基于时分多址(TDMA)的功率控制认知MAC协议的实现方法

摘要

基于时分多址(TDMA)的功率控制认知MAC协议的实现方法。采用严格的时隙划分，通过预留申请/预留确认/决定发送三步握手方式完成节点对之间的时隙分配，实现节点通信过程中的无碰撞传输，并引入功率控制机制，提高网络空间复用率，本方法能够消除多信道隐藏发送终端、多信道隐藏接收终端和多信道暴露终端问题，并能显著降低多信道隐藏发送终端问题对网络性能带来的影响。仿真结果表明，相对于动态频谱接入MAC(DSA－MAC)协议，本发明随着网络业务量的增大，能够有效提高网络吞吐量以及降低接入延时。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域的认知Ad Hoc网络的MAC(MediumAccess Control)层协议设计方法，尤其涉及一种使用同步和功率控制机制的基于时分多址(TDMA)的功率控制认知MAC协议的实现方法。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，频谱成为日益稀缺的资源，传统的固定频谱分配方式导致资源浪费进而频谱利用率低，已成为制约无线通信网络进一步发展的关键因素。认知无线电技术具有检测初级用户对其授权频段的占用情况并实施动态频谱接入的能力，能够有效地解决上述问题。在无线Ad Hoc网络中引入认知无线电技术是近年来新兴的研究领域，设计能够实现高效动态频谱接入的MAC协议是认知Ad Hoc网络面对的主要挑战及热点之一。

在认知Ad Hoc网络中，无线信道由多节点共享，协调节点访问信道的介质访问控制(MAC)机制是认知Ad Hoc网络的关键技术之一，它不仅关系到能否充分利用无线信道资源、实现节点对无线信道的公平竞争，同时影响网络层和传输层协议的性能，也是认知Ad Hoc网络支持服务质量(QoS)的关键。然而，认知Ad Hoc网络自身的特点(如分布式、存在隐藏终端/暴露终端问题、网络拓扑频繁变化等)使得研究高效、公平、支持QoS的MAC机制面临很大的挑战性，已成为认知Ad Hoc网络的一个研究难点。

经过多年发展，人们已经对传统Ad Hoc网络的MAC协议设计进行了大量研究。FPRP(Five Phase Reservation Protocol)是一种基于IEEE802.11DCF的MAC协议，通过划分时隙减小控制分组发生碰撞的概率，提高竞争成功率。POWMAC(Power Controlled MAC Protocol)是一种单信道功率控制MAC协议，通过限制收发节点的传输功率减小邻居节点间的相互干扰，增加空间重用率，从而提高网络吞吐量。ATPMAC协议(AdaptiveTransmission Power Control Protocol)是对POWMAC协议的进一步发展，通过减少节点竞争时控制分组的开销实现更高的吞吐量，并解决了后者的网络同步问题。MMAC协议(Multi-Channel MAC Protocol)是一个典型的多信道MAC协议，采用类似IEEE 802.11PSM协议的方法，收发节点在竞争窗中协商数据传输的信道，协商成功的节点对在随后的数据窗中切换至商定的信道竞争信道使用权。但是MMAC协议不能改变竞争窗的大小，为了解决这一问题，Wen-Tsuen Chen等人提出了TAMMAC(Traffic AwareMulti-channel MAC)协议，通过竞争窗的动态改变实现网络吞吐量的进一步提高。

