CN101631325B

CN101631325B - 无线电网络随机周期性媒体访问控制协议实现的方法

Info

Publication number: CN101631325B
Application number: CN2009100563284A
Authority: CN
Inventors: 王新兵; 薛东岳; 顾深; 甘小莺; 徐友云
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-08-13
Also published as: CN101631325A

Abstract

一种无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，包括如下步骤：步骤1、在网络初始化后，所有SU同步并周期型地重复一个由OP-MAC指定的工作周期T_p；步骤2、在OP-MAC的工作周期中首先由SU对网络中的信道进行监听；步骤3、然后SU分别进行被监听信道的结果汇报，使网络中所有SU共享被监听的空闲信道的信息；步骤4、进一步由SU进行竞争，预留可用空闲信道；步骤5、最后在传输预留阶段竞争成功的SU进行数据传输。本发明的OP-MAC协议在认知无线电网络中的网络容量明显优于CO-MAC和R-MAC。

Description

无线电网络随机周期性媒体访问控制协议实现的方法

技术领域

本发明涉及一种通信技术领域的方法，具体是一种无线电网络随机周期性媒体访问控制协议实现的方法。

背景技术

无线设备的渗透和无线服务的快速增长不断地对有限的频谱资源提出了更高的要求。事实上，大部分适用于地面无线通信的频带已经被分配给获得许可的现有用户。传统静态频谱分配网络中，每个频带/信道都专门分配给一个服务和这个服务的授权用户(licensed user)。但是现在的静态频谱分配却造成了大量的频谱浪费，美国联邦委员会指出6GHz以下的被许可频谱中有超过60％未被利用或未被合理利用。认知无线电(Cognitive Radio)是解决无线网络中主要用户(PU，即授权用户)频谱利用率低的一个有效技术，并于近年成为全世界各个无线研究组所密切关注的研究方向之一。网络中次级用户(SU，即非授权用户)在PU空闲的前提下可以选择使用此带宽。但同时，如果SU的传输影响了PU的正常传输，则又得不偿失。所以对PU和信道状态进行模型化和分类是相当重要的。有了网络主要用户的许可，配备有认知无线电的次级用户可以在主要用户空闲时在主要用户的频谱上传送数据。

非时隙传输具有更强的普遍性，PU可以有不同的分布(包括等间隔时隙传输)，但这同时也对SU的传输提出了更强的要求。S.Huang等人在2008年的INFOCOM会议中发表的“Opportunistic spectrum access in cognitive radionetworks”(在认知无线电网络中的随机频谱介入)，结合PU和SU的传输冲突率，提出了较合理的非时隙传输策略，但其中假设了PU传输为泊松流、服务时间为任意分布。在MAC协议的设计方面，不少之前的研究都基于网络中的额外专署控制信道，在此信道上进行SU控制信号交换；但是这在信道数较少的网络反而易造成频谱的浪费。

经对现有技术文献的检索发现，Y.R.Kondareddy和P.Agrawal在2008年IEEE ICC会议上发表的“Synchronized MAC Protocol for Multi-hopCognitive Radio Networks”旨在解决控制信道问题和多信道隐藏节点问题，但在具体设计上假设每个SU配有两个收发机，这在物理层增加了开销。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种无线电网络随机周期性媒体访问控制协议(Opportunistic Periodic MAC Protocol，简称OP-MAC)实现的方法。本发明中每个SU只需要配备一个半双工收发机，还能够获得更高的频谱利用率。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明包括如下步骤：

步骤1、在网络初始化后，所有SU同步并周期型地重复一个由OP-MAC指定的工作周期T_p；

步骤2、在OP-MAC的工作周期中首先由SU对网络中的信道进行监听；

步骤3、然后SU分别进行被监听信道的结果汇报，使网络中所有SU共享被监听的空闲信道的信息；

步骤4、进一步由SU进行竞争，预留可用空闲信道；

步骤5、最后在传输预留阶段竞争成功的SU进行数据传输。

所述的网络初始化，是指在认知无线电网络的形成中，第一个加入网络的SU将时间分为N个微时隙，对应N个信道，这个SU在每个信道及其对应时隙传输一个信标信息。

所述的监听，当SU在每个信道及其对应时隙传输一个信标信息后，其他加入的SU任意选择一条信道并进行监听，直到收到这个信标信息并和第一个SU同步；在SU同步后，每个SU必须选择一个信道组成一个“监听对”，并和其他SU交换这个监听对的信息，设置监听对是为了让SU专门检测并记录对应信道中PU的活动情况；如果一个SU无法在N个微时隙内收到信标信息，那么它成为第一个SU并传送信标信息。

