CN101437264B - 一种避免冲突的Ad Hoc网络介质访问方法 - Google Patents

一种避免冲突的Ad Hoc网络介质访问方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种避免冲突的Ad Hoc网络介质访问方法。本发明为每个节点配备两个收/发送机接口，将整个信道划分为两个互不干扰的信道，分别用于传输控制信号和数据信号。通过调整控制信号的发射功率，使控制信号的传输半径等于数据信道的感知半径。采用物理载波侦听结合虚拟载波侦听的方法侦听信道的空闲与否。利用控制信道数据信道互不干扰的特性，充分挖掘虚拟载波侦听的机制，采用每个节点维护三个NAV向量的方法及控制信道RTS/DTS/CTS的握手机制，彻底解决了IEEE 802.11协议存在的隐藏终端，暴露终端，隐藏接收端，暴露接收端问题，提高网络的空间利用率，减少了网络中的冲突，提高了吞吐量和有效数据传输率。

Description

一种避免冲突的Ad Hoc网络介质访问方法
技术领域
本发明属于无线移动自组织网络(Ad Hoc网络)，特别涉及一种避免冲突提高空间利用率的Ad Hoc网络介质访问方法。
背景技术
隐藏终端问题是指在接收节点的通信范围内而在发送节点的通信范围内的节点。隐藏终端会导致节点发送的数据发生冲突而丢弃，进而导致网络吞吐量的下降。IEEE 802.11协议试图使用接收节点发送控制帧CTS的方法解决隐藏终端问题。然而由于无线节点发射的信号其感知半径大于传输半径，所以采用接收节点发送控制帧CTS的方法仅能在传输半径内缓解隐藏终端的危害，而不能彻底解决隐藏终端问题。
暴露终端问题是指在发送节点的通信范围之内而在接收节点的通信范围外的节点。暴露终端问题使本来可以发送信号的节点处于等待状态，降低了网络的空间利用率。IEEE 802.11协议没能解决暴露终端问题。
隐藏接收端问题是指在IEEE 802.11协议机制下，接收到控制帧CTS处于等待状态的节点无法回复其邻居节点发送的控制帧RTS，导致邻居节点退避和控制帧RTS重传的问题。隐藏接收端问题导致控制帧RTS的无效重传，进而造成隐藏接收端邻居节点的冲突，最终导致网络的吞吐量下降。
暴露接收端问题是指在IEEE 802.11协议机制下，信道处于繁忙状态的节点无法回复发给自己的控制帧RTS。暴露接收端同样导致其邻居节点的退避和控制帧RTS的重传，最终导致网络吞吐量的下降。
目前能够在感知半径下同时彻底的解决上述四个问题的方法只有一种，其硬件代价较高。其核心思想是每个节点配置三对收发送机，将整个无线信道化分成三个信道，分别用于发送控制信号，数据信号和忙音信号。节点通过控制信道控制帧的交互和侦听忙音信道的状态控制数据信道数据帧的发送。该方法使用忙音信号解决隐藏终端，使用控制帧N-CTS解决暴露接收端问题，节点通过侦听忙音信道解决暴露终端和隐藏接收端问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种避免冲突提高空间利用率的Ad Hoc网络介质访问方法，解决IEEE 802.11协议存在的隐藏终端问题、暴露终端问题、隐藏接收端问题、暴露接收端问题。有效的减少了MAC层的冲突，提高了网络空间利用率，从而提高网络的吞吐量和有效数据传输率。
本发明的技术方案是这样实现的：
避免冲突提高空间利用率的Ad Hoc网络介质访问方法，包括以下步骤：
Step1每个节点配置了两个网络接口，把整个无线带宽划分成两个互不干扰的信道，一个用于传输控制信号，称之为控制信道，一个节点用于传输数据信号，称之为数据信道；
Step2控制信号和数据信号的发送采用不同的发射功率，使控制信号的传输半径等于数据信号的干扰半径；
Step3数据信道和控制信道采用相同的接收功率门限；
Step4数据信道发生冲突时按照二进制指数退避算法进行退避；
Step5源节点发送数据前首先侦听控制信道和数据信道，在控制信道空闲且NAVS小于零的条件下使用控制信道向目的节点发送控制帧RTS。控制帧RTS的发送一方面用于预约控制信道，保证目的节点返回控制帧CTS的这段时间内数据信道感知半径内没有节点发送控制信号，另一方面用于预约数据信道感知半径内节点的数据信道，更新其NAVR，使其在这段时间不能接收数据；
Step6接收到RTS的目的节点，如果数据信道物理空闲且NAVR小于零，等待SIFS的时间后向源节点回复控制帧CTS，否则向源节点返回控制帧DTS。控制帧CTS的发送一方面用于通知源节点向自己发送数据，另一方面预约其数据信道感知半径内节点的数据信道，更新其NAVS，使其在这段时间内不能发送数据；控制帧DTS的发送用于告诉源节点延迟其数据的发送；
Step7接收到控制帧RTS的非目的节点，如果正在使用数据信道接收数据，则向控制帧RTS的源节点返回控制帧DTS，延迟其数据的发送；
Step8源节点发出控制帧RTS后，在SIFS+TC的时间内受到目的节点返回的控制帧CTS，则通过数据信道向目的节点发送数据；如果在SIFS+TC的时间收到控制帧DTS，则根据控制帧DTS中NAVDTS字段记录的时间进行退避；
Step9如果目的节点的数据信道发生冲突，则通过控制信道向源节点发送N-ACK，目的是要求源节点重传已经发送的数据；
Step10源节点数据发出后一段时间内没有接收到N-ACK，则认为数据已被目的节点正确接收。
本发明将整个信道划分为数据信道和控制信道，分别用于发送/接收数据信号和控制信号。控制信号和数据信号的发送采用不同的发射功率，使控制信道传输半径等于数据信道感知半径。采用物理载波侦听结合虚拟载波侦听的技术侦听信道的空闲与否，从而控制节点发送数据。虚拟载波侦听技术通过维护三个NAV向量实现。NAVC用于描述控制信道空闲还需要等待的时间；NAVS用于描述要使用数据信道发送信号需要等待的时间；NAVR用于描述使用数据信号接收数据需要等待的时间。在此基础上，控制信道采用RTS/DTS/CTS(RDC)的握手机制，彻底解决IEEE 802.11协议存在的隐藏终端、暴露终端、隐藏接收端、暴露接收端问题。从而减少了MAC层的冲突，提高了空间利用率，进而提高了网络的吞吐量和有效数据传输率。
附图说明
图1为存在隐藏终端问题的拓扑图；
图2为存在暴露终端和暴露接收端问题的拓扑图；
