CN101345579A - 一种基于信道感知和信道预约相结合的多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信道感知和信道预约相结合的多址接入方法，通过信道感知来判断信道当前通信质量是否适合传输数据分组。即发送终端通过发送短的控制分组RTS给接收终端，然后接收终端从RTS中获取信道参数，并通过CTS分组传递给发送终端，由发送终端来决定是否传输数据分组；若发送端决定不发送此数据分组，尝试再次发送该数据分组；若发送端决定发送此数据分组，将预约时隙随数据分组一起广播出去，完成信道预约，然后等待确认分组ACK；若发送端正确接收到ACK分组，返回步骤一准备发送下一个数据分组；若未能正确接收到，发送端尝试再次发送该数据分组。本发明提高了信道的利用率。

Description

一种基于信道感知和信道预约相结合的多址接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，是一种多址接入方法。

背景技术

IEEE 802.11标准是目前无线局域网多址接入技术公认的国际标准。该标准定义了两种多址接入协议方式：其一是全分布式的分布式协调功能(DCF)，另外一个是集中式的点协调功能(PCF)。DCF是基于载波侦听与冲突回避机制的一种多址随机接入策略。由于其实现简单，DCF被业界广泛采用。

随着技术的飞速发展，近年来基于IEEE 802.11的无线局域网技术得到了广泛的应用。一方面，随着越来越多的用户使用这一技术，IEEE 802.11无线局域网所工作频段的频谱资源变得越来越紧张。另一方面，IEEE 802.11标准所推荐使用的分组冲突解决方法在网络用户数多以及通信信道质量差的情况下不能有效的控制分组冲突的发生。频繁的分组冲突和信道误帧的发生，将导致信道利用率的大幅度下降。

为了改进IEEE 802.11多址接入协议的性能，具有能够同时解决分组冲突及信道误帧的多址接入协议方案是至关重要的。目前已有的大多数冲突解决方法中，通信终端相互独立的产生各自的退避计数器初值，于是分组冲突便不可避免，尤其是在系统业务量较大的情况下。在韩国Choi J.博士提出的多址接入协议EBA中，发送终端在发送当前数据分组的同时，把接下来的数据分组将要使用的退避计数器的初值预先广播出去。这样相应的时隙便被预约下来，从而避免了其他发送终端使用同一时隙进行数据发送。然而，问题在于他们提出的EBA只解决了分组冲突问题，并未考虑到信道质量下降所导致的信道误帧的问题。众所周知，当无线信道传输特性较差时，数据分组的传输会经常发生误帧，进而导致信道利用率大幅下降。

发明内容

为了克服现有技术由于信道误帧而降低信道利用率的不足，本发明提供了一种基于信道感知和信道预约相结合的多址接入方法(CA-DIBCR)，能有效提高网络频谱资源的利用率。

本发明主要是通过信道感知来判断信道当前通信质量是否适合传输数据分组。即发送终端通过发送短的控制分组RTS给接收终端，然后接收终端从RTS中获取信道参数，并通过CTS分组传递给发送终端，由发送终端来决定是否传输数据分组。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：考虑一个单跳的无线局域网，发送终端发送数据分组的步骤如下：

步骤一、发送终端在退避完成后，发送短控制分组RTS分组，退避过程按照IEEE802.11的相关规定执行。

步骤二、考虑到分组发生碰撞或出现误帧的可能，接收终端可能不能正确接收到RTS分组。若接收终端正确接收到RTS分组，估算此分组的SNR值，并将此SNR值嵌入至CTS分组中，随CTS分组一起传递给发送终端。若接收终端没有正确接收到RTS分组，则不作任何反应。

步骤三、若发送终端没有正确接收到CTS分组，则重新进入步骤一以尝试再次发送该数据分组。

步骤四、若发送终端正确接收到CTS分组，则首先读取其中的SNR值，然后估算数据分组的误帧率，根据判决函数得到一个发送概率，按此发送概率来决定是否发送此数据分组。

步骤五、若发送终端决定不发送此数据分组，那么发送终端进入退避过程，转移到步骤一以尝试再次发送该数据分组。

步骤六、若发送终端决定发送此数据分组，那么按照EBA的算法，将预约的信道时隙以退避计数器初值的方式写入数据分组的头部，随数据分组一起广播出去，以完成信道预约，然后等待确认分组ACK。

