CN101521944B - 单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，该方法是：发送节点按子信道编号逐次访问每个空闲子信道，寻找接收节点所在的空闲子信道；空闲节点停留在某一个空闲子信道上，直到该子信道变为忙信道时，空闲节点才切换到另一个空闲子信道上，并作停留；在没有空闲子信道的情况下，发送节点、空闲节点停留在被占用时间最长的子信道上；当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按事先设定的访问次序停留在其中的某一子信道上。本发明不使用专用控制信道，避免了控制信道的瓶颈问题，使网络性能有很大的提高，特别是在网络负载大的情况下。

Description

单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法
技术领域
本发明涉及用于无控制信道且每节点只有单收发器的多信道无线网络的发送节点与接收节点信道的同步方法，可用于无线网状网络、认知无线网络及其它多信道无线网络。
技术背景
介质访问控制(Medium Access Control，MAC)是无线网络的关键技术。在无线多跳网络中，传统上采用单信道通信的方式不能充分地利用无线频谱带宽资源，由于在单信道中所存在的隐藏终端和暴露终端问题会降低网络的性能。因此研究人员提出了多信道MAC方法。其基本思想是利用CDMA，TDMA和FDMA等多种多址技术或它们的混合，把一个单信道分为多个子信道，提高无线信道的数目，使不同的节点在不同的信道上同时通信，从而解决单信道MAC协议中存在的问题，提高网络性能。许多学术论文已经证明了采用多信道的方法可以比单信道提高很大的性能。
当前对多信道MAC的研究按控制信道的使用，可以分为三类：第一类是使用专用控制信道(Dedicated Control Channel，DCC)的多信道MAC方法。DCC是指在每个节点单独分出一个信道用来传送控制信息，进行数据信道的选择。第二类是使用近似专用控制信道(Quasi-DCC)的多信道MAC方法，在数据窗口时，控制信道可以用来传输数据，Quasi-DCC比DCC在性能上有所提高，但其实也属于DCC。第三类是无专用控制信道(No DedicatedControl Channel，nDCC)的多信道MAC方法，不使用专用控制信道，节点可以在每个子信道传送控制信息和数据。
使用专用控制信道存在着缺点：一方面，当信道数较少，网络负载较低的情况下，使用一个专门的信道来传递控制信息比较浪费；另一方面，所有的节点在发送数据之前都必须竞争控制信道，这容易引起瓶颈问题，特别是在网络负载很大的情况下。由于节点要竞争控制信道，数据信道却空闲着。当网络负载很高时，控制信道的瓶颈问题会阻碍数据信道的充分利用，造成信道利用率不高。因此，解决多信道中的瓶颈问题具有现实意义。
使用近似专用信道比使用专用控制信道方法在性能上有所提高，但是，在控制窗口时期，它与使用专用控制信道具有同样的瓶颈问题。
在无专用控制信道的多信道MAC方法中，一些方案采用每个节点配置多个收发器来解决瓶颈问题，但这大大增加了节点的复杂度和成本，消耗更多的能量，这在移动网络中是一个很重要的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的使用专用控制信道的瓶颈问题以及其所造成的信道资源浪费，同时克服每节点配置多收发器带来的高复杂性、高成本和高能量消耗问题，提供一种多信道网络中每个节点只配置一个收发器并且无专用控制信道的发送节点与接收节点通信信道的同步方法。
本发明所涉及的多信道MAC协议不设置专用控制信道，并且每个节点只配置一个收发器，在发送节点与接收节点间协商找到同一空闲信道的方法。
本发明中，发送节点是指有数据要发送正等待发送的节点，不包括正在进行数据发送的节点。空闲节点是指当前不进行数据发送和数据接收，也没有数据要发送正等待发送的节点。
本发明目的通过如下技术方案实现：