对于认知Ad Hoc网络，其MAC协议可以分为三类：随机接入类，时隙化类和混合类。SRAC-MAC(Single Radio Adaptive Channel-MAC)和HC-MAC(Hardware-Constrained Cog-nitive MAC)协议属于随机接入类协议，无论控制分组还是数据的传输都是通过随机接入信道实现的。作为时隙化协议代表的C-MAC(Cognitive MAC)协议是在修改MMAC协议的基础上加入CR功能得到的，通过对信标周期进行严格的时隙划分，为每个邻居节点分配唯一的信令时隙，从而实现网络吞吐量的提高，但是该协议较为复杂，可扩展性较低。在混合类协议中，控制分组通过同步时隙传输，而随后的数据传输则使用随机信道接入方案，例如Y.R.Kondareddy等人提出的SYN-MAC(Synchronized MAC)协议，将时间划分为重复出现的帧结构，帧中包含的时隙数与最大可用信道数相同且一一对应，在某信道对应时隙内预约成功的节点对在随后的时间内还必须按照IEEE 802.11DCF方式竞争该信道使用权。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于TDMA的功率控制认知MAC协议的实现方法。该方法能够降低控制分组的碰撞概率，实现数据分组的有效传输；减小邻居节点间的相互干扰，提高空间重用率，允许更多的数据分组并行传输；同时实现对数据分组和ACK分组的保护；而且能够有效解决多信道暴露终端和多信道隐藏接收终端问题，并减轻多信道隐藏发送终端问题给网络性能带来的影响。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)首先，网络采用同步方式，将时间划分为包含一个预留帧RF、多个信息帧IF和一个确认帧AF组成的超帧，每个预留帧RF包含一个感知时隙SS和多个预留时隙RS，每个信息帧IF和确认帧AF包含与预留时隙RS数量相同的信息时隙IS和确认时隙AS，预留时隙RS、信息时隙IS和确认时隙AS一一对应，每个预留时隙RS中包含多个预留周期RC，节点在预留周期RC内通过预留申请/预留确认/决定发送三步握手方式完成预留时隙RS预留，并在该超帧内的对应信息时隙IS中传输数据分组，在对应确认时隙AS内传输确认ACK分组；

2)其次，每个节点均维护两张列表：数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A，分别记录初级用户和邻居节点在该超帧内的信道和功率使用情况；

3)再次，当节点i有数据分组需要向目的节点j发送时，两节点通过下述三个阶段，完成时隙预留：

a.预留申请阶段：源节点i检查自身维护的数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A中是否都存在未被初级用户占用的可用信道，若存在，以最大功率P_max-s向目的节点j发送携带有自身即节点i的数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A的预留申请分组；否则节点i在该超帧内将不再参与竞争；

b.预留确认阶段：若目的节点j成功接收源节点i发送的预留申请分组，对比自己即节点j的数据分组信道使用列表CUL-D、ACK分组信道使用列表CUL-A和节点i的数据分组信道使用列表CUL-D、ACK分组信道使用列表CUL-A，寻找用于传输数据分组和ACK分组的公共可用信道集，分别记为Ω_D(i，j)和Ω_A(i，j)，若Ω_D(i，j)和Ω_A(i，j)均不为空集，则目的节点j首先对Ω_D(i，j)中的所有数据信道计算所需的数据分组发送功率，并根据计算结果确定数据分组传输信道；随后节点j以相同的方式对Ω_A(i，j)中的所有数据信道计算所需的ACK分组发送功率，并确定ACK分组传输信道；

若上述过程能够确定满足要求的数据分组传输信道即在该信道上源节点i所需的发送功率不超过其在该信道上所允许的最大发送功率和ACK分组传输信道即在该信道上目的节点j所需的发送功率不超过其在该信道上所允许的最大发送功率，则目的节点j向节点i发送携带这些信息的预留确认分组，若Ω_D(i，j)和Ω_A(i，j)有一个为空集或在上述过程中没有选出满足条件的数据信道，目的节点j则向节点i发送预留失败分组，节点i接收到该分组后，不会在该预留时隙RS内余下的预留周期RC中尝试与目的节点j建立预留；

c.决定发送阶段：若节点i成功接收目的节点j发送的预留确认分组，则向目的节点j回复一个所含内容与预留确认分组相同的决定发送分组，对该预留时隙RS的预留完成；

4)最后，侦听到预留确认分组或决定发送分组的邻居节点按下述过程更新自身数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A中的相关信息；

a.侦听预留确认分组：设另一节点k侦听到目的节点j向源节点i发送的预留确认分组，若另一节点k已经成功预留该预留时隙RS，则不做任何处理；否则检查预留确认分组中记录的源节点i与目的节点j确定的数据分组传输信道DC_DATA(i，j)和ACK分组传输信道DC_ACK(j，i)分别在自身数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A中的状态，按下述过程处理：

