一种基于动态空闲信道评估门限的载波侦听方法

摘要

本发明提供了一种基于动态空闲信道评估门限的载波侦听方法，对现有的载波侦听机制进行改进，根据信道状态调整CCA门限及控制NAV有效作用范围，从而增加网络中的并发传输，提高网络吞吐量，本发明根据接收功率动态计算和调整CCA门限，可以有效提高网络的空间复用度，同时通过在CTS分组携带干扰容限和接受概率，有效地控制CTS分组中NAV的作用范围，进一步地提高空间复用度，从而提升网络吞吐量。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种载波侦听方法。

背景技术

无线局域网(WLAN)通常采用基于载波侦听多址接入/冲突避免(CSMA/CA，CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)的分布式协调功能(DCF，DistributedCoordinationFunction)方式接入。DCF采用物理载波侦听和虚拟载波侦听两种载波侦听机制来检测信道忙闲。只有两种机制的信道检测结果均为闲，节点才认为信道闲，否则认为信道忙。其中，物理载波侦听采用固定的空闲信道评估CCA门限，节点侦听信道，若节点检测到的能量超过空闲信道评估ClearChannelAssessment(CCA)门限，则认为信道忙，反之则认为信道空闲；虚拟载波侦听则是：节点在传输分组的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)分组头部携带本次传输的时长信息，即网络分配矢量NAV(NetworkAllocationVector)信息，其他节点若提取出该NAV信息，则认为在该段时间内信道忙。

随着智能设备的普及和无线应用的丰富，重叠小区的现象变得越来越普遍，而现有的载波侦听机制(包括物理载波侦听和虚拟载波侦听)都极大地限制了WLAN的性能。一方面，固定的CCA门限很大程度上决定了并发传输数，无法根据网络状况灵活地调整。另一方面，由于承载NAV信息的控制帧覆盖范围往往较大，因此一旦节点提取出NAV信息，并无条件接受该NAV信息，则将导致信道预约过于保守。

因此，针对现有载波侦听机制的不足，本发明提出了一种基于动态CCA门限的载波侦听方法。该方法有以下两个特点：(1)接收节点根据请求发送(RTS，RequestToSend)分组的接收功率动态调整自身的CCA门限；(2)节点若收到目的地址不是自身的清除发送CTS(ClearToSend)分组，则根据CTS分组接收功率及CTS帧中包含的干扰容限和接受概率信息决定是否接受该CTS帧中的NAV信息。该方法同时对物理载波侦听机制和虚拟载波侦听机制进行改进，提高空间复用度，从而提升网络吞吐量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明旨在对现有的载波侦听机制进行改进，根据信道状态调整CCA门限及控制NAV有效作用范围，从而增加网络中的并发传输，提高网络吞吐量。

本发明提出的载波侦听方法旨在增加网络的并发传输，提高网络的空间复用度，因此特别适用于有多个基本服务集BSS(BasicServiceSet)的WLAN场景。在WLAN密集部署的情况下，某个区域内存在多个BSS，每个BSS均分别由一个相应的接入点AP(AccessPoint)和若干个站点STA(Station)组成。考虑一般的WLAN中所有节点支持的DATA传输速率集记为r₁,r₂,...r_n，且r₁＜r₂＜...＜r_n，对应的接收信噪比门限值为SINRth₁,SINRth₂,...SINRth_n，且SINRth₁＜SINRth₂＜...＜SINRth_n，对于传输速率r_i(i＝1,2,...n)，只有接收信噪比大于等于对应的接收信噪比门限SINRth_i(i＝1,2,...n)，接收节点才能以相应的速率正确接收所传输的数据分组。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

步骤1：多个基本服务集BSS(BasicServiceSet)内有数据发送的节点，包括接入点AP节点和站点STA节点，按照IEEE802.11分布式协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)以二进制指数退避方式竞争信道，若多个发送节点同时在一个时隙内退避结束则发生冲突，所有发生冲突的节点按照IEEE802.11DCF机制重新侦听信道，并再次以二进制指数退避方式竞争信道，直至有且仅有一个发送节点退避完成，则转入步骤2，未完成退避的节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；