所述的N个微时隙，以N×T_ms表示，每个微时隙都有一个SU汇报它所监听信道的情况，如果该信道空闲，则对应SU在该信道上发送一个信标信号；如果该信道繁忙，则对应SU不发送信号；在同一个微时隙中，其余SU监听此信道，如果收到信标信号，则所有SU都将知道此信号空闲；在经过N×T_ms后，SU将知道所有信道的可用信息及监听SU的信息。

所述的信道空闲，如果没有信道被监听为信道空闲，SU在信道空闲阶段和数据传输阶段停止活动；否则，所有SU选择在网络汇报中第一个汇报为空闲信道，并采用类似于802.11 DCF中RTS/CTS的CSMA方案。

所述的SU都设置有一个后退计数器，计数器包含了b个长度为τ时隙，b均匀分布在[0，2′W]中，其中i成为后退阶段，W为初始竞争窗口。当检测信道空闲时间经过分布式帧间间隙(DIFS)后，信道每空闲一个时隙τ，每个后退计时器递减1；当信道检测为空闲时，计时器停止计时。

当所述的计时器归零时，对应SU传送一个RTS帧。

在步骤4中，若RTS传输成功，传输的SU将在短帧间间隙(SIFS)后收到一个CTS帧并将其后退阶段置零(i＝0)；在这个过程中所有SU将在传输预留阶段结束前等待T_suc时间：T_suc＝T_RTS+SIFS+T_CTS+SIFS，

其中：T_RTS指传输RTS所需要的时间，T_CTS指传输CTS所需要的时间。

此时，所有被检测到的空闲信道将预留给收到CTS的SU进行数据传输。

在步骤4中，若RTS传输失败，即RTS和其他SU的RTS碰撞，则所有传输SU的后退计时器重新计时，且后退阶段i累加1，但须满足i≤m，其中m是最大后退阶段，这样所有SU必须在停滞T_c时间后继续进行后退计时：T_c＝T_RTS+SIFS+T_CTS+DIFS。

所述的步骤5，具体为：预留传输的SU将在此阶段中传输数据，直至当前工作周期T_p结束；其他不进行传输的SU将在下一周期继承当前周期的后退计时器和后退阶段。

与现有技术相比，本发明具有优点如下：(1)网络中每个SU只需要配备一个半双工收发机；(2)网络中不需要额外的专署控制信道；(3)多信道隐藏节点问题得到解决；(4)OP-MAC可同时用于时隙结构网络和非时隙结构网络；(5)利用SU之间的合作，从而获得更高的频谱利用率。同时，OP-MAC适用于具有以下性质的认知无线电网络：(1)在CR网络中，所有可选频谱资源等分为N条不互相重叠的信道。但是SU可使用的信道取决于网络中PU的传输行为；(2)任意SU都可与其他SU在同一信道中交流信息，在这个假设下我们不考虑节点位置的关系。

附图说明

图1是采用OP-MAC时，网络容量β随信道可用率μ的变化；

图2网络容量β随信道可用率μ的变化(N＝5，m＝3，T_p＝5ms)的对比图；

图3信道利用率U随MAC周期T_p的变化(N＝5，m＝3，μ＝2/3)的对比图；

图4信道利用率U随信道数的变化(T_p＝5ms，m＝3，μ＝2/3)的对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例的仿真环境参数设置如下：信道传输速率R为2Mbps，网络监听阶段监听时间T_h为256μs，网络汇报阶段的微时隙T_ms为64μs，传输预留阶段中的后退时隙τ为20μs，RTS长288位，CTS长240位，SIFS持续28μs，DIFS持续128μs，竞争窗口W为32，认知无线电网络中SU个数为5。PU的忙/闲时间为指数分布，其中忙时间段的平均持续时间为0.5s。CO-MAC由有N个微时隙汇报阶段和谈判阶段组成，其中谈判阶段采用p-坚持CSMA方案预约信道(p＝0.05)：当SU成功预约控制信道后，可在所有可用空闲信道中传输，直至T_p结束。R-MAC中，SU不存在合作：每个SU在周期T_p开始时任意选择一个信道，并采用带有RTS/CTS的IEEE 802.11 DCF方案进行信道预约：若预约成功，SU只在当前信道进行数据传输。

本实施例的信道参数的定义如下：信道利用率μ为信道在空闲状态持续时间的比率

μ = \frac{E [T_{off}]}{E [T_{on}] + E [T_{off}]},

其中E[T_off]为信道持续空闲状态的期望，E[T_on]为信道持续繁忙状态的期望。SU数据传输的信道利用率网络容量β＝μU。

如表1即是仿真实验中MAC协议网络环境参数的设定。

表1MAC协议网络参数

参数	定义	值
			RTS	RTS包的长度	288位
CTS	CTS包的长度	240位
			SIFS	短的帧间隔时间	28μs
DIFS	分配的帧间隔时间	128μs
			τ	传输预留阶段中的后退时隙	20μs
T_ms	网络汇报阶段的微时隙	64μs
			T_h	网络监听阶段监听时间	256
R	信道传输速率	2Mbps
			W	竞争窗口	32
M	认知无线电网络中SU个数	5
			p	p-坚持CSMA方案的概率	0.05
1/λ_on	忙时间段的平均持续时间	0.5秒

