CN101364944A - 用于无线分布式网络的协同媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线分布式网络的协同媒体接入控制方法，它涉及无线局域网MAC协议。其具体过程为：源节点有数据要发送且有协同节点存在时，发送CoopRTS控制帧；目的节点收到CoopRTS控制帧后回CTS控制帧；协同节点收到CoopRTS控制帧、CTS控制帧后回HTS控制帧；若源节点收到CTS控制帧和HTS控制帧，则源节点先给协同节点发送数据帧，协同节点再将数据帧转发给目的节点，若源节点收到CTS控制帧但没有收到HTS控制帧，则源节点给目的节点发送数据帧；目的节点收到数据帧后直接给源节点回ACK控制帧；源节点收到ACK控制帧，此次数据传输成功完成。本发明通过合理的协同握手，更好的解决了多跳网络带来的隐藏终端问题，提高了协同握手成功概率，明显改善了网络性能。

Description

用于无线分布式网络的协同媒体接入控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体的说是一种协同媒体接入控制方法，可用于无线分布式网络。

背景技术

无线通信依靠无线电波进行传输，然而在传输过程中，这些电波受建筑物、车辆、树木和其它障碍物影响，形成多径衰落，严重影响网络的性能。目前比较常用的多入多出MIMO技术，通过在通信链路的发送端与接收端均使用多根天线，将传统通信系统中存在的多径效应变成对用户通信性能有利的因素，从而提高网络性能。但是一般情况下，移动终端由于受到体积、功耗、工艺、价格等多方面的限制，不能安装多部天线，使MIMO技术的应用变的困难。

于是，人们提出了协同通信技术。协同通信技术通过充分利用无线电波的全向传播特性，使无线网络中的节点相互协作形成虚拟的天线阵列，从而获得传统MIMO技术的空间分集增益，提高系统性能。

Pei Liu等人在文献CoopMAC：A Cooperative MAC for Wireless LANs中提出了一种新的协同媒体接入控制方法CoopMAC协同方式，并在文献A Cooperative MAC for AdHoc Wireless Networks中将CoopMAC协同方式运用到Ad Hoc网络。CoopMAC协同方式对传统的DCF方式进行了改进，在源节点和目的节点之间选择一个协同节点，当有数据要发送且存在协同节点时，源节点先发送请求协同发送控制帧进行握手，协同节点收到该帧后发送一个控制帧表示可以协同传输，目的节点收到前两个控制帧后才发送CTS控制帧表明终端已经准备好，随后源节点开始先将数据帧发给协同节点，协同节点转发收到的数据帧给目的节点，目的节点收到数据帧后直接给源节点回应ACK控制帧；若目的节点只收到源节点发送的请求协同发送控制帧，而等待协同节点发送的控制帧超时，则目的节点也会回CTS控制帧表明目的节点已经准备好，但此时执行的是同DCF方式一样的直接传输规程，即源节点直接发送数据给协同节点。CoopMAC协同方式通过协同节点的帮助，其数据帧用更高速率的两跳传输代替原先的低速的一跳传输，从而减少数据帧传输占用信道时间，提高时间复用，改善网络性能。

无线分布式网络是多跳网络，而多跳网络中不可避免的存在隐藏终端问题。所谓隐藏终端是指位于发射端的覆盖范围之外而处于接收端的覆盖范围之内的终端。该终端由于侦听不到发射端正在发送信息，认为信道空闲，可能向接收端发送信息，这样就造成信息在接收端碰撞，导致接收端不能正确解析任何信息，传输失败，降低了系统性能。如前所述，在CoopMAC协同方式中，目的节点只有在收到源节点和协同节点发送的控制帧或者收到源节点发送的控制帧但等待协同节点发送的控制帧超时的情况下才发送CTS控制帧。虽然协同节点先发送控制帧静默了其周围的隐藏终端，但目的节点周围的有些隐藏终端并没有被及时静默。在目的节点接收协同节点发送的控制帧期间，目的节点周围的隐藏终端由于监测不到协同节点正在发送控制帧，认为信道空闲，可能开始发送控制帧或数据帧，造成该节点与协同节点发送的两帧在目的节点发生碰撞。目的节点由于不能正确解析任何信息，不可能发送CTS控制帧回复源节点，导致此次协同握手失败。因此，CoopMAC协同方式的握手规程并不能很好的解决隐藏终端问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有CoopMAC协同方式的握手规程并不能很好的解决隐藏终端的问题，提出了一种用于无线分布式网络的协同媒体接入控制方法，该方法通过合理交互源节点、协同节点和目的节点三者之间的控制信息，减少隐藏终端所带来的碰撞，提高协同握手成功概率，从而提高整个网络的性能。

