CN101600255A - 用于多信道无线网络的信道选择接入方法 - Google Patents

Abstract

针对多信道无线网络中信道接入存在多信道带来的隐藏终端/暴露终端以及节点丢失等问题，提出了一种用于多信道无线网络的信道选择接入方法。该方法握手过程由三个步骤组成，源节点发送请求信息帧，目的节点回应应答信息帧，源节点再发送选择发送信息帧。这三个帧中均包含了信道信息，请求信息帧中包含了可供本次数据传送的可选信道信息，应答信息帧以及选择发送信息帧中包含了目的节点所选定的传递数据信道信息。节点通过查询信道状态表获知各个信道状态，信道状态表中包含了信道号、信道状态和确定标志。

Description

用于多信道无线网络的信道选择接入方法

技术领域

本发明是一种应用于多信道无线网络节点间通信时的信道选择接入方法，属于无线通信和信息传播技术领域。

背景技术

多信道无线网络在节点已有硬件资源的条件下，充分利用多个正交的物理信道，能够显著提高网络吞吐量、降低传输延迟。

以IEEE 802.11b标准为例，其在2.4GHz频段共有14个可供选择的物理信道，这其中包括多组互相正交(频段不重叠)的信道，如编号为1、6和11的三个信道。在传统的网络设计中，根据频率资源划分方案，正交的信道一般被划分给相邻的不同子网，单个节点只能使用这些正交信道中的一个。但是如果将与IEEE802.11b兼容的节点设备用于构建Mesh结构的无线网络，因为不存在固定的网络结构，这些正交的物理信道就可以被节点充分利用，获得更多的传输资源，使得使用同样的网卡，获得成倍提高的网络性能。

多信道协议的设计中，从降低硬件复杂度等要求考虑，一般假设节点所配备的网卡(或网络接口)数目小于可用的正交信道数目，这就带来了网络分割的问题。网络分割问题使得一般无线网络中的问题，如隐藏终端/暴露终端问题等，变得更加复杂。多信道网络中，由于邻近节点可以工作在不同信道上，因此即使采用握手信号，目的节点所在范围内的邻近节点也可能收不到信息，邻近节点跳至目的节点所在频段时，由于侦听不到该信道正在被使用，会认为该信道空闲，因此如果有数据发送将产生冲突。另外还存在节点丢失问题：由于节点可以工作在不同的信道，使得节点发送消息的时候，不能确定目的节点一定位于该信道。本发明所述的多信道无线网络接入方法通过节点更新中信道状态表中信息，从而可以获得当前信道使用状况，通过源节点和目的节点协商，确定传送数据所用信道，该方法实现简单，不需要网络中节点同步，并且可以用于多个网络接口卡情况。

发明内容

技术问题：本发明针对多信道网络存在的由多信道带来的隐藏终端、节点丢失，造成节点间不能正常通信的问题，提出了一种用于多信道无线网络的信道选择接入方法，节点选择信道的时候，通过查询该表可以获知可供传递数据的可选信道，通过源节点和目的节点协商，确定信道，传递数据。

技术方案：本发明的目的是提出一种适用于于多信道无线网络的信道选择接入方法，用于在多条信道中选择可用信道建立连接进行通信。

该方法包括以下步骤：

a.源节点有数据需要传送，源节点发送一个传送数据的请求信息帧，该请求包含了源节点和目的节点MAC地址，以及源节点各信道信息，

b.目的节点收到该请求信息帧后，检查自己的信道状态表，与源节点请求信息帧中提供的可用信道相比较，从中选定用于通信的信道，并将确定的信道信息通过应答信息帧发回源节点，

c.源节点收到应答信息帧后，源节点发送一个选择发送信息帧，告知其相邻节点数据信道的选择情况，相邻节点将据此修改信道状态表。

步骤a中发送的请求信息帧结构中包含了可选择信道字段，该字段中给出了源节点目前处于空闲状态的，可以用于传递数据的信道。

步骤b中目的节点发送的应答信息帧中包含目的节点所选定的用于传递数据的信道字段，该信道由目的节点根据源节点请求信息帧中提供的可供选择的信道结合本节点的信道状态表确定。

步骤c中源节点发送的选择发送信息帧中包含了本次数据发送所选择的信道号字段。

步骤a中源节点发送请求信息帧以及步骤b中目的节点发送应答信息帧，均需要查询信道状态表；源节点根据本节点信道状态表来获得可供目的节点选择的用于传递数据的信道，目的节点根据本节点信道状态表结合源节点所提供的可选择信道来选定传送数据的信道。

