自组织网络中基于多信道媒体访问控制协议的方法

摘要

自组织网络中基于多信道媒体访问控制协议的方法适用于临时的、有大量数据传输需求的移动自组织网络应用，该方法只需要每个设备有一张Wi-Fi网卡即可实现。本发明设计的多信道媒体访问控制协议利用2.4GHz频段上的三个非重叠物理信道同时进行数据传输，提出将网络时间整体规划为周期性的信标帧间隔，每个周期又细分为三个子间隔，分别是同步控制间隔、多信道数据传输间隔以及信标周期结束间隔。同步控制间隔用于信标帧的收发和信道的预约，而多信道数据传输间隔内节点切换到预约的信道进行数据传输，最后，在信标周期结束间隔内节点停止接收上层的数据并切换到公共信道。通过实际试验和结果分析表明，相对于802.11协议的自组织网络，基于本发明的多信道自组织网络可以显著的提高网络的吞吐率。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及的是一种用于单跳自组织(Ad hoc)网络的多信道媒体访问控制(MAC)协议，具体是在一个由Wi-Fi设备组成的Ad hoc网络中，该网络可以利用多个物理信道同时进行数据传输的方法，解决的是提高Ad hoc网络吞吐率问题的方法。

背景技术

目前的无线通信网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。这些无线通信网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式控制的方式。但在某些特殊环境或紧急情况，例如，战场上部队快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科学考察、偏远山区、临时会议等场合迫切需要一种不依赖于固定基础设施，并且能够快速和灵活配置的无线通信网络技术，Ad Hoc网络就是为满足这种特殊应用需求而产生的。

Ad hoc网络也称为自组织网络，由若干无线移动节点组成，不依赖于任何固定基础设施，是通过节点间的相互协作进行网络互联的一种自组织临时性自治网络系统。它可以在没有或不便于利用现有网络基础设施的情况下提供一种通信网络的支撑环境。与普通移动网络和固定网络相比，无线自组织网络具有以下特征：无中心控制节点和节点之间的对等性，自发现、自动配置、自组织、自愈，动态的网络拓扑结构，无线传输带宽有限，移动终端有节能要求，安全性较差和存在单向的无线信道等。

IEEE 802.11协议工作组设计了一系列应用于无线局域网(WLAN)的标准，致力于推广IEEE 802.11技术的Wi-Fi联盟不断的将这一技术应用于联盟认证的Wi-Fi产品中。作为一种无线局域网协议，IEEE802.11不但使得设备有高速接入Internet的能力，另外，IEEE802.11协议同时定义了一种更为简化的、适用于移动终端和设备的Ad hoc网络。基于IEEE 802.11协议的Ad hoc网络具有以下特点：单跳、点对点的连接，不需要基础设施网络或者中心协调器，并保持了Ad hoc网络临时、随时随地组网的特点。但是目前的IEEE 802.11协议是面向单信道网络设计的，那么即使在2.4GHz频段上有11个以上的正交信道，包含3个间隔30MHz完全不存在互相干扰的信道，一个网络中的节点只能在22MHz的带宽中共享无线媒介。随着网络中设备的增加，势必造成网络的拥塞，从而降低各个节点的吞吐率。采用多信道传输技术可以有效的利用所有不重叠的、不互相干扰的物理信道，提高频段的使用效率。通过使用多信道传输技术，一个网络可以同时在多个信道中传输数据，从而大大提高了系统的容量和网络的吞吐率，特别是在小规模的网络中，相比较于单信道网络，网络中的节点也可以获得吞吐率的增加。