单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，其特征在于：发送节点按子信道编号逐次访问每个空闲子信道，寻找接收节点所在的空闲子信道；空闲节点停留在某一个空闲子信道上，直到该子信道变为忙信道，然后空闲节点切换到另一个空闲子信道上，并作停留；在没有空闲子信道的情况下，发送节点、空闲节点停留在被占用时间最长的子信道上；当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按设定的访问次序停留在其中的一个空闲子信道上。
为进一步实现本发明的目的，所述发送节点按子信道编号逐次访问每个空闲子信道是指发送节点按预先设定的信道编号由大到小访问每个空闲子信道，或者是发送节点按预先设定的信道编号由小到大访问每个空闲子信道。
所述发送节点按预先设定的信道编号由大到小访问每个空闲子信道时，空闲节点停留在信道编号最大的空闲子信道上；所述发送节点按预先设定的信道编号由小到大访问每个空闲子信道时，空闲节点停留在信道编号最小的空闲子信道上。
所述寻找接收节点所在的空闲子信道是指当发送节点切换到某一个空闲子信道上时，通过握手机制作为与接收节点确认信道的同步方法，发送节点发送一个包含接收节点地址的信号包；若该发送节点在设定的时间内收到接收节点回复的信号包，则该发送节点寻找到接收节点及通信用的空闲子信道；否则切换到下一个空闲子信道，重新寻找其接收节点所在的空闲子信道。
所述握手机制优选为RTS/CTS握手机制。
所述当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按设定的访问次序停留在其中的一个空闲子信道上是指当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按照信道编号由小到大次序访问，发送节点、空闲节点切换到信道编号最小的空闲子信道上；或者是当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点是按照信道编号由大到小次序访问，发送节点、空闲节点切换到信道编号最大的空闲子信道上。
相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明中，发送节点按子信道编号逐次访问每个空闲子信道，其访问子信道的次序可以预先设定按信道编号由大到小访问，或者是预先设定按信道编号由小到大访问，两者取其一。当发送节点切换到某一个空闲子信道上时，通过握手机制，如RTS/CTS作为与接收节点确认信道的同步方法，即发送节点发送一个包含接收节点地址的信号包，如RTS信号包；若发送节点在设定时间内收到其接收节点回复的信号包，如CTS信号包，则表明寻找到接收节点及通信用的空闲子信道；否则切换到下一个空闲子信道，重新寻找其接收节点所在的空闲子信道。当空闲节点所停留的子信道变为忙信道时，空闲节点开始寻找另一个空闲子信道。当发送节点预先设定的访问次序是由小到大时，空闲节点总是停留在信道编号最小的空闲子信道上；当发送节点预先设定的访问次序是由大到小时，空闲节点总是停留在信道编号最大的空闲子信道上。在没有空闲子信道的情况下，发送节点、空闲节点停留在被占用时间最长的子信道上。当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按事先设定的访问次序停留在其中的某一信道上：发送节点按照信道编号是由小到大次序访问，发送节点、空闲节点切换到信道编号最小的空闲子信道上；发送节点按照信道编号是由大到小次序访问，发送节点、空闲节点切换到信道编号最大的空闲子信道上。因此本发明不使用专用控制信道，消除了专用控制信道的瓶颈问题并且提高了信道利用率，从而提高网络性能；而且每节点只需要配置一个收发器，降低了系统的复杂性、成本以及能量消耗；在网络负载大的情况下，相比于传统的采用专用控制信道的多信道MAC协议，本发明显著提高了网络在吞吐量、时延方面的性能。
附图说明
图1为本发明单收发器无控制信道的发与收方同步信道的方法的流程图；
图2a～图2c为实施方式中以RTS/CTS握手机制为例发送节点和其接收节点如何选择一个子信道建立通信的过程的示意图，其中：
图2a为节点的位置示意图；
图2b为使用专用控制信道时图2a所示节点通信过程示意图；
图2c为使用本发明时图2a所示节点通信过程示意图；
图3为实施方式中发送节点寻找其接收节点所在的空闲子信道的过程的流程图；