若DC_DATA(i，j)在数据分组信道使用列表CUL-D中的信道状态为”1”，则不做任何处理；否则计算在该信道上允许的最大发送功率P_max-s^k(DATA(i，j))；

若DC_ACK(j，i)在ACK分组信道使用列表CUL-A中的信道状态为”1”，则不做任何处理；否则计算在该信道上的最小接收功率P_min-r^k(ACK(j，i))。若则将对应的最小接收功率设置为”∞”，表明该信道已不能用来接收ACK分组；

b.侦听DTS分组：假设另一节点m侦听到源节点i向目的节点j发送的DTS分组，若另一节点m已成功预留该预留时隙RS，则不做任何处理；否则进行如下操作：

若源节点i与目的节点j确定的数据分组传输信道DC_DATA(i，j)在数据分组信道使用列表CUL-D中的信道状态为“1”，则不做任何处理；否则更新数据分组信道使用列表CUL-D中该信道对应的“最小接收功率”；

若源节点i与目的节点j确定的ACK分组传输信道DC_ACK(j，i)在ACK分组信道使用列表CUL-A中的信道状态为“1”，则不做任何处理；否则更新ACK分组信道使用列表CUL-A中该信道对应的“最大发送功率”。

本发明的目的节点j确定数据分组发送功率和ACK分组发送功率的计算按以下步骤进行：

节点j根据预留申请分组的发送功率P_max-s和接收功率P_r^RR按计算公共控制信道上节点i至节点j间的路径增益h_ij(0)。

$h_{\mathrm{ij}}\left(0\right)=P_r^{\mathrm{RR}}/P_{\max -s}$

随后节点j对Ω_D(i，j)中的所有数据信道进行如下操作，假设节点间是地面反射模型：

h_ij(k)＝h_ij(0)×(f₀/f_k)²    k∈Ω_D(i，j)

$P_{\mathrm{ij}}\left(k\right)=P_{\min -r}^j\left(k\right)/h_{\mathrm{ij}}\left(k\right),k\in {\Omega }_D(i,j)$

通过上面两个式子，可以由节点i至j在公共控制信道上的路径增益h_ij(0)得到节点i至j在DC_k上的路径增益h_ij(k)，并且可以由节点j在DC_k上成功接收数据分组所需的最小功率和(2)中得到的路径增益h_ij(k)计算出节点i在DC_k上所需的发射功率P_ij(k)；

节点j所选择用于传输数据分组的数据信道如下所示：

${\mathrm{DC}}_{\mathrm{DATA}(i,j)}=\arg \min \left\{{\mathrm{DC}}_k\right|P_{\mathrm{ij}}\left(k\right)\le P_{\max -s}^i\left(k\right),k\in {\Omega }_D(i,j)\}$

式中保证了节点i按照功率P_ij(DATA(i，j))向节点j发送数据分组不会影响已经成功预留DC_DATA(i，j)的其它邻居节点在该时隙内接收数据分组，按照相同的过程，节点j可以确定ACK分组的传输信道和功率。

由于本发明使用严格的TDMA时隙分配方案，因而降低了控制分组的碰撞概率，实现数据分组的有效传输；引入功率控制机制，减小邻居节点间的相互干扰，提高空间重用率，允许更多的数据分组并行传输；加入确认帧，同时实现对数据分组和ACK分组的保护。除此之外，由于本发明使用网络级同步，所以网络中所有节点同时处于发送状态或接收状态，因此本发明还可以有效解决多信道暴露终端和多信道隐藏接收终端问题，并减轻多信道隐藏发送终端问题给网络性能带来的影响。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

附图说明

图1为TDMA-PCCMAC协议的超帧结构说明图；

图2为数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A的结构说明图；

图3预留确认分组结构说明图；

图4为在不同预留周期RC取值下，吞吐量随网络业务量变化的仿真曲线图，图中的3条曲线分别为DSA-MAC，TDMA-CMAC和TDMA-PCCMAC，其中TDMA-CMAC与TDMA-PCCMAC具有相同的超帧结构，但是未加入功率控制机制。