本发明的目的是这样实现的：

一.术语说明

CoopRTS控制帧：由现有CoopMAC协同方式提出，源节点发送的请求协同发送控制帧。

RTS控制帧：源节点发送的请求发送控制帧。

CTS控制帧：目的节点发送的允许发送控制帧。

HTS控制帧：由现有CoopMAC协同方式提出，协同节点发送的协同节点允许发送控制帧。

ACK控制帧：目的节点发送的应答认可控制帧。

DCF：分布式协调功能。

NAV：网络分配矢量。

二.本发明提供的协同媒体接入控制方法，包括如下步骤：

(1)网络中的源节点在有数据要发送且有协同节点存在时，先竞争到信道，再向目的节点和协同节点发送CoopRTS控制帧进行握手；

(2)目的节点收到CoopRTS控制帧后，若信道空闲，则等待短帧间间隔后，给源节点和协同节点发送CTS控制帧，表明信道准备好，否则不予回应；

(3)协同节点在收到CoopRTS和CTS这两个控制帧后，发送HTS控制帧给源节点应答，否则不予回应；

(4)源节点收到CTS控制帧和HTS控制帧后，表明协同握手成功，源节点向协同节点发送数据帧，并等待目的节点发送的ACK控制帧；若源节点只收到CTS控制帧，并在等待1.1个短帧间间隔后仍没有收到HTS控制帧时，表明协同握手没有成功，源节点则将数据帧直接发给目的节点，并等待目的节点发送的ACK控制帧；若源节点没有收到CTS控制帧，此次传输失败，源节点的重传次数加1，并重新开始进行二进制指数随机退避，再次竞争信道；

(5)协同节点收到源节点给自己的数据帧，在等待短帧间间隔后向目的节点转发所收到的数据帧，否则不予回应；

(6)目的节点在收到源节点或协同节点发给自己的数据帧后，直接给源节点回ACK控制帧，确认已收到数据帧，否则不予回应；

(7)源节点收到目的节点发给自己的ACK控制帧，表明数据帧已成功传输到目的节点，源节点的重传次数清零，信道重新开始空闲，网络中的各个节点重新开始竞争信道；若源节点等待ACK控制帧超时，或者在等待过程中收到除协同节点转发的数据帧以外的数据帧或控制帧，表明此次数据传输失败，源节点的重传次数加1，并重新开始进行二进制指数随机退避，再次竞争信道。

上述所述的协同媒体接入控制方法，其中步骤1～步骤6之后各节点的相应邻节点均要进行NAV更新，即在步骤1和步骤4之后由源节点的邻节点进行NAV更新，在步骤2和步骤6之后由目的节点的邻节点进行NAV更新，在步骤3和步骤5之后由协同节点的邻节点进行NAV更新。该NAV更新的分两种情况：

A.任意一个节点收到ACK控制帧后，若该控制帧中的持续时间域值比短帧间间隔时间大，且由该控制帧中的持续时间域获得的信道被占用时间等于当前的NAV数值，则该节点将NAV设置为当前时间；

B.任意一个节点在正确收到控制帧或数据帧后，在不满足情况A的条件时，该节点均要根据所收到控制帧或数据帧中持续时间域的信息获得信道被占用时间，以更新NAV，即如果该信道被占用时间比当前的NAV值大，则将NAV值设置为该信道被占用时间，如果该信道被占用时间小于或等于现有的NAV值，则NAV值保持不变。

上述协同媒体接入控制方法，其中所述的CTS控制帧中的持续时间域值设置为：

$2*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{direct}}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}},$

式中，T_SIFS为短帧间间隔的大小，L为MAC层数据长度，R_direct为源节点与目的节点之间的数据帧的传输速率，T_PLCP为发送物理层收敛协议子层所需的时间，T_ACK为ACK控制帧的传输时间。

上述协同媒体接入控制方法，其中所述的HTS帧控制帧中的持续时间域值设置为：

$3*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+2*T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}},$

