一种基于二重优先级选择的协作媒质接入控制协议

摘要

本发明公开一种基于二重优先级选择的协作媒质接入控制协议，该协议将智能电网体系架构分成：家域网(HAN，Home area network)、邻域网(NAN，Neighborhood area network)和广域网(WAN，Wide area network)三个层次的网络，该协议是在邻域网范围内；该协议包括：本协议在第一重优先级选择中，源节点根据保存的中继节点信息表选出三个最佳候选中继节点，选取的原则是根据记录的协作速率Rcoop的高低；在第二重优先级选择中首先检测候选中继节点中是否有智能中继SR，若有，择选SR为最终中继节点；若没有，则三个候选节点根据退避原则争取首先发送RTH分组而参与中继，退避时间长短和各自最新的协作速率Rcoop成反比。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二重优先级选择的协作媒质接入控制协议，属于无线 通信技术领域。

背景技术

目前已提出的比较优秀的协作MAC协议有CoopMAC协议和2rcMAC协议。 CoopMAC协议根据以往侦听的历史记录选择最佳的中继节点，而实际环境中无线 信道受环境波动的影响，是时变的。基于历史记录的信息选择中继节点存在信 息过期失效的问题，造成选择的中继节点不一定是最佳的中继节点。2rcMAC协 议从所有回应的候选节点中选择一个速率最快的节点作为最佳中继节点，这使 得源节点要等到所有的潜在中继节点响应完毕才能做出选择，大大增加了中继 选择时间。

中继协作通信首先为无线通信系统引入了中继这一概念，中继可以根据需 求来转发信号以达到协助发送端到接收端数据传输的目的，它一方面能够扩大 无线系统的覆盖范围，另一方面也能提高无线链路的质量。将中继的概念进一 步泛化，即认为无线网络中任意一个闲置节点都能够成为其他节点的中继转发 点，则形成了协作的概念。作为网络中的一份子，一个用户并不再局限于只接 收或发送对自己有用的数据，而应该贡献出自己的闲置资源或者利用其他可用 的资源推动整个网络中数据流的最大化。

协作通信最初是基于物理层提出的，近年来在物理层方面集中了大量的的 研究。同时研究表明，如果没有合理的高层协议支持，那么物理层将很难得到 理想的协作增益。数据链路层的MAC子层在协议栈中与物理层相邻，因此，协 作MAC协议的设计是协作通信研究的重要内容。

目前在智能电网的终端无线网络中，对数据传输的可靠性、吞吐量和时延 性需要更高地要求。但是，受环境影响，各节点的速率存在很大差异。随着无 线网络的迅速发展，带宽受限问题越发突出，大量多媒体业务的传输对无线链 路提出了更高的速率要求，合理设计媒质接入控制(MAC)协议在一定程度上能 满足这个要求。而本发明提出的协议是从所有可能的中继节点中快速、无冲突 地选择出最佳中继节点进行协作传输，提高了中继节点选择的成功率和协作效 率，改善了网络传输性能。

发明内容

本发明目的在于提出了一种基于二重优先级选择的协作媒质接入控制协议 (简称DPS-CMAC协议)，该协议在邻域网范围内提高了邻域网中从用户节点收 集电表数据的速率和可靠性，该协议应用于智能电网体系架构。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于二重优先级选择的 协作媒质接入控制协议，该协议将智能电网体系架构分成：家域网(HAN，Home area network)、邻域网(NAN，Neighborhood area network)和广域网(WAN，Wide area network)三个层次的网络，该协议在邻域网范围内，包括：

1)本协议在第一重优先级选择中，源节点根据保存的中继节点信息表选出 三个最佳候选中继节点，选取的原则是根据记录的协作速率R_coop的高低；

2)在第二重优先级选择中首先检测候选中继节点中是否有智能中继SR，若 有，择选SR为最终中继节点；若没有，则三个候选节点根据退避原则争取首先 发送RTH分组而参与中继，退避时间长短和各自最新的协作速率R_coop成反比。

本发明首先从历史记录中快速选出三个候选节点，这三个节点包括了性能 上最佳的中继节点，避免了因等待所有节点全部响应完毕而带来的时间浪费。 然后在候选节点中根据最新的速率标准选出本次传输中最佳的中继节点，协作 速率高的节点退避更短的时间，从而优先参与中继传输，避免了历史信息的滞 后性，确保所选到的节点是三个候选节点中最佳的一个。

