吞吐量的联队优于其他吞吐量模型在无线环境。该方法评估连续波通过网络参数和动态调整CWND不仅基于部分损失,考虑到网络中的竞争地位,从而获得改善TCP吞吐量。碰撞的概率减少了,因为连续波的动态设置值,避免误触发的TCP拥塞算法导致的少,而在传统TCP、争用损失被视为拥堵在没有交通堵塞。联队使用基于网络的最优竞争窗口大小条件导致的通道访问所有竞争节点。CWND取决于连续波的价值的价值,因此优秀的数据包在网络也由TCP控制发送方。最后,发送速率自适应增加或减少网络中基于竞争水平。所以PDR联队和吞吐量的提高。

数据5和6比较的控制开销和规范化的开销相比机制。控制开销几乎是相同的所有三种方法,而规范化的开销减少空管联队因为碰撞的速度减少,因此减少了丢包。补偿时间选择根据邻居节点的传输速率和槽。节点有数据将变长槽时间比其余的节点。这种自适应补偿时间降低了随机补偿时间用于BEB因此RTS / CTS控制消息的数量减少。所以控制数据包交换转播的数据包也减少导致更少的规范化的开销比其他两种方法。最终,成功的传输速率增加减少重发。

如图7以来,联队减少平均能源消耗动态补偿的设置时间是适应当前网络状况。节点能量参数(NEP)估计等竞争窗口设置选择阈值较低的节点能量会早些时候访问介质,从而避免包丢失和冗余传输。同时,自适应连续波设置值符合网络参数不像BEB CW CWmin,成功和不成功的传输后,分别。节点之间的传统BEB导致饥饿已经失去了种族和双每次连续波。最大重试计数后,就将数据包丢弃,在TCP超时触发拥塞控制,和更多的能源消耗的结果。联队的争用参数影响拥塞窗口解释相应的拥塞。

11。结论

提出了自适应补偿窗口(联队)MAC模型是减少MAC层碰撞通过自适应设置一个倒扣的窗口的值为每个成功或失败的MAC帧传输。节点愿意传输帧后等待一个随机的补偿时间试图捕捉介质传输帧。媒介是感觉到忙碌时,随机争用窗口大小是当前选择的网络和节点参数。连续波在联队将节点的能量参数,节点的队列参数,在该地区的活动节点,和RP值。的动态价值补偿和连续波降低了MAC层论点和碰撞,否则会造成数据包滴在链路层和传输层的超时。因此,超时和减少不必要的调用TCP拥塞控制算法。因此,减少MAC重发由于动态补偿提高TCP的性能。进行广泛的模拟证明联队降低了丢包率和端到端延迟。结果清楚地表明,成功传输的数量增加到现有的方法相比。最终,MAC包下降和超时是减少。 Since the adaptive CW indicates the present network condition, it is used to set the TCP CWND which decides the amount of data packets that could be in flight. Both CW and CWND decide the appropriate number of packets that can be in the network pipe so that the drop ratio and timeouts are reduced and TCP performance is improved in terms of network throughput.

附加分

为未来的增强范围。拟议的工作认为MAC层争用状态预测的数据发送速率发送方节点。未来的工作将进一步进行反馈信息从物理层PHY层特征可以及时揭示无线介质状态来预测实际网络中的拥塞。

的利益冲突

作者宣称,格兰特,奖学金,和/或融资中提到确认不会导致任何利益冲突。此外,作者声明没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了韩国国家研究基金会(NRF)授予由韩国政府(NRF - 2017 r1c1b5017464)。

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