CN101291278B - 一种面向多通道无线分布式网络的通道访问控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明针对基于同步通道切换机制的多通道MAC协议中目的节点“消失”现象所导致的无效发送问题，提出了一种适用于该类协议的新型的面向多通道无线分布式网络的通道访问控制机制。本发明将节点进行通道切换的基本单位-时隙，划分为等长的微时隙，并要求网络内各节点的微时隙边界对齐。微时隙的长度为一次完整报文传输过程所需的最长时间。通过在微时隙中使用预约忙音机制，使当前微时隙无报文收发需求的节点能够快速进入休眠状态以节能；同时，通过在微时隙中使用通道离开忙音机制，并结合节点在随机回退过程中的交替监听机制，使得想要发送报文的节点能够及时感知到目的节点“消失”现象发生，从而放弃对该目的节点的无效发送，避免不必要的带宽和能量浪费。
Description
技术领域
本发明涉及无线网络通信技术，具体地说明是一种面向多通道无线分布式网络的通道访问控制方法。
背景技术
近几年，无线通信技术得到了飞速发展，蜂窝移动通信系统、无线局域网，蓝牙技术等无线无线通信技术纷纷出现。这些技术极大的方便了人们生活，同时也推动了无线通信技术的发展。无线分布式网络作为近几年通信领域发展较快的技术，受到越来越多的关注。无线分布式网络采用分布、自组织的思想来构建网络，使网络具备更强的灵活性和健壮性。
随着通信与电子技术的发展，目前许多无线收发器提供了多通道能力，如IEEE 802.11b提供了14个通道(其中不存在重叠的通道数量为3个)，IEEE 802.15.4提供了16个互不重叠的通道，Mica2、WINS等无线收发器也都提供了多通道能力。在这种背景下，关于如何利用无线收发器的多通道能力提升网络性能的研究日益受到关注。由于竞争和冲突只能发生在工作在相同频段的节点间，无线收发器的多通道能力可被用于实现更高程度的并发传输。此外，深衰落现象及窄带干扰通常只会影响到部分通道，因而多通道能力还可用于提高网络的健壮性，避免网络因在特定频段上发生多径或干扰现象而出现严重的性能下降。
介质访问控制(MAC)层直接工作于物理层之上，能够对无线收发器进行直接的控制，因而目前出现了大量适用于无线分布式网络的多通道MAC协议。这些MAC协议基本上可以分为两类：一类是基于单一控制通道的MAC协议，如DCA，MMAC，CHMA等；另一类是基于同步通道切换机制的MAC协议，如SSCH，McMAC。
在前一类协议中，所有发送节点在报文传输前必须在同一控制通道上以竞争方式与其目的节点交互控制报文，以协商数据报文传输所使用的通道。在无线收发器提供的通道数量较多，且网络负载较大的网络中，控制通道将会成为瓶颈，造成大量通道无法被充分利用。并且，一旦控制通道受到严重干扰或发生深衰落现象，网络性能将严重降级。
后一类协议在网络时间同步基础上，将时间划分为时隙并且网络内各节点的时隙边界对齐，时隙长度允许完成一个或多个完整的报文传输过程。 协议工作原理如图1所示，无线收发器提供了4个可用通道，节点A，B通过一个伪随机序列生成器随机产生自己的默认通道切换序列，并据此进行以时隙为单位的通道切换。时间轴上各时隙内的实心圆形和实心三角形图标分别表示节点A，B各自的默认通道切换序列，空心圆形和空心三角形图标分别表示节点A，B在进行报文发送必须临时地切换到其目的节点在当前时隙的操作通道上竞争并发送报文。通过这种方式，使得在每个时隙，原本处于同一冲突域的节点集合被分割成多个子集，只要报文传输的目的节点分属不同的子集，这些报文传输就可以互不干扰的并发进行。该类协议由于不依赖于专门的控制通道交互控制报文，能够有效避免前一类协议中存在的问题，因而具有较好的网络性能。但是，该类协议中存在的目的节点“消失”现象会导致大量的无效发送，造成极大的带宽和能量浪费。
所谓目的节点“消失”现象，是指在基于同步通道切换机制的MAC协议中，当源节点A与其目的节点B处于不同的操作通道时，A必须切换到B的操作通道上竞争通道并发送报文，此刻，节点A在自己的默认操作通道上“消失”。如果此时存在第三个节点C要向A发送报文，在其切换到A的默认操作通道后，即使启用载波监听机制，也无法检测到A与B在另一通道上正在进行的传输，因而C会在A的默认操作通道上对A进行无效发送，显然A不可能会收到C发送的报文。无效发送问题在多跳网络中会造成更为严重的性能恶化，一种极端的场景如图2所示。节点1，2，3，…和网关节点在当前时隙的默认操作通道分别为CH1，CH2，…，CHn，CHi≠CHi+1，1≤i≤n-1。如果所有节点都想向其上游节点发送数据，则只有最后一跳节点间的传输能够成功，其它节点间的传输都将因目的节点“消失”现象而失败。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种适用于基于同步通道切换机制MAC协议的通道访问控制机制，采用本发明可避免目的节点“消失”现象导致的无效发送，并可显著提高网络的能量效率。