图4为实施方式中非发送和非接收节点停留信道的切换选择过程的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限定。
本发明多信道MAC协议不设置专用控制信道，并且每个节点只配置一个收发器。这种情况下，关键问题是发送节点与其接收节点如何协商找到同一空闲子信道的方法。
如图1所示，本发明单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法中，各节点停留在某空闲子信道上，并检测该子信道，如当前停留的子信道为忙信道时，节点按设定次序寻找另一个空闲子信道；有数据要发送的节点，即发送节点按设定的次序寻找一个可用的空闲子信道，通过握手机制与其接收节点协商，找到接收节点所在的空闲子信道，实现双方通信的同步。也就是发送节点按子信道编号逐次访问每个空闲子信道，寻找其接收节点所在的空闲子信道；空闲节点停留在某一个空闲子信道上，直到该子信道变为忙信道时，空闲节点才切换到另一个空闲子信道上，并作停留；在没有空闲子信道的情况下，发送节点、空闲节点停留在被占用时间最长的子信道上；当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按事先设定的访问次序停留在其中的某一信道上。
图1实质上是一种用于多信道、每节点只配置单收发器且不采用专用控制信道情况下发送节点与其接收节点同步信道通信的方法，其包括以下两个具体实施过程：一是发送节点寻找其接收节点所在的空闲子信道的过程。二是空闲节点停留信道的切换选择过程。
对于发送节点寻找其接收节点所在的空闲子信道的过程，发送节点和接收节点的信道协商使用握手机制，在此以RTS/CTS握手机制为例，如图3所示，其具体实施过程包括如下步骤：
步骤101：对每个发送节点，要预先设定其访问各个子信道的访问次序。访问次序可以按子信道编号由大到小，也可以由小到大，两者取其一。
步骤102：发送节点按照步骤101设定的访问次序访问下一个子信道，进行以下步骤。
步骤103：判断子信道状态，若子信道忙，则执行步骤104；若子信道空闲，执行步骤105。
步骤104：判断是否访问到所有子信道，若已访问完所有子信道，表明发送节点找不到空闲子信道，则执行步骤111；否则回到步骤102。
步骤105：发送节点切换到该空闲子信道上；进行以下步骤。
步骤106：发送节点进行子信道状态判断并侦听一段时间；进行以下步骤。
步骤107：在侦听期间，若子信道为空闲，则执行步骤108；若子信道变为忙信道，则执行步骤102。
步骤108：发送节点发送一个包含接收节点地址的RTS信号包，并等待接收节点回复的CTS信号包，执行步骤110。
步骤109：若接收节点接收到发送节点所发送的RTS信号包，则向发送节点返回一个CTS信号包。
步骤110：判断发送节点是否成功收到接收节点回复的CTS信号包，若发送节点收到接收节点回复的CTS信号包，则双方同步成功，进入数据发送阶段；否则重新回到步骤102。
步骤111：发送节点停留在被占用时间最长的子信道上，进行以下步骤。
步骤112：发送节点侦听是否有空闲子信道出现，若有空闲子信道出现，执行步骤113；否则继续侦听。
步骤113：当空闲子信道出现时，原先停留在非空闲子信道上的发送节点、空闲节点将切换到这些空闲子信道上，首先确认设定的发送节点的访问次序：如果发送节点预先设定的访问次序是由小到大，则执行步骤114，否则执行步骤115。
步骤114：发送节点切换到信道编号最小的空闲子信道上，回到步骤106。
步骤115：发送节点切换到信道编号最大的空闲子信道上，回到步骤106。
空闲节点停留信道的切换选择过程，如图4所示，其具体实施过程包括如下步骤：
步骤201：空闲节点当前停留的子信道变为忙信道时，按照步骤101设定的发送节点访问次序访问所有的子信道。
步骤202：判断子信道状态，若有空闲子信道，执行步骤203，否则执行步骤204。
步骤203：原先停留在非空闲信道上的发送节点、空闲节点将切换到这些空闲信道上，首先确认设定的发送节点的访问次序：如果发送节点预先设定的访问次序是由小到大，则执行步骤204，否则执行步骤205。
步骤204：空闲节点切换到信道编号最小的空闲子信道上，执行步骤209。
