CN100521581C - 保证服务质量的多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种保证服务质量的多址接入方法，其中包括：节点在侦听信道空闲后，选择预报突发起始微时隙；监测所述预报突发起始微时隙前的若干个微时隙，若空闲，则从选择的预报突发起始微时隙开始发送一个或多个预报突发分组，否则，重新执行所述侦听信道空闲的步骤；侦听信道时隙，若没有收到其他预报突发分组，则发送业务分组，否则，重新执行所述侦听信道空闲的步骤。本发明通过将竞争接入和业务分组发送分开，在竞争期利用预报突发的冲突解决机制，使得节点快速有效得接入信道，减少了碰撞概率，提高了网络吞吐量，同时减少了分组时延，提高了网络性能，并保证了节点接入信道的公平性。

Description

保证服务质量的多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种保证服务质量的多址接入方法，特别涉及一种可进行冲突解决的多址接入方法。

背景技术

多址接入(即媒质接入控制，Medium Access Control，以下简称：MAC)方法解决多个节点或用户快速、高效、公平、可靠地共享信道资源的问题。按照信道分配的方式，多址接入方法通常分为固定分配、随机接入和按需分配三种方式。

固定分配的多址接入方法一般将信道资源长时间固定分配给共享信道的某些节点或者所有节点。由于各种移动通信网络中存在大量的移动节点，并且每个节点的业务也多以突发业务为主，因此固定分配的多址接入方法会造成大量的信道资源空闲和浪费，不适合在移动通信网络中直接应用。

随机接入的多址接入方法中，各节点通常根据载波侦听的情况经过随机延时后竞争使用信道。该方法虽可以克服固定分配接入方式中的资源浪费问题，在业务量较小时可以获得很小的接入时延，但各节点基于载波侦听的方式在多跳网络结构中共享无线广播信道时，会出现隐藏终端和暴露终端问题，使得多址性能大大降低。特别是当发送节点数和网络业务量增大时，分组碰撞和重传的概率会急剧加大，从而大大增大了平均分组时延和平均分组丢弃率、降低了信道吞吐量，也同时会出现共享信道不公平等问题。

按需分配的多址接入方法中，各节点根据业务情况申请信道资源，申请成功后再使用信道资源。按照申请预约和分配信道方式的不同，该方法可分为基于随机竞争和基于无冲突两类。基于随机竞争的方法主要采用各种短控制分组握手(如发送请求/清除请求)、周期性状态信息交换等分布式预约方式，适合于突发性较强、传输消息较短类型的业务传输，如IEEE 802.11分布式协调功能、双忙音多址和分布式分组预约多址等方法。基于无冲突的方法主要利用中心控制节点进行协调来实现按需分配，适合于一次接入建立后需要较长时间稳定传输的业务类型，可以提供很好的服务质量(Quality ofService，以下简称：QoS)保证，其典型代表多使用轮询机制，如IEEE 802.11点协调功能和虚拟基站等方法。不过，前者在申请预约部分仍然存在分组碰撞，隐藏终端的影响只是得到了减弱、并没有消除；后者可以避免分组碰撞情况的发生，不过当许多节点不发送时，这种方法会浪费大量的轮询控制开销。

同时，现有技术提出的按需分配的多址接入方法还存在其他问题，例如，在网络业务量较低时，与随机接入方法相比，按需分配方法存在控制开销所占比例过大、传输时延较大的问题。又如，在网络业务量较高时，与固定分配方法相比，按需分配方法存在最大信道吞吐量不够高、不能保证共享信道的公平性等问题。此外，上述各类多址接入方法中，都有许多多址接入方法需要建立较为准确的网络同步前提下才能实现，而在实际应用中，多跳分布式无线网络都很难实现全网的准确同步。

目前多址接入方法还考虑了对多媒体业务QoS的支持，其实现方式一般可以分为两类：一是基于业务区分的方法，即针对不同的业务进行优先级分配和公平调度，如IEEE 802.11e增强的分布式协调功能针对4种接入类别采用区分的帧间隔和退避机制，支持8个不同的业务优先级；另一类是基于资源预留的方法，主要是通过预约和调度机制为实时业务提供QoS服务。还有许多研究工作是在IEEE 802.11标准中带冲突避免的载波侦听多址基础上按照实时业务优先的思想，对接入机制采取划分业务优先级和使用不同退避策略的方法进行改进，从而在现有网络上实现QoS支持。但是，基于载波侦听多址的接入机制应用到多跳网络时，难以保证所有高优先级业务的时延都限定在较小范围内，因为正在邻近节点中不断交替进行的低优先级业务传输可能阻碍高优先级业务的启动，而且没有启动时间限制的发送请求/清除请求握手也制约了实时业务在多跳网络中的QoS性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种不需要中心控制节点就能够保证服务质量的多址接入方法，使节点快速有效地接入信道，减少碰撞概率，提高网络吞吐量，同时减少分组时延，提高网络性能，并保证节点接入信道的公平性。