图5为在不同预留周期RC取值下，接入延时随网络业务量变化的仿真曲线图，图中的3条曲线分别为DSA-MAC，TDMA-CMAC和TDMA-PCCMAC。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先参见图1来说明TDMA-PCCMAC协议的超帧结构，每个超帧由一个预留帧(Reservation Frame，RF)、K个信息帧(Information Frame，IF)和一个确认帧(Acknowledgment Frame，AF)组成，超帧与信道时隙同步且长度相等。每个RF包含一个感知时隙(Sensing Slot，SS)和N个预留时隙(Reservation Slot，RS)，每个IF和AF中分别包含N个信息时隙(Information Slot，IS)和N个确认时隙(Acknowledgment Slot，AS)。认知节点在感知时隙SS中依次感知所有数据信道，确定该超帧内自身可以使用的数据信道，由于网络同步，因此所有CR节点同时处于感知状态，能够避免CR节点间的相互干扰，提高感知准确度。每个预留时隙RS用来预留与之相对应的信息时隙IS和确认时隙AS，例如，一对认知节点在RS₁中预留成功，则在该超帧内，该对节点在每个信息帧IF中的IS₁内传输数据分组，在确认帧AF中的AS₁内传输ACK分组。每个预留时隙RS由M个预留周期(Reservation Cycle，RC)构成，在一个RS中设置多个RC是为了提高节点对间的预留成功率，使得多个数据分组能够并行传输。每个RC是一个预留过程，通过预留申请(Reservation Request，RR)、预留确认(Reservation Conformation，RC)和决定发送(Decide to Send，DTS)三个阶段完成。

下面参见图2来说明数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A所包含的内容和功能，为了记录初级用户和邻居节点的信道使用情况，以及同时保护数据分组和ACK分组，每个节点维护两张列表——数据分组信道使用列表CUL-D和ACK分组信道使用列表CUL-A，分别根据邻居节点传输数据分组和ACK分组的相关信息动态调整。CUL-D和CUL-A包含相同的内容。其中“信道编号k”表示第k条数据信道DC_k，“最大发射功率P_max-sⁱ(k)”表示该节点在第k条数据信道DC_k上发送数据分组或ACK分组所能使用的最大发送功率，“最小接收功率P_min-r^k(k)”表示在第k条数据信道DC_k上该节点能够成功接收数据分组或ACK分组的最小功率，“信道状态”表示第k条数据信道DC_k是否被初级用户所占用(标记为“1”表示DC_k被PU占用，反之则标记为“0”)。

在每个超帧和每个预留时隙RS的起始时刻，更新CUL-D和CUL-A，但这两种更新有所不同。在超帧的起始时刻，将DC_k(k＝1，…，K)标记为“0”，并将对应的P_max-sⁱ(k)和P_min-r^k(k)设置为P_max-s和P_min-r；而在RS的起始时刻，信道状态均保持不变，仅将各数据信道对应的P_max-sⁱ(k)和P_min-r^k(k)更新为P_max-s和P_min-r。这是因为TDMA-PCCMAC协议的超帧与信道时隙同步且长度相同，导致在超帧起始时刻初级用户使用信道的情况发生变化，因此需要更新CUL-D和CUL-A中的信道状态。在感知时隙SS内，节点根据感知结果更改“信道状态”，节点不能在该超帧内使用被标记为“1”的数据信道；在每个预留时隙RS内，节点根据接收到控制分组中的相关信息动态调整所有可用信道的“最大发射功率”和“最小接收功率”。

侦听到预留确认分组或决定发送分组的邻居节点按下述过程更新自身CUL-D和CUL-A中的相关信息。

a.侦听预留确认分组。设节点k侦听到目的节点j向源节点i发送的预留确认分组，若节点k已经成功预留该预留时隙RS，则不做任何处理；否则检查预留确认分组中记录的源节点i与目的节点j选择的数据分组传输信道DC_DATA(i，j)和ACK分组传输信道DC_ACK(j；i)分别在自己即节点k的CUL-D和CUL-A中的状态，按下述过程处理：