图3为存在隐藏接收端问题的拓扑图；
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
具体实施方式
这里详细说明本发明的工作流程。步骤1到步骤5是假设及其的准备工作；步骤6到步骤11参照表1，表2介绍MAC层的握手机制。表1为信道使用及信道状态的关系；表2为NAV的更新机制。
表1
  Control Channel   Data Channel   NAV<sub>C</sub>   NAV<sub>S</sub>   NAV<sub>R</sub>   Other
  RTS Send   Idle   ＜0   ＜0
  CTS Send   Idle   Idle   ＜0   ＜0   RTS Received
  DTS Send   Idle   ＜0   ＞0   RTS Received
  Data Send   Idle   ＜0   RTS SendCTS Receive
  N-ACKSend   Idle   ＜0   Collision onData Channel
表2
Figure G2008102327031D00051
首先对下文应用的符号进行定义。TC，TD表示CTS，DTS的发送时间；NAVRTS，NAVCTS，NAVDTS分别表示RTS，CTS，DTS中的NAV大小；SIFS为短时隙大小为20E-6(s)；L为数据帧的大小；R为发送数据的数度；HC为MAC层的额外控制负载。
Step1节点的感知半径是传输半径的0.7～0.8倍。
Step2每个节点配置了两个网络接口，把整个无线带宽划分成两个互不干扰的信道，一个用于传输控制信号称之为控制信道，一个节点用于传输数据信号称之为数据信道。
Step3控制信号和数据信号的发送采用不同的发射功率，使控制信号的传输半径等于数据信号的干扰半径。
Step4数据信道和控制信道采用相同的接收功率门限。
Step5数据信道发生冲突时按照二进制指数退避算法进行退避。
Step6源节点发送数据前首先侦听控制信道和数据信道，在控制信道空闲且NAVS小于零的条件下使用控制信道向目的节点发送控制帧RTS。控制帧RTS发送的条件如表1所示。控制帧RTS的发送一方面用于预约控制信道，保证目的节点返回控制帧CTS的这段时间内数据信道感知半径内没有节点使用控制信道发送控制信号，另一方面用于预约数据信道感知半径内节点的数据信道，更新其NAVR，使其在这段时间不能接收数据。根据表2，控制帧RTS中NAVRTS字段的大小初始化为2*SIFS+L/R+HD+TC，接收到控制帧RTS的节点更新NAVC，控制帧RTS的目的节点更新NAVS和NAVR。
Step7接收到控制帧RTS的目的节点，如表1所示，如果数据信道物理空闲且NAVR小于零，等待SIFS的时间后向源节点回复控制帧CTS，否则向源节点返回控制帧DTS。控制帧CTS的发送一方面用于通知源节点向自己发送数据，另一方面预约其数据信道感知半径内节点的数据信道，更新其NAVS，使其在这段时间内不能发送数据；控制帧CTS中NAV的大小及接收到CTS节点后NAV的更新如表2所示。控制帧DTS的发送用于通知源节点延迟其数据的发送。
Step8接收到控制帧RTS的非目的节点，如果正在使用数据信道接收数据，则向控制帧RTS的源节点返回控制帧DTS，延迟其数据的发送；控制帧DTS中NAV的初始化如表2所示。
Step9源节点发出控制帧RTS后，在SIFS+TC的时间内受到目的节点返回的控制帧CTS，则通过数据信道向目的节点发送数据；如果在SIFS+TC的时间收到控制帧DTS，则根据控制帧DTS中的NAVDTS更新自己的NAVS，如表2所示，然后根据NAVS进行退避。
Step10如果目的节点的数据信道发生冲突，则通过控制信道向源节点发送N-ACK，目的是要求源节点重传已经发送的数据。
Step11源节点数据发出后一段时间内没有接收到控制帧N-ACK，则认为数据已经被目的节点正确接收。
参照图1所示，下面解释本发明如何在感知半径内解决隐藏终端问题。图中实线区域为数据信号的传输半径，虚线部分为数据信号的感知半径，也是控制信号的传输半径。节点A，C为发包节点，B，D为收包节点。在IEEE802.11协议下，由于C节点处于B节点的传输半径外，因此C收不到B的控制帧CTS。C是A的隐藏终端。在本发明设计的方法下节点控制信号的传输半径等于数据信号的感知半径，因此C能收到B节点的控制帧CTS。C根据控制帧CTS中的NAVCTS更新自己的NAVS，然后等待A的发送结束再向D发送数据。从而解决了隐藏终端问题。
参照图2所示，下面解释本发明如何在感知半径内解决暴露终端问题和暴露接收端问题。首先考虑暴露终端问题。节点B、C为发包节点，A、D为收包节点。假设C总是有较大的数据向D发送，C处的负载处于饱和状态。在IEEE 802.11协议下，B节点在C节点的感知半径内，因此当C向D发送数据的时间内，B节点信道繁忙并处于等待状态，B为C的暴露终端。然而在本发明设计的方法下，如表1所示，B向A发送控制帧RTS的条件为控制信道空闲且NVAS小于零。因此B节点在数据信道繁忙的条件下仍然可以通过控制信道与A节点进行控制帧RTS/CTS的握手，然后使用数据信道发送数据。从而解决了暴露终端问题。接下来考虑暴露接收端问题。节点B、C为发包节点，A，D为收包节点。假设C向D发送控制帧RTS的时间早于B。在802.11协议下，B处于C的感知半径内，信道繁忙的B接收不到A的控制帧RTS，从而导致A的退避与重传。在本发明设计的方法下，数据信道繁忙的B节点从控制信道接收到A的RTS，则向其返回控制帧DTS，告诉A下次发送控制帧RTS的时间，从而避免了A的多次退避与重传。从而解决了暴露接收端问题。
参照图3所示，下面解释本发明如何在感知半径内解决隐藏接收端问题。节点A、D为发包节点，B、C为收包节点。假设D向C发送控制帧RTS的时间早于A。在IEEE 802.11协议下由于D节点处于B节点的传输半径内，因此被C节点回复给D的CTS阻塞。此时B处于等待状态，不响应A的控制帧RTS。B为C的隐藏接收端。在本发明设计的方法下，C的控制帧CTS仅更新了B的NAVS，而没有更新B节点的NAVR。因此B可以通过控制信道回复A的控制帧RTS，然后使用数据信道接收数据。从而解决了隐藏接收端问题。