本发明技术方案包括以下内容：
本发明将节点进行通道切换的基本单位(亦称为时隙)划分为等长的微时隙，并要求网络内各节点的微时隙边界对齐。微时隙的长度大于等于一次完整报文传输过程所需的最长时间。通过在微时隙中使用预约忙音机制，使当前微时隙无报文收发需求的节点能够快速进入休眠状态以节能；同时，通过在微时隙中使用通道离开忙音机制，并结合节点在随机回退过程中的交替监听机制，使得想要发送报文的节点能够及时感知到目的节点“消失”现象发生，从而放弃对目的节点的无效发送，避免不必要的带宽和能量浪费。
其中，所述预约忙音机制是指需要发送报文的节点在微时隙的起始处在其目的节点的操作通道上发送指定持续时间的忙音，通知其目的节点保持在接收状态；在微时隙中无需发送报文的节点在微时隙的起始处监听自身当前的操作通道，若其检测到忙音，则将无线收发器保持在接收状态，否则，在设定的预约忙音持续时间之后进入休眠状态，直到当前微时隙结束；所述预约忙音的长度由1-跳邻居节点间最大同步误差和无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间决定，即满足预约忙音的长度大于等于2倍的1-跳邻居间最大同步误差与空闲通道评估所需的最小时间之和；
所述通道离开忙音机制是指在微时隙中，当需要发送报文的节点成功完成回退过程后，且在切换到目的节点的操作通道上发送报文之前，先在自身的操作通道上发送指定持续时间的忙音，来通知以自身为目的节点的其它节点放弃对自身的发送意图；所述通道离开忙音的长度由单位回退时间片的长度和无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间决定，即满足通道离开忙音的长度大于等于单位回退时间片的长度与空闲通道评估所需的最小时间之和；
所述交替监听机制是指在微时隙中需要发送报文的节点在回退过程中以回退时间片为单位，交替地在自身的操作通道和目的节点的操作通道上进行监听，并根据监听的结果决定自身在微时隙中是进行报文发送，报文接收，还是休眠；其中所述回退时间片的长度由无线收发器进行通道切换所需的最小时间和空闲通道评估所需的最小时间决定，即满足回退时间片的长度大于等于通道切换所需的最小时间与空闲通道评估所需的最小时间之和。
本发明的优点：
1.本发明通过使用通道离开忙音机制和回退过程中的交替监听机制，可有效解决基于同步通道切换机制的多通道MAC协议中因目的节点“消失”现象而导致的无效发送问题，从而避免不必要的带宽和能量浪费；
2.本发明通过使用预约忙音机制，能够使当前微时隙无报文收发需求的节点快速进入休眠状态以节能，显著提高网络的能量效率。
附图说明
图1为基于同步通道切换机制的MAC架构工作原理示意图。
图2为多跳路径上的目的节点“消失”现象示意图。
图3为时隙结构图。
图4为微时隙中无数据发送需求的节点的操作示意图。
图5为微时隙中有数据发送需求的节点的操作示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。
本发明的适用条件：
本发明适用于基于同步通道切换机制的多通道MAC协议，无线分布式网络实现网络时间同步是该类MAC协议，也是本发明实施的前提。关于无线分布时网络的网络时间同步，目前已有大量研究成果发表，例如Elson等人提出的RBS(Reference Broadcast Synchronization)算法，Ganeriwal等人提出的TPSN(Timing Synchronization Protocol for Sensor Networks)算法等都可用于进行本发明所需的网络时间同步。
本发明在时隙中划分等长的微时隙，并规定微时隙的长度为一次完整报文传输过程所需的最长时间。这种方式适用于报文长度固定或相差不大的网络应用。
本发明中涉及到的概念如下：
1)微时隙：微时隙是组成时隙的基本单位，每个时隙中包含固定数量的微时隙，如图3所示。微时隙的长度为一次完整报文传输过程所需的最长时间，具体而言，其长度为预约忙音长度、竞争窗口长度、通道离开忙音长度、最大数据帧长度与应答帧长度之和。
2)忙音：忙音皆为指定持续时间的比特序列。忙音的作用在于使忙音发送节点射频覆盖范围内的其它节点检测到通道变忙，而并不要求能被正确接收，因此允许多个节点同时发送忙音。本发明中存在两种忙音：预约忙音和通道离开忙音，其中，预约忙音用于节能目的，它能够使当前微时隙无报文发送需求的节点及时获知自己是否需要接收报文，以便在判定自己无需收发报文时可以快速进入休眠状态以节能；通道离开忙音结合随机回退过程中的交替监听方法，用于解决目的节点“消失”现象引发的无效发送问题。
在对新的通道访问控制机制进行描述之前，首先定义如下符号：
TSW：无线收发器进行通道切换所需最小时间；
TCCA：无线收发器进行空闲信道评估所需最小时间；