多信道MAC技术近年来受到了越来越多的关注，从使用无线网卡多寡的角度分类，主要分为单无线网卡和多无线网卡的多信道MAC协议。文献[2-3]都是基于多网卡的多信道MAC协议，这类协议一般要求选定一个无线收发器停留在一个共同信道中与其它收发器保持联系，交换信道分配信息，而其他无线收发器动态的在不同物理信道间切换；而与本专利相关的文献MMAC协议[2]，只需要一个无线收发器即可实现Ad hoc网络利用多信道MAC来同时在多个信道传输，无线收发器一般被要求周期性的回到共同信道交换控制信息和信道分配信息，在得到数据传输信道后，节点将在适当的时候切换到该信道进行数据传输。

与本发明相关的文献提出的MMAC协议将时间划分为周期性的信标帧间隔，每个信标帧间隔又划分为同步控制间隔和多信道数据传输间隔。但是MMAC协议的设计存在三个错误性的假定和前提：(1)认为信道切换延时可以忽略不计；(2)在控制间隔内节点之间使用单播帧的RTS/CTS传输控制信息；(3)直接使用IEEE 802.11协议的TSF功能同步网络。在实际的无线网卡信道切换测量试验中和相关的文献[2-3]表明信道切换延时在ms级以上，这对于无线传输来说是不可忽略的。另外，使用单播帧在源节点和目的间交换信道分配信息，其它节点即使收到单播帧也不会将其上传至上层，造成网络中的其它节点无法更新信道的使用情况。最后，由于存在信道切换的延时，而TSF功能是在信标帧周期的开始阶段广播信标帧，所以按照MMAC的同步算法，节点会因为信道切换延时而无法接收到信标帧，从而造成网络运行的失同步。综上所述，迫切需要一种有效的解决多信道MAC传输的协议和方案，能够有效的利用多信道传输带来的吞吐率增加的有益效果。

参考文献

[1].J.So and N.Vaidya，“Multi-Channel MAC for Ad Hoc Networks：HandlingMulti-Channel Hidden Terminals Using A Single Transceiver，”InternationalSymposium Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobiHoc)，pp.222-233，May 2004

[2].A.Raniwala and T.Chiueh. Architecture and algorithms for an IEEE802.11-based multi-channel wireless mesh network.In IEEE Infocom’05，March2005.

[3].H.Wu，K.Tan，Y. Zhang，and Q.Zhang.Proactive scan：Fast handoff with smarttriggers for 802.11 wireless LAN.In IEEE Infocom’07，May 2007.

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种自组织网络中基于多信道媒体访问控制协议的方法，解决多信道、分布式网络的同步问题和信道分配问题。

技术方案：本发明的自组织网络中基于多信道媒体访问控制协议的方法的多信道Ad hoc网络的同步问题使用基于IEEE 802.11定时同步功能(TSF)校准的软同步方案，信标帧由无线网卡的硬件周期性广播，实现了定时同步功能，提供了较为准确的网络时间同步，而多信道Ad hoc网络的操作时序由软件MAC层负责，软件MAC层使用不同的内核定时器分别来触发多信道网络的信道分配、数据传输、信道切换事件，内核定时器在每个周期与硬件的时钟进行校准，并设定定时器的下一次超时时间。信道分配问题直接考虑了2.4GHz频段上3个信道的分配，每个节点维护一个信道使用表，信道使用表在每个信标帧周期的同步控制间隔内更新信道的分配和使用情况。

发明的技术方案通过以下步骤实现。

1).多信道媒体访问控制协议将网络时间划分为周期性的信标帧间隔，每个周期又细分为三个子间隔，分别是同步控制间隔、多信道数据传输间隔以及信标周期结束间隔；周期性的时间间隔使用操作系统的内核定时器实现，每个节点维护3个周期性的内核定时器，分别对应于3个事件：同步控制间隔开始、数据传输间隔开始以及信标周期结束间隔开始；考虑2.4GHz频段上的3个非重叠信道，其中选定一个信道既作为临时的公共信道又可以作为数据传输信道使用，其余两个信道均作为数据传输信道；

