CN100559903C

CN100559903C - 自适应分布式多址接入方法

Info

Publication number: CN100559903C
Application number: CNB2007101187195A
Authority: CN
Inventors: 刘凯; 张军; 张彦
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: CN101090524A

Abstract

本发明涉及一种自适应分布式多址接入方法，其中包括：监听公共信道；空闲一个或一个以上信号传播时间后，发方选择一空闲业务信道，并在公共信道上发送传输请求分组向收方指明该业务信道；收方确认该信道可用后，发送请求响应分组回复发方；若发方正确收到此分组，在指定信道上向收方发送业务分组。本发明有效解决了多跳网络环境下出现的隐藏终端和暴露终端问题，进一步缩小了发送碰撞时间，具有更好的多址性能。

Description

自适应分布式多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种多址接入方法，尤其涉及一种自适应分布式多址接入方法；属于通信技术领域。

背景技术

多址接入(或称媒质接入控制)方法解决多个节点或用户如何快速、高效、公平、可靠地共享信道资源的问题。多址接入方法的好坏，直接影响到极为有限的无线资源的使用效率。按照信道分配的方式，它通常分为固定分配、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，各节点基于载波侦听的方式在分布式无线多跳网络结构中共享无线广播信道时出现了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，同时也出现了共享信道不公平的问题。

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，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，它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，Request To Send/Clear To Send，简称RTS/CTS)、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协议的分布式协调功能(Distributed Coordination Function，简称DCF)、双忙音多址接入(Dual Busy Tone Multiple Access，简称DBTMA)和分布式分组预约多址接入(Dynamic Packet Reservation Multiple Access，简称DPRMA)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 of Service，以下简称QoS)保证，其典型代表多使用轮询机制，如IEEE 802.11协议的点协调功能(PointCoordination Function，简称PCF)和虚拟基站(Virtual Base Station，简称VBS)等方法。不过，前者在申请预约部分仍然存在分组碰撞，隐藏终端造成的碰撞区间虽然缩减到TR短控制分组长度，但RTS/CTS对话形式和应答(Acknowledge，简称ACK)分组的使用使得暴露终端问题更加突出，在移动无线网络情况下还存在侵入终端问题，而且信道的利用率因为信道资源预约而大大降低；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，中心控制节点很容易成为业务发送的瓶颈，耗费大量能量，在移动无线网络中定期需要一定的通信、计算开销来动态选择中心控制节点。另外，目前大多数所提出的按需分配的多址接入方法在网络业务量较低时与随机接入的多址接入方法相比存在控制开销所占比例过大、传输时延较大的问题。

基于随机竞争预约的按需分配多址接入方法可以扩展到多信道的形式。利用多信道和预约相结合的方式可以辅助RTS/CTS类方法解决隐藏终端、暴露终端和侵入终端问题。诸如信道跳变多址接入(Channel HoppingMultiple Access，简称CHMA)方法、跳预约多址接入(Hopping ReservationMultiple Access，简称HRMA)方法、多信道碰撞避免和分解的多址接入(Collision Avoidance and Resolution Multiple Access for MultipleChannels，简称CARMA-MC)方法和基于公共和发送信道的碰撞避免多址接入(Common-Transmitter-Based Multiple Access with CollisionAvoidance，简称MACA-CT)方法。这些方法通常采用在公共信道上随机竞争预约，而在业务信道上传输业务的做法；这样可以彻底避免在业务信道上由于侵入终端而出现的碰撞，增大暴露终端的有效信道利用范围，并且进一步降低隐藏终端的碰撞区间。不过，CHMA方法和HRMA方法在发送比RTS/CTS分组长许多的业务分组时，跳变周期要足够长才能完成，否则会造成通信中碰撞。这需要很多信道才能实现。因此，这些使用很多信道的方法都存在不同程度的信道浪费问题。CARMA-MC方法和MACA-CT方法中，各节点在通信之前都必须预先获得自己的通信信道，并且为了避免通信时(即传输业务分组时)出现分组碰撞，两跳之内的节点不能使用相同的通信信道。因此，它们所需要的信道数目非常多，以至于很可能没有足够的合适信道满足无碰撞要求，在实际通信中也存在大量信道空闲的问题。另外，当节点移动而出现使用相同信道的两个节点相距两跳之内时，会造成分组发送碰撞，因此还需要这两个节点重新选择通信信道。