TPA：用于收发双方同步的帧前导序列的长度；
δ：1-跳邻居节点间的最大同步误差；
CW：竞争窗口的长度(单位为回退时间片)；
TBP：单位回退时间片的长度；
TRS：预约忙音的长度；
TCL：通道离开忙音的长度；
TMTO：最大发送偏移，即对于在微时隙中能够发送数据帧的节点，数据帧发送时刻距离微时隙起始时刻的最大偏移。由图3可知：
TMTO＝TRS+CW×TBP+TCL+TPA (1)
节点在微时隙中的操作
对于当前微时隙无数据发送需求的节点(简称R类节点)，从微时隙起始时刻开始对自己当前的默认操作通道(简称默认通道)进行监听。如果节点检测到预约忙音(图4-a)，则在最大发送偏移TMTO时间内将射频保持在接收状态。若节点在该段时间内检测到有效帧前导序列，则继续完成数据帧的接收并在返回应答帧后休眠；否则，节点在最大发送偏移TMTO时间之后立即进入休眠状态，直到下一微时隙开始。如果节点在微时隙起始处未检测到预约忙音(图4-b)，则其立即进入休眠状态以节能，直到下一微时隙开始。
对于当前微时隙需要发送数据的节点(简称S类节点)，其操作相对复杂。因为当前微时隙中的S类节点可能同时也是其它S类节点的目的节点，即一个S类节点可能成为微时隙中的发送节点，也可能成为接收节点，还有可能选择在微时隙中休眠。S类节点最终选择哪种操作，取决于它在回退过程中的监听结果。下面以任意S类节点v为例，对S类节点的操作进行描述。
在微时隙起始处，节点v首先在其目的节点的操作通道(简称目的通道)上发送预约忙音。当节点v的目的节点为R类节点时，该目的节点会检测到预约忙音，从而将射频保持在接收状态。考虑到同步误差δ以及空闲通道评估(CCA)所需的最小时间TCCA，为确保预约忙音能够被有效检测，预约忙音长度TRS应满足：
TRS≥2δ+TCCA (2)
节点v发送完预约忙音后，在区间[0，CW]随机选择一个回退值进行随机回退。在回退过程中，v以回退时间片为单位，交替地在默认通道和目的通道上进行载波监听，并根据监听的结果进行相应的操作。由于无线收发器在单位回退时间片内需要完成通道切换和CCA操作，回退时间片长度TBP应满足：
TBP≥TSW+TCCA (3)
节点v在回退过程中的交替监听操作会有三种可能的监听结果，节点在不同监听结果下的操作如下：
(1)如果直至回退过程结束，节点v在两个通道上的监听结果一直为通道空闲(图5-a)，则其在当前微时隙可以发送数据。在v切换到目的通道上发送分组之前，首先要在默认通道上发送通道离开忙音，以便通知以自己为目的节点并且正在进行回退的节点中断回退过程并放弃在当前微时隙的发送意图。由于节点回退时在两个通道上交替地进行载波监听，为确保通道离开 忙音能够被正在回退的节点检测到，通道离开忙音长度TCL应满足：
TCL≥2TBP+TCCA (4)
(2)如果节点v在回退过程中检测到目的通道变忙(图5-b)，则存在以下两种可能：
·该通道上正在发送数据帧。在这种情况下，为了避免对目的通道上正在进行的传输造成干扰，节点v只能放弃在当前时隙的发送意图；
·该通道上正在发送通道离开忙音，目的节点“消失”现象发生。为了避免无效发送，节点只能放弃在当前时隙的发送意图。
总之，只要检测到目的通道变忙，节点v只能立即放弃发送意图并专守在默认通道上持续监听。如果在最大发送偏移TMTO时间内检测到有效的帧前导序列，则立即接收数据帧；反之，则在最大发送偏移TMTO时间后休眠。
(3)如果节点v在回退过程中监听到默认通道变忙(图5-c)，则立即专守在默认通道上持续监听。存在两种可能的监听结果：
·若通道状态为忙的持续时间小于等于通道离开忙音的长度TCL，则表明通道变忙是由默认通道与节点v相同的其它S类节点发送通道离开忙音引起的。在这种情况下，在通道空闲后，节点v会继续回退过程(就像通道变忙没有发生过一样)，并根据回退过程中在两个通道上的交替监听结果进行相应操作。
·否则，显然是由于数据帧传输引起通道忙。节点v在最大发送偏移TMTO时间内持续监听，若其检测到有效的帧前导序列，则立即接收数据帧；反之，则在最大发送偏移TMTO时间后休眠。
Claims (4)
1.一种面向多通道无线分布式网络的通道访问控制方法，其特征在于：在基于同步通道切换机制的多通道MAC协议的时隙中划分等长的微时隙，并通过在微时隙的起始处使用预约忙音机制，使当前微时隙无报文收发需求的节点快速进入休眠状态；同时，在微时隙中使用通道离开忙音机制，并在发送节点回退过程中使用交替监听机制，有效避免基于同步通道切换机制的多通道MAC协议中目的节点“消失”现象导致的无效发送；所述预约忙音机制是指需要发送报文的节点在微时隙的起始处，在其目的节点的操作通道上发送指定持续时间的忙音，通知其目的节点保持在接收状态；在微时隙中无需发送报文的节点在微时隙的起始处监听自身当前的操作通道，若其检测到忙音，则将无线收发器保持在接收状态，否则，在设定的预约忙音持续时间之后进入休眠状态，直到当前微时隙结束；所述通道离开忙音机制是指在微时隙中，当需要发送报文的节点成功完成回退过程后，且在切换到目的节点的操作通道上发送报文之前，先在自身的操作通道上发送指定持续时间的忙音，来通知以自身为目的节点的其它节点放弃对自身的发送意图；所述交替监听机制是指在微时隙中需要发送报文的节点在回退过程中以回退时间片为单位，交替地在自身的操作通道和目的节点的操作通道上进行监听，并根据监听的结果决定自身在微时隙中是进行报文发送，报文接收，还是休眠。