2).当同步控制间隔开始定时器超时时，节点首先将在开始阶段的一个时间窗口内利用802.11协议的定时同步功能进行网络时间的同步；接着节点根据各自的数据包缓冲队列的情况发起数据传输信道的协商过程；同步控制间隔内节点将缓存来自应用层的数据包到媒体访问控制层相应的缓存队列中，在该间隔内不发送数据包，但是广播包会在该间隔内发送；所有节点都将在同步控制间隔内监听公共信道的控制帧的广播，控制帧中包含了各个节点预约好的数据信道，节点根据控制帧的内容更新节点维护的信道预约表；

3).当数据传输间隔开始定时器超时时，各个节点根据各自维护的信道预约表，查找自己预约到的数据传输信道并切换到相应的信道中；在该间隔内，节点将发送MAC层缓存队列中的数据包，数据包的传输方案使用IEEE 802.11的分布式协调功能；在该间隔内，节点发送出去的数据包需满足这样的条件：其目的地址的节点与本节点处在同一个信道；到达其它节点的数据包将被缓存，广播包也将被暂存到MAC层队列中；

4).当信标周期结束间隔开始定时器超时时，节点将停止接收来自应用层的数据，接着节点将切换到公共信道，等待网络的同步过程；

5)节点在每个定时器的超时响应处理程序中，首先读取节点的硬件时间，节点的硬件时间是节点在同步控制间隔内校准过的网络时间，然后节点将设定当前定时器的下一个事件周期的定时器超时时间。

在步骤2)所述的节点根据各自的数据包缓冲队列的情况发起数据传输信道的协商过程，针对2.4GHz频段上只有3个可用不互相干扰信道，本发明采用分布式的信道分配与管理方案，信道的预约与分配方法的实现在于通过以下几个步骤：

21)每个节点在加入多信道自组织网络之后，首先生成一个多信道虚拟载波侦听表，该表记录了网络中每个节点使用信道的情况，表中包含了网络中各个节点的MAC地址以及预约信道的索引值和一个MAC地址编号；

22)节点侦听公共信道中传输的信道分配帧的内容，信道分配帧包含了节点之间预约的信道信息，节点在接收到这种帧后，根据帧中的信道信息向多信道虚拟载波侦听表添加一条记录；

23)当节点有数据需要发送时，节点将发送一个信道预约帧给目的节点，目的节点收到信道预约帧后，查看多信道虚拟载波侦听表，如果目的节点当前已有预约过的信道，将选用该信道作为数据传输信道，如果目的节点还未预约过任何信道，目的节点将选择还未被预约的或者被预约次数最少的信道，并且通过信道分配帧广播该信道被预约一次，其它节点包括目的节点在内，接收到信道分配帧之后记录该信道到多信道虚拟载波侦听表；

24)当多信道隐终端发生时，节点可能维护不一样的信道使用列表情况，那么就有可能造成某个信道被多个节点对预约，而其他信道没有被使用的情况。信道使用列表中记录的节点编号与节点的MAC地址相关，MAC地址越大，节点的编号就越小；那么如果发现这种情况，编号大的节点将被要求变换下一次数据传输的信道并进行预约活动，以使得其他节点更新信道使用列表，而较小编号的节点仍然保持当前的信道预约结果。

有益效果：本发明提出了一种自组织网络中基于多信道媒体访问控制协议的方法，节点不需要升级无线网卡硬件，即每个节点只需要一张基于IEEE 802.11b/g/n的Wi-Fi网卡，只需要升级相应的设备驱动程序，并且多信道MAC协议可以作为可选模块在设备驱动程序运行时动态加载。使用多信道MAC功能的网络可以有效的利用所有的3个互相不干扰的物理信道，提高网络的吞吐率。对于小型的网络，这种网络吞吐率的提高也意味着节点可以获得稳定的吞吐率。另外，多信道MAC功能对于应用层来说是透明的，这是因为多信道MAC功能被集成到网卡的设备驱动中，是操作系统内核的一部分，因此不涉及应用层程序的改动，所以使用多信道MAC功能的设备不需要重新编写或者编译应用层的基于TCP/CP的相关软件。