式中，R_sh为源节点与协同节点之间的数据帧的传输速率，R_hd为协同节点与目的节点之间的数据帧的传输速率。

上述协同媒体接入控制方法，其中所述的数据帧，分为源节点给协同节点发送的数据帧、协同节点转发给目的节点的数据帧和源节点直接发送给目的节点的数据帧。当源节点给协同节点发送数据帧时，该数据帧帧头的地址1填入协同节点的MAC地址，地址2填入源节点的MAC地址，地址4填入目的节点的MAC地址；当协同节点转发给目的节点数据帧或源节点直接发送给目的节点数据帧时，该数据帧帧头的地址1填入目的节点的MAC地址，地址2填入源节点的MAC地址，地址4填入-1。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明与现有CoopMAC协同方式不同之处在于CTS控制帧和HTS控制帧的发送顺序，本发明中目的节点先发送CTS控制帧后协同节点再发送HTS控制帧，而现有CoopMAC协同方式中协同节点先发送HTS控制帧后目的节点再发送CTS控制帧。由于协同节点的位置处于源节点和目的节点之间，减去原先已被源节点发送CoopRTS静默的范围，目的节点发送CTS帧所静默的范围比协同节点发送HTS帧所静默的范围要大，静默节点数多，因此，相比于现有的CoopMAC协同方式，本发明的CoopMAC_CTS协同方式能及时静默更多的隐藏终端，更好的解决隐藏终端问题，提高协同握手的成功概率，从而进一步带来整个网络吞吐量增加、重传次数减少。

2、本发明中，假设源节点发送CoopRTS控制帧时，目的节点监测到信道忙但协同节点监测信道状态为空闲，则目的节点在收到CoopRTS控制帧后不给予回应，协同节点也不会发送HTS控制帧；而现有的CoopMAC协同方式下，目的节点虽然也不会回应，但协同节点会先发送HTS控制帧，这样造成了网络中多余控制帧对信道的干扰。

3、本发明中，若目的节点发送的CTS控制帧与其他的节点发送的控制帧或数据帧在协同节点处发生碰撞，此时源节点接收到CTS控制帧后，可进行直接传输规程；而现有的CoopMAC协同方式中，若HTS控制帧与其他的节点发送的控制帧或数据帧在目的节点发生碰撞，目的节点不会回应CTS控制帧，此次握手失败，源节点的重传次数加1，并需重新竞争信道。

4、本发明还可扩展到与路由相结合，即在MAC层中引入协同，能弥补路由长跳所带来的数据帧的传输速率低的不足；而且在路由中选择长跳，又可以减少竞争信道的次数，从而改善系统性能。

附图说明

图1是本发明的协同媒体接入控制过程示意图；

图2是现有的CoopRTS帧格式图；

图3是本发明协同握手成功时各邻节点NAV更新示意图；

图4是本发明协同握手失败时各邻节点NAV更新示意图；

图5是本发明仿真网络节点个数与吞吐量的变化结果图；

图6是本发明仿真网络节点个数与重传次数的变化结果图；

图7是本发明仿真网络输入负载与吞吐量的变化结果图；

图8是本发明仿真网络输入负载与重传次数的变化结果图。

具体实施方式

参照图1，本发明的协同媒体接入控制步骤如下：

步骤1，源节点发送CoopRTS控制帧。

由于网络中每对源节点和目的节点之间并不一定都存在协同节点，因此，网络中的每个节点均维持一张存有协同节点的协同表格，以便查找相应的协同节点。协同表格格式如表1。

表1  协同表格格式

 

目的节点1的地址	协同节点1的地址	接收到来自协同节点1与目的节点1之间的数据帧的最近时间	协同节点1与目的节点1之间的数据帧的传输速率	源节点与协同节点1之间的数据帧的传输速率
						……	……	……	……
目的节点n的地址	协同节点n的地址	接收到来自协同节点n与目的节点n之间的数据帧的最近时间	协同节点n与目的节点n之间的数据帧的传输速率	源节点与协同节点n之间的数据帧的传输速率

两节点之间的数据帧的传输速率由两节点之间链路状态决定。当各节点的发送功率固定时，任意一个节点通过与周围邻节点间的MAC控制信息交互，获得该节点与邻节点之间的链路状态，估计出该节点到邻节点之间的数据帧的传输速率。例如源节点S可通过与节点H和节点D之间的控制信息交互，获得源节点S与节点H之间的数据帧的传输速率