有益效果：

1、本发明能够进行快速高效的中继节点选择，提高了中继节点选择的成功 率和协作效率。

2、本发明能够从所有可能的中继节点中，快速、无冲突地选择出适于当前 信道质量状态的最佳中继节点进行协作传输。

3、本发明能改善网络接入性能，增加吞吐量，改善时延，保障电网终端数 据快速、可靠传输。

附图说明

图1为本发明智能电网中的邻域网结构示意图。

图2为本发明的协作传输模型示意图。

图3为本发明的协议时序图。

图4为本发明源节点的流程图。

图5为本发明中继节点的流程图。

图6为本发明目的节点的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明将智能电网体系架构分成：家域网(HAN，Home area network)、邻域网(NAN，Neighborhood area network)、广域网(WAN，Wide area network)三个层次的网络。

本发明在邻域网内的多个用户节点共同组成一个分布式无线网络，各节点 的智能电表把收集的电表数据通过无线网络传给本小区的无线接入点AP，经过 WiMAX/WLAN路由器，数据通过广域网传给智能电网控制中心。当前，802.11系 列协议是最为流行的无线局域网接入标准，它能够支持多个物理层的传输速率， 并根据信道条件的不同进行调整。以IEEE802.11b为例，支持1Mbit/s，2 Mbit/s,5.5Mbit/s,11Mbit/s这四种不同的传输速率。当节点的距离较远、信 道条件较差时，只能使用较低的速率(即1Mbit/s或2Mbit/s)来完成信息传 输，从而降低了整个系统的性能。在分布式网络中，这不仅影响到本节点的传 输性能，而且使得周围临界点需要等待较长的时间才有机会进行传输。一种简 单有效的方法是，通过引入一个邻节点(称之为Helper节点)来协助源节点到 目的节点的传输。因此在本发明的邻域网中，采用这种协作通信方法，使高速 节点帮助低速节点完成传输，这不仅大大提高了网络的吞吐量，同时还降低了 各个节点的接入时延。

另外，在实际的电网中，一些节点位于拥挤的建筑物内或者地下室内，传 输条件不理想。并且可能受到现代各种无线设备的干扰，导致传输损耗，因此， 为了保证智能电网数据传输的可靠性，我们在邻域网内部署有限数量的智能中 继器节点(SR，smart relay)，和普通用户节点一起参与节点间的协作传输， 如图1所示。智能中继器采用智能天线，实行全向收听和定向发射，并且具有 更高的传输速率和可靠性，可以获得更高的中继传输效果。因此本模型的中继 节点有两种：普通节点(普通中继器)，和智能中继器，其中智能中继器比普通 节点中继器具有更高的优先级。

如图2所示，为实施本发明中的DPS-CMAC(Dual Priority Selection-MAC protocol)协议，以典型的无线局域网(WLAN)为例。网络中所有节点和智能 中继器分布在以接入点AP为圆心的圆内。网络中的所有节点共享一个信道，所 有的控制分组和数据分组传输都在这个信道上完成，并且假设节点之间的信道 是完全对称的。

根据802.11b，网络支持1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s和l1Mbit/s这四 种数据速率。节点以不同的传输速率向AP发送数据分组，以基本传输速率(本 发明设定为1Mbit/s)发送请求发送(CRTS)、准备发送(CCTS)、准备接受(CTR)、 确认(ACK)等控制分组。节点与接入点AP的距离决定该节点的发送速率，假设 传输速率1Mbit/s、2Mbit/s、5.5Mbit/s和11Mbit/s对应的距离阈值分别为R₁、 r₂、r_5.5和r₁₁，则按照这些阂值可将节点的通信范围划分为4个区域。如图2所示， 区域①、②、③、④中的节点与AP间的传输速率分别为11Mbit/s、5.5Mbit/s、 2Mbit/s、1Mbit/s。区域①、②中的节点如节点A和B向AP发送数据的速率， 比区域③、④中的节点如节点C和D的速率更高。图2中的SR节点为智能中 继器节点，它们比普通节点在中继选择中具有更高的优先级。

在本发明的DPS-CMAC协议中，源节点首先根据保存的历史信息从可能的候 选中继节点中选择三个最佳的候选节点，这是第一重优先级选择；然后检测这 三个节点中是否有智能中继器节点SR，若有，则SR为最终中继节点，若没有， 则候选中继节点再根据源节点与目的节点交换控制分组后所获得的即时传输速 率信息来计算各自的等效协作速率，协作速率高的节点发送RTH分组而成为最 终的中继节点，这是第二重优先级选择。通过这两重选择，可以从所有可能的 中继节点中快速、无冲突地选择出适于当前信质量状态的最佳中继节点进行协 作传输，提高了中继节点选择的成功率和协作效率，改善了网络接入性能。