附图说明

图1是SMMAC网络运行同步的时间规划图，

图2是5个节点的SMMAC运行示意图，

图3是节点工作流程图，

图4是搭建的试验床的网络场景，

图5是不同节点负载传送100MB TCP业务量节点所用时间对比，

图6是不同节点负载传送100MB TCP业务量节点网络平均吞吐率的对比，

图7是SMMAC网络中不同链路的吞吐率以及网络汇聚吞吐率的实时情况，

图8是802.11网络中不同链路的吞吐率以及网络汇聚吞吐率的实时情况。

具体实施方式

1).多信道媒体访问控制协议将网络时间划分为周期性的信标帧间隔，每个周期又细分为三个子间隔，分别是同步控制间隔、多信道数据传输间隔以及信标周期结束间隔；周期性的时间间隔使用操作系统的内核定时器实现，每个节点维护3个周期性的内核定时器，分别对应于3个事件：同步控制间隔开始、数据传输间隔开始以及信标周期结束间隔开始；考虑2.4GHz频段上的3个非重叠信道，其中选定一个信道既作为临时的公共信道又可以作为数据传输信道使用，其余两个信道均作为数据传输信道；

2).当同步控制间隔开始定时器超时时，节点首先将在开始阶段的一个时间窗口内利用802.11协议的定时同步功能进行网络时间的同步；接着节点根据各自的数据包缓冲队列的情况发起数据传输信道的协商过程。同步控制间隔内节点将缓存来自应用层的数据包到MAC层相应的缓存队列中，在该间隔内不发送数据包，但是广播包会在该间隔内发送；所有节点都将在同步控制间隔内监听公共信道的控制帧的广播，控制帧中包含了各个节点预约好的数据信道，节点根据控制帧的内容更新节点维护的信道预约表；

3).当数据传输间隔开始定时器超时时，各个节点根据各自维护的信道预约表，查找自己预约到的数据传输信道并切换到相应的信道中。在该间隔内，节点将发送MAC层缓存队列中的数据包，数据包的传输方案使用IEEE 802.11的分布式协调功能。在该间隔内，节点发送出去的数据包需满足这样的条件；其目的地址的节点与本节点处在同一个信道，到达其它节点的数据包将被缓存，广播包也将被暂存到MAC层队列中；

4).当信标周期结束间隔开始定时器超时时，节点将停止接收来自应用层的数据，接着节点将切换到公共信道，等待网络的同步过程；

5)节点在每个定时器的超时响应处理程序中，首先读取节点的硬件时间，节点的硬件时间是节点在同步控制间隔内校准过的网络时间，然后节点将设定当前定时器的下一个事件周期的定时器超时时间

在步骤2)描述的节点根据各自的数据包缓冲队列的情况发起数据传输信道的协商过程，针对2.4GHz频段上只有3个可用不互相干扰信道，本发明设计了一种分布式的信道分配与管理方案，信道的预约与分配方法的实现在于通过以下几个步骤：

21)每个节点在加入多信道自组织网络之后，首先生成一个多信道虚拟载波侦听表，该表记录了网络中每个节点使用信道的情况，表中包含了网络中各个节点的MAC地址以及预约信道的索引值和一个MAC地址编号；

22)节点侦听公共信道中传输的信道分配帧的内容，信道分配帧包含了节点之间预约的信道信息，节点在接收到这种帧后，根据帧中的信道信息向多信道虚拟载波侦听表添加一条记录；

23)当节点有数据需要发送时，节点将发送一个信道预约帧给目的节点，目的节点收到信道预约帧后，查看多信道虚拟载波侦听表，如果目的节点当前已有预约过的信道，将选用该信道作为数据传输信道，如果目的节点还未预约过任何信道，目的节点将选择还未被预约的或者被预约次数最少的信道，并且通过信道分配帧广播该信道被预约一次，其它节点包括目的节点在内，接收到信道分配帧之后记录该信道到多信道虚拟载波侦听表；