步骤七、若发送终端正确接收到ACK分组，则表明数据分组已正确发送出去，且下一个数据分组所对应的信道时隙已预约好。随后返回步骤一以准备发送下一个数据分组；若未能正确接收到ACK分组，则表明数据分组发送失败，发送终端须再次进入退避过程，即转移到步骤一，以尝试再次发送该数据分组。

所述的的判决函数如下式所示，发送端就是按照这个概率来决定是否发送该数据分组。

$P_{\mathrm{send}}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;1-P_{f\_\mathrm{data}}\&le;0.1\\ \frac{(1-P_{f\_\mathrm{data}})(0.9-P_{f\_\mathrm{data}})}{(1-P_{f\_\mathrm{aver}})(0.9-P_{f\_\mathrm{aver}})}& 0.1<1-P_{f\_\mathrm{data}}<1-P_{f\_\mathrm{aver}}\\ 1& 1-P_{f\_\mathrm{aver}}\&le;1-P_{f\_\mathrm{data}}\&le;1\end{array}\right.$

其中，P_send为发送数据分组的概率，P_{f_data}为误帧率，P_{f_aver}为平均误帧率，该平均概率是将发送终端所估算出的最近5个误帧率P_{f_data}加以平均而得。P_send为0时，则以概率0发送数据分组；为1时，则以概率1发送该数据分组；而当其在0到1之间时，则以概率P_send发送该数据分组。

本发明的有益效果是：将信道感知同信道预约相结合，保证发送终端所对应的无线信道传输质量较差时，将宝贵的传输机会让给信道质量较好的其它用户使用，从而进一步提高了系统的通过率，即提高了信道的利用率。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明信道状态转换模型示意图。

图2(a)是CA-DIBCR归一化吞吐量示意图；图2(b)是EBA归一化吞吐量示意图。

图3(a)是CA-DIBCR平均分组错误概率示意图；图3(b)是EBA平均分组错误概率示意图。

图4是CA-DIBCR中的CTS控制分组格式示意图。

具体实施方式

考虑一个发送终端将要发送一个数据分组，整个信道接入过程叙述如下：

步骤1：当该发送终端相应的发送机会到来时(即退避过程结束)，发送终端发送一个短的控制分组RTS。RTS分组经过无线信道，可能会产生误帧或与其他分组发生碰撞。注意，退避过程按照IEEE 802.11的相关规定执行。

步骤2：若接收终端没有接收到RTS或RTS产生了误帧，那么接收终端不做任何响应。发送终端因未能接收到来自接收终端的CTS分组，从而决定放弃该数据分组的发送机会。接着发送终端进入再次退避的过程中，并转移至步骤1以等待下一次发送该数据分组的机会。

如果接收终端正确接收到RTS分组，则通过接收到的RTS分组的功率，可以估算出发送RTS分组时相应的信噪比SNR，信噪比的估计方法已很成熟，这里不再赘述。

接收终端返回一个CTS控制分组给发送终端，并将其测量得到的SNR数值嵌入到CTS分组中。SNR数值可以采用16位浮点数编码。具体的CTS控制分组格式如图4所示。图中的“SNR”数据域用于承载16位的信噪比数值。

步骤3：若发送终端未能接收到CTS分组或CTS分组产生误帧，那么发送终端进入再次退避的过程中，并转移至步骤1以等待下一次发送该数据分组的机会。

步骤4：若发送终端可以正确接收到CTS，则提取出CTS分组中所携带的SNR值。然后依据误帧率公式估计在此信道情况下数据帧的误帧率P_{f_data}。注意，根据不同的调制解调模式，误帧率公式应做相应调整。例如，若系统采用了DBPSK调制方式，其误帧率(在不考虑采用信道纠错编码措施的情况下)可按公式(1)和(2)估算。

$P_e=\frac{1}{2(1+\mathrm{SNR})}---\left(1\right)$

P_{f_data}＝1-(1-P_e)ⁿ              (2)

其中，P_e代表误比特率，P_{f_data}代表误帧率，n表示一帧中所包含的比特数。注意，误帧率公式(2)未考虑采用前向纠错措施。

将估算出的误帧率P_{f_data}代入公式(3)所示的判决函数，得出相应的发送概率P_send，即发送该数据分组的概率。发送端就是按照这个概率来决定是否发送该数据分组。