1、中继节点信息表

DPS-CMAC协议在第一重中继节点优先权选择中要根据历史信息选择出三个 最佳节点，并在CRTS分组中指明这三个节点，因此每个节点需要维护一个中继 节点信息表，以便保存选择判决所需的信息。

由于无线通信的广播特性，节点发送的信息可以被邻节点侦听到。因此，节 点通过侦听邻节点正在进行的控制分组交换或自己成功进行的协作数据分组来 建立自己的中继信息表(具体内容如表1所示)，并在每次侦听或数据分组发送 成功后更新相应内容。例如，当中继节点R与目的节点进行通信时，源节点S 因为同处于节点R和目的节点AP的通信范围，因此可以侦听到二者所发送的 控制分组和数据分组。

表1中继节点信息表

节点S可以通过侦听它与节点R和目的节点之间传输的分组信息来分别获得 源节点与中继节点、中继节点与目的节点、源节点与目的节点之间的传输速率 R_sr、R_rd、R_sd。例如，当侦听到来自节点R发送的分组时，节点S可以通过测 量接收到的信号强度来估计它与节点R之间的信道状态和所能支持的最高传输 速率R_sr。同理，节点S也可以使用相同的方法来估计其与目的节点之间可支持 的最高传输速率R_sd。节点R向AP发送数据分组时，节点S在一定范围内可以正 确解码该分组，因而可以从PLCP(physical>rd。

另外定义中继节点的等效协作传输速率R_coop，通过中继节点的两跳传输所用 的时间应等于以协作速率R_coop为传输速率时的一跳传输所用的时间，则有：

$\frac{D_{\mathrm{packet}}}{R_{\mathrm{coop}}}=\frac{D_{\mathrm{packet}}}{R_{\mathrm{sr}}}+\frac{D_{\mathrm{packet}}}{R_{\mathrm{rd}}}---\left(1\right)$

其中D_packet表示所传输的数据分组长度。由(1)可得：

$R_{\mathrm{coop}}=\frac{R_{\mathrm{sr}}{R}_{\mathrm{rd}}}{R_{\mathrm{sr}}+R_{\mathrm{rd}}}---\left(2\right)$

当节点在获取两两之间的传输速率R_sr、R_rd之后，可根据式(2)求得节点参与 中继传输的协作传输速率R_coop。如果等效协作速率大于直传速率，即R_coop＞R_sd， 那么节点R可以作为节点S的候选中继节点，并在中继节点信息表中记录相关 信息。本发明暂只考虑4种传输速率，因此可以用2bit来表示速率等级；若考 虑M种可能的速率，则可以使用bit表示传输速率等级，其中表示大 于或等于此数的最小整数。

连续失败次数表示该节点在最近过去的一个统计周期内参与中继传输失败 的次数之和。需要指出，统计周期不是指时间周期，而是次数周期，即该节点 在过去N次中继传输中失败的次数。节点R执行一次中继传输后，节点S在中 继信息表中刷新关于节点R的该项的值。

2、协议描述

当源节点S有数据分组要发送时，首先需要侦听信道以获悉信道状态。如果 信道忙，即有其他节点正在信道上发送分组，那么源节点需要等待信道空闲。 信道空闲了分布式帧间隔(DIFS)时间后，源节点S再随机退避若干微时隙(具体 退避方法同IEEE802.11DCF方式)，若在此时间内仍空闲，则开始发送控制分 组CRTS(cooperative RTS)竞争使用信道。

DPS-CMAC采用二重优先权选择的原则来选出最终的中继节点：

1)第一重选择：源节点在信道上开始发送CRTS分组之前需要从中继信息表 中选择3个最佳的候选中继节点，并在所发送的CRTS分组中指明这3个节点的 地址和相应的R_sr、R_rd速率等级。选择的标准是协作速率R_coop最大。如果协作 速率值相等，则根据更新时间和连续失败次数做进一步选择。若中继信息表中 只有一个满足条件的中继节点，则源节点S只选择这一个节点。若中继信息表 中不存在满足条件的中继节点，则源节点S在这种情况下采用直接传输模式， 即采用IEEE802.11DCF方式。

