CN100559738C - 带冲突分解的按需多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带冲突分解的按需多址接入方法，包括：群首节点检测到有接入冲突发生时，在信道中发送冲突分解分组，宣告无冲突预约接入时隙的开始；接收到所述冲突分解分组的节点，根据自身的优先位号及所述群首节点为每个节点分配的虚拟身份号在所述无冲突预约接入时隙的微时隙内发送预约信号或侦听信道，竞争接入信道；群首节点检测到接入节点成功接入信道后，向所属节点发送结果广播分组。通过本发明，保证了发生接入冲突的节点能够快速地接入信道，降低了平均消息丢弃率和平均消息时延，提高了信道吞吐量。

Description

带冲突分解的按需多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种按需多址接入方法，尤其涉及一种带有冲突分解过程的按需多址接入方法，属于无线通信中的多址接入技术领域。

背景技术

移动Ad Hoc网络是一种没有预定基础设施、由若干具有自主收发、中转、路由、控制、管理等自组织功能的节点构成的多跳移动无线网络。移动Ad Hoc网络具有可灵活快速部署、自组织、自修复等特性，特别适用于临时、没有预定设施和网络拓扑不断变化的各类军、民应用中(如抢险、抗灾、救援、军事行动等)。移动Ad Hoc网络中的各节点之间通过媒质接入控制(Media Access Control，以下简称：MAC)方法实现快速、高效、公平地共享信道资源。

现有MAC方法通常分为固定分配和按需分配两种方式。由于在移动AdHoc网络中存在大量节点，并且每个节点也处理以突发业务为主，因此，移动Ad Hoc网络主要采用按需分配的接入方式，即根据各节点的通信需求，对信道资源进行分配。现有的按需分配方式主要分为基于随机竞争和基于无冲突两类，其中：

基于随机竞争的接入方式是通过采用发送请求(Request To Send，简称：RTS)消息及清除请求(Clear To Send，简称：CTS)进行周期性信息交换、预约等分布式方式随机竞争获取信道资源，如IEEE 802.11分布式协调功能(DCF)、双忙音多址(DBTMA)和分布式分组预约多址(DPRMA)等协议。这种方式虽然可以克服固定分配接入方式中的资源浪费问题，然而当发送用户数和用户业务量增大时，分组碰撞的概率会急剧加大，从而大大增大了平均多址消息时延、降低了信道吞吐量。

基于无冲突的接入方式是利用群首节点来实现固定或按需分配信道资源，其典型代表多使用轮询机制，如IEEE 802.11点协调功能(PCF)和虚拟基站(VBS)等协议。对于通过分群算法进行网络管理的情况，整个网络被划分为若干群，每个群自组织管理，群首节点负责所在群的初始化管理和路由管理。这种接入方式的缺陷在于：但当大量移动节点不发送任何信息时，群首节点仍然要定期对所有节点进行轮询，因此会浪费大量的轮询开销。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低平均消息丢弃率和平均多址消息时延，提高信道吞吐量的按需多址接入方法。

为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供了一种带冲突分解的按需多址接入方法，包括：

群首节点检测到有接入冲突发生时，在信道中发送冲突分解分组，宣告无冲突预约接入时隙的开始；

接收到所述冲突分解分组的节点，根据自身的优先位号及所述群首节点为每个节点分配的虚拟身份号在所述无冲突预约接入时隙的微时隙内发送预约信号或侦听信道，竞争接入信道；其中所述节点在所述无冲突预约接入时隙的微时隙内发送预约信号或侦听信道具体为：在所述无冲突预约接入时隙中的第i个微时隙，如果所述节点的由优先位号和虚拟身份号组成的二进制代码第i位为1，则在此微时隙内发送预约信号；如果所述节点的二进制代码第i位为0，则在此微时隙内侦听信道；

群首节点检测到接入节点成功接入信道后，向所属节点发送结果广播分组。

通过本发明所述方法，由于在按需多址接入过程中引入了冲突分解的步骤，因此可以保证发生了接入冲突的节点能够快速地接入信道，降低了平均消息丢弃率和平均消息时延。并且由于无冲突接入时隙的数目可以根据当前的信道资源的空闲状况和接入冲突发生的情况进行设置，因此可以在不影响预约接入的前提下，提高信道吞吐量。

