CN101321182A - 一种分布式媒体接入协议 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线局域网和无线自组织网络的分布式媒体接入协议。在无线网络的频带中加入一个忙音信道，此信道是一个极窄带的信道，甚至可以是一个单频信道，因此不会影响无线信道的带宽。并且由于本发明采用的退避算法不需要在一个信道发送信号的同时另一个信道接收信号或监听信道，因此移动节点只需要一个收发机，在接收方向上采用带通滤波器或相干检测的方法来分离两种信号，不会增加移动节点的成本和功耗。此外，本发明采用了新的退避算法，一方面减少了两个发送的数据包之间的空闲时隙数，另一方面降低了冲突发生的概率。

Description

一种分布式媒体接入协议

技术领域

本发明涉及无线局域网(WLAN)中的媒体接入控制(MAC)协议，具体涉及一种分布式媒体接入协议。

技术背景

分布式无线网络近来受到越来越多的关注，在这类网络中，媒体介入协议起到了协调各节点接入的重要作用。目前在无线局域网中用得最多的是802.11协议，

802.11标准的基本媒介访问控制(Medium Access Control，MAC)方法是基于二进制指数退避策略的载波侦听多址访问/碰接回避(Carrier SenseMultiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)机制，也就是分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)。站点在发送数据前，应检测媒介上是否有其它的站点正在发送数据。如果媒介空闲，则站点就可以发送数据。CSMA/CA分布式算法强制规定在连续2次帧发送之间，媒介上必须要有一段间隔。将要发送数据的站点必须在发送数据前确保在它请求使用媒介的时间期间内媒介空闲。如果媒介检测表明处于忙状态时，站点将推迟其数据发送，直至当前帧发送完毕。在推迟发送后，或者在成功发送后，如果需要立即再次发送时，站点将选择一个随机退避间隔。

802.11e标准作为802.11的扩展，在MAC层采取多种优先级区分策略支持带服务质量要求的业务。802.11e在802.11中DCF机制的基础上，提出了增强的分布协调接入(Enhanced Distributed Coordination Access，EDCA)。

然而这类分布式的媒体接入协议的效率受到两个因素的制约，一个是冲突，另一个是两个连续数据包发送之间空闲的时隙，这两个因素又是相互矛盾的。在802.11和802.11e协议中，增加站点的退避窗口大小虽然可以降低冲突发生的概率，却会增加两个连续数据包发送之间信道空闲的时间；相反，减小站点的退避窗口虽然可以减少两个连续数据包发送之间信道空闲的时间，却会增加冲突发生的概率。综上所述，在802.11或802.11e协议下，信道的利用率会有一个上限，而这个上限达不到理论下极限的信道利用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式媒体接入协议，该协议在将两个连续数据包发送之间空闲的时隙数降到最低(不超过1)的同时，降低了冲突发生的概率，提高了分布式网络的媒体接入效率。

本发明提供的分布式媒体接入协议，步骤包括：

(1)当站点进入网络后，应调用载波侦听机制确定当前媒介状态，若站点有数据包要发送，则同时监听主信道和忙音信道，若忙音信道忙，则站点将推迟其发送，直至忙音信道空闲时间为忙音间间隔IBS，跳到步骤(2)；若在主信道上正确接收到了发给自己的准备发送包，则回复清除发送包，跳到步骤(9)；其中，IBS定义为：

IBS＝DIFS+n个时隙n≥3

n表示为业务的优先级序号，优先级越高，序号越低；

(2)在忙音信道空闲IBS后，如果站点的退避时间为零，则站点生成一个新的随机退避时间，跳到步骤(3)，如果其退避时间为非零值，则使用当前的退避时间，跳到步骤(3)；

(3)当忙音信道持续空闲了1个时隙，站点的随机退避时间减去1个时隙，跳到步骤(4)；相反，若忙音信道在这个时隙内变忙，则回到步骤(1)；

(4)若站点的随机退避时间不为0，则回到步骤(3)；若站点的退避时间为0，则开始在忙音信道上发送忙音信号，忙音信号发送完后跳到步骤(5)；

(5)停止发送忙音信号1到2个时隙，同时监听忙音信道和主信道；若在其间忙音信道变忙，表明有其它站点也在竞争主信道，则回到步骤(1)；若其间忙音信道一直空闲而主信道在某时刻为忙，则再次发送忙音信号，持续一个时隙，重复步骤(5)；若其间忙音信道和主信道都一直空闲，则不再发送忙音信道，跳到步骤(6)；

(6)若主信道持续空闲了DIFS，且忙音信道一直空闲，则在主信道上向目标站点发送准备发送清除发送包，同时在忙音信道上持续发送忙音信号直道准备发送包发送完毕，跳到步骤(7)；若主信道在DIFS时间到达之前变忙而忙音信道一直空闲，则表示主信道正在被使用，再次发送忙音信号，持续一个时隙，回到步骤(5)；若忙音信道在DIFS时间到达之前变忙而主信道一直空闲，则回到步骤(1)；

