移动Ad Hoc网络中的双信道预约接入控制方法

摘要

本发明公开了移动Ad Hoc网络中的双信道预约接入控制方法，包括预约时隙选择、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。该方法在单跳和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。而且本发明提出的方法是在硬件上可以实现的。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别涉及一种移动Ad Hoc网络中的双信道预约接入控制方法。 

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。IEEE802.11 DCF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。此方法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，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移动Ad Hoc网络中的双信道预约接入控制方法，该方法在单跳和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。而且本发明提出的方法是在硬件上可以实现的。 

本发明采用以下技术方案来实现上述目的：移动Ad Hoc网络中的双信道预约接入控制方法，包括预约时隙选择、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； 

所述预约时隙选择的过程如下：每个节点根据本节点有无数据分组发送情况来决定是否在当前时隙发起预约；对新产生数据分组的初次发送，发送节点选择该数据分组产生后的第 1个预约时隙或成功发送完上一个数据分组后的第1个预约时隙开始数据分组发送过程；发送方首先侦听RCH信道1个预约时隙，若在此期间发送方的接收方没有收发RTS或CTS分组的话，它就在此预约时隙结束后的下一个预约时隙中准备发送RTS分组；否则，它就退避到下一个预约时隙准备发送RTS分组； 

所述竞争微时隙选择和RTS/CTS握手的过程如下：当发送节点在RCH信道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RCH上等待接收节点回复CTS分组；否则退避到下一个预约时隙再重新进行预约； 

发送节点发送完RTS分组后等待接收CTS分组，若收到CTS分组，则此次预约成功；否则预约失败； 

如果接收节点正确接收到发给自己的RTS分组，那么接收节点就立刻回复CTS分组，并在TCH上准备接收DATA分组；若目的节点不是自己或不能正确接收RTS分组，则不作任何处理； 

所述数据分组发送及确认的过程如下：预约成功后转到TCH上在对应的数据分组传输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，从而完成数据分组发送过程； 

所述NMS是在建立网络时人工设定的竞争微时隙的个数。 

优选地，所述竞争微时隙选择和RTS/CTS握手的过程中，对于预约失败，如果当前数据分组发送未达到最大重传次数，则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尝试重发该数据分组的过程；如果达到最大重传次数，则进行丢包处理；所述K_MAX是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。 

优选地，所述的移动Ad Hoc网络中的双信道预约接入控制方法，包括以下步骤： 

S1、预约时隙开始后，判断节点是否要在当前预约时隙预约，若是，则随机选择一个竞争微时隙，准备发送RTS分组；若否，则转入步骤S6； 

S2、判断节点在发送RTS分组前的竞争微时隙中是否侦听到其他节点的发送，若否则转入步骤S3；若是则转入步骤S6； 

S3、发送RTS分组； 

S4、判断是否收到接收节点回复的CTS分组，若是，转到TCH，在数据分组传输时隙发送DATA分组； 

S5、判断是否收到接收节点的ACK分组，若否，则转入步骤S6，若是则转入步骤S10； 

S6、判断是否达到重传次数上限，若是则丢包处理，若否则准备重传； 

S7、判断是否正确接收到RTS分组，并且目的节点是自己，若是则回复CTS分组，转到TCH接收DATA分组；若否，则转入步骤S9； 

S8、判断是否正确接收到DATA分组，若是则回复ACK分组，若否则不回复或回复NACK分组； 

S9、判断是否还能无冲突发送RTS分组，若是则转入步骤S3；若否则返回步骤S1； 

S10、转到RCH上，然后返回步骤S1； 

上述预约时隙选择阶段包括步骤S1、S2、S6及S9，竞争微时隙选择阶段包括步骤S3和S7，数据分组发送及确认阶段包括步骤S4、S5及S8。 

本发明使用双信道策略，一个信道作为预约信道，另一个信道作为数据发送信道，在预约上完成RTS/CTS信道预约，预约成功后在数据信道上发送数据，接收节点在收到数据后发送应答信号；使用TDMA方式而非CSMA/CA方式，将时间轴分成长度相同的时隙，信道预约和数据发送都是在一个时隙里完成，时隙的长度可以根据数据量的大小进行调整；使用的预约方式是在时隙开始后在预约信道上发起预约的，其预约数据信道的下一个时隙，且在预约信道上发起预约是采用微时隙退避的方式而不是二进制退避的方式，节点在时隙开始后随机选择退避一定的微时隙数，然后再发送RTS预约信号。 

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果： 

1、各节点利用一部半双工收发机在RCH上采用预约时隙和竞争微时隙随机退避机制进行RTS/CTS信道预约，在TCH上进行无冲突的数据分组发送和确认，从而实现了最佳业务平衡的并行信道预约和数据分组发送，避免了信道资源浪费。 