和源节点S与节点D之间的数据帧的传输速率

另外，当源节点S通过“串绕”收到H节点与D节点之间的数据帧时，源节点S可以从该帧的物理层收敛协议子层头部获得该数据帧的传输速率即H节点与D节点之间的数据帧的传输速率。若 $\frac{1}{R_{\mathrm{sh}}^{\&prime;}}+\frac{1}{R_{\mathrm{hd}}^{\&prime;}}<\frac{1}{R_{\mathrm{sd}}^{\&prime;}}$ 不等式成立，则源节点将H节点作为协同节点、D节点作为目的节点填入到协同表格中。相应的，

作为源节点与协同节点之间的数据帧的传输速率、

作为协同节点与目的节点D之间的数据帧的传输速率填入到协同表格对应表项中，协同表格中的时间填入源节点通过“串绕”收到H节点与D节点之间的数据帧的时间。

当源节点有数据包要传输且竞争到信道时，根据数据包的目的地址在协同表格中查找满足协同条件的协同节点。若协同表格中某表项的目的地址与该数据包的目的地址相同，且该表项中的其余参数满足如下不等式，则该表项中的协同节点可选为协同节点，即；

$\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+T_{\mathrm{coopRTS}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{HTS}}+2*T_{\mathrm{SIFS}}<\frac{L}{R_{\mathrm{direct}}}+T_{\mathrm{RTS}}.$

有时可能有多个表项满足上述条件，此时应选使得

$\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+T_{\mathrm{coopRTS}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{HTS}}+2*T_{\mathrm{SIFS}}$ 值最小的协同节点作为协同节点；

若有多个表项对应的 $\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+T_{\mathrm{coopRTS}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{HTS}}+2*T_{\mathrm{SIFS}}$ 值相同，选协同表格中时间最新对应的协同节点作为协同节点，

式中，R_direct为源节点与目的节点之间的数据帧的传输速率，R_sh为源节点与协同节点之间的数据帧的传输速率，R_hd为协同节点与目的节点之间的数据帧的传输速率，L为MAC层数据长度，T_CoopRTS、T_HTS、T_RTS分别为CoopRTS控制帧、HTS控制帧和RTS控制帧的传输时间，T_SIFS为短帧间间隔的大小，T_PLCP为发送物理层收敛协议子层所需的时间。

若存在协同节点，则源节点发送CoopRTS控制帧，进行协同握手，该CoopRTS控制帧的帧格式如图2所示，其持续时间域的时间为

$5*T_{\mathrm{SIFS}}+T_{\mathrm{CTS}}+T_{\mathrm{HTS}}+T_{\mathrm{ACK}}+\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+2*T_{\mathrm{PLCP}},$

式中，T_CTS为CTS控制帧的传输时间，

若没有协同节点，则源节点发送RTS控制帧，进行直接传输DCF方式握手。DCF方式为IEEE 802.11的一种媒体接入控制方式，在这里不做介绍。

源节点发送完CoopRTS控制帧后，等待接收来自目的节点的CTS控制帧，等待超时时间为：

T_ACK+T_SIFS。

步骤2，目的节点发送CTS控制帧。

任意一个节点收到CoopRTS控制帧后，判断目的地址是否为该任意节点的地址以及信道是否空闲。若上述条件满足，则该任意节点为目的节点，该任意节点等待短帧间间隔后，给源节点和协同节点发送CTS控制帧，表明目的节点已经准备好接收。CTS控制帧的目的地址设为源节点地址，该帧的持续时间域设置为最坏情况，即设置为源节点直接给目的节点发送数据帧所需的传输时间，其表达式为：

$2*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{direct}}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}};$

否则，该目的节点不给源节点发送回应。

步骤3，协同节点发送HTS控制帧。

任意一个节点收到CoopRTS控制帧后，若该控制帧中的协同地址是该任意节点的地址，则该任意节点继续判断信道是否空闲、是否能支持CoopRTS控制帧中的源节点到协同节点之间的数据帧的传输速率R_sh及协同节点到目的节点之间的数据帧的传输速率R_hd。若上述条件满足，则该任意节点标志为协同节点。该协同节点等待目的节点发送的CTS控制帧，等待超时时间设为T_ACK+T_SIFS；