步骤205：空闲节点切换到信道编号最大的空闲子信道上，执行步骤209。
步骤206：在没有空闲信道时，空闲节点停留在被占用时间最长的子信道上，进行以下步骤。
步骤207：停留在非空闲信道上的空闲节点继续侦听其他信道状态，判断是否有空闲子信道出现，若有空闲子信道出现，执行步骤203，否则继续侦听。
步骤208：当前子信道空闲，空闲节点继续停留在当前子信道上，同时执行步骤209，判断当前子信道状态。
步骤209：判断当前所停留的子信道的状态，若当前子信道空闲，则执行步骤208；若当前子信道变为忙信道时，执行步骤201。
本发明不使用专用控制信道，因而避免了控制信道瓶颈问题，从而提高了信道利用率。信道利用率的提高必然改善网络在吞吐量方面的性能。同时，本发明避免了控制信道瓶颈问题，降低了数据发送的时延，提高了网络的时延性能。图2a～图2c为以RTS/CTS握手机制为例发送节点和接收节点如何选择一个信道建立通信的过程的示意图。图2a为节点的位置示意图，图2b给出了图2a情况下使用专用控制信道时节点通信过程示意图，图2c给出了使用本发明方法的节点通信过程示意图。如图2a所示，节点A有数据要发送给节点B，节点C有数据要发送给节点D，节点E是与节点C和节点D邻近的节点。
图2b中RTS(A)中的(A)表示该RTS分组是由节点A发送的，CTS(B)表示该CTS分组是由节点B发送的，类似的，其他如RTS(C)、CTS(D)、数据(A)、数据(C)、ACK(B)、ACK(D)中括号内的字母均表示相应分组是由括号中字母所代表的节点发送的。节点A和节点C都有数据要发送，但在所有节点发送数据前必须要在控制信道上进行通信双方的RTS/CTS握手交互之后才能选择合适的数据信道通信。因而在控制信道上，节点A和节点C必须竞争控制信道。如图2b所示，节点A竞争信道成功后，与节点B成功进行了RTS/CTS交互，开始在数据信道2上进行数据传输。当节点A和节点B的RTS/CTS握手交互完成后，节点C才在控制信道上与节点D进行RTS/CTS交互。由于节点要在通信双方的RTS/CTS握手交互之后才能选择合适的数据信道通信，在t1～t2时间数据信道2是空闲的，而在t1～t3时间数据信道1是空闲的。当网络流量较大时，很多节点竞争一个控制信道容易引起控制信道的拥塞，控制信道达到饱和，而数据信道却空闲，阻碍了数据信道的充分利用，造成控制信道带宽瓶颈问题。同时，如图2b所示，在节点A和节点B数据传输结束(包括成功收到ACK)前，尽管控制信道出现空闲时间，如t3～t4时间，而数据信道也可能有多余的带宽，但不能在控制信道交换下一个RTS/CTS信息。这样，其他节点必须等待数据信道空闲。当网络数据信道较少时，或者网络流量较大时，必将增大节点等待时间。因此，数据信道个数也是一个瓶颈。而在总的信道资源不变的情况下，解决这一问题的方法是将空闲的控制信道用来传输数据，这只有不用专用控制信道才能做到。
如图2c所示，假设t0时，节点B停留在子信道2，节点D和节点E停留在子信道0。节点C有数据要发送，发现子信道0是空闲的，于是节点C和节点D在子信道0上通过RTS/CTS握手机制实现了信道的同步，节点C和节点D在该信道上正常传输数据。此时，原先停留在信道0上的与节点C和节点D邻近的节点E能够侦听到节点C和节点D间的RTS/CTS包，知道信道0将被占用，节点E将切换到下一个空闲子信道，如信道1。在节点E信道切换前会根据RTS/CTS包中的NAV值设置信道0将被占用的时间的定时器。这个定时器使得当节点E再次访问信道0时可以根据定时器是否超时判断信道0是否空闲。节点A在子信道1上发送包含节点B地址的RTS包，但在一段时间(t2-t1)后，例如，可设定(t2-t1)为TRTS+TCTS+TSIFS，其中TRTS，TCTS，TSIFS分别表示传输RTS所需的时间，传输CTS所需的时间，IEEE 802.11DCF协议规定的最短帧间间隔SIFS，节点A没有成功收到节点B回复的CTS包，表明节点B此时没有停留在信道1上，信道同步失败；节点A切换到下一个空闲信道即信道2，在信道2上重新发送包含节点B地址的RTS包，并在设定的时间超时前成功收到接收节点B回复的CTS包，表明节点A和节点B此时都停留在信道2上，信道同步成功，因此节点A开始在信道2上向节点B发送数据包。节点B收到数据包后回复确认包ACK。