步骤2：发送节点按照IEEE802.11标准产生并发送RTS分组(RequestToSend，请求发送分组)，并转入步骤3；

步骤3：定义RTS分组的接收功率P_rts，定义RTS分组的接收信噪比SINR_real，用于计算动态空闲信道评估CCA(ClearChannelAssessment)门限和干扰功率，接收节点在接收RTS分组时，物理层会实时测量RTS分组的接收功率和接收信噪比，因此RTS分组的接收功率P_rts和接收信噪比SINR_real可从物理层读取并记录，位于RTS传输范围内的所有节点接收该RTS分组，并对RTS分组进行分析，每个节点提取RTS分组中包含的目的地址字段，如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)地址不匹配，则提取RTS分组中包含的持续时间Duration字段，并按照IEEE802.11标准设置网络分配矢量NAV，即在该Duration时长内虚拟载波侦听机制指示信道忙，该节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC地址匹配，则该节点为目的接收节点，目的接收节点记录RTS分组的接收功率P_rts和接收信噪比SINR_real，并转入步骤4；

步骤4：接收节点计算动态CCA门限值CCA_th和干扰功率P_i，并转入步骤5，动态CCA门限值CCA_th为：

CCA_th＝P_rts-SINR^*(1)

其中公式(1)中各变量单位均为dB，其中SINR^*为预先设定的固定的信噪比门限值，该门限值与信道衰落因子有关，信道衰落因子越大，信噪比门限值越大，SINR^*在[15,25]之间随意取值，建议SINR^*取值可取SINR^*＝20，干扰功率P_i为：

P_i＝P_rts-SINR_real(2)

步骤5：定义信噪比调整因子k用以调整期望的接收信噪比，k在[0,1]之间取值，定义信道干扰程度β用以判断信道的干扰程度，定义最大信道干扰程度β_max用以确定接收节点允许的最大信道干扰，RTS接收信噪比P_rts越大，则最大信道干扰程度β_max越大，且满足关系：β_max＝P_rts-SINRth₁，其中SINRth₁为最小的接收信噪比门限值，信道干扰程度β在[0,β_max]随意取值，接收节点根据步骤4计算得出的CCA门限值CCA_th和干扰功率P_i进行如下判断：

a)若P_i≤CCA_th，则设置k＝0.5，若P_i＞CCA_th，且P_i-CCA_th≤β，则设置k＝1，并转入步骤6；

b)若P_i＞CCA_th，且P_i-CCA_th＞β，接收节点不回复清除发送CTS(ClearToSend)分组，转入步骤12；

步骤6：节点支持的DATA传输速率记为r₁,r₂,...r_n，且r₁＜r₂＜...＜r_n，对应的接收信噪比门限值为SINRt₁,hSINRt₂h,...SINRt_nh，且SINRth₁＜SINRth₂＜...＜SINRth_n，对于传输速率r_i(i＝1,2,...n)，只有接收信噪比大于等于对应的接收信噪比门限SINRth_i(i＝1,2,...n)，接收节点才能以相应的速率正确接收所传输的数据分组；

接收节点计算三个变量，即DATA分组速率，干扰容限和接受概率，接收节点首先选择接收数据DATA(data)分组时的期望接收信噪比值为SINR_desired，

SINR_desired＝SINR^*+k*(SINR_real-SINR^*)

然后通过以下方法确定DATA速率r：

若SINRth_i≤SINR_desired＜SINRth_i+1，则r＝r_i，其中SINRth_i为DATA传输速率r_i所对应的接收信噪比门限，SINRth_i+1为DATA传输速率r_i+1所对应的接收信噪比门限，i＝1,2,...n-1；若SINR_desired≥SINRth_n，则r＝r_n，其中SINRth_n为最大DATA传输速率r_n所对应的接收信噪比门限；