如果协同节点收到所期望的CTS控制帧，则协同节点在短帧间间隔后给源节点发送HTS控制帧，该控制帧的帧格式同CTS控制帧，其持续时间域的时间为：

$3*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+2*T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}};$

如果等待超时后协同节点仍没有收到CTS控制帧，表明目的节点没有准备好，此次协同握手失败，该任意节点作为协同节点的标志取消，该任意节点也不给源节点回复任何控制帧。

步骤4，源节点发送数据帧。

若源节点在等待CTS控制帧超时的时间内收到给自己的CTS控制帧，则源节点继续等待接收协同节点发送的HTS控制帧，等待超时时间设置为1.1个短帧间间隔。如果源节点在等待超时时间内收到HTS控制帧，表明协同握手成功，源节点在等待短帧间间隔后开始传输数据帧。由于此时数据帧先传输给协同节点，所以将数据帧的帧头中地址1填入协同节点的地址，地址2填入源节点的地址，地址4中填入目的节点的地址。源节点发送完数据帧后等待接收目的节点发送的ACK控制帧，等待超时时间设置为：

$2*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}}.$

如果源节点在等待HTS控制帧超时时间后仍没有监听到有帧在传输时，表明协同节点没有准备好，协同握手失败，此时同DCF方式一样，源节点在等待短帧间间隔后，直接发送数据帧给目的节点，该数据帧的帧头中地址1填入目的节点的地址，地址2中填入源节点的地址，地址4中填入-1。源节点发送完数据帧后等待接收目的节点发送的ACK控制帧，等待超时时间设置为T_ACK+T_SIFS。

若源节点等待CTS控制帧超时，仍没有收到所期望的CTS控制帧，或者在等待过程中收到其他控制帧或数据帧，表明目的节点没有准备好，源节点进行传输失败处理，其重传次数加1，并重新开始进行二进制指数随机退避，再次竞争信道。

步骤5，协同节点转发收到的数据帧。

协同节点收到源节点发送的数据帧，在等待短帧间间隔后将数据帧转发给目的节点，并在该数据帧的帧头地址1中填入目的节点的地址，地址2中填入源节点的地址，地址4中填入-1，否则不予回应。

步骤6，目的节点发送ACK控制帧。

目的节点在收到源节点或协同节点发给自己的数据帧后，均直接给源节点回ACK控制帧，确认已收到数据帧，否则不予回应。

步骤7，源节点接收ACK控制帧。

若源节点收到目的节点发给自己的ACK控制帧，表明数据帧已成功传输到目的节点，源节点的重传次数清零，信道重新开始空闲，网络中的各个节点可重新开始竞争信道；

若源节点等待ACK控制帧超时，或者在等待过程中收到除协同节点转发的数据帧以外的数据帧或控制帧，表明此次数据传输失败，源节点的重传次数加1，并重新开始进行二进制指数随机退避，再次竞争信道；

上述步骤1～步骤6之后各节点的相应邻节点均要进行NAV更新，即在步骤1和步骤4之后由源节点的邻节点进行NAV更新，在步骤2和步骤6之后由目的节点的邻节点进行NAV更新，在步骤3和步骤5之后由协同节点的邻节点进行NAV更新。该NAV更新的分两种情况：

A.任意一个节点收到ACK控制帧后，若该控制帧中的持续时间域值比短帧间间隔时间大，且由该控制帧中的持续时间域获得的信道被占用时间等于当前的NAV数值，则该节点将NAV设置为当前时间，表明当前信道已经空闲，消除CTS控制帧中持续时间域设置偏大所带来的影响；

B.任意一个节点在正确收到控制帧或数据帧后，在不满足情况A的条件时，该节点均要根据所收到控制帧或数据帧中持续时间域的信息获得信道被占用时间，以更新NAV，即如果该信道被占用时间比当前的NAV值大，则将NAV值设置为该信道被占用时间，如果该信道被占用时间小于或等于现有的NAV值，则NAV值保持不变。