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为本发明带冲突分解的按需多址接入方法流程图；

图2为图1中冲突分解步骤的流程图；

图3a为本发明实施方式中的节点a、b和c竞争CF时隙的时序图；

图3b为本发明实施方式中的节点a和c竞争CF时隙的时序图；

图3c为本发明实施方式中的节点c和d竞争CF时隙的时序图；

图3d为本发明实施方式中的节点d竞争CF时隙的时序图；

图4为图1中轮询步骤的流程图；

图5本发明实施方式中无接入冲突情况下在信道中发送分组的时序图。

具体实施方式

图1为本发明带冲突分解的按需接入方法基本工作原理流程图，具体为：

步骤101，群首节点向其所在群中的节点广播发送预约开始分组(以下简称：SR分组)，通知各节点可以开始进行预约接入。

其中，群首节点是指在群中具有中心控制功能的节点。通常在一个群中，除群首节点外的节点可分为网关节点和普通节点。其中的网关节点是指用于在群与群之间进行信息传输的节点。

步骤102，节点接收到来自于群首节点的预约开始分组后，判断该节点是否有业务分组要进行发送，是则执行步骤110，否则执行步骤120。

步骤120，节点处于空闲状态，对信道进行侦听，若收到群首节点的预约开始分组，则再次执行步骤102，否则，继续侦听信道。

步骤110，节点在信道的预约接入时隙内，发送预约接入分组(以下简称：RA分组)，以竞争接入信道。

步骤111，群首节点对各节点是否成功接入信道进行检测，当检测到有接入冲突发生时，即有节点接入失败时执行步骤130；如果接入成功则执行步骤140。

其中，接入失败是指由于在现有信道的帧结构中，只有一个预约接入时隙可供节点发送RA分组，由于移动Ad Hoc网络中的业务多以突发业务为主，当有多个节点同时发送RA分组以请求接入信道时，则会发生竞争接入碰撞，即发生冲突，这些节点都无法成功接入信道。

步骤130，执行冲突分解的步骤，完成冲突分解后，重复执行步骤111。具体步骤将在后面进行详细说明。

步骤140，执行轮询的步骤，具体步骤将在后面进行详细说明。此处需要说明的是，本领域技术人员应当理解，通过上述步骤已经使各个节点完成了按需多址接入信道，本实施方式的该步骤只是提供了一种当节点成功接入信道后的后续处理方法，如果不执行本步骤，而是基于现有技术进行其他处理也是可以的，本实施方式并不排除这样的可能性。

步骤141，群首节点判断是否存在分组积存，若存在则返回执行步骤140，继续执行轮询的步骤；否则执行步骤120，对信道进行侦听。

其中，分组积存是指节点有剩余的业务分组还没有发送。

以下详细介绍步骤130中所述的执行冲突分解的步骤，如图2所示，包括：

步骤201，群首节点在信道中发送冲突分解分组(以下简称：CR分组)，宣告无冲突预约接入时隙(以下简称：CF时隙)的开始。

其中，CF时隙的个数通常表示为N_CF个，具体可以根据同时接入的节点数量或各节点所处理的业务进行调整，直到将所有检测到的接入冲突都完全分解。每个CF时隙可划分为一系列等长的微时隙及一个较长的传输接入时隙两部分。

步骤202，接收到CR分组的节点根据自身的优先位号及群首节点为其分配的虚拟身份号开始竞争CF时隙中的各个微时隙，具体地，从CF时隙的第i＝1个微时隙开始竞争。

步骤203，在CF时隙中的第i个微时隙，节点判断代表自身的二进制代码的第i位是否为1，是则执行步骤210，否则执行步骤220。

其中，节点是指要竞争CF时隙的节点，这些节点都是在步骤110中竞争接入信道时，由于发生了接入冲突而接入失败的节点。节点的二进制代码依次由优先位号及虚拟身份号构成。优先位号表明该节点接入失败后，等待再次接入的优先级；虚拟身份号是预先由群首节点分配的唯一标识一个节点的代码。