本发明通过一些实施例提供了如下的技术方案，包括：节点在侦听信道空闲后，根据所述节点要发送的业务分组的优先级和时延选择预报突发(Forecast Burst，以下简称：FB)起始微时隙；根据所述节点要发送的业务分组的优先级和时延设定预报突发分组的个数；监测所述预报突发起始微时隙前的若干个微时隙，若空闲，则从选择的预报突发起始微时隙开始发送一个或多个预报突发分组，否则，重新执行所述侦听信道空闲的步骤；侦听信道时隙，若没有收到其他预报突发分组，则发送业务分组，否则，重新执行所述侦听信道空闲的步骤。

所述节点侦听信道空闲可具体为：当节点有业务接入信道时，侦听信道空闲了一个窗口时间，该窗口时间内节点能够确认邻近节点中是否有正在进行的竞争和传输。

选择预报突发起始微时隙具体为：根据所述节点要发送的业务分组的优先级和时延设定所述起始微时隙，业务分组的时延具体由前一段时期所述节点内所发送业务分组的平均时延来决定。

选择预报突发起始微时隙还可以具体为：所述节点判断要发送的业务分组，若为实时业务分组，则所述节点根据要发送的业务分组的优先级和时延，从前若干个微时隙中选择预报突发起始微时隙；若为非实时业务分组，则所述节点根据要发送的业务分组的优先级和时延，从随后若干个微时隙中选择预报突发起始微时隙。有实时业务待发的节点在前面的微时隙中竞争信道使用权，而有非实时业务待发的节点只有在实时业务竞争微时隙都空闲的情况下，才能在随后的微时隙中竞争信道使用权，这样可以区分实时业务和无时延敏感非实时业务，并保证实时业务的时延要求。

上述技术方案中，一个预报突发分组的发送时间为一个微时隙。

所述侦听信道时隙可具体为：节点侦听信道一个微时隙；如果信道忙，表明还有更高优先级的业务在发送预报突发分组，则该节点本次竞争失败；如果信道空闲，则该节点获得该信道的接入权。

所述发送业务分组具体为：获得信道接入权的节点发送业务分组，并等待由接收节点反馈的确认分组，若所述节点在预定时间内接收到所述确认分组，则结束；若超时未接收到所述确认分组，表明该分组未被正确接收，则该节点重新执行所述侦听信道空闲的步骤。

上述技术方案中，还可以包括：根据所述业务分组的优先级和时延设定所述要发送的预报突发分组的个数，按照最早失效优先(Earliest DeadlineFirst，以下简称：EDF)准则，预报突发分组的个数应该正比于业务分组的时延；同时设定预报突发分组越个数越多的节点享有越高的接入权，即具有较高优先级和最早失效分组的节点在较早的微时隙开始发送较多的预报突发分组；在业务较重时，可以适当增加竞争时隙，以便获得满意的接入效率。

上述技术方案中，所述侦听可采用基于灵敏载波侦听的方式。

本发明的实施例提供的能够保证服务质量的多址接入方法，将竞争接入和分组发送分开，在竞争期利用预报突发的冲突解决机制，使得节点快速有效地接入信道，减少了碰撞概率，提高了网络吞吐量，同时减少了分组时延，提高了网络性能，并保证了节点接入信道的公平性。

本发明的实施例采用了优先级区分的策略，实时业务分组在较早的竞争时隙发送预报突发分组能够优先获得接入，从而使得实时业务的时延性能得到最大保证，尤其是在业务负载较大时，优先保证了实时业务都能较快获得接入，而非实时业务可以通过重传的机制做尽力而为的传输保证。

本发明的实施例还保证了节点接入信道的公平性，节点通过预报突发来竞争信道接入权，而预报突发分组的个数由业务分组的优先级和时延决定，发送次数较多的节点其分组时延应该相对较小，因而它不可能始终占有信道使用权；时延情况较为严重的节点在同优先级情况下能获得优先接入，保证了节点接入时的公平性。