(7)若站点正确接收到来自目标站点的清除发送包，则向目标站点发送数据包，跳到步骤(8)；若在超时时间内没有正确接收到来自目标站点的清除发送包，则表明发生冲突，此次传输失败，若站点的窗口大小已经到达最大窗口大小，则站点的窗口大小保持不变，否则站点的窗口大小翻倍，回到步骤(1)；

(8)若站点正确接收到来自目标站点的确认包，则表明此次传输成功，回到步骤(1)；若在超时时间内没有正确接收到来自目标站点的清除发送包，则表明发生冲突，此次传输失败，回到步骤(1)；

(9)若站点正确接收到了发给自己的数据包，则回复ACK确认包，转入步骤(1)；否则直接转入步骤(1)。

本发明采用的是添加一个窄带的忙音信道的方法，虽然国内外采用添加忙音信道的方法有很多，但是其目的都是为了解决在无线自组织网络中的隐藏节点和暴露节点的问题，而不是用来提高无线信道的接入效率，并且这些方法要增加额外的无线收发机来支持忙音信道，也提高了无线节点的成本。本发明虽然添加了忙音信道，却不需要增加额外的无线收发机来支持忙音信道。本发明协议在将两个连续数据包发送之间空闲的时隙数降到最低(不超过1)的同时，尽可能地降低冲突发生的概率，从而提高分布式网络的接入效率。本发明可以从根本上解决基于802.11的多点接入协议的效率低下的问题。

附图说明

图1(a)为主信号和忙音信号的频谱示意图，

图1(b)为站点收发机的结构示意图；

图2为本发明分布式媒体接入协议的流程示意图；

图3为性能仿真中系统吞吐量的对比示意图；

图4为性能仿真中语音站点冲突概率的对比示意图；

图5为性能仿真中视频站点冲突概率的对比示意图；

图6为性能仿真中尽力而为的站点冲突概率的对比示意图。

具体实施方式

如图1(a)、(b)所示，在无线网络的频带中加入一个忙音信道，此信道是一个极窄带的信道，甚至可以是一个单频信道，因此不会影响无线信道的带宽。由于本发明不需要在一个信道发送信号的同时另一个信道接收信号，因此只需要一个收发机，在接收方向上采用带通滤波器或相干检测的方法来分离两种信号。

采用了这种方法后，在某个节点正在占用信道发送数据包的同时，其它节点可以利用忙音信道来竞争信道，从而使两个发送的数据包之间的空闲时隙数达到最低(最多不超过1个)。

本发明在冲突避免方面也提出了新的退避算法，由于本发明是分布式的媒体接入协议，因此每个站点都遵循同样的退避过程。图2示意出本发明协议的过程。

下面具体说明本发明协议的过程：

(1)当站点进入网络后，应调用载波侦听机制确定当前媒介状态。若站点有数据包要发送，则同时监听主信道和忙音信道，若忙音信道忙，则站点将推迟其发送，直至忙音信道空闲时间为忙音间间隔IBS(Inter BusySpace，IBS定义如式(1)所示，其中业务的优先级越高，n值越小)，跳到步骤(2)；若在主信道上正确接收到了发给自己的准备发送(Ready To Send，RTS)包(见802.11标准)，则回复清除发送(Clear To Send，CTS)包(见802.11标准)，跳到步骤(9)。

(2)在忙音信道空闲IBS后，如果其退避时间为零，则站点生成一个新的随机退避，跳到步骤(3)，如果其退避时间为非零值，则使用当前的退避时间，跳到步骤(3)。退避时间由此定义：退避时间＝伪随机整数×时隙时间，其中伪随机整数从[0，窗口大小]中均匀选取。在站点第一次试图发送该数据包时，窗口大小为初始窗口大小(初始窗口大小为一固定参数，见802.11标准)。

(3)当忙音信道持续空闲了1个时隙，站点的随机退避时间减去1个时隙，跳到步骤(4)；相反，若忙音信道在这个时隙内变忙，则回到步骤(1)。

(4)若站点的随机退避时间不为0，则回到步骤(3)；若站点的退避时间为0，则开始在忙音信道上发送忙音信号。发送忙音信号的持续时间长度根据要发送数据包的优先级来定(例如语音数据包3个时隙，视频数据包2个时隙，尽力而为的数据包1个时隙)。忙音信号发送完后跳到步骤(5)。

(5)停止发送忙音信号1到2个时隙(以等概率选择是1个时隙还是2个时隙)，同时监听忙音信道和主信道。若在其间忙音信道变忙，表明有其它站点也在竞争主信道，则回到步骤(1)；若其间忙音信道一直空闲而主信道在某时刻为忙，表示没有发现其它站点也在竞争主信道，但主信道正在被使用，则再次发送忙音信号，持续一个时隙，重复步骤(5)；若其间忙音信道和主信道都一直空闲，表示没有发现其它站点也在竞争主信道，且主信道也没有被使用，则不再发送忙音信道，跳到步骤(6)。