$P_{\mathrm{send}}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;1-P_{f\_\mathrm{data}}\&le;0.1\\ \frac{(1-P_{f\_\mathrm{data}})(0.9-P_{f\_\mathrm{data}})}{(1-P_{f\_\mathrm{aver}})(0.9-P_{f\_\mathrm{aver}})}& 0.1<1-P_{f\_\mathrm{data}}<1-P_{f\_\mathrm{aver}}\\ 1& 1-P_{f\_\mathrm{aver}}\&le;1-P_{f\_\mathrm{data}}\&le;1\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，P_send为发送数据分组的概率，P_{f_aver}为平均误帧率，该平均概率是将发送终端所估算出的最近5个误帧率P_{f_data}加以平均而得。P_send为0时，则以概率0发送数据分组；为1时，则以概率1发送该数据分组；而当其在0到1之间时，则以概率P_send发送该数据分组。

步骤5：如果发送终端决定不发送该数据分组，那么发送终端进入再次退避的过程中，并转移至步骤1以等待下一次发送该数据分组的机会。

步骤6：如果发送终端决定发送该数据分组，则按照EBA算法，对下一发送时刻进行预约，并将预约好的信道时隙以退避计数器初值的形式嵌入到当前数据分组的头部一并广播出去。信道预约过程可完全按照EBA算法执行，这里不再赘述。

步骤7：发送终端发送完数据分组后，等待接收终端的ACK确认分组。

若发送终端未能正确接收到来自接收终端的ACK分组，那么发送终端进入再次退避的过程中，并转移至步骤1以等待下一次发送该数据分组的机会。

若发送终端正确接收到了来自接收终端的ACK分组，则表明该数据分组已成功发送出去。接着，发送终端等待其下一个预约时隙的到来，并转移至步骤1以等待下一次发送新数据分组的机会。

为了更好的阐明本算法，我们考虑一个发送终端A，列举它在两种不同情况下的信道接入过程。

方法实施例一，信道状态较好时的情况：

步骤1：当发送终端A的退避计数器退避到0时，它获得了发送机会，此时发送一个RTS控制分组。

步骤2：接收终端正确接收到A发送的RTS分组，则接收终端通过接收到的RTS分组的功率，估算出发送RTS分组时相应的信噪比SNR为43dB。接收终端返回一个CTS控制分组给发送终端，并将其测量得到的SNR数值嵌入到CTS分组中的“SNR”域中，随CTS分组一起传递给发送终端，进入步骤4。

步骤4：发送终端正确接收到CTS分组后，提取出CTS分组中所携带的SNR值。然后依据误帧率公式估算在此信道情况下数据分组的误帧率P_{f_data}。在本例中，由于采用了DBPSK调制方式，因此将SNR值43dB换算成20000，设数据帧总长度n＝18384比特，代入式(1)和式(2)，得到

P_e＝0.00002499，P_{f_data}＝0.36845。

发送终端将估算出的误帧率P_{f_data}代入判决函数(见式3)，得出相应的发送概率P_send。此时P_{f_aver}经估算为0.261。

1-P_{f_data}＝0.63155，1-P_{f_aver}＝0.739→0.1＜1-P_{f_data}＜1-P_{f_aver}

所以， $P_{\mathrm{send}}=\frac{(1-P_{f\_\mathrm{data}})(0.9-P_{f\_\mathrm{data}})}{(1-P_{f\_\mathrm{aver}})(0.9-P_{f\_\mathrm{aver}})}=0.7108.$

因此，发送终端以71.08％的概率将数据分组发送出去，在(0，1)之间按均匀分布随机取得一个值为0.4。由于该数值小于71.08％，因此决定发送此数据分组，进入步骤6。