假设节点A为源节点的邻节点，节点B为目的节点的邻节点，节点C为协同节点的邻节点，本发明的协同媒体接入控制方法对应的NAV更新参照图3和图4。

参照图3，对协同握手成功时的NAV更新如下：

源节点发送完CoopRTS控制帧后，其周围的邻节点A根据收到的CoopRTS控制帧中持续时间域进行NAV更新，并根据NAV值在相应的时间内保持静默。目的节点收到CoopRTS控制帧后回CTS控制帧，该帧的持续时间域设置为最坏情况，即设置为源节点直接给目的节点发送数据帧所需的传输时间，其表达式为：

$2*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{direct}}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}},$

目的节点周围的邻节点B根据收到的CTS控制帧中持续时间域进行NAV更新。随后，协同节点发送HTS控制帧、源节点发送数据帧和协同节点转发数据帧后，其相应的邻节点均要进行NAV更新。最后，目的节点发送ACK控制帧，通知源节点已经成功收到数据包，此次数据传输完成，信道重新空闲。由于协同握手成功时，数据帧用高速的两跳方式进行传输，而CTS控制帧中持续时间域设置为数据帧采用低速的直接传输所需的时间，因此节点B收到CTS控制帧后其NAV值设置偏大，在信道重新空闲后仍有后剩余，如图3中的斜线所示。为了消除CTS控制帧中持续时间域设置偏大所带来的影响，节点B在收到ACK控制帧之后，对NAV进行上述中情况A的更新。

参照图4，对协同握手失败时的NAV更新如下：

各节点的相应邻节点在收到控制帧或数据帧后，均要进行NAV更新。但由于协同握手失败，此时数据帧由源节点直接传输给目的节点，不会出现CTS控制帧中持续时间域设置偏大的问题。

本发明的效果，可通过以下仿真进一步说明：

仿真条件与仿真内容；

本仿真基于OPNET 10.5仿真平台。网络中的节点随机放置在R＝200m的圆内；网络中各节点保持静止不动，其发送功率固定，覆盖范围为100m；各节点均按相同的泊松分布产生数据包，数据包的包长为1024bytes，数据包的目的地址随机选择100m接收范围内的节点；本仿真中信道的传输损耗模型采用自由空间模型；数据帧的传输速率依赖于源节点和目的节点之间的距离，参照表2。

表2  数据帧的传输速率

 

数据帧的传输速率(Mbps)	11	5.5	2	1
					源节点和目的节点之间距离(m)	48.2	67.1	74.7	100

仿真结果：

本发明对节点数增加且整个网络的输入负载保持1000包/秒不变时吞吐量变化的仿真结果如图6；对节点数增加且整个网络的输入负载保持1000包/秒不变时重传次数变化的仿真结果如图7；对网络中保持80个节点不变且整个网络的输入负载变化时吞吐量变化的仿真结果如图8；对网络中保持80个节点不变且整个网络的输入负载变化时重传次数变化的仿真结果如图9。

从图6、图7、图8和图9中可以看出，无论在吞吐量还是重传次数上，本发明的协同方式均比现有的CoopMAC协同方式、DCF方式要优。

本发明相比DCF方式，其优势在于协同握手成功后数据传输用高速的两跳方式代替低速的直接传输方式。从图6和图8中可以看出，本发明相比DCF方式在吞吐量方面有很大改善；同时，从图7和图9中可以看出，本发明相比DCF方式在重传次数方面也有明显改善。

本发明相比于现有的CoopMAC协同方式，其优势在于更好的解决了隐藏终端问题。出现隐藏终端问题的两个条件是要有隐藏终端以及隐藏终端有数据要发送。图6示出了随着网络中节点数增加，隐藏终端数目增多，本发明的协同方式相比现有的CoopMAC协同方式在吞吐量性能方面的改善呈逐渐增加趋势；图8示出了随着网络输入负载增加，隐藏终端有数据发送的概率增大，本发明的协同方式相比现有的CoopMAC协同方式在吞吐量性能方面的改善也呈逐渐增加趋势，并随着网络达到饱和，其吞吐量改善趋于不变。从图6和图8看出，通过简单的改动发送HTS控制帧和CTS控制帧的顺序，本发明的协同方式对现有的CoopMAC协同方式吞吐量改善能达到6％。从图7和图9看出，相比现有的CoopMAC协同方式，本发明的协同方式通过更好的解决隐藏终端问题，使重传次数也有明显的改善。

Claims (6)