发明内容

本发明提供了一种多信道预约接入的自适应分布式多址接入方法，以有效解决多跳网络环境下出现的隐藏终端和暴露终端问题，以及由于节点移动而造成的侵入终端问题，从而获得更好的多址性能。

本发明通过一些实施例提供了一种自适应分布式多址接入方法，包括以下步骤：

步骤1、监听公共信道，空闲一个或一个以上信号传播时间；

步骤2、发方选择一空闲业务信道，并在公共信道上发送传输请求(Transfer Request，简称TR)分组向收方指定该业务信道；

步骤3、收方确认该业务信道可用后，发送请求响应(RequestResponse，简称RR)分组回复发方；

步骤4、发方判断是否收到该请求响应(RR)分组，是则执行步骤5；否则，发方在公共信道上发送拒绝传输请求(Negative Transfer Request，简称NTR)分组，再转到步骤1；

步骤5、发方在指定信道上向收方发送业务分组。

所述监听公共信道具体为：与发方和收方相邻的每个节点监听在公共信道上发送的传输请求分组和请求响应分组的内容，记录所述传输请求分组和请求响应分组中所指定的业务信道的使用状况表，并根据每个节点的位置为所述业务信道设置不同大小的超期定时器。所述超期定时器设定其对应的业务信道的超期时间，当所述业务信道的超期时间到达时，所述业务信道的状态就变为空闲，则所述业务信道就可以用于后面的通信。

本发明通过一些实施例提供的自适应分布式多址接入方法，采用预约接入和业务传输在信道上分离的方式，从而消除了单信道方式下由于侵入终端问题而造成的通信冲突，有效解决多跳网络环境下出现的隐藏终端和暴露终端问题以及由于移动用户的移动而造成的侵入终端问题、进一步缩小发方和隐藏终端的发送碰撞时间，从而可以获得更好的网络性能。

进一步地，通过上述实施例提供的技术方案具有很好的冲突避免特性，能有效消除在单信道RTS/CTS方法下由于CTS分组传输失败而引起的分组碰撞，减小了其他类似RTS/CTS方法中预约了信道而不用的概率，使暴露终端可以在尽可能短的时间内知道信道的使用情况，从而避免了不必要的信道空闲。

综上所述，本发明具有获取信道灵活、信道利用率高、接入时延小、可以使用任意数目的信道、可以以异步方式工作的优点，具有很好的网络多址性能。

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为本发明的一些实施例的发方发送业务分组的流程图；

图2为本发明的一些实施例的收方接收业务分组的流程图；

图3为本发明的一些实施例的收方设定信道定时器的流程图；

图4为本发明的一些实施例的发方设定信道定时器的流程图；

图5为本发明的一些实施例的与收发双方相邻的节点设定信道定时器的流程图；

图6为本发明的一些实施例的信道发送时序图。

具体实施方式

为解决多跳网络环境下出现的隐藏终端和暴露终端问题、以及由于节点的移动而造成的侵入终端问题，进一步缩小发方和隐藏终端的发送碰撞时间，本发明提供了一种采用多信道预约接入和业务传输在信道上分离的自适应分布式多址接入方法，包括：监听公共信道；指定通信信道；确认指定信道；业务分组传输；返回应答分组，确定成功或是需要重新开始。假设：

t_PKT为业务分组的发送时间；

t_TR为TR分组的发送时间；

t_RR为RR分组的发送时间；

t_ACK为ACK分组的发送时间；

t_p为信号传播时延；

t_p-max为网络中任两个节点间最长的信号传播时延；

t_rt为收发信机的收发转换时间；

t_obs为节点从其监测到信道空闲到其发起传输尝试之间的最短信道空闲观测时间；

t_IP为从节点发完它的分组到它接收到相关节点立即响应的时间间隔，一般情况下，t_IP＝t_rt+2t_p，亦即发送节点最多在t_IP-max＝t_rt+2t_p-max时可收到节点的相关响应分组。

所述自适应分布式多址接入方法中，发方在TR分组中向收方指明它们进行通信时所使用的通信信道，等待收方返回RR分组，如果成功收到RR分组，使用指定的信道实现通信；收方收到业务分组后，返回ACK分组。其中，图1为本发明的一些实施例的发方发送业务分组的流程图，包括：