24)当多信道隐终端发生时，节点可能维护不一样的信道使用列表情况，那么就有可能造成某个信道被多个节点对预约，而其他信道没有被使用的情况。信道使用列表中记录的节点编号与节点的MAC地址相关，MAC地址越大，节点的编号就越小。那么如果发现这种情况，编号大的节点将被要求变换下一次数据传输的信道并进行预约活动，以使得其他节点更新信道使用列表，而较小编号的节点仍然保持当前的信道预约结果。

结合图2的一种实施例示意图和图3的节点多信道MAC功能工作流程图，下面对本发明的技术方案的具体实施步骤：

1.节点创建一个Ad hoc网络之后，至少有另一个节点加入该网络后，这个网络才开始以周期性的间隔执行网络的各项功能；节点在加入一个网络之后将停留在公共控制信道内，监听网络中传输的信道分配帧BC CTS。并将发送该帧的节点和其预约的信道加入创建的多信道虚拟载波侦听表；

2.在图2所示的实施例中，节点刚加入由节点B、C、D和E的网络。首先，节点A监听该网络的信道使用情况，并根据接收到的内容创建如表2所示的信道使用情况列表，包括各个节点的MAC地址及预约的信道；

表1

    MAC地址   信道索引值   节点编号    00:A0:3C:34:45:59 (A)       11      2    00:A0:3C:34:45:E1 (B)       11      1

    00:A0:3C:13:25:c4 (C)        6      4    00:A0:3C:34:45:54 (D)        6      3    00:A0:3C:13:12:54 (E)        0      5

3.当节点A有数据发送给节点B，如果节点A发现节点B在前一个数据传输周期使用不同的传输信道，那么节点A将向节点B发送信道预约帧MC RTS给节点B，节点B收到之后将向节点A返回一个确认信息，该确认信息使用信道分配帧BC CTS以广播帧的形式发出，确认信息包含使用的信道值11其它节点包括节点A在内接收到节点B的广播包将该信息更新到多信道虚拟侦听表，那么在控制间隔的剩余时间内，节点A和B将不接收其它节点的预约；

4.于此同时，节点C和节点D在前一个数据传输周期均使用信道6，如果它们决定继续使用该信道，那么节点C和节点D都将发送一个包含使用信道6的信道分配广播帧BC CTS；

5.节点E没有任何传输的数据，它将发送一个包含信道索引值为0的信道分配广播帧BC CTS；

6.同步控制间隔结束，即传输传输间隔的开始，节点根据各自的多信道虚拟载波侦听表的情况，切换到相应的数据信道。节点A、B分别切换到信道11、节点C、D将切换到信道6，而节点E将停留在公共信道1

7.在如图3中，当信标周期结束间隔开始后，节点都开始准备切换之前的工作：停止接收上层的数据，并且切换到控制信道，等待网络时间的同步，节点的定时器将跟硬件时钟校准，并开始新一轮的信道预约过程；

8.网络的运行以操作系统的定时器的精确度为基准，相比较于软件提供的的时间精确度，硬件时钟具有更高的准确度，所以在每个网络运行间隔的定时器相应之后，节点首先读取硬件时钟，然后计算下一次对应时间的发生时间。

为了证明本发明的有效性，我们编写了相应的网卡驱动程序，并且搭建了试验床，测试了6个节点场景的网络吞吐率的情况，并与Wi-Fi在单信道Ad hoc模式下场景进行比较：

1.节点之间的距离在1m范围之内。如图4所示。节点主机使用的使用Intel的CMPC学生电脑，每台机子上都装载有Ralink RT3070无线网卡，RT 3070支持IEEE 802.11b/g/n.CMPC上使用的是Ubuntu 9.04操作系统，内核版本是2.6.28。