2、本发明允许暴露终端发送方和隐藏终端接收方与发送方同时收发数据分组，提高了并行数据分组发送机会，最大限度地降低了预约分组的碰撞区间，从而大大提高了信道的接入成功率和利用效率，获得了更好的多址性能。 

3、本发明提出的方法不需要建立信道状态表，不需要改变RTS、CTS分组格式，不需要设置、更新NAV以便进行收发退避，不需要额外的信道和硬件设备，大大降低了开销、实现成本和复杂度，提供了良好的兼容性，并可以通过优化调整RCH和TCH的数据速率分配达到最佳的多址性能。 

附图说明

图1是信道接入控制方法时序图； 

图2是信道接入控制方法分组收发流程图。 

在图1中，RCH是预约信道；TCH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 

图1作为本发明的时序图，在RCH和TCH上的时间被分成长度相等的时隙，分别称为预约时隙(RS)和数据分组传输时隙(TS)。在RCH上的RS中，各节点发送RTS或CTS分组进行信道预约，然后在TCH上的TS中发送DATA并进行ACK确认。 

在RCH上的每个RS时隙包括NMS个竞争微时隙(CMS)、RTS和CTS分组的发送时间以及2个短帧间间隔(SIFS)，其中，SIFS一般包括信号往返传播时间、接收机处理时间、收发转换时间。SIFS(Short Interframe Space)在802.11系列无线局域网中是固定值，是最小的帧间间隔，因此采用SIFS的节点具有访问无线链路的最高优先级；它等于节点从发送状态切换到接收状态并能正确解码所需要的时间，或者从接收状态转为发送状态所需要的时间，在SIFS过期后可能发送的数据包包括ACK、CTS帧，不同标准中规定的SIFS值不同。主要用来保护发送数据包后收发机转换和数据处理以及数据优先级都需要一定的时间来处理，设定此参数就是为了保护防止分配的时隙过小导致无法发送ACK确认等类型的帧。)。在TCH上的TS时隙包括DATA和ACK分组的发送时间以及2个SIFS。所述NMS为建立网络时人工设定的微时隙的个数。 

图2为本发明的分组收发流程图，整个预约接入控制过程包括预约时隙选择、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。 

所述预约时隙选择的过程如下：每个节点根据自己有无数据分组发送情况来决定是否在当前时隙发起预约。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。发送方首先侦听RCH 1个预约时隙，若在此期间它的接收方没有收发RTS或CTS分组的话，它就在此预约时隙结束后的下一个预约时隙中准备发送RTS分组；否则，它就退避到下一个预约时隙准备发送RTS分组。 

所述竞争微时隙选择和RTS/CTS握手的过程如下：当发送节点在RCH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RCH上等待接收节点回复CTS分组；否则退避到下一个预约时隙再重新进行预约。所述NMS是在建立网络时人工设定的竞争微时隙的个数。 

发送节点发送完RTS分组后等待接收CTS分组，若收到CTS分组，则此次预约成功；否则预约失败。对于预约失败，如果当前数据分组发送未达到最大重传次数，则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尝试重发该数据分组的过程；如果达到最大重传次数，则进行丢包处理。所述K_MAX是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。 

如果接收节点正确接收到发给自己的RTS分组，那么它就立刻回复CTS分组，并在TCH上准备接收DATA分组；若目的节点不是自己或不能正确接收RTS分组，则不作任何处理。 

所述数据分组发送及确认的过程如下：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TCH上在对应的数据分组传输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、预约时隙开始后，判断节点是否要在当前预约时隙预约，若是，则随机选择一个竞争微时隙，准备发送RTS分组；若否，则转入步骤S6； 

S2、判断节点在发送RTS分组前的竞争微时隙中是否侦听到其他节点的发送，若否则转入步骤S3；若是则转入步骤S6； 

S3、发送RTS分组； 

S4、判断是否收到接收节点回复的CTS分组，若是，转到TCH，在数据分组传输时隙发送DATA分组； 

S5、判断是否收到接收节点的ACK分组，若否，则转入步骤S6，若是则转入步骤S10； 

S6、判断是否达到重传次数上限，若是则丢包处理，若否则准备重传； 

S7、判断是否正确接收到RTS分组，并且目的节点是自己，若是则回复CTS分组，转到TCH接收DATA分组；若否，则转入步骤S9； 

S8、判断是否正确接收到DATA分组，若是则回复ACK分组，若否则不回复或回复NACK分组； 

S9、判断是否还能无冲突发送RTS分组，若是则转入步骤S3；若否则返回步骤S1； 

S10、转到RCH上，然后返回步骤S1。 

上述预约时隙选择阶段包括步骤S1、S2、S6及S9，竞争微时隙选择阶段包括步骤S3和S7，数据分组发送及确认阶段包括步骤S4、S5及S8。 

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。