本发明的实施例利用灵敏载波侦听可以判断节点两跳范围内信道占用情况，以此避免隐藏终端可能造成的碰撞。具体地，在无线网络中，接收机能够监听到发射机载波的距离约为可以正确接收分组距离的2倍，也就是说，通过在物理层侦听信道中载波信号强度，节点可以在MAC层判断两跳范围内信道是否被占用，从而避免隐藏终端所带来的问题。

本发明的实施例中，各节点仅需一部半双工的收发信机，设备要求简单。另外，本发明适用于通过广播类介质相连的多跳网络拓扑结构中多节点的接入，应用范围广泛。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明保证服务质量的多址接入方法的流程图；

图2为本发明保证服务质量的多址接入方法具体实施例的流程图；

图3为本发明保证服务质量的多址接入方法具体实施例的时序图。

具体实施方式

参见图1，为本发明保证服务质量的多址接入方法的流程图，具体为：

步骤101、在侦听信道空闲后，节点选择预报突发起始微时隙；

步骤102、监测所述预报突发起始微时隙前的若干个微时隙，若空闲，执行步骤103；否则，执行步骤101；

步骤103、从所述预报突发起始微时隙开始发送一个或多个预报突发分组；

步骤104、侦听信道时隙，若没有收到其他预报突发分组，则执行步骤105；否则，执行步骤101；

步骤105、发送业务分组。

本发明的实施例通过将竞争接入和业务分组发送分开，在竞争期利用预报突发的冲突解决机制，使得节点快速有效得接入信道，减少了碰撞概率，提高了网络吞吐量，同时减少了分组时延，提高了网络性能，并保证了节点接入信道的公平性。

参见图2，为本发明保证服务质量的多址接入方法具体实施例的流程图，该多址接入的过程分为以下几个阶段：侦听窗口时间、竞争期以及传输期，节点在侦听窗口时间空闲后，进入竞争期，在竞争期获得信道接入权的节点获准进入传输期；其中竞争期被分为若干个微时隙，在竞争期中，分别设定n个微时隙和m个微时隙，n个微时隙在m个微时隙之前，其中，实时业务在n个微时隙中选取FB起始微时隙，非实时业务在m个微时隙中选取FB起始微时隙；该实施例具体为：

步骤201、节点有业务需要接入信道时，采用灵敏载波侦听方式侦听信道一个窗口时间，该窗口时间用T_win来表示，如果在T_win时间内信道处于空闲状态，则节点进入竞争期；

步骤202、节点判断所要发送的业务，若为实时业务，执行步骤203；若为非实时业务，执行步骤204；

步骤203、按照要发送的业务分组的优先级和时延情况，从n个微时隙中选择要开始发送FB的起始微时隙，并确定发送FB的个数K，执行步骤205；设该FB起始微时隙是竞争期的第I个微时隙，1≤I≤n，其中I为正整数；

步骤204、按照要发送的业务分组的优先级和时延情况，从m个微时隙中选择要开始发送FB的起始微时隙，并确定发送FB的个数K，执行步骤205；设该FB起始微时隙是竞争期的第I个微时隙，n+1≤I≤n+m，其中I为正整数；

步骤205、节点监测第I个微时隙之前的若干个微时隙，即监测第1至第(I-1)个微时隙，若都空闲，表明没有其他邻近节点发送FB分组，执行步骤206；否则，执行步骤201；

步骤206、从竞争期的第I个微时隙开始，节点根据其业务分组优先级和时延情况开始发送K个FB分组，业务分组的时延具体由前一段时期节点内所发送业务分组的平均时延来决定；发送完K个FB分组后，侦听信道一个观测时间，用T_obs来表示，如果信道空闲确定接入成功，执行步骤207；否则，执行步骤201；

步骤207、节点竞争成功，获得信道接入权，则进入传输期，发送业务分组，并等待由接收节点正确接收后反馈的确认分组，若该节点在预定时间内接收到确认分组，则执行步骤208；若超时未收到确认分组，则执行步骤201，等待下一轮竞争；