步骤220，当节点的二进制代码第i位为0时，则侦听信道而不发送预约信号。

步骤221，判断是否有其他节点发送预约信号，是则执行步骤222；否则执行步骤211。

步骤222，当某个节点在该微时隙内侦听到有其他节点发送的预约信号后，退出对该CF时隙的竞争，并将其优先位号加1。退出竞争后，用上述同样的方法竞争下一个CF时隙。

步骤210，当节点的二进制代码第i位为1时，则在该微时隙内发送预约信号。

步骤211，判断第i个微时隙是否为CF时隙的最后一个微时隙，是则执行步骤212；否则返回执行步骤202，开始竞争CF时隙中的下一个微时隙。

具体地，当节点在所有相应的微时隙内根据自己的二进制代码完成发送预约信号或者侦听信道后，则表示该节点成功地竞争到了该CF时隙。

步骤212，成功竞争到CF时隙的节点，在该CF时隙中的传输接入时隙内发送传输接入微分组(以下简称：TA微分组)，从而成功接入信道。

另外，当群首节点检测到一帧中的某个CF时隙中没有节点发送TA微分组进行接入时，则可以判断出冲突分解的步骤已经完毕，所有要求接入的节点都成功接入信道，群首节点将立刻取消后面的CF时隙并直接发送结果广播分组(简称：RB分组)。

以下举例说明上述步骤的执行过程。

例如，假设有三个节点，即节点a、b和c，在首次竞争CF时隙时均竞争失败，因此均参与对另一个CF时隙的竞争。这三个节点的优先位号及虚拟身份号的内容可分别表示为：

节点a：(01)11010

节点b：(01)11101

节点c：(01)00101

其中，括弧内的二进制数表示优先位号，其他二进制数表示相应节点的虚拟身份号。如图3a所示，第一行表示微时隙的编号，第二至四行分别表示节点a、b和c在各个微时隙内发送的预约信号的内容。由于节点a、b和c均是第二次进行竞争接入，因此它们的优先位号均为01。

在第1个微时隙内，由于三个节点发送的二进制数均为0，则该三个节点均侦听信道；在第2个微时隙内，三个节点发送的二进制数均为1，则均发送预约信号；在第3个微时隙内，节点a和b发送预约信号，节点c侦听信道，当侦听到预约信号后退出对此CF时隙的竞争，并将自身的优先位号加1；在第4个微时隙内，节点a和b均发送预约信号，“q”表示节点c在此微时隙内已退出竞争；在第5个微时隙内，节点b发送预约信号，节点a侦听信道，当侦听到预约信号后退出对此CF时隙的竞争；在第6个微时隙内，节点b侦听信道，“q”表示节点a在此微时隙内已退出竞争，并将自身的优先位号加1；在第7个微时隙内，节点b发送预约信号后赢得此CF时隙，并在第8个时隙无冲突地发送TA微分组，成功接入信道。

如图3b所示，竞争接入失败的节点a和c再次竞争接入第二个CF时隙。此时，由于它们在竞争接入第1个CF时隙都失败了一次，因此优先位均变为“10”。具体地，在第1个微时隙内，节点a和c均发送预约信号；在第2个微时隙内，节点a和c均侦听信道；在第3个微时隙内，节点a发送预约信号，节点c侦听信道，当侦听到预约信号后退出对此CF时隙的竞争，并将自身的优先位号加1；在第4个微时隙内，节点a发送预约信号，“q”表示节点c在此微时隙内已退出竞争；在第5个微时隙内，节点a侦听信道；在第6个微时隙内，节点a发送预约信号，并在第7个微时隙侦听信道，没有侦听到其他节点发送的预约信号，因此，节点a最终赢得此CF时隙，并在第8个时隙无冲突地发送传输接入微分组(也可称为TA微分组)，成功接入信道。

在节点a和b均成功接入信道后，节点c再次竞争接入第三个CF时隙。若没有与节点c进行竞争的节点，则节点c可以成功接入信道，若此时还有一个节点d与之竞争，则可以采用上述相同的方法，竞争接入信道。

具体地，如图3c所示，节点c和d竞争接入第四个CF时隙。由于在前三个CF时隙中，节点c均接入失败，因此，此时其优先位号变为11，而由于节点d第一次对CF时隙进行竞争，因此，其优先位号为00。在第1个微时隙内，节点c发送预约信号，节点d侦听信道，当侦听到预约信号后退出对此CF时隙的竞争，并将自身的优先位号加1；在第2个微时隙内，节点c发送预约信号，“q”表示节d在此微时隙内已退出竞争；在第3至6个微时隙内，节点c一直在侦听信道；在第7个微时隙内，节点c发送预约信号后最终赢得此CF时隙，并在第8个时隙无冲突地发送TA分组，成功接入信道。

节点d在竞争接入失败后，继续竞争接入第五个CF时隙。此时，由于没有其他节点与节点d竞争，因此，如图3d所示，节点d在第8个时隙无冲突地发送TA分组，成功接入信道。

