Ad Hoc网络中公平信道访问的增强二进制指数退避算法

简介

Ad Hoc网络是一种无线网络架构，它不需要事先规划好的设施或基础设施，而是由移动设备形成的动态、临时网络。在Ad Hoc网络中，节点之间通过无线连接互相通信，但是由于信道资源有限，需要选择一种公平的信道访问方式。

增强二进制指数退避算法是一种用于Ad Hoc网络中公平信道访问的算法，它可以避免节点之间的竞争和冲突，从而实现公平的信道访问。

算法原理

增强二进制指数退避算法是建立在基本二进制指数退避算法的基础上的。基本二进制指数退避算法是一种用于随机冲突解决的算法，它遵循以下步骤：

• 发送节点在发送之前等待一个随机时隙。
• 如果在该时隙内检测到信道已经被占用，则等待一个指数退避时间，并重复此步骤。
• 在指数退避时间后，发送节点重新选择一个随机时隙并再次尝试发送数据。

在增强二进制指数退避算法中，每个节点维护了一个优先级队列。当发送节点等待指数退避时间时，它将在队列中加入一个新的随机值，这个随机值的优先级由节点的当前活跃程度决定。当节点重新选择随机时隙时，它会优先选择队列中优先级最高的随机值对应的时隙。这样做的好处是可以避免节点之间的竞争和冲突，从而实现公平的信道访问。

算法流程

具体的算法流程如下：

1. 当节点要发送数据时，它等待一个随机时间间隔 $s$。

2. 如果在该时间间隔内检测到信道已经被占用，则加入一个新的随机值 $r$ 到队列中，其中 $r$ 的优先级由节点的当前活跃程度决定。

3. 重复执行步骤 2 直到检测到空闲信道。

4. 发送数据并清空队列。

代码实现

下面是增强二进制指数退避算法的代码实现：

from random import randint

class EnhancedBinaryExponentialBackoff:
    def __init__(self, num_nodes, node_id):
        self.num_nodes = num_nodes
        self.node_id = node_id
        self.rand_vals = []
        self.active_counts = [0] * num_nodes

    def wait_for_channel(self):
        backoff = 1
        while True:
            slot = randint(0, backoff - 1)
            if self.rand_vals:
                slot = self.rand_vals.pop(0)
            channel_busy = False
            for i in range(self.num_nodes):
                if i == self.node_id:
                    continue
                if self.active_counts[i] > 0:
                    channel_busy = True
                    break
            if not channel_busy:
                self.active_counts[self.node_id] += 1
                return slot
            self.active_counts[self.node_id] += 1
            backoff *= 2
            self.rand_vals.append(randint(0, backoff - 1))
            self.rand_vals.sort(key=lambda x: self.active_counts[x], reverse=True)

    def send_data(self):
        self.active_counts[self.node_id] = 0

代码中，EnhancedBinaryExponentialBackoff类封装了增强二进制指数退避算法的实现。其中 num_nodes 表示节点数，node_id 表示当前节点的编号，rand_vals 表示随机值队列，active_counts 表示每个节点的当前活跃程度。

算法的实现分为两个主要函数：wait_for_channel 和 send_data。wait_for_channel 函数用于等待空闲信道并返回随机时隙，send_data 函数则用于清空队列。