若源节点i与目的节点j选择的数据分组传输信道DC_DATA(i，j)在CUL-D中的信道状态为“1”，则不做任何处理；否则根据预留确认分组的发送功率P_max-s和接收功率P_r^RC按计算与节点j之间的信道增益h_jk(DATA(i，j))，并按下式计算在该信道上的最大发送功率P_max-s^k(DATA(i，j))。

$P_{\max -s}^k\left(\mathrm{DATA}(i,j)\right)=P_{\min }^{\mathrm{infer}}/h_{\mathrm{jk}}\left(\mathrm{DATA}(i,j)\right)$

若源节点i与目的节点j选择的ACK分组传输信道DC_ACK(j，i)在CUL-A中的信道状态为“1”，则不做任何处理；否则首先按计算目的节点j以功率P_ij(ACK(j，i))发送ACK分组对自己的干扰，随后更新自己所受的总干扰值，最后根据更新得到的总干扰值计算在该信道上的最小接收功率P_min-r^k(ACK(j，i))。若则将对应的最小接收功率设置为“∞”，表明该信道已不能用来接收ACK分组。

$P_{\mathrm{jk}}^{\mathrm{infer}}\left(\mathrm{ACK}(j,i)\right)=h_{\mathrm{jk}}\left(\mathrm{ACK}(j,i)\right)·P_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{ACK}\right)$

$P_k^{\mathrm{infer}}=\frac{P_{\min -r}^k\left(\mathrm{ACK}(j,i)\right)}{{\mathrm{SIR}}_{\mathrm{th}}}+P_{\mathrm{ji}}\left(\mathrm{ACK}\right)$

$P_{\min -r}^k\left(\mathrm{ACK}(j,i)\right)={\mathrm{SIR}}_{\mathrm{th}}·P_k^{\mathrm{infer}}$

因为只有当节点k为发送节点时才会与目的节点j相互影响，所以节点k只会更新自己CUL-D中的“最大发送功率”和CUL-A中的“最小接收功率”，更改“最大发送功率”是为了避免自己发送数据分组干扰节点j接收数据分组，而更新“最小接收功率”则是为了保证自己更够成功接收ACK分组。

b.侦听决定发送分组。假设节点m侦听到源节点i向目的节点j发送的决定发送分组，若节点m已成功预留该预留时隙RS，则不做任何处理；否则进行如下操作：

若若源节点i与目的节点j选择的数据分组传输信道DC_DATA(i，j)在CUL-D中的信道状态为“1”，则不做任何处理；否则更新CUL-D中该信道对应的“最小接收功率”。

若若源节点i与目的节点j选择的ACK分组传输信道DC_ACK(j，i)在CUL-A中的信道状态为“1”，则不做任何处理；否则更新CUL-A中该信道对应的“最大发送功率”。

下面参见图3来说明目的节点的信道和功率选择过程，图中所示的预留确认分组中，“节点j地址”表示该预留确认分组的发送节点地址，“节点i地址”表示该预留确认分组的接收节点地址，“数据分组使用信道”表示节点i与j传输数据分组所使用的信道，“数据分组使用功率”表示节点i与j传输数据分组所使用的功率，“ACK分组使用信道”表示节点i与j传输ACK分组所使用的信道，“ACK分组使用功率”表示节点i与j传输ACK分组所使用的功率。

若目的节点j成功接收源节点i发送的预留申请分组，对比自己的CUL-D、CUL-A和节点i的CUL-D、CUL-A，寻找可用于传输数据分组和ACK分组的公共可用信道集，分别记为Ω_D(i，j)和Ω_A(i，j)。若Ω_D(i，j)和Ω_A(i，j)均不为空集，则节点j根据预留申请分组的发送功率P_max-s和接收功率P_r^RR按计算公共控制信道上节点i至节点j间的路径增益h_ij(0)。

$h_{\mathrm{ij}}\left(0\right)=P_r^{\mathrm{RR}}/P_{\max -s}$

随后节点j对Ω_D(i，j)中的所有数据信道进行如下操作(假设节点间是地面反射模型)：

h_ij(k)＝h_ij(0)×(f₀/f_k)²    k∈Ω_D(i，j)