Claims (1)

1.一种避免冲突的Ad Hoc网络介质访问方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1每个节点配置了两个网络接口，把整个无线带宽划分成两个互不干扰的信道，一个用于传输控制信号，称之为控制信道，一个节点用于传输数据信号，称之为数据信道；
Step2控制信号和数据信号的发送采用不同的发射功率，使控制信号的传输半径等于数据信号的感知半径；
Step3数据信道和控制信道采用相同的接收功率门限；
Step4数据信道发生冲突时按照二进制指数退避算法进行退避；
Step5源节点发送数据前首先侦听控制信道和数据信道，在控制信道空闲且NAVS小于零的条件下使用控制信道向目的节点发送控制帧RTS，控制帧RTS的发送一方面用于预约控制信道，保证目的节点返回控制帧CTS的这段时间内数据信道感知半径内没有节点使用控制信道发送控制信号，另一方面用于预约数据信道感知半径内节点的数据信道，更新其NAVR，使其在这段时间不能接收数据；NAVR用于描述使用数据信号接收数据需要等待的时间；
Step6接收到RTS的目的节点，如果数据信道物理空闲且NAVR小于零，等待SIFS的时间后向源节点回复CTS，否则向源节点返回控制帧DTS，控制帧CTS的发送一方面用于通知源节点向自己发送数据，另一方面预约其数据信道感知半径内节点的数据信道，更新其NAVS，使其在这段时间内不能发送数据；DTS的发送用于告诉源节点延迟其数据的发送；NAVS用于描述要使用数据信道发送信号需要等待的时间，SIFS为短时隙大小为20E-6(s)；
Step7接收到RTS的非目的节点，如果正在使用数据信道接收数据，则向RTS的源节点返回DTS，延迟其数据的发送；
Step8源节点发出RTS后，在SIFS+TC的时间内收到目的节点返回的CTS，则通过数据信道向目的节点发送数据；如果在SIFS+TC的时间收到DTS，则根据DTS中的NAVDTS字段中记录的时间进行退避；TC表示CTS的发送时间；NAVDTS表示DTS中的NAV大小；
Step9如果目的节点的数据信道发生冲突，则通过控制信道向源节点发送N-ACK，目的是要求源节点重传已经发送的数据；
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