步骤111、发方监听公共信道；

步骤112、发方判断公共信道是否空闲，是则执行步骤113；否则转到步骤111；

步骤113、发方接入时，根据竞争预约空闲一个或一个以上信号传播时间再对公共信道进行监测，期间一直保持监听公共信道；

步骤114、发方判断公共信道是否仍然空闲，是则执行步骤115；否则转到步骤111；

步骤115、发方检查自己的信道状态表；

步骤116、发方判断是否有空闲的信道，是则执行步骤117；否则转到步骤111；

步骤117、发方在公共信道上向收方发送传输请求(TR)分组，并在TR分组中向收方指明进行通信使用的通信信道；在t_IP-max时间内等待接收收方返回的RR分组；

步骤118、发方判断是否在t_IP-max时间内接收到RR分组，是则执行步骤1110；否则转到步骤119；

步骤119、发方在公共信道上发送NTR分组，并转到步骤111；

步骤1110、发方在约定的信道上发送业务分组(PKT)，在t_IP-max时间内等待接收收方返回的ACK分组；

步骤1111、发方判断是否接收ACK分组成功，是则通信结束；否则转到步骤111。

图2为本发明的一些实施例的收方接收业务分组的流程图，包括：

步骤121、收方监听公共信道；

步骤122、收方判断是否成功接收发方发送给自己的TR分组，是则执行步骤123；否则转到步骤121；

步骤123、收方检查信道状态表；

步骤124、收方判断发方指定的通信信道是否空闲，是则执行步骤125；否则转到步骤121；

步骤125、收方在公共信道上向发方发送RR分组，确认发方指定的通信信道；在t_IP-max时间内在指定的信道上等待接收发方发送的业务分组(PKT)；

步骤126、收方判断接收PKT是否成功，是则执行步骤127；否则转到步骤121；

步骤127、收方在指定的信道上向发方发送应答(ACK)分组，通信结束。

图3为本发明的一些实施例的收方设定信道定时器的流程图，包括：

步骤131、监听公共信道；

步骤132、判断是否在公共信道上接收到发方发送的TR分组，是则执行步骤133；否则转到步骤131；

步骤133、判断接收到的TR分组中指定的通信信道是否空闲，是则执行步骤134；否则转到步骤131；

步骤134、标志该指定信道为忙碌状态，并在相应信道里设置定时器大小t₁＝t_IP-max+t_PKT+t_ACK-t_TR，在时间t₁内避免使用指定信道进行通信，以保证通信无冲突；

步骤135、监视通信过程，判断通信时间是否超时，是则转到步骤137；否则执行步骤136；

步骤136、继续监视通信过程，等候超时中断，转到步骤135；

步骤137、标志指定信道为空闲状态，该信道当前通信结束，信道可用于下一次通信发送。

图4为本发明的一些实施例的发方设定信道定时器的流程图，包括：

步骤141、监听公共信道；

步骤142、判断是否在公共信道上接收到收方发送的RR分组，是则执行步骤144；否则转到步骤143；

步骤143、准备下一次发送传输请求(TR)分组，通信结束；

步骤144、标志RR分组中响应的原指定业务信道为忙碌状态，并在相应业务信道里设置定时器大小t₂＝t_PKT+t_ACK-t_TR-t_RR，在时间t₂内避免使用指定业务信道进行通信，以保证通信无冲突；

步骤145、监视通信过程，判断通信时间是否超时，是则转到步骤147；否则执行步骤146；

步骤146、继续监视通信过程，等候超时中断，转到步骤145；

步骤147、标志指定业务信道为空闲状态，该业务信道当前通信结束，可用于下一通信。

图5为本发明的一些实施例的与收发双方相邻的节点设定定时器的流程图，包括：

步骤151、节点监听公共信道，接收到分组；

步骤152、节点判断接收到的分组是否是收方发送的RR分组，是则执行步骤153；否则转到步骤154；

步骤153、节点标记接收到的指定业务信道为忙碌状态，在相应业务信道里设置定时器大小t₂＝t_PKT+t_ACK-t_TR-t_RR，在时间t₂内避免使用指定业务信道进行通信，保证通信无冲突，转到步骤159；

步骤154、节点判断是否与接收到的TR分组中的收方直接通信，是则转到步骤151；否则执行步骤155；

步骤155、节点判断接收到的分组是否是发方发送的TR分组，是则执行步骤156；否则转到步骤157；

步骤156、节点标记接收到的指定业务信道为忙碌状态，在相应业务信道里设置定时器大小t₁＝t_IP-max+t_PKT+t_ACK-t_TR，在时间t₁内避免使用指定业务信道进行通信，保证通信无冲突，转到步骤159；