步骤6：按照EBA算法，发送终端对下一发送时刻进行预约，将得到的预约退避初值6嵌入到当前数据分组的头部一并广播出去。发送终端发送完数据分组后等待ACK确认分组。

步骤7：发送终端正确接收到ACK分组，说明数据分组已成功发送出去。接着，发送终端等待其下一个预约时隙的到来，并转移至步骤1以等待下一次发送新数据分组的机会。

方法实施例二，信道状态较差时的情况：

步骤1：当发送终端A的退避计数器退避到0时，它获得了发送机会，此时发送一个RTS控制分组。

步骤2：接收终端正确接收到A发送的RTS分组，则接收终端通过接收到的RTS分组的功率，估算出发送RTS分组时相应的信噪比SNR为40dB。接收终端返回一个CTS控制分组给发送终端，并将其测量得到的SNR数值嵌入到CTS分组中的“SNR”域中，随CTS分组一起传递给发送终端，进入步骤4。

步骤4：发送终端正确接收到CTS分组，取出CTS分组中所携带的SNR值。然后依据误帧率公式估计在此信道情况下数据分组的误帧率P_{f_data}。在本例中，同样采用了DBPSK调制方式，因此将SNR值40dB换算成10000，设数据帧总长度n＝18384比特，代入式(1)和式(2)，得到

P_e＝0.00004995，P_{f_data}＝0.60113。

将估算出的误帧率P_{f_data}代入判决函数(见式3)，得出相应的发送概率P_send。此时P_{f_aver}经估算为0.261。

1-P_{f_data}＝0.39887，1-P_{f_aver}＝0.739→0.1＜1-P_{f_data}＜1-P_{f_aver}

所以， $P_{\mathrm{send}}=\frac{(1-P_{f\_\mathrm{data}})(0.9-P_{f\_\mathrm{data}})}{(1-P_{f\_\mathrm{aver}})(0.9-P_{f\_\mathrm{aver}})}=0.2524.$

因此，发送终端以25.24％的概率将数据分组发送出去，在(0，1)之间按均匀分布随机取得一个值为0.6，由于该数值大于25.24％，则决定不发送此数据分组，进入步骤5。

步骤5：发送终端A决定不发送此数据分组，再次进入退避过程，并转移至步骤1以等待下一次发送该数据分组的机会。

Claims (2)

1、一种基于信道感知和信道预约相结合的多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：

(a)发送终端在退避完成后，发送短控制分组RTS分组；

(b)若接收终端正确接收到RTS分组，估算此分组的SNR值，并将此SNR值嵌入至CTS分组中，随CTS分组一起传递给发送终端；若接收终端没有正确接收到RTS分组，则不作任何反应；

(c)若发送终端没有正确接收到CTS分组，则重新进入步骤(a)以尝试再次发送该数据分组；

(d)若发送终端正确接收到CTS分组，则首先读取其中的SNR值，然后估算数据分组的误帧率，根据判决函数得到一个发送概率，按此发送概率来决定是否发送此数据分组；

(e)若发送终端决定不发送此数据分组，发送终端进入退避过程，转移到步骤

(a)以尝试再次发送该数据分组；

(f)若发送终端决定发送此数据分组，按照EBA的算法，将预约的信道时隙以退避计数器初值的方式写入数据分组的头部，随数据分组一起广播出去，以完成信道预约，然后等待确认分组ACK；

(g)若发送终端正确接收到ACK分组，随后返回步骤一以准备发送下一个数据分组；若未能正确接收到ACK分组，则表明数据分组发送失败，发送终端须再次进入退避过程，即转移到步骤(a)，以尝试再次发送该数据分组。

2、根据权利要求1的一种基于信道感知和信道预约相结合的多址接入方法，

其特征在于所述的的判决函数如下式所示：

$P_{\mathrm{send}}=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;1-P_{f\_\mathrm{data}}\&le;0.1\\ \frac{(1-P_{f\_\mathrm{data}})(0.9-P_{f\_\mathrm{data}})}{(1-P_{f\_\mathrm{aver}})(0.9-P_{f\_\mathrm{aver}})}& 0.1<1-P_{f\_\mathrm{data}}<1-P_{f\_\mathrm{aver}}\\ 1& 1-P_{f\_\mathrm{aver}}\&le;1-P_{f\_\mathrm{data}}\&le;1\end{array}\right.$

其中，P_send为发送数据分组的概率，P_{f_data}为误帧率，P_{f_aver}为平均误帧率，该平均概率是将发送终端所估算出的最近5个误帧率P_{f_data}加以平均而得；P_send为0时，则以概率0发送数据分组；为1时，则以概率1发送该数据分组；而当其在0到1之间时，则以概率P_send发送该数据分组。

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