步骤208、完成本次传输，从缓存队列中删除完成传输并被正确接收的业务分组。

具体地说，竞争期微时隙的时间长度小于接入前侦听窗口时间长度，其大小为最大信号传播时延、收发转换时间和接收机监测时间之和，其中至多有n个微时隙用于实时业务选取其FB起始微时隙，至多有m个微时隙用于无时延敏感的非实时业务选取其FB起始微时隙。在竞争过程中，为了保证实时分组优先接入，有实时业务待发的节点在n个微时隙中竞争信道使用权，而有非实时业务待发的节点只有在前n个微时隙都空闲的情况下，才能在随后的m个微时隙中竞争信道使用权，保证实时业务优先获得信道接入权。

步骤203和步骤204中，业务分组的时延具体由前一段时期节点内所发送业务分组的平均时延来决定。

其中步骤205，具体地说，如果前I-1个微时隙都空闲，节点从第I个微时隙开始发送FB分组，侦听到开始发送之前的微时隙已经有FB分组在发送的节点不再加入竞争。I的大小符合以业务分组优先级和时延为参数的概率分布，并小于分配给该种业务的竞争微时隙总数；进一步地，I可以是服从参数为q的截短几何概率分布，q的大小与业务分组的优先级和时延有关。

其中步骤206中FB分组的个数K由业务分组的优先级和时延确定，业务分组的时延具体由前一段时期节点内所发送业务分组的平均时延来决定；进一步地，节点从第I个微时隙开始发送的FB分组个数为K，时间长度为K·T_FB，T_FB为发送一个FB分组所需的时间，与基本微时隙长度相等；K的数值与业务分组的优先级和时延有关，优先级越高，K就越大，按照EDF准则，K的大小应该与实时业务分组的时延D成正比，即K∝D/D_max，其中D_max为业务分组的最大允许时延。在发送完预定的K个FB分组后，节点侦听信道一个观测时间，该观测时间用T_obs来表示，T_obs可以等于T_FB，以此确定此时信道的状态；如果信道忙，说明还有更高优先级的业务在发送更多的FB分组，则该节点本次竞争失败而退让；如果信道空闲，则该节点获得信道接入权。

其中步骤207，具体地说，节点获得信道接入权并立即发送业务分组，业务分组的长度应该远大于FB分组的长度，来保证本方法具有相对较小的开销；接收节点正确完成业务分组接收后，反馈确认分组，节点接收到确认分组后，认为传输成功，完成此次分组传输，否则，重新进行竞争接入。

其中步骤208，完成本次传输后，从缓存队列中删除完成传输并被正确接收的分组，根据该节点的业务负载，开始下一分组的竞争和发送过程。

该实施例中，如果信道一直处于空闲状态，各个节点均采用上述接入方法，以各自的侦听时刻作为接入开始的参考点。

参见图3，为本发明保证服务质量的多址接入方法具体实施例的时序图。其中，A、B节点发送实时业务，C节点发送非实时业务；将节点多址接入的过程划分为以下几个阶段，分别是：窗口时间T_win、竞争期T₁、传输期T₂，其中，又将竞争期T₁划分为若干个微时隙，在T₁中，分别设定n个微时隙和m个微时隙，n个微时隙在m个微时隙之前，微时隙长度与FB分组发送时间相等，用T_FB来表示发送一个FB分组的时间，因此T₁中微时隙时间长度分别为n×T_FB和m×T_FB，FB分组的发送时间为K×T_FB。该实施例具体包括以下步骤：

步骤301、节点A、B、C有业务要接入信道，侦听信道一个窗口时间T_win，确认其空闲，均进入竞争期T₁；

步骤302、节点A、B和C判断所要发送的业务分组，其中节点A、B要发送的是实时业务分组，节点C要发送的是非实时业务分组；

步骤303、节点A、B按照要发送的业务分组的优先级和时延情况，从n个微时隙中选择要开始发送FB分组的FB起始微时隙，设A、B的FB起始微时隙分别为竞争期T₁的第I_A和第I_B个微时隙，节点C从随后m个微时隙中选择要开始发送FB分组的FB起始微时隙，设C的FB起始微时隙为竞争期T₁的第I_C个微时隙；

该实施例中，设竞争期T₁的开始微时隙为第1个微时隙，发送实时业务分组的节点A、B选择开始发送FB分组的FB起始微时隙相同，I_A＝I_B＝3。

步骤304、节点A、B判断各自FB起始微时隙之前的微时隙是否空闲，其中，竞争期T₁的第1到2个微时隙中没有FB分组发送，说明目前A、B具有最高优先级的业务，被允许发送FB分组；