步骤157、节点判断接收到的分组是否是发方发送的NTR分组，是则转到步骤1511；否则执行步骤158；

步骤158、节点进行控制分组所对应的处理过程后，重新监听公共信道，接收分组，转到步骤151；

步骤159、节点监视通信过程，判断通信时间是否超时，是则转到步骤1511；否则执行步骤1510；

步骤1510、节点继续监视通信过程，等候超时中断，转到步骤159；

步骤1511、节点标志该指定业务信道为空闲状态，该业务信道当前通信结束，可用于下一次通信发送。

图6为本发明的一些实施例的信道发送时序图，具体为：

发方监听公共信道空闲t_obs时间后，在公共信道上向收方发送传输请求(TR)分组请求通信，并在分组中指定通信所用信道。当TR分组发送完后，若收方在信号传播时间t_p后成功接收到该TR分组并且发方指定的通信信道对收方也是空闲后，收方在经历了一个收发信机的收发转换时间t_rt后，在公共信道上向发方返回请求响应(RR)分组确认该指定业务信道，并在t_IP-max时间里等待接收发方在协商的业务信道上发送业务分组。发方将在t_p时间后接收到该RR分组。如果发方自发送TR分组起t_IP-max时间里仍未接收到RR分组，则发送NTR分组，此时发方重新监听公共信道，再次发送TR分组。只有发方成功接收RR分组并经过一个收发信机的收发转换时间t_rt后，发方才开始在指定业务信道上向收方发送业务分组(PKT)，并在t_IP-max时间里等待接收收方返回的ACK分组；收方将在t_p后收到PKT，并开始在指定信道上向发方返回应答分组(ACK)。只要收方成功收到业务分组，收方就会在该通信的业务信道上返回ACK分组，通信结束。

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

1、一种自适应分布式多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、监听公共信道，空闲一个或一个以上信号传播时间；

步骤2、发方选择一空闲业务信道，并在公共信道上发送传输请求分组向收方指定该业务信道；

步骤3、收方确认该业务信道可用后，发送请求响应分组回复发方；

步骤4、发方判断是否收到该请求响应分组，是则执行步骤5；否则，发方在公共信道上发送拒绝传输请求分组，再转到步骤1；

步骤5、发方在指定信道上向收方发送业务分组。

2、根据权利要求1所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述步骤1具体为：监听公共信道，当检测公共信道为空闲时，空闲一个或一个以上信号传播时间后再次检测公共信道是否空闲，其间一直保持监听公共信道。

3、根据权利要求1所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述步骤2具体为：发方任意选择一个已检测为空闲状态的信道，通过在公共信道上发送传输请求分组向收方指定该信道为通信所用信道，并在预定时间内等待收方回复。

4、根据权利要求1所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述步骤3具体为：收方在成功接收到发方发送的传输请求分组后，监测自己的信道状态表，如果该分组中发方指定的信道为忙碌状态，则收方不做回应；如果该分组中发方指定的信道为空闲状态，收方将在公共信道上向发方回复请求响应分组，并在指定时间里等待接收发方业务分组。

5、根据权利要求1所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述步骤4具体为：如果发方在预定时间里成功收到收方发送的该请求响应分组，则执行步骤5；

如果发方超时未收到收方发送的该请求响应分组，发方就在公共信道上发送拒绝传输请求分组。

6、根据权利要求1所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述步骤5后还包括：

步骤6、收方收到该业务分组后，在指定的信道上向发方返回确认分组；

步骤7、发方接收确认分组。

7、根据权利要求6所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述步骤7具体为：发方若成功接收应答分组，则通信结束；否则，转到步骤1。

8、根据权利要求1所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述监听公共信道还包括：与发方和收方相邻的节点监听在公共信道上发送的传输请求分组和请求响应分组的内容。

9、根据权利要求8所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述发方和收方相邻的每个节点监听公共信道还包括：记录所述传输请求分组和请求响应分组中所指定的业务信道的使用状况表，并根据每个节点的位置为所述业务信道设置不同大小的超期定时器。

10、根据权利要求9所述的自适应分布式多址接入方法，其特征在于，所述超期定时器设定其对应的业务信道的超期时间，当所述业务信道的超期时间到达时，所述业务信道的状态就变为空闲。