干扰容限P_c的计算方法为：

P_c＝P_rts/SINR_desired-P_i

接受概率p的计算方法为：

若该接收节点首次接收到发送节点发送的RTS分组，则设置接受概率为p₀，p₀在[0,1]之间随意取值；若该接收节点不是首次接收到发送节点发送的RTS分组，且前一次接收到RTS分组后设置的接受概率为p_last，如果前一次正确接收到DATA分组，则降低本次的接受概率为p＝p_last-Δp，若p＜0，则设置p＝0，如果前一次未正确接收到DATA分组，则提高本次的接受概率为p＝p_last+Δp，若p＞1，则设置p＝1，Δp为接受概率调整量，需预先设定，Δp可在(0,1)之间随意取值，建议Δp取值可取Δp＝0.1，之后转入步骤7；

步骤7：接收节点构建CTS分组，本发明所采用的CTS分组格式在IEEE802.11标准字段基础上添加了3个字段，包括DATA分组速率字段3比特，干扰容限字段10比特和接受概率字段3比特，接收节点将DATA速率r、干扰容限P_c和接受概率p分别填充到CTS分组中的DATA速率字段、干扰容限字段和接受概率字段，CTS分组的其余字段按照IEEE802.11标准进行设置，之后转入步骤8；

步骤8：接收节点回复CTS分组，之后转入步骤9；

步骤9：位于CTS传输范围内的所有节点接收该CTS分组，并对CTS分组进行分析，每个节点提取CTS分组中包含的目的地址字段，如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)地址匹配，则该节点为源发送节点，发送节点从CTS分组的DATA速率字段提取DATA分组速率r，根据DATA分组速率r发送DATA分组，之后转入步骤10；如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)地址不匹配，则该节点记录CTS分组的接收功率P_cts，之后转入步骤11；

步骤10：发送节点等待接收节点回复确认ACK(Acknowledgement)分组，若接收到ACK分组，则传输结束，否则以二进制指数退避方式竞争信道，以进行重传；

步骤11：其他节点从CTS分组的干扰容限字段提取干扰容限信息P_c，接受概率字段提取接受概率信息p，并做出如下判断：

若P_cts≤P_c，则节点产生一个[0,1]之间的随机数p_rand，如果p_rand≥p，则该节点不接受CTS分组中的NAV信息，转入步骤12，否则，该节点提取CTS分组中包含的持续时间Duration字段，按照IEEE802.11标准设置网络分配矢量NAV，即在该Duration时长内虚拟载波侦听机制指示信道忙，该节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；

步骤12：节点不接受接收节点的NAV信息，则虚拟载波侦听机制指示信道空闲，节点如果位于发送节点的物理载波侦听范围内，则物理载波侦听机制指示信道忙，该节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；节点如果位于发送节点的物理载波侦听范围外，则物理载波侦听机制指示信道空闲，此时该节点可继续退避，退避完成后接入信道，从而与已有传输同时并发工作，提高网络的空间复用度。

本发明的有益效果是根据接收功率动态计算和调整CCA门限，可以有效提高网络的空间复用度，同时通过在CTS分组携带干扰容限和接受概率，有效地控制CTS分组中NAV的作用范围，进一步地提高空间复用度，从而提升网络吞吐量。

附图说明

图1是本发明一种典型的并发传输场景，其中节点A和节点B属于BSS1，节点C和节点D属于BSS2，并且A和C为AP节点，B和D为STA节点，其中BSS为BasicServiceSet，AP为接入点AccessPoint，STA为站点Station。

图2是本发明实施例中节点的时序图，其中SIFS是短帧间间隔ShortInter-frameSpace，DIFS是分布式帧间间隙(DistributedInter-frameSpace)，Busy表示载波侦听机制(包括物理载波侦听机制和虚拟载波侦听机制)指示信道忙，backoff退避，即节点在进行二进制指数退避，ACK为确认Acknowledgement，RTS为请求发送RequestToSend，CTS为清除发送ClearToSend，NAV(CTS)表示CTS分组中指示的NAV信息，CTS分组添加了三个字段，包括DATA速率r、干扰容限P_c和接受概率p。