信道状态表所包含的内容为：

a.信道状态表包含了本节点所有可用信道，

b.信道状态表包含了信道忙闲时间指示，用以表示所对应信道距离忙闲状态的时间单位数，

c.信道状态表包含了确定标志，用于表示所对应的信道的忙闲时间指示是否是确定的。

有益效果：本发明提出的用于无线网络多信道接入的方法，具有以下优点：1、与传统的用于无线单信道接入方法相比较，该方法可以提高信道利用率，明显增加网络容量，支持更大负荷的无线局域网络。2.该方法适用范围广，可适用于单网络接口多信道情况，也可用于多网络接口多信道情况。3.通过信道状态表中的信道状态字段与确定标志字段，使得节点选择信道时，可以排除不确定状态信道，降低了信道冲突。4、该方法复杂度低，接入过程简单，且不需要全网同步，易实现。

附图说明

图1为请求信息帧的结构。

图2为应答信息帧结构。

图3为选择发送帧结构。

图4为请求信息帧示例。

图5为应答信息帧示例。

图6为选择发送帧示例。

具体实施方式

该方法中网络节点选择某一信道做为确定的控制信道，其余信道为数据信道，可供传递数据时选择，网络中处于空闲状态的节点工作在控制信道。建立链接包括以下三个步骤：

1.源节点发送一个传送数据的请求信息帧，该请求包含了源节点和目的节点MAC地址，以及源节点各信道信息等。

2.目的节点收到该请求信息帧后，检查自己的信道状态表，与源节点请求信息帧中提供的可用信道相比较，从中选定用于通信的信道，并将确定的信道信息通过应答信息帧发回源节点。

3.源节点发送一个选择发送信息帧，告知其相邻节点数据信道的选择情况，相邻节点将据此修改信道状态表。

图1为请求信息帧结构，包含了帧控制域、传递时间域、源节点MAC地址域、目的节点MAC地址域、可选择信道域。

其中帧控制域包括类型、子类型、重传标志。类型字段用于指明该帧的类型，包括3种帧类型，分别是数据帧、控制帧和管理帧，对于请求信息帧应在类型字段指明该帧为控制帧。子类型字段，用于指明该帧子类型，对于请求信息帧应在该字段指明该帧为请求信息帧。重传标志表明该帧是否是第一次传送。

传递时间域表明节点预计一个完整的帧交换过程所持续的时间，该时间以时隙为单位，每个时隙长度由具体物理层协议规定，在本发明中未做规定。

源节点MAC地址/目的节点MAC地址域分别表示源/目的节点MAC地址。

可选择信道字段域用于指示当前源节点各信道所处状态(忙或闲)，目的节点根据本节点信道状态表结合接收到的请求信息帧中可选择信道字段，来选择用于数据传递的信道。

图2为应答信息帧结构，包含了帧控制域、传递时间域、源节点MAC地址域以及选择信道域。

其中帧控制域包括类型、子类型、重传标志。类型字段用于指明该帧的类型，包括3种帧类型，分别是数据帧、控制帧和管理帧，对于应答信息帧应在类型字段指明该帧为控制帧。子类型字段，用于指明该帧子类型，对于应答信息帧应在该字段指明该帧为应答信息帧。重传标志表明该帧是否是第一次传送。

传递时间域表明节点预计一个完整的帧交换过程所持续的时间，该时间以时隙为单位，每个时隙长度由具体物理层协议规定，在本发明中未做规定。

源节点MAC地址域表示源节点MAC地址。

选择信道域表示目的节点所选择的用于数据传递的信道。

图3为选择发送信息帧结构，包含了帧控制域、传递时间域以及传输信道域。

其中帧控制域包括类型、子类型。类型字段用于指明该帧的类型，包括3种帧类型，分别是数据帧、控制帧和管理帧，对于选择发送信息帧应在类型字段指明该帧为控制帧。子类型字段，用于指明该帧子类型，对于选择发送信息帧应在该字段指明该帧为选择发送信息帧。

传递时间域表明节点预计一个完整的帧交换过程所持续的时间，该时间以时隙为单位，每个时隙长度由具体物理层协议规定，在本发明中未做规定。

传输信道域指明了传递数据帧时所用信道。源节点根据收到的应答信息帧中的选择信道域获知传递数据将采用的信道，并在选择发送信息帧中通过传输信道域通知其相邻节点，避免在传递数据帧时，其相邻节点选择了相同信道传递数据从而产生冲突。

在此基本握手过程中，源节点和目的节点可以通过对信道状态表的信息交换，获得数据信道状态的信息，选择合适的信道进行传输。每个节点维护各自的信道状态表，该状态表记录当前各信道的使用状况，网络中节点定时更新信道状态表。信道状态表定义了三种不同元素：

信道号：用整数表示，如1表示某节点第一个信道。

信道状态：表示信道的当前状态(忙或闲)，本发明中采用此信道距离空闲状态的时间单位数，负值说明信道已处在空闲状态。采用其它状态表示，如忙，不影响本发明的实施；

确定标志：指示对应的信道状态域值是否确定，如该值表示为确定时，表示所对应的信道状态是确定的，否则该信道状态不确定，此时该信道即使处于空闲状态，也不能用于传递数据。