(6)若主信道持续空闲了DIFS(DCF帧间间隔，DCF interframe space，见802.11标准)，且忙音信道一直空闲，则在主信道上向目标站点发送准备发送RTS包，同时在忙音信道上持续发送忙音信号直道RTS包发送完毕，跳到步骤(7)；若主信道在DIFS时间到达之前变忙而忙音信道一直空闲，则表示主信道正在被使用，则再次发送忙音信号，持续一个时隙，回到步骤(5)；若忙音信道在DIFS时间到达之前变忙而主信道一直空闲，则表明有其它站点也在竞争主信道，则回到步骤(1)。

(7)若站点正确接收到来自目标站点的CTS包，则向目标站点发送数据包，跳到步骤(8)；若在超时时间(超时时间见802.11标准)内没有正确接收到来自目标站点的CTS包，则表明发生冲突，此次传输失败，若站点的窗口大小已经到达最大窗口大小(最大窗口大小为一固定参数，见802.11标准)，则站点的窗口大小保持不变，否则站点的窗口大小翻倍，回到步骤(1)。

(8)若站点正确接收到来自目标站点的确认(Acknowledgement，ACK)包(见802.11标准)，则表明此次传输成功，回到步骤(1)；若在超时时间(超时时间见802.11标准)内没有正确接收到来自目标站点的CTS包，则表明发生冲突，此次传输失败，回到步骤(1)。

(9)若站点正确接收到了发给自己的数据包，则回复ACK包，回到步骤1；否则表明此次传输失败，则直接回到步骤(1)。

IBS＝DIFS+n个时隙n≥3        (1)

经过大量的仿真，此方法的系统吞吐量大大高于802.11e中的EDCA，并且接近了理论的最大值(理论的最大值是按照没有空闲的时隙并且没有冲突来计算的)。

Claims (1)

1、一种分布式媒体接入协议，包括以下步骤：

(1)当站点进入网络后，应调用载波侦听机制确定当前媒介状态，若站点有数据包要发送，则同时监听主信道和忙音信道，若忙音信道忙，则站点将推迟其发送，直至忙音信道空闲时间为忙音间间隔IBS，跳到步骤(2)；若在主信道上正确接收到了发给自己的准备发送包，则回复清除发送包，跳到步骤(9)；其中，IBS定义为：

IBS＝DIFS+n个时隙  n≥3

n表示为业务的优先级序号；

(2)在忙音信道空闲IBS后，如果站点的退避时间为零，则站点生成一个新的随机退避时间，跳到步骤(3)，如果其退避时间为非零值，则使用当前的退避时间，跳到步骤(3)；

(3)当忙音信道持续空闲了1个时隙，站点的随机退避时间减去1个时隙，跳到步骤(4)；相反，若忙音信道在这个时隙内变忙，则回到步骤(1)；

(4)若站点的随机退避时间不为0，则回到步骤(3)；若站点的退避时间为0，则开始在忙音信道上发送忙音信号，忙音信号发送完后跳到步骤(5)；

(5)停止发送忙音信号1到2个时隙，同时监听忙音信道和主信道；若在其间忙音信道变忙，表明有其它站点也在竞争主信道，则回到步骤(1)；若其间忙音信道一直空闲而主信道在某时刻为忙，则再次发送忙音信号，持续一个时隙，重复步骤(5)；若其间忙音信道和主信道都一直空闲，则不再发送忙音信道，跳到步骤(6)；

(6)若主信道持续空闲了DIFS，且忙音信道一直空闲，则在主信道上向目标站点发送准备发送清除发送包，同时在忙音信道上持续发送忙音信号直道准备发送包发送完毕，跳到步骤(7)；若主信道在DIFS时间到达之前变忙而忙音信道一直空闲，则表示主信道正在被使用，再次发送忙音信号，持续一个时隙，回到步骤(5)；若忙音信道在DIFS时间到达之前变忙而主信道一直空闲，则回到步骤(1)；

(7)若站点正确接收到来自目标站点的清除发送包，则向目标站点发送数据包，跳到步骤(8)；若在超时时间内没有正确接收到来自目标站点的清除发送包，则表明发生冲突，此次传输失败，若站点的窗口大小已经到达最大窗口大小，则站点的窗口大小保持不变，否则站点的窗口大小翻倍，回到步骤(1)；

(8)若站点正确接收到来自目标站点的确认包，则表明此次传输成功，回到步骤(1)；若在超时时间内没有正确接收到来自目标站点的清除发送包，则表明发生冲突，此次传输失败，回到步骤(1)；

(9)若站点正确接收到了发给自己的数据包，则回复ACK确认包，转入步骤(1)；否则直接转入步骤(1)。

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