图3是本发明CTS帧格式的参考设计，其中NAV为网络分配矢量NetworkAllocationVector，CTS帧包含帧控制字段2字节，信道控制字段2字节，NAV字段2字节，接收地址字段6字节，帧校验字段4字节；其中信道控制字段又可以细分为DATA速率字段3比特、干扰容限字段10比特和接受概率字段3比特。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明可以在无线网卡中通过固件实现，或实现在无线网卡的驱动程序之中。下面结合实例对本发明的实现进行详细的说明。

考虑某个区域内存在两个BSS，BSS1和BSS2。每个BSS均由一个接入点(AP，AccessPoint)和若干个站点(STA，Station)组成，BSS1的AP节点记为A，其内的某个STA节点记为B，BSS2的AP节点记为C，其内的某个STA节点记为D。节点A想向节点B发送数据，节点C想向节点D发送数据。网络中所有节点支持的DATA传输速率集相同，为r₁,r₂,..r._n，且r₁＜r₂＜...＜r_n，对应的接收信噪比门限值为SINRth₁,SINRth₂,...SINRth_n，且SINRth₁＜SINRth₂＜...＜SINRth_n。对于传输速率r_i(i＝1,2,...n)，只有接收信噪比大于等于对应的接收信噪比门限SINRth_i(i＝1,2,...n)时，接收端才能正确接收。

步骤1：多个基本服务集BSS(BasicServiceSet)内有数据发送的节点，包括接入点AP节点和站点STA节点，按照IEEE802.11分布式协调功能DCF(DistributedCoordinationFunction)以二进制指数退避方式竞争信道，若多个发送节点同时在一个时隙内退避结束则发生冲突，所有发生冲突的节点按照IEEE802.11DCF机制重新侦听信道，并再次以二进制指数退避方式竞争信道，直至有且仅有一个发送节点退避完成，则转入步骤2，未完成退避的节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；

网络场景可参考图1，两个BBS内有数据发送的节点，即节点A和节点C，按照IEEE802.11分布式协调功能DCF以二进制指数退避方式竞争信道，发送节点A首先退避完成，则转入步骤2；

步骤2：发送节点按照IEEE802.11标准产生并发送RTS分组(RequestToSend，请求发送分组)，并转入步骤3；

发送节点A按照IEEE802.11标准产生并发送RTS分组，其目的地址为节点B，之后转入步骤3；

步骤3：定义RTS分组的接收功率P_rts，定义RTS分组的接收信噪比SINR_real，用于计算动态空闲信道评估CCA(ClearChannelAssessment)门限和干扰功率，接收节点在接收RTS分组时，物理层会实时测量RTS分组的接收功率和接收信噪比，因此RTS分组的接收功率P_rts和接收信噪比SINR_real可从物理层读取并记录，位于RTS传输范围内的所有节点接收该RTS分组，并对RTS分组进行分析，每个节点提取RTS分组中包含的目的地址字段，如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)地址不匹配，则提取RTS分组中包含的持续时间Duration字段，并按照IEEE802.11标准设置网络分配矢量NAV，即在该Duration时长内虚拟载波侦听机制指示信道忙，该节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC地址匹配，则该节点为目的接收节点，目的接收节点记录RTS分组的接收功率P_rts和接收信噪比SINR_real，并转入步骤4；

具体步骤如下：

步骤3.1：位于RTS传输范围内的所有节点接收该RTS分组，并对RTS分组进行分析，每个节点提取RTS分组中包含的目的地址字段，如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC地址不匹配，则提取RTS分组中包含的持续时间Duration字段，并按照IEEE802.11标准设置网络分配矢量NAV，即在该Duration时长内虚拟载波侦听机制指示信道忙，节点一旦确认信道为忙，则按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；