$P_{\mathrm{ij}}\left(k\right)=P_{\min -r}^j\left(k\right)/h_{\mathrm{ij}}\left(k\right),k\in {\Omega }_D(i,j)$

通过上面两个式子，可以由节点i至j在公共控制信道上的路径增益h_ij(0)得到节点i至j在第k条数据信道DC_k上的路径增益h_ij(k)，并且可以由节点j在DC_k上成功接收数据分组所需的最小功率和(2)中得到的路径增益h_ij(k)计算出节点i在DC_k上所需的发射功率P_ij(k)。

节点j所选择用于传输数据分组的数据信道如下所示：

${\mathrm{DC}}_{\mathrm{DATA}(i,j)}=\arg \min \left\{{\mathrm{DC}}_k\right|P_{\mathrm{ij}}\left(k\right)\le P_{\max -s}^i\left(k\right),k\in {\Omega }_D(i,j)\}$

式中保证了节点i按照功率P_ij(DATA(i，j))向节点j发送数据分组不会影响已经成功预留DC_DATA(i，j)的其它邻居节点在该时隙内接收数据分组。

同理，根据链路对称的假设，可以按照相同的方法计算出节点j在Ω_A(i，j)中的所有数据信道上发送ACK分组所需的最小发送功率，并使用相同的标准选出发送ACK分组的数据信道DC_ACK(j，i)及其发送功率P_ij(ACK(j，i))。

在执行完上述操作后，目的节点j向源节点i发送一个预留确认分组，分别记录了数据分组和ACK分组的传输信道DC_DATA(i，j)和DC_ACK(j，i)，以及对应的发送功率P_ij(DATA(i，j))和P_ij(ACK(j，i))。若Ω_D(i，j)和Ω_A(i，j)有一个为空集，或在上述过程中没有选出满足条件的数据信道，节点j则发送一个预留失败分组，接收到该分组后，节点i不会在该预留时隙RS内余下的预留周期RC中尝试与节点j建立预留。

为了验证提出的TDMA-PCCMAC协议的性能，我们在NS-2下仿真了该方案，仿真过程使用了下面的场景，49个节点均匀分布在700×700m²的矩形区域内，每个节点的传输范围为150m；每个节点的数据分组到达率服从均值为λ的泊松分布，每个数据分组的长度为1280Bytes；一个超帧包括1个RF、10个IF和1和AF，每个RF(IF和AF)中包含16个RS(IS和AS)，每个时隙的长度为1.024ms；网络中共有3条数据信道和1条公共控制信道，每条信道的数据传输速率为1Mbps，信干比门限SIR_th＝4dB，RTS分组的最大重传次数为6；为了模拟初级用户对信道的使用情况，假定每个节点在每个超帧内以概率p使用各个数据信道；仿真时间200s。我们不但将TDMA-PCCMAC协议与DSA-MAC协议对比，还将不加入功率控制机制的TDMA-CMAC协议同DSA-MAC协议和TDMA-PCCMAC协议对比。通过TDMA-CMAC协议同DSA-MAC协议的对比可以评价不同的体系结构对吞吐量的影响，而将TDMA-CMAC协议同TDMA-PCCMAC协议对比可以评价出功率控制机制作用，得到了图4和5中的结果。

我们能够发现随着负载的增加，无论是吞吐量还是接入延时本发明提出的方法都要好于DSA-MAC和未加入功率控制机制的TDMA-CMAC。这是因为，该协议通过严格的时隙管理降低邻居节点间控制分组发生碰撞的概率；并通过为传输ACK分组设置专门的时隙，既可以对ACK分组实现有效的保护，还能够实现数据分组和ACK分组的分信道传输，以提高预留成功的概率；此外，通过引入功率控制机制还可以减小邻居节点间的相互干扰，提高空间重用度；并且该协议能够有效减小多信道隐藏发送终端问题对网络性能的影响，以及使得网络性能完全不受多信道隐藏接收终端和多信道暴露终端问题的影响。