对于节点C，非实时业务分组使其选择的I_C值在m个微时隙中，即n≤I_C≤n+m。在该实施例中，节点C在竞争期T₁能够在预定开始发送FB分组的微时隙前，侦听到节点A、B发送的FB分组，由此节点C获知有更高优先级业务的节点正在接入，于是取消预定的FB分组发送，返回步骤301，重新竞争接入。

步骤305、允许发送FB分组的节点A、B从竞争期的第3个时隙开始各自发送一定个数的FB分组进行竞争，FB分组的个数K由业务分组的优先级和时延情况决定，优先级越高、时延越大的分组越优先发送，因此其所在节点的K更大。该实施例中，节点A可以发送5个FB分组，节点B的分组可能时延更小因而只有2个FB分组；

节点A、B将以上预定个数的FB分组发送完成后，侦听信道一个微时隙，用T_obs来表示；节点B发送的FB分组数目较少，更早完成发送，在其T_obs时间内可以侦听到A仍在发送FB分组，可以获知有其他节点的业务具有更高接入优先级，于是，节点B退让并返回步骤301重新接入；而节点A发送完成后，成为当前发送FB分组的节点中有最多FB分组个数的节点，因而节点A在T_obs时间内侦听到信道空闲，由此确认竞争成功，获得信道接入权。

步骤306、获得信道接入权的节点A进入传输期T₂，发送业务分组，并接收由接收节点反馈的确认分组。如果在预定时间内收到接收节点的确认分组，则此次传输成功，执行步骤307；否则，执行步骤301，等待下一轮竞争。

步骤307、节点A接收到确认分组后，完成此次分组传输，从缓存队列中删除完成传输并被正确接收的分组，根据该节点的业务负载，开始下一分组的竞争和发送过程。

上述实施例，采用灵活简单的预报突发及冲突解决方法使得节点更快速、有效地接入信道；最大限度的保证实时业务分组能够快速接入信道，获得信道的使用权，优先于一般非实时业务分组完成传输；使得多跳无线网络具有信道吞吐量高、接入时延小、分组丢弃率低、QoS有保证、收发信机设备要求简单、适用多跳网络结构、各节点共享信道公平等优点，可作为移动自组网、无线接入网络等各类移动无线通信网络中无中心控制节点条件下的多个用户共享无线信道资源的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1、一种保证服务质量的多址接入方法，其特征在于，包括：

节点在侦听信道空闲后，根据所述节点要发送的业务分组的优先级和时延选择预报突发起始微时隙；根据所述节点要发送的业务分组的优先级和时延设定预报突发分组的个数；监测所述预报突发起始微时隙前的若干个微时隙，若空闲，则从选择的预报突发起始微时隙开始发送一个或多个预报突发分组，否则，重新执行所述侦听信道空闲的步骤；侦听信道时隙，若没有收到其他预报突发分组，则发送业务分组，否则，重新执行所述侦听信道空闲的步骤。

2、根据权利要求1所述的多址接入方法，其特征在于，所述节点侦听信道空闲具体为：当所述节点有业务接入所述信道时，侦听所述信道空闲一个窗口时间。

3、根据权利要求1所述的多址接入方法，其特征在于，所述选择预报突发起始微时隙具体为：所述节点判断要发送的业务分组，若为实时业务分组，则所述节点根据要发送的业务分组的优先级和时延，从前若干个微时隙中选择预报突发起始微时隙；若为非实时业务分组，则所述节点根据要发送的业务分组的优先级和时延，从随后若干个微时隙中选择预报突发起始微时隙。

4、根据权利要求1所述的多址接入方法，其特征在于：一个所述预报突发分组的发送时间为一个所述微时隙。

5、根据权利要求1或3所述的多址接入方法，其特征在于：所述业务分组的时延由前一段时期所述节点内所发送业务分组的平均时延来决定。

6、根据权利要求1所述的多址接入方法，其特征在于，所述侦听信道时隙具体为：所述节点侦听所述信道一个微时隙。

7、根据权利要求1所述的多址接入方法，其特征在于，所述发送业务分组具体为：获得信道接入权的节点发送业务分组，并等待由接收节点反馈的确认分组，若所述节点在设定的时间内接收到所述确认分组，则结束；若超时未收到所述确认分组，则重新执行所述侦听信道空闲的步骤。

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