2.按权利要求1所述的面向多通道无线分布式网络的通道访问控制方法，其特征在于：所述预约忙音机制的预约忙音长度(TRS)由1-跳邻居间最大同步误差(δ)和无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间(TCCA)决定，即满足预约忙音的长度(TRS)≥2×1-跳邻居节点间的最大同步误差(δ)+无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间(TCCA)。
3.按权利要求1所述的面向多通道无线分布式网络的通道访问控制方法，其特征在于：所述通道离开忙音机制的通道离开忙音长度(TCL)由单位回退时间片的长度(TBP)和无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间(TCCA)决定，即满足通道离开忙音的长度(TCL)≥2×单位回退时间片的长度(TBP)+无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间(TCCA)。
4.按权利要求1所述的面向多通道无线分布式网络的通道访问控制方法，其特征在于：其中所述回退时间片的单位回退时间片长度(TBP)由无线收发器进行通道切换所需的最小时间(TSW)和无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间(TCCA)决定，即满足单位回退时间片的长度(TBP)≥通道切换所需的最小时间(TSW)+无线收发器进行空闲通道评估所需的最小时间(TCCA)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SHENYANG ZHONGKE AOWEI TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SHEN YANG AUTOMATION INST., CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Effective date: 20130725 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 110016 SHENYANG, LIAONING PROVINCE TO: 110179 SHENYANG, LIAONING PROVINCE |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130725 Address after: 110179 No. 6 singing Road, Dongling District, Liaoning, Shenyang Patentee after: Shenyang Zhongke Aowei Technology Co., Ltd. Address before: South Street in Dongling District of Shenyang city of Liaoning Province, No. 114 110016 Patentee before: Shen Yang Automation Inst., Chinese Academy of Sciences |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20081022 Assignee: Heilongjiang Central Science & Technology Co., Ltd. Assignor: Shenyang Zhongke Aowei Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2018210000011 Denomination of invention: Channel access control method oriented to multichannel wireless distributed network Granted publication date: 20101222 License type: Exclusive License Record date: 20180416 |