1.一种用于无线分布式网络的协同媒体接入控制方法，包括如下步骤：

(1)网络中的源节点在有数据要发送且有协同节点存在时，先竞争到信道，再向目的节点和协同节点发送CoopRTS控制帧进行握手；

(2)目的节点收到CoopRTS控制帧后，若信道空闲，则等待短帧间间隔后，给源节点和协同节点发送CTS控制帧，表明信道准备好，否则不予回应；

(3)协同节点在收到CoopRTS和CTS这两个控制帧后，发送HTS控制帧给源节点应答，否则不予回应；

(4)源节点收到CTS控制帧和HTS控制帧后，表明协同握手成功，源节点向协同节点发送数据帧，并等待目的节点发送的ACK控制帧；若源节点只收到CTS控制帧，并在等待1.1个短帧间间隔后仍没有收到HTS控制帧时，表明协同握手没有成功，源节点则将数据帧直接发给目的节点，并等待目的节点发送的ACK控制帧；若源节点没有收到CTS控制帧，此次传输失败，源节点的重传次数加1，并重新开始进行二进制指数随机退避，再次竞争信道；

(5)协同节点收到源节点给自己的数据帧，在等待短帧间间隔后向目的节点转发所收到的数据帧，否则不予回应；

(6)目的节点在收到源节点或协同节点发给自己的数据帧后，直接给源节点回ACK控制帧，确认已收到数据帧，否则不予回应；

(7)源节点收到目的节点发给自己的ACK控制帧，表明数据帧已成功传输到目的节点，源节点的重传次数清零，信道重新开始空闲，网络中的各个节点重新开始竞争信道；若源节点等待ACK控制帧超时，或者在等待过程中收到除协同节点转发的数据帧以外的数据帧或控制帧，表明此次数据传输失败，源节点的重传次数加1，并重新开始进行二进制指数随机退避，再次竞争信道。

2.根据权利要求1所述的协同媒体接入控制方法，其中步骤1～步骤6之后各节点的相应邻节点均要进行NAV更新，即在步骤1和步骤4之后由源节点的邻节点进行NAV更新，在步骤2和步骤6之后由目的节点的邻节点进行NAV更新，在步骤3和步骤5之后由协同节点的邻节点进行NAV更新。

3.根据权利要求2所述的协同媒体接入控制方法，其特征在于NAV更新的按以下两种情况进行：

A.任意一个节点收到ACK控制帧后，若该控制帧中的持续时间域值比短帧间间隔时间大，且由该控制帧中的持续时间域获得的信道被占用时间等于当前的NAV数值，则该节点将NAV设置为当前时间；

B.任意一个节点在正确收到控制帧或数据帧后，在不满足情况A的条件时，该节点均要根据所收到控制帧或数据帧中持续时间域的信息获得信道被占用时间，以更新NAV，即如果该信道被占用时间比当前的NAV值大，则将NAV值设置为该信道被占用时间，如果该信道被占用时间小于或等于现有的NAV值，则NAV值保持不变。

4.根据权利要求1所述的协同媒体接入控制方法，其中CTS控制帧中的持续时间域值设置为：

$2*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{direct}}}+T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}},$

式中，T_SIFS为短帧间间隔的大小，L为MAC层数据长度bytes，R_direct为源节点与目的节点之间的数据帧的传输速率，T_PLCP为发送物理层收敛协议子层所需的时间，T_ACK为ACK控制帧的传输时间。

5.根据权利要求1所述的协同媒体接入控制方法，其中HTS帧控制帧中的持续时间域值设置为：

$3*T_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L}{R_{\mathrm{sh}}}+\frac{L}{R_{\mathrm{hd}}}+2*T_{\mathrm{PLCP}}+T_{\mathrm{ACK}},$

式中，R_sh为源节点与协同节点之间的数据帧的传输速率，R_hd为协同节点与目的节点之间的数据帧的传输速率。

6.根据权利要求1所述的协同媒体接入控制方法，其中所述的数据帧分为源节点给协同节点发送的数据帧、协同节点转发给目的节点的数据帧和源节点直接发送给目的节点的数据帧。当源节点给协同节点发送数据帧时，该数据帧帧头的地址1填入协同节点的地址，地址2填入源节点的地址，地址4填入目的节点的地址；当协同节点转发给目的节点数据帧或源节点直接发送给目的节点数据帧时，该数据帧帧头的地址1填入目的节点的地址，地址2填入源节点的地址，地址4填入-1。

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