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网络是指由无线设备直接组成的临时网络，这些设备一般是移动设备或车载设备等。在这种网络中，设备之间通常通过广播方式进行通信，因此存在信道竞争的问题。

为了提高Ad Hoc网络中信道的利用率和公平性，研究人员提出了很多调度算法。其中，二进制指数退避算法是一种经典的调度算法。

本文将介绍一种增强的二进制指数退避算法，在Ad Hoc网络中实现公平信道访问。

算法原理

二进制指数退避算法是一种随机化算法，它的基本思想是：

• 当一个节点需要发送数据时，它会在一个随机的时间片内进行发送
• 如果该时间片内信道被占用，则等待一段随机时间后再重试

这种算法的优点是简单易实现，缺点是可能会造成较严重的公平性问题。因为等待时间是随机的，有些节点可能会等待过长时间，造成其它节点的数据发送被延迟。

为了解决这个问题，研究人员提出了增强的二进制指数退避算法。该算法在二进制指数退避算法的基础上增加了下列特性：

• 当某个节点在等待发送数据时，如果它发现其它节点正在等待发送数据，则它会在其它节点等待的时间上加上一个固定的常数，以减少等待时间过长的问题。
• 当某个节点成功发送数据后，它会通知其它节点，在下一次调度时，其它节点的等待时间将加上发送节点发送数据的时间，以实现公平性。

实现细节

初始化

在算法开始前，需要初始化一些参数：

• $CW_{min}$：最小退避窗口
• $CW_{max}$：最大退避窗口
• $m$：最大重试次数
• $currRetry$：当前重试次数
• $currCW$：当前退避窗口
• $accTime$：累计等待时间

等待发送

当某个节点需要发送数据时，它需要按以下步骤执行：

1. 生成一个[0, $2^{currCW} - 1$]之间的随机数$r$，该随机数表示等待时间的时间片
2. 如果信道未被占用，则在$r$个时间片后进行发送
3. 如果信道被占用，则从当前时间开始，等待$r$个时间片后，再尝试发送
4. 如果当前重试次数$currRetry$小于最大重试次数$m$，则将$currRetry$加1，$currCW$加1，并重新执行步骤1；否则，等待时间定为$2^{currCW} - 1$，并重新执行步骤1

注意：信道被占用是指在$r$个时间片内，信道一直处于占用状态。

更新等待时间

当某个节点成功发送数据后，它需要广播一个消息，让其它节点更新等待时间。更新等待时间的步骤如下：

1. 将等待时间累加上发送数据的时间
2. 如果等待时间大于最大等待时间$2^{CW_{max}} - 1$，则将等待时间定为$2^{CW_{max}} - 1$
3. 如果有其他节点正在等待发送数据，则将其等待时间加上一个固定的常数，即$accTime / n$，其中$n$表示正在等待发送数据的节点数

超时未成功发送

如果某个节点在等待发送数据的过程中，累计等待时间$accTime$超过了某个阈值$T$，仍未成功发送数据，则需要执行以下步骤：

1. 将$currRetry$加1
2. 如果$currRetry$小于$m$，则将$currCW$加1，并重新执行等待发送的步骤；否则，等待时间定为$2^{CW_{max}} - 1$，并重新执行等待发送的步骤

代码实现

以下是增强的二进制指数退避算法的代码实现，语言为Java：

public class BinaryExponentialBackoffAlgorithm {
  
  // 最小退避窗口大小
  private final int CW_MIN = 1;
  
  // 最大退避窗口大小
  private final int CW_MAX = 8;
  
  // 最大重试次数
  private final int MAX_RETRY = 5;
  
  // 当前重试次数
  private int currRetry;
  
  // 当前退避窗口大小
  private int currCW;
  
  // 累计等待时间
  private long accTime;
  
  // 等待发送数据
  public void waitToSend() {
    int r = getRandom(0, (int) Math.pow(2, currCW) - 1);
    boolean success = false;
    do {
      // 等待r个时间片
      waitFor(r);
      if (isChannelIdle()) {
        // 信道空闲，发送数据
        success = true;
        send();
      } else {
        // 信道占用，等待r个时间片后再试
        r = getRandom(0, (int) Math.pow(2, currCW) - 1);
      }
    } while (!success && currRetry++ < MAX_RETRY);
    if (!success) {
      // 超时未成功发送
      currCW = Math.min(currCW + 1, CW_MAX);
      currRetry = 0;
      if (accTime >= T) {
        accTime = 0;
        currRetry++;
      }
      waitToSend();
    }
  }
  
  // 更新等待时间
  public void updateWaitTime(long sendTime, int numWaitingNodes) {
    accTime += sendTime;
    if (accTime > Math.pow(2, CW_MAX) - 1) {
      accTime = (int) Math.pow(2, CW_MAX) - 1;
    }
    if (numWaitingNodes > 1) {
      accTime += accTime / numWaitingNodes;
    }
  }
  
  // 等待指定时间片
  private void waitFor(int time) {
    // TODO
  }
  
  // 发送数据
  private void send() {
    // TODO
  }
  
  // 判断信道是否空闲
  private boolean isChannelIdle() {
    // TODO
  }
  
  // 生成指定区间内的随机数
  private int getRandom(int min, int max) {
    // TODO
  }
}

代码中有些细节需要根据具体情况实现，比如等待指定时间片、发送数据和判断信道是否空闲这些函数。但是，大部分逻辑都已经在代码中给出了。