2.SMMAC是在RT3070的v2.1.1.0发行版上改动的，SMMAC使用到的参数如表1所示。无线网卡以最大功率发送数据和发送速率为65Mbps。我们关掉了802.11n的一些独特的性质，比如信道绑定技术、MIMO，所以节点使用单个的传输流、带宽配置成20MHz、不使用block ACK。我们这样配置的目的是为了尽可能的把网卡的性能评估放在协议本身的性能上，并且减小802.11n本身新增加的特性给协议的评估带来影响。无线网卡的操作频段范围是2.4GHz-2.485GHz，总共包含13个交叠的信道，我们使用其中的信道1、6以及11作为SMMAC中3个切换信道。由于办公环境有大量的WiFi热点信号，为了减小试验受到其他网络的干扰，我们把大部分的性能测试试验安排在凌晨时段。

表2

         参数    值       信标周期   200ms     同步控制间隔   16ms   信标周期结束间隔   16ms

3.进行了两种类型的试验：一种是客户端向服务器发送100Mbyte的数据，我们将观察分别在802.11协议中各个节点传输所花费的时间和平均吞吐率；另一个试验是每个客服端节点都向服务器节点发送数据，每组10分钟，我们将观察各个节点的实时吞吐率以及10分钟内各个节点总共发送的数据量。这两种试验，每组试验总共进行10次，最后求平均值。我们定义了网络汇聚吞吐率，它表示在一段共同的时间内，网络中不同链路上的吞吐率的总和：

网络汇聚吞吐率＝链路1的吞吐率+链路2的吞吐率+....+链路n的吞吐率

试验结果图5和图6属于同一个试验所观察到的不同参数的对比图。这组试验分别进行网内有一个节点对、两个节点对以及3个节点对通信情况下观察到数据，对于多信道SMMAC和802.11进行观察和记录，每组试验分别进行10次，最后取平均值。我们用Matlab根据画出了不同参数的对比结果。从图5可以看出，在网内只有一个节点对的情况下，SMMAC协议所花的时间要稍微长于802.11协议，这是因为SMMAC在每个信标周期内有一段控制周期不允许传输数据，因此在单节点对的情况下，SMMAC得到的性能稍微差于原802.11协议，这个结论同样适用图6中网络汇聚吞吐率的观察结果(图中的网络平均汇聚吞吐率是根据每组试验得到的网络汇聚吞吐率，然后再取平均值)，这两个图的结果必定是一致的。因为，通信的总量是一定的，所以网络吞吐率越大，所需要传输的时间就越少。然而，随着网络中通信节点对的增加，SMMAC网络的吞吐率却显著的增加，而传输需要的时间也有所减少，这符合我们的预期和设计目的。

对于另一组试验，我们观察网络包含6个节点时，两两组成一个客服端/服务器，在这个试验中我们并不设定所有传输的业务总量，相反，我们要观察在给定的时间内不同协议所能传输的业务量。观察到的结果分别如图7和图8所示，我们将两种不同的协议放在两个图中显示，可以更清楚两种协议下的实时吞吐率情况。由于每组试验的开始阶段由于人工操作的误差性，所以我们舍掉观察到的结果中的前后30个记录(每组试验总共得到120个记录)。从图7我们可以看到SMMAC网络中的3个节点对都获得了较稳定的吞吐率性能，网络的整体性能也由于802.11协议。而在图8中，802.11网络的在同样节点数负载的情况下，各个节点的吞吐率明显要差于SMMAC。这是因为802.11协议是基于单信道的CSMA/CA接入机制，所有节点都要竞争媒介的使用，只有在获得了媒介的使用之后节点的才能传输数据，所以造成网络中各个节点的吞吐率不稳定。SMMAC协议的网络汇聚吞吐率是802.11协议的网络汇聚吞吐率的一倍左右。