2)第二重选择：源节点发送CRTS分组后，目的节点回复CCTS分组，并在 分组中公告直传速率R_sd。被初步选择的三个节点通过接受源节点和目的节点发 送的CRTS和CCTS分组，可以获得R_sr、R_rd，进而根据式(2)计算协作速率是 否满足条件(即R_coop＞R_sd是否满足)，以决定是否参与竞争中继传输。若符合条 件的节点中有智能中继器节点SR，则选择SR进行中继传输(因为智能中继器节 点比普通中继节点具有更高的优先级)；若符合条件的节点中没有SR，则这些候 选节点根据协作传输速率的高低决定由谁参与中继传输。因为无线信道的信道 环境是时变的，以往中继速率高的节点在本次中继中不一定是最优的，通过第 二重竞争，可以保证选到的中继节点是当前最优节点。

如图3所示，下面分别介绍协作模式下源节点、中继节点和目的节点的具体 工作过程，DPS-CMAC协议的时序图。

1)源节点：

当源节点的缓存队列中有数据分组等待发送时，首先等待信道空闲DIFS时 间后再随机退避一段时间，若在此时间内仍空闲，则尝试竞争信道。源节点若 能选择到候选中继节点，则发送CRTS分组以发起一次协作传输。CRTS分组中的 中继l、2、3字段用来保存所选择的候选中继节点，并通过发送CRTS分组向候 选中继宣告。然后源节点等待中继节点和目的节点的控制信息，有以下3种情 况：

①果源节点没有从目的节点收到CCTS(cooperativeCTS)或者CTR分组，则 继续进入随机退避过程。

②如果收到目的节点的CCTS和CTR分组，但是没有收到任何中继节点的 RTH分组，则直接向目的节点发送数据分组，数据发送速率已在CCTS分组中由 目的节点反馈。

③如果CCTS、RTH、CTR分组都被正确收到，那么源节点可以利用中继节 点完成协作传输，开始发送数据分组并等待接收ACK分组，所用的数据速率R_sr在RTH分组中给出。如果源节点收到目的节点回复的ACK分组，那么本次数据 分组发送成功，否则发送失败，源节点需要退避后重发。

源节点的流程图如图4所示。

2)中继节点：

如果被选择的候选中继节点正确接收了源节点的CRTS分组和目的节点的 CCTS分组，那么就可以根据协作速率的计算式(2)判断自己是否满足条件，协 作速率大于直传速率(R_coop＞R_sd)则满足条件。需要注意的是，R_sr、R_rd是通过 CRTS和CCTS的接收功率来估计的，而R_sd是从CCTS分组中相应字段提取的。显 然，候选中继节点获得的传输速率信息是即时的，从而消除了CoopMAC协议中 存在历史信息过时的影响。如果候选的三个节点中有SR节点，且满足条件，即 时得到的R_sr、R_rd值优于CRTS分组中指明的R_sr、R_rd速率，则SR节点立即发 送RTH分组(因为SR节点具有比普通节点更高的优先级)。如果候选节点中没 有SR节点或者SR不满足条件，则剩下的满足条件的普通节点在可区分的t₀时 间内没有侦听到RTH分组时，按以下原则参与竞争：每个节点退避一定时间发 送RTH分组，高协作速率的节点退避较短的时间，低协作速率的节点退避较长 的时间，退避时间由下式确定：

其中α为退避时间因子，R_coop由(2)式确定。这样，高协作速率的节点可以 比低速率节点更早的结束退避时间，进而发送RTH分组，参与中继传输。

中继节点的流程图如图5所示。

3)目的节点：

若目的节点正确收到源节点发送的CRTS分组，则立刻回复CCTS分组，并在 其中反馈所估算的R_sd。其后，若正确接收到中继节点的RTH分组，目的节点发 送CTR分组，其中的“持续时间”值设置为协作传输所需的时间。如果没有侦 听到任何RTH分组发送，目的节点也随后发送CTR分组，其中“持续时间”值 设置为源节点直接传输所需的时间(“持续时间”用于告知网络内其他节点将要 占用信道的时间)。当正确收到数据分组时，目的节点回复ACK分组；否则发 送NACK分组。

目的节点的流程图如图6所示。

以上是协作模式下的DPS—CMAC协议的工作流程，如果源节点没有候选中继 节点可供选择，那么DPS—CMAC协议工作在直传模式。因此，DPS—CMAC协议 可以根据中继信息表情况在直传模式和协作模式间切换。