此处需要说明的是，图3c中的节点c的虚拟身份号与节点c在图3a、3b中的不同。这是因为，在步骤201中，群首节点向接入失败的节点发送CR分组时，可以根据所辖节点在一段时间内的业务发送情况为这些节点重新分配虚拟身份号，并且每隔一定时间周期性地将重新分配的虚拟身份号携带于CR分组中进行发送。由于具有较大虚拟身份号的会优先地竞争到CF时隙，因此，为了提高接入成功率，通常可以为发送业务量次数较少的节点分配较大的虚拟身份号。具体到图3c中的节点c，当其与节点d竞争CF时隙之前，由于接收到了来自于群首节点的新分配的虚拟身份号，因此具有了新的虚拟身份号。当然，如果群首节点不对虚拟身份号进行周期性地重新分配，则各节点的虚拟身份号在整个竞争CF时隙过程中不会发生变化。

另外，当业务量增大时，为了保证共享信道的公平性，可以利用群首节点限制个别节点过多的成功接入。例如，群首节点当检测到某节点已经连续2次成功接入信道后，则可以根据当前接入冲突发生的严重程度，发送通告消息，使该节点在一定时间内不能发起接入信道。只有当经过这一时间后该节点在才再次开始尝试接入信道，又比如，当群首节达到最大业务分组发送队列时，所有成功接入的节点在完成一次业务分组发送后将退出轮询分组发送队列，重新进行竞争接入。

通过上述冲突分解的步骤，可以保证发生了接入冲突的节点能够快速地接入信道，降低了平均消息时延。并且由于CF时隙的数目可以根据当前的信道资源的空闲状况和接入冲突发生的情况进行设置，因此可以在不影响预约接入的前提下，提高信道吞吐量。另外，通过为节点设置优先位号及周期性地重新分配虚拟身份号，可以灵活地配置节点接入的顺序，以进一步优化接入过程，提高接入效率。

当节点预约接入信道时未发生接入冲突，即成功接入后，可以执行轮询的步骤，以下详细介绍步骤140中所述的执行轮询的步骤，如图4所示，包括：

步骤301，群首节点从某个网关节点进行轮询，具体地，可以通过发送发送开始(ST)分组或附带发送开始的业务分组(简称：PKT/ST)对网关节点进行轮询。由于轮询网关节点的次序是固定的，即对网关节点进行轮询时，不采用循环(Round-robin)轮询方式对普通的节点进行轮询。

步骤302，判断轮询到的网关节点是否有业务分组要进行发送，若有则执行步骤310，否则执行步骤311。

步骤310，网关节点发送业务分组，然后执行步骤311。

步骤311，群首节点判断是否已经对所有网关节点都完成了轮询，是则执行步骤320，否则执行步骤301，继续对未被轮询的网关节点进行轮询。

步骤320，群首节点通过发送轮询分组或附带轮询的业务分组(均可简称为：PKT/P)对除网关节点以外的成功接入的普通节点进行轮询，以提示普通的节点以循环(Round-robin)方式使用紧随在PKT/P分组之后的微时隙。每当有新接入的节点时，将其加入轮询的末尾，等待被轮询。

另外，为了保证各网关节点有更多的接入机会，当群中的节点数量较多时，群首节点可以每隔一段时间，当对若干个普通的节点进行轮询之后再次轮询一遍网关节点。

步骤321，群首节点判断是否已经对所有成功接入的节点都完成了轮询，若是，则结束本次轮询过程；否则返回执行步骤320，继续对未轮询到的节点进行轮询。

为了更清楚地说明上述轮询过程，可以参见图5。图5为在无接入冲突发生的情况下，各种分组在信道中进行发送的时序图，具体为：

在预约接入阶段，群首节点发送SR分组宣告预约接入开始，其后分配1个预约接入时隙；各节点当有业务分组要进行发送时在该时隙中发送RA分组进行预约；当未发生接入冲突时，群首节点发送RB分组公布接入结果，宣告RA分组发送成功。

在无冲突业务分组发送阶段，群首节点和各成功接入的节点交替发送业务分组，即先由群首节点发送业务分组(Packet，简称PKT)，然后由成功接入的节点在为其分配的信道资源上发送业务分组，接着群首节点再发送业务分组，之后为另一成功接入的节点发送业务分组，依此类推。当群首节点和所有成功接入的节点完成交替发送业务分组之后，交替发完后进入下一次预约接入及无冲突业务分组发送阶段，重复上述步骤。