步骤3.2：如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC地址匹配，即节点B，则节点B将物理层在接收RTS分组时所测量的接收功率P_rts和接收信噪比SINR_real记录下来，之后转入步骤4；例如，接收功率P_rts＝-40dB，接收信噪比SINR_real＝25dB；

步骤4：接收节点计算动态CCA门限值CCA_th和干扰功率P_i，并转入步骤5，动态CCA门限值CCA_th为：

CCA_th＝P_rts-SINR^*(1)

其中公式(1)中各变量单位均为dB，其中SINR^*为预先设定的固定的信噪比门限值，该门限值与信道衰落因子有关，信道衰落因子越大，信噪比门限值越大，SINR^*在[15,25]之间随意取值，建议SINR^*取值可取SINR^*＝20，干扰功率P_i为：

P_i＝P_rts-SINR_real(2)

接收节点B计算动态CCA门限值CCA_th和干扰功率P_i，动态CCA门限值CCA_th为：

CCA_th＝P_rts-SINR^*

其中SINR^*取值可取SINR^*＝20。

计算干扰功率P_i的方法为：

P_i＝P_rts-SINR_real

之后转入步骤5。例如，取SINR^*＝20dB，则动态CCA门限值CCA_th＝-40-20＝-60dB，干扰功率P_i＝-40-25＝-65dB。

步骤5：定义信噪比调整因子k用以调整期望的接收信噪比，k在[0,1]之间取值，定义信道干扰程度β用以判断信道的干扰程度，定义最大信道干扰程度β_max用以确定接收节点允许的最大信道干扰，RTS接收信噪比P_rts越大，则最大信道干扰程度β_max越大，且满足关系：β_max＝P_rts-SINRth₁，其中SINRth₁为最小的接收信噪比门限值，信道干扰程度β在[0,β_max]随意取值，接收节点根据步骤4计算得出的CCA门限值CCA_th和干扰功率P_i进行如下判断：

a)若P_i≤CCA_th，则设置k＝0.5，若P_i＞CCA_th，且P_i-CCA_th≤β，则设置k＝1，并转入步骤6；

b)若P_i＞CCA_th，且P_i-CCA_th＞β，接收节点不回复CTS分组，转入步骤12；

例如，步骤4计算出来的动态CCA门限值和干扰功率分别为CCA_th＝-60dB，P_i＝-65dB，满足P_i≤CCA_th，则设置k＝0.5，且回复CTS分组，并转入步骤6。

步骤6：节点支持的DATA传输速率记为r₁,r₂,...r_n，且r₁＜r₂＜...＜r_n，对应的接收信噪比门限值为SINRt₁,hSINRt₂h,...SINRt_nh，且SINRth₁＜SINRth₂＜...＜SINRth_n，对于传输速率r_i(i＝1,2,...n)，只有接收信噪比大于等于对应的接收信噪比门限SINRth_i(i＝1,2,...n)，接收节点才能以相应的速率正确接收所传输的数据分组；

接收节点计算三个变量，即DATA分组速率，干扰容限和接受概率，接收节点首先选择接收数据DATA(data)分组时的期望接收信噪比值为SINR_desired，

SINR_desired＝SINR^*+k*(SINR_real-SINR^*)

然后通过以下方法确定DATA速率r：

若SINRth_i≤SINR_desired＜SINRth_i+1，则r＝r_i，其中SINRth_i为DATA传输速率r_i所对应的接收信噪比门限，SINRth_i+1为DATA传输速率r_i+1所对应的接收信噪比门限，i＝1,2,...n-1；若SINR_desired≥SINRth_n，则r＝r_n，其中SINRth_n为最大DATA传输速率r_n所对应的接收信噪比门限；

干扰容限P_c的计算方法为：

P_c＝P_rts/SINR_desired-P_i

接受概率p的计算方法为：

若该接收节点首次接收到发送节点发送的RTS分组，则设置接受概率为p₀，p₀在[0,1]之间随意取值；若该接收节点不是首次接收到发送节点发送的RTS分组，且前一次接收到RTS分组后设置的接受概率为p_last，如果前一次正确接收到DATA分组，则降低本次的接受概率为p＝p_last-Δp，若p＜0，则设置p＝0，如果前一次未正确接收到DATA分组，则提高本次的接受概率为p＝p_last+Δp，若p＞1，则设置p＝1，Δp为接受概率调整量，需预先设定，Δp可在(0,1)之间随意取值，建议Δp取值可取Δp＝0.1，之后转入步骤7；

