多跳Ad Hoc网络中时隙优化的多信道多址接入控制方法

摘要

本发明公开了多跳Ad Hoc网络中时隙优化的多信道多址接入控制方法，将整个数据分组发送过程分为预约时隙选择、竞争微时隙选择和RTS/CTS握手、数据分组发送及确认3个阶段。该方法在多跳网络下提高了网络吞吐量，同时解决了隐藏终端和暴露终端的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体涉及多跳Ad Hoc网络中时隙优化的多信道多址接入控制方法。 

背景技术

IEEE802.11DCF协议，提供了分布式的接入控制，是Ad Hoc网络MAC协议研究和应用中得到关注最多的协议之一。IEEE802.11DCF协议是基于CSMA/CA(带有冲突避免的载波侦听多路访问)机制的MAC协议。该协议采用共享单信道的模式，通过DATA-ACK两次握手或RTS—CTS—DATA—ACK四次握手机制完成分布式数据业务的接入过程，其中四次握手机制基本解决了隐藏终端和暴露终端问题。同时，通过载波侦听、冲突避免和随机回退等技术控制共享单信道模式下数据报文的冲突。DCF的核心机制包括：握手机制、载波侦听机制、帧间间隔和随机回退机制。此协议在系统负载较大时不能有效利用带宽资源是其最大的缺点。 

DBTMA协议使用忙音信号(BTs和BTr)通知邻节点有效减轻了包冲突，但需要加额外的收发器，并占用一定的带宽；DBTMA协议也没有考虑隐藏终端的问题。 

PCDC协议通过控制功率减小干扰节点的数据解决了隐藏终端的问题，但没有考虑暴露终端的问题。 

DCMA-CSBI协议通过使用广播忙指示包的方法解决了隐藏终端发送数据的冲突，但不能接收数据。 

发明内容

针对现有技术的缺陷与不足，本发明的目的是设计一种适用于多跳Ad Hoc网络中时隙优化的多信道多址接入控制方法，该方法在多跳网络下提高了网络吞吐量，同时解决了隐藏终端和暴露终端的问题。 

本发明采用以下技术方案来实现上述目的：多跳Ad Hoc网络中时隙优化的多信道多址接 入控制方法，包括以下步骤： 

第一步，预约时隙选择：如果侦听到有冲突的RTS/CTS握手发送时，发送节点就退避到下一个预约时隙继续尝试RTS分组发送，对于第1次未收到CTS分组，发送方先侦听公共控制信道(CCH)1个数据分组发送时隙，若在此期间接收方没有收发RTS或CTS分组，就在此数据分组发送时隙结束后的预约时隙中发送RTS预约，对于多次仍没有收到CTS分组，发送节点在此次数据分组发送尝试失败后的K_MAX个预约时隙中等概选择一个预约时隙，尝试重发该数据分组； 

第二步，竞争微时隙选择和RTS/CTS握手：当发送节点在CCH上的一个预约时隙开始时，有数据分组要发送给某个邻节点，则在发送RTS之前要从当前预约时隙的NMS个竞争微时隙中随机选择一个作为RTS分组发送开始的时间，并在发送RTS分组之前侦听之前的竞争微时隙，如果在其所选的竞争微时隙到来之前的竞争微时隙中都没有侦听到其他节点发送控制分组，那么该发送节点就在所选的竞争微时隙上开始发送RTS分组进行信道预约，并在CCH上等待接收节点回复CTS分组；否则进行退避到下一个预约时隙到达时，再重新进行预约；如果接收节点正确接收到RTS分组，那么它就立刻回复CTS分组； 

第三步，数据分组发送及确认：如果发送节点在规定的时间内正确收到CTS分组，则预约成功，转到预定数据信道(DCH)上在对应的数据分组发送时隙上无冲突地发送数据分组，接收节点正确收到后，回复ACK分组进行成功接收确认，从而完成一个完整的数据分组发送过程； 

所述K_MAX是一个在建立网络时人工设定的预约时隙的个数，所述等概选择是指在K_MAX个时隙中以相同的概率选择0-K_MAX之间的一个时隙；所述NMS为在建立网络时人工设定的微时隙的个数。 