以包含多个节点的无线网络为例，假设网络中有8个信道可供节点发送数据选择。网络中各帧的具体结构以及长度定义如图4、图5和图6所示。

在该网络中，定义三种控制信息帧中帧控制域类型字段对应的二进制码如表1所示：

表1.类型字段定义

定义三种控制信息帧中帧控制域子类型字段对应的二进制码如表2所示：

表2.子类型字段定义

发送信息帧中可选择信道字段用8比特表示，分别对应网络中8个信道，比特0至比特7分别对应信道0至信道7。对应比特位值为“1”，表示该信道可用，值为“0”，表示该信道不可用。

应答信息帧中类型和子类型字段定义同请求信息帧中定义。应答信息帧中选定信道号字段定义如表3所示：

表3.应答信息帧中信道号字段定义

选择发送帧控制域中的类型字段和子类型字段格式同请求信息帧中格式。信道号字段定义如表4。

表4.选择发送帧中传输信道域信道号字段定义

假设网络中节点A欲发送数据至节点B，节点A的MAC地址为0H，节点B的MAC地址为1H。

1、节点A要发送数据给相邻节点B。

2、节点A首先查询信道状态表，其信道状态如表5所示。从表中信道状态项可知，信道1，3，6，7处于空闲状态，结合确定标志(“1”表示确定，“0”表示不确定)，可知其中3，6，7信道确定空闲。发送请求信息帧。假设预计帧传递时间为0517H(H表示十六进制)，该请求信息帧用十六进制表示为：600517000001000002C8H。

表5.节点A信道状态表

信道号	信道状态	确定标志	信道号	信道状态	确定标志
						0	10	1	4	30	1
1	-20	0	5	20	1
						2	5	1	6	-6	1
3	-3	1	7	-3	1

3、节点B收到该请求帧后，经检测，发现是发往本节点的请求帧，于是节点B检测请求帧的可选择信道域，获知节点A确定可以用于传送数据的信道是3、6、7。节点B检查自己的信道状态表(如表6所示)，发现节点B确定可以用于传输的空闲信道是信道0、3、4、6，其中信道3和6属于节点A提供的可供选择的信道范围。节点B选择信道3作为数据传递信道，并向节点A发送应答信息，该应答信息帧用十六进表示为：50051200000060H。

表6节点B信道状态表

信道号	信道状态	确定标志	信道号	信道状态	确定标志
						0	-40	1	4	-19	1
1	6	1	5	9	1
						2	-8	0	6	-10	1
3	-15	1	7	14	1

4、节点A收到应答信息帧后，经检测，获知节点B选择信道3作为数据传输信道。节点A向周围节点发送选择发送帧，该帧用十六进制表示为：48050D03H。

5、握手过程结束后，节点A和节点B切换频率至信道3，传递数据。

Claims (6)

1.一种用于多信道无线网络的信道选择接入方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

a.源节点有数据需要传送，源节点发送一个传送数据的请求信息帧，该请求包含了源节点和目的节点MAC地址，以及源节点各信道信息，

b.目的节点收到该请求信息帧后，检查自己的信道状态表，与源节点请求信息帧中提供的可用信道相比较，从中选定用于通信的信道，并将确定的信道信息通过应答信息帧发回源节点，

c.源节点收到应答信息帧后，源节点发送一个选择发送信息帧，告知其相邻节点数据信道的选择情况，相邻节点将据此修改信道状态表。

2.根据权利要求1所述的用于多信道无线网络的信道选择接入方法，其特征在于步骤a中发送的请求信息帧结构中包含了可选择信道字段，该字段中给出了源节点目前处于空闲状态的，用于传递数据的信道。

3.根据权利要求1所述的用于多信道无线网络的信道选择接入方法，其特征在于步骤b中目的节点发送的应答信息帧中包含目的节点所选定的用于传递数据的信道字段，该信道由目的节点根据源节点请求信息帧中提供的可供选择的信道结合本节点的信道状态表确定。

4.根据权利要求1所述的用于多信道无线网络的信道选择接入方法，其特征在于步骤c中源节点发送的选择发送信息帧中包含了本次数据发送所选择的信道号字段。

5.根据权利要求1所述的用于多信道无线网络的信道选择接入方法，其特征在于步骤a中源节点发送请求信息帧以及步骤b中目的节点发送应答信息帧，均需要查询信道状态表；源节点根据本节点信道状态表来获得可供目的节点选择的用于传递数据的信道，目的节点根据本节点信道状态表结合源节点所提供的可选择信道来选定传送数据的信道。

6.根据权利要求5所述的用于多信道无线网络的信道选择接入方法，其特征在于信道状态表所包含的内容为：

a.信道状态表包含了本节点所有可用信道，

b.信道状态表包含了信道忙闲时间指示，用以表示所对应信道距离忙闲状态的时间单位数，

c.信道状态表包含了确定标志，用于表示所对应的信道的忙闲时间指示是否是确定的。

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