例如，步骤5计算出来的信噪比调整因子为k＝0.5，则期望接收信噪比值为SINR_desired＝20+0.5*(25-20)＝22.5dB，根据IEEE802.11a标准，传输速率为36Mbps对应的信噪比门限为18.8dB，传输速率为48Mbps对应的信噪比门限为24.05dB，因此选择DATA速率为r＝36Mbps。干扰容限P_c＝-40-22.5-(-65)＝2.5dB，前一次回复CTS分组时设置的接受概率值为p_last＝0.5，接受概率调整量设为Δp＝0.1，如果上次传输成功，则接受概率p＝0.5-0.1＝0.4。

步骤7：接收节点构建CTS分组，CTS帧格式可参考图3，本发明所采用的CTS分组格式在IEEE802.11标准字段基础上添加了3个字段，包括DATA分组速率字段3比特，干扰容限字段10比特和接受概率字段3比特，接收节点将DATA速率r、干扰容限P_c和接受概率p分别填充到CTS分组中的DATA速率字段、干扰容限字段和接受概率字段，CTS分组的其余字段按照IEEE802.11标准进行设置，之后转入步骤8；

步骤8：接收节点回复CTS分组，之后转入步骤9；

步骤9：位于CTS传输范围内的所有节点接收该CTS分组，并对CTS分组进行分析，每个节点提取CTS分组中包含的目的地址字段，如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)地址匹配，则该节点为源发送节点，发送节点从CTS分组的DATA速率字段提取DATA分组速率r，根据DATA分组速率r发送DATA分组，之后转入步骤10；如果目的地址与该节点的介质访问控制MAC(MediaAccessControl)地址不匹配，则该节点记录CTS分组的接收功率P_cts，之后转入步骤11；

例如，节点A提取的DATA分组速率r＝36Mbps，则以36Mbps的速率向节点B发送DATA分组。CTS分组的接收功率P_cts＝-50dB。

步骤10：发送节点等待接收节点回复确认ACK(Acknowledgement)分组，若接收到ACK分组，则传输结束，否则以二进制指数退避方式竞争信道，以进行重传，发送节点A和接收节点B的接入时序可参考图2；

步骤11：其他节点从CTS分组的干扰容限字段提取干扰容限信息P_c，接受概率字段提取接受概率信息p，并做出如下判断：

若P_cts≤P_c，则节点产生一个[0,1]之间的随机数p_rand，如果p_rand≥p，则该节点不接受CTS分组中的NAV信息，转入步骤12，否则，该节点提取CTS分组中包含的持续时间Duration字段，按照IEEE802.11标准设置网络分配矢量NAV，即在该Duration时长内虚拟载波侦听机制指示信道忙，该节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；

步骤12：节点不接受接收节点的NAV信息，则虚拟载波侦听机制指示信道空闲，节点如果位于发送节点的物理载波侦听范围内，则物理载波侦听机制指示信道忙，该节点按照IEEE802.11DCF机制暂停退避；节点如果位于发送节点的物理载波侦听范围外，则物理载波侦听机制指示信道空闲，此时该节点可继续退避，退避完成后接入信道，从而与已有传输同时并发工作，提高网络的空间复用度。

例如，节点C从CTS分组提取出的干扰容限P_c＝2.5dB，接受概率信息p＝0.4。则有P_cts(-50dB)＜P_c(2.5dB)，因此需要产生随机数p_rand＝0.7。由于p_rand＞p，则节点C不接受该NAV信息，继续按照IEEE802.11DCF机制侦听信道。发送节点C和接收节点D的接入时序可参考图2。