所述第二步包括以下步骤： 

S21、在所选预约时隙中随机选择一个退避微时隙； 

S22、判断退避微时隙是否到来； 

S23、若退避微时隙到来，且侦听到有节点发送RTS/CTS握手，则退避到下一个预约时隙，然后返回步骤S2；若退避微时隙到来，且未侦听到有节点发送RTS/CTS握手，则侦听控制信道的RTS/CTS握手，然后返回步骤S3； 

S24、若退避微时隙到来，且未侦听到有节点发送RTS/CTS握手，则发送RTS进行预约； 

S25、若接收方收到RTS，且接收方侦听到其他节点对的预约，正处于退避阶段，则接收方回复CTS； 

所述第三步包括以下步骤： 

S31、若发送方收到CTS，则预约成功，接收方、发送方双方切换到相应的数据信道上进行数据分组的传输，发送方发送DATA； 

S32、若接收方收到DATA，则接收方回复ACK；发送方收到ACK后，DATA发送成功，完成一次通信会晤。 

与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于： 

1、本发明提出的方法通过公共信道(CCH)和业务信道(TCH)的时隙优化调整，使得控制信道上的信道预约与数据信道上的数据分组发送完美匹配，即在CCH和TCH上的分组发送达到平衡、均没有浪费相关信道资源，解决了控制信道的瓶颈问题。 

2、本发明提出的方法中采用的时隙优化方案也使得所使用的数据信道与控制信道的预约时隙相对应，实现了默认数据信道选择，从而不需要过多侦听控制信道或数据信道并保留信道状态结果，不需要建立信道状态表，不需要更改RTS/CTS帧格式并在其中加入协商选定的信道，不需要采用多余的控制分组进行信道预约和确认，不需要根据侦收RTS/CTS等控制分组建立NAV退避期，大大节省了相关的通信、存储和计算开销，避免了信道使用信息过时或错误造成的分组碰撞问题。 

3、本发明中，各发送节点只需要侦听NTCH个预约时隙(即1个数据分组发送时隙)就可以知道其接收节点是否正在收发分组，只需侦听自己所选择的那个预约时隙，即可判定是否需要发送RTS分组，并且若RTS/CTS握手成功后，在此预约时隙所对应的TCH上即可完成无冲突的数据分组发送。采用预约时隙和竞争微时隙的双重预约退避机制，可以有效解决多跳网络中的隐藏终端和暴露终端问题，提高接入效率和网络多址性能。 

附图说明

图1是本发明接入控制方法的时序图； 

图2是接入控制方法流程图。 

图1中，CCH是预约信道；DCH是数据信道；RTS是预约请求信号；CTS是预约应答信号；DATA是要发送的数据包；ACK是数据接收成功应答信号。 

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。 

实施例 

本发明使用多信道策略，各节点使用一个公共控制信道(CCH)传输控制分组(RTS分组、CTS分组)，使用多个数据信道(DCH)传输数据分组(DATA)和确认分组(ACK)，并设数据信道的数目为N_DCH。各节点仅有一部分工作在半双工模式的无线收发机，如果没有相关分组在DCH和CCH上发送，则在CCH上侦收相邻节点发送的RTS和CTS分组。 

本发明提出的方法将时间轴分为CCH上的预约阶段和DCH上的无冲突数据分组发送阶段。在本发明方法中，将CCH和DCH分别划分成一个个时隙，在CCH上的预约时隙中发送RTS/CTS分组进行预约，然后在预定DCH的数据分组发送时隙上发送DATA分组并进行确认。 

本发明在每个CCH预约时隙包括NMS个长度为TMS的竞争微时隙、RTS和CTS分组的发送时间以及2个短帧间间隔(SIFS)，SIFS包括信号往返传播时间、接收机处理时间、收发转换时间和必要的保护时间。每个DCH时隙包括DATA和ACK分组的发送时间和2个SIFS时间。 