另外，为了提高信道资源的利用率，当成功接入的节点完成所有的业务分组发送后，可以向群首节点发送携带有释放信道资源标志的业务分组，群首节点接收到该业务分组后，从下一帧开始就不再对其进行轮询，将分配给该节点的信道资源分配给其他成功接入的节点使用。当信道上的业务分组发送队列达到最大值时，即无空闲的信道资源时，群首节点可以暂时取消预约接入阶段，当有信道资源被释放时再重新开始执行预约接入阶段。通过上述方法，可以大大降低信道控制开销、提高信道的吞吐量。

此处需要特别指出的是，图5中虽然表示在无接入冲突发生的情况下，各种分组在信道中进行发送的时序图，但如果发生了接入冲突，本领域技术人员应当可以理解，通过本实施方式所述的冲突分解的步骤完成了冲突分解后，图5中的无冲突业务分组发送阶段也是可以适用的。

总之，本发明所述方法综合了公平竞争、无冲突预约接入、按需轮询服务的思想，通过将信道传输时期设置为预约接入和冲突分解期及按需传输期，使得分组冲突仅存在于预约接入和冲突分解期，在预约接入和冲突分解期解决了接入冲突问题，大大降低了业务量较高时预约中的隐藏终端和暴露终端给信道传输带来的不利影响，消除了业务分组发送过程中发生冲突的可能，从而避免了分组碰撞，节省了不必要的开销，大大提高了信道吞吐量和发送节点在预约时隙上的接入效率。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1、一种带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，包括：

群首节点检测到有接入冲突发生时，在信道中发送冲突分解分组，宣告无冲突预约接入时隙的开始；

接收到所述冲突分解分组的节点，根据自身的优先位号及所述群首节点为每个节点分配的虚拟身份号在所述无冲突预约接入时隙的微时隙内发送预约信号或侦听信道，竞争接入信道；其中所述节点在所述无冲突预约接入时隙的微时隙内发送预约信号或侦听信道具体为：在所述无冲突预约接入时隙中的第i个微时隙，如果所述节点的由优先位号和虚拟身份号组成的二进制代码第i位为1，则在此微时隙内发送预约信号；如果所述节点的二进制代码第i位为0，则在此微时隙内侦听信道；

群首节点检测到接入节点成功接入信道后，向所属节点发送结果广播分组。

2、根据权利要求1所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述群首节点检测到所述接入冲突之前还包括：

群首节点向其所在群中的节点广播发送预约开始分组，通知各节点可以开始进行预约接入。

3、根据权利要求2所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述群首节点广播发送所述预约开始分组之后还包括：

接收到所述预约开始分组的节点，判断是否有要进行发送的业务分组，是则在信道的预约接入时隙内，发送预约接入分组，竞争接入信道。

4、根据权利要求1所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述无冲突预约接入时隙包括多个等长的微时隙及一个传输接入时隙。

5、根据权利要求4所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述节点侦听信道包括：

当侦听到所述微时隙内有其他节点发送的预约信号时，则退出对该无冲突预约接入时隙的竞争，并将自身的优先位号加1；当没有其他节点发送预约信号时，所述节点将继续竞争下一个微时隙。

6、根据权利要求5所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述节点退出对该无冲突预约接入时隙的竞争之后还包括：

在下一个无冲突预约接入时隙内发送预约信号或侦听信道，竞争接入信道。

7、根据权利要求4所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述节点在所有相应的微时隙内根据自己的二进制代码发送预约信号或者侦听信道之后还包括：

当所述节点按照其二进制代码在所述所有微时隙中全部完成预约信号发送或者信道侦听时，在所述传输接入时隙内发送传输接入微分组，成功接入信道。

8、根据权利要求7所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述节点在所述传输接入时隙内发送传输接入微分组，成功接入信道之后还包括：

群首节点根据所述节点发送的传输接入微分组检测到接入节点成功接入信道后，向所属节点发送结果广播分组。

9、根据权利要求1所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述群首节点向所属节点分配虚拟身份号具体为：

群首节点周期性地为所属节点重新分配虚拟身份号，根据节点的业务发送情况，群首节点为发送次数较少的节点分配较大的虚拟身份号，并向所属节点公布虚拟身份号的分配情况。

10、根据权利要求1所述的带冲突分解的按需多址接入方法，其特征在于，所述群首节点发送所述结果广播分组之后还包括：

对网关节点及成功接入信道的所述节点进行轮询。

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