对图2c的分析可知，本发明中，节点按设定次序动态的选择空闲子信道，当节点发现所停留的子信道忙时，开始寻找下一个空闲子信道，因而不存在很多节点同时竞争某一个子信道，而其他子信道空闲的状况。在网络负载大的情况下，可以实现负载在每个子信道上平均分配。因此，本发明不会产生瓶颈问题，与使用控制信道相比，提高了信道的利用率。
在实现图2b通信过程时，图2a中各个节点在数据信道上传输数据的同时，还要在控制信道上接收控制信息，否则会由于错失其他节点的控制信息而在数据信道上产生冲突，因而每个节点至少需要配置2个收发器才能保证通信过程的正常进行。图2c所示本发明中，每个节点在同一个信道上传输控制信息和数据，一对节点在某个子信道上通信时，停留在同一个子信道的其他邻近节点马上可以检测到非本节点目的地址的信息，从而不会再使用该信道进行通信，避免了冲突，因而只需要每节点配置单收发器就可保证通信正常进行。收发器数目的减少，使得节点实现成本降低，有利于硬件的设计。同时相比于多收发器，单收发器可使节点用于收发器的能量消耗降到最低，这对于移动节点来说是很关键的。本发明只需要维护一个收发器的正常工作，这也降低了系统实现的复杂性。
应该说明的是：以上实施方式仅用于说明本发明的技术方案，并不能因此而理解为对本发明的专利保护范围的限制；本发明还可以有其他多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明对上述实施例作出各种相应的修改或变形，但这些相应的修改或变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，其特征在于：发送节点按预先设定的信道编号由大到小访问每个空闲子信道，或者是发送节点按预先设定的信道编号由小到大访问每个空闲子信道，寻找其接收节点所在的空闲子信道；空闲节点停留在某一个空闲子信道上，直到该子信道变为忙信道，然后空闲节点切换到另一个空闲子信道上，并作停留；在没有空闲子信道的情况下，发送节点、空闲节点停留在被占用时间最长的子信道上；当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按设定的访问次序停留在其中的某一个空闲子信道上。
2.根据权利要求1所述的单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，其特征在于：所述发送节点按预先设定的信道编号由大到小访问每个空闲子信道时，空闲节点停留在信道编号最大的空闲子信道上；所述发送节点按预先设定的信道编号由小到大访问每个空闲子信道时，空闲节点停留在信道编号最小的空闲子信道上。
3.根据权利要求1所述的单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，其特征在于：所述寻找接收节点所在的空闲子信道是指当发送节点切换到某一个空闲子信道上时，通过握手机制作为与接收节点确认信道的同步方法，发送节点发送一个包含接收节点地址的信号包；若发送节点在设定的时间内收到接收节点回复的信号包，则发送节点寻找到接收节点及通信用的空闲子信道；否则切换到下一个空闲子信道，重新寻找其接收节点所在的空闲子信道。
4.根据权利要求3所述的单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，其特征在于：所述握手机制为RTS/CTS握手机制。
5.根据权利要求1所述的单收发器无控制信道的发与收方同步信道的控制方法，其特征在于：所述当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按设定的访问次序停留在其中的某一个空闲子信道上是指当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点按照信道编号由小到大次序访问，发送节点、空闲节点切换到信道编号最小的空闲子信道上；或者是当有其它空闲子信道出现时，发送节点、空闲节点是按照信道编号由大到小次序访问，发送节点、空闲节点切换到信道编号最大的空闲子信道上。
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