图1作为本发明的时序图。在本发明提出的方法中，将CCH和DCH分别划分成一个个时隙，在CCH上的预约时隙中发送RTS/CTS分组进行预约，然后在预定DCH的数据分组发送时隙上发送DATA分组并进行确认。每个CCH预约时隙包括NMS个长度为TMS的竞争微时隙、RTS和CTS分组的发送时间以及2个短帧间间隔(SIFS)，SIFS包括信号往返传播时间、接收机处理时间、收发转换时间和必要的保护时间。每个DCH时隙包括DATA和ACK分组的发送时间和2个SIFS时间。其中CCH上的传送速率R_CCH和DCH上的传送速率R_DCH可以相等、也可以不相等，可以根据所传输的分组长度、所应用的场合等自适应调整。 

本发明提出的方法将整个数据分组发送过程分为预约时隙选择、竞争微时隙选择和RTS/CTS握手、数据分组发送及确认3个阶段。 

所述预约时隙选择过程如下：对新产生数据分组的初次发送，发送节点选择该分组产生后的第1个预约时隙或成功发送完上一个数据分组后的第1个预约时隙，立刻开始数据分组发送过程，发送过程中需要对时隙进行预约选择。如果侦听到有冲突的RTS/CTS握手发送时，发送节点就退避到下一个预约时隙继续尝试RTS分组发送。对于第1次未收到CTS分组，发送方先侦听CCH 1个数据分组发送时隙，若在此期间接收方没有收发RTS或CTS分组的话，就在此数据分组发送时隙结束后的预约时隙中发送RTS预约。对于多次仍没有收到CTS分组，发送节点在此次数据分组发送尝试失败后的K_MAX个预约时隙中等概选择一个预约时隙，尝试重发该数据分组的过程。所述K_MAX是一个在建立网络时人工设定的预约时隙的个数，所述等概选择是指在K_MAX个时隙中以相同的概率选择0-K_MAX之间的一个时隙。 

所述竞争微时隙选择和RTS/CTS握手过程如下：当发送节点在CCH上的一个预约时隙开始时，有数据分组要发送给某个邻节点，则在发送RTS之前要从当前预约时隙的NMS个竞争微时隙中随机选择一个作为RTS分组发送开始的时间，并在发送RTS分组之前侦听之前的竞争微时隙。如果在其所选的竞争微时隙到来之前的竞争微时隙中都没有侦听到其他节点发送控制分组，那么该发送节点就在所选的竞争微时隙上开始发送RTS分组进行信道预约，并在CCH上等待接收节点回复CTS分组；否则进行退避到下一个预约时隙到达时，再重新进行预约。如果接收节点正确接收到RTS分组，那么它就立刻回复CTS分组。所述NMS为在建立网络时人工设定的微时隙的个数。 

所述数据分组发送及确认过程如下：如果发送节点能够在规定的时间内正确收到CTS分组，说明预约成功，就转到预定DCH上在对应的数据分组发送时隙上无冲突地发送数据分组。接收节点正确收到后，回复ACK分组进行成功接收确认，从而完成一个完整的数据分组发送过程。 

在本实施例中，本发明接入控制方法的流程图如图2所示，具体包括以下步骤： 

S1、在控制信道上侦听RTS/CTS握手，若有数据分组发送，则随机选择一个预约时隙； 

S2、在所选预约时隙中随机选择一个退避微时隙； 

S3、判断退避微时隙是否到来； 

S4、若退避微时隙到来，且侦听到有节点发送RTS/CTS握手，则退避到下一个预约时隙，然后返回步骤S2；若退避微时隙到来，且未侦听到有节点发送RTS/CTS握手，则侦听控制信道的RTS/CTS握手，然后返回步骤S3； 

S5、若退避微时隙到来，且未侦听到有节点发送RTS/CTS握手，则发送RTS进行预约； 

S6、若接收方收到RTS，且接收方侦听到其他节点对的预约，正处于退避阶段，则接收方回复CTS； 

S7、若发送方收到CTS，则预约成功，接收方、发送方双方切换到相应的数据信道上进行数据分组的传输，发送方发送DATA； 

S8、若接收方收到DATA，则接收方回复ACK；发送方收到ACK后，DATA发送成功，完成一次通信会晤。 

其中，预约时隙选择阶段为步骤S1，步骤S2-6主要构成竞争微时隙选择和RTS/CTS握手阶段，步骤S7-8主要构成数据分组发送及确认阶段。 

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应 为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。