本实施例包括如下具体步骤：

网络初始阶段：在认知无线电网络的形成中，第一个加入网络的SU将时间分为N个微时隙，对应N个信道。这个SU在每个信道及其对应时隙传输一个信标信息。其他加入的SU任意选择一条信道并进行监听，直到收到这个信标信息并和第一个SU同步。如果一个SU无法在N个微时隙内收到信标信息，那么它成为第一个SU并传送信标信息。在SU同步后，每个SU必须选择一个信道组成一个“监听对”，并和其他SU交换这个监听对的信息。之所以设置监听对是为了让SU专门检测并记录对应信道中PU的活动情况。

在初始化后，所有SU同步并周期型地重复一个由OP-MAC指定的工作周期T_p。一个OP-MAC的工作周期依次由以下的四个阶段组成：

(1)网络监听阶段：在这个阶段，每个SU都在其“监听对”中对应的信道上进行监听。为了能获得可靠的监听结果，规定监听时间持续T_h为256μs。

(2)网络汇报阶段：这个阶段分为N个微时隙，即N×T_ms，其中T_ms为64μs。每个微时隙都有一个SU汇报它所监听信道的情况。如果该信道空闲，则对应SU在该信道上发送一个信标信号；如果该信道繁忙，则对应SU不发送信号。在同一个微时隙中，其余SU监听此信道，如果收到信标信号，则所有SU都将知道此信号空闲。在经过N×T_ms后，SU将知道所有信道的可用信息及监听SU的信息。

(3)传输预留阶段：

如果没有信道被监听为空闲，那么SU在此阶段和下一阶段(数据传输阶段)停止活动。否则，所有SU选择在网络汇报阶段中第一个汇报为空闲的信道，并采用类似于802.11 DCF中基于RTS/CTS的CSMA方案。

在这一阶段，每个SU都设置有一个后退计数器b。这个计数器包含了b个长度为20μs的τ时隙。b均匀分布在[0，2′W]中，其中i称为后退阶段，W为长度为32的初始竞争窗口。当检测信道空闲时间经过长度为128μs的DIFS后，信道每空闲一个时隙τ，每个后退计时器递减1。当信道检测为空闲时，计时器停止计时。当计时器归零时，对应SU传送一个长度为288位的RTS帧。

若RTS传输成功，传输的SU将在长度为28μs的SIFS后收到一个长度240位的CTS帧并将其后退阶段置零(i＝0)。在这个过程中所有SU将在传输预留阶段结束前等待T_suc时间：

T_suc＝T_RTS+SIFS+T_CTS+SIFS

其中T_RTS指传输RTS所需要的时间，T_CTS指传输CTS所需要的时间。信道传输速率R为2Mbps。此时，所有被检测到的空闲信道将预留给收到CTS的SU进行数据传输。

若RTS传输失败，即RTS和其他SU的RTS碰撞，则所有传输SU的后退计时器重新计时，且后退阶段i累加1，但须满足i≤m，其中m是最大后退阶段。这样所有SU必须在停滞T_c时间后继续进行后退计时：

T_c＝T_RTS+SIFS+T_CTS+DIFS

(4)数据传输阶段：预留传输的SU将在此阶段中传输数据，直至当前工作周期T_p结束。其他不进行传输的SU将在下一周期继承当前周期的后退计时器和后退阶段。

图1至图4给出了OP-MAC的网络性能，及采用OP-MAC、CO-MAC和R-MAC时的网络性能对比。

如图1所示，采用OP-MAC时，网络容量β随信道可用率μ的变化。

如图2所示，采用OP-MAC、CO-MAC和R-MAC时，网络容量β随信道可用率μ的变化(N＝5，m＝3，T_p＝5ms)的对比图：随着PU通信量的减少(即μ的增加)，β增加；相比R-MAC和CO-MAC，OP-MAC享有较理想的β。由于SU不共享信道信息，R-MAC无法有效利用信道空闲资源；而CO-MAC要求额外的控制信道，从而限制了β。当μ＝0.5263时，OP-MAC的网络容量优于CO-MAC 21％，优于R-MAC56％。

如图3所示，采用OP-MAC、CO-MAC和R-MAC时，信道利用率U随MAC周期T_p的变化(N＝5，m＝3，μ＝2/3)的对比图：当T_p较小时，检测开销和控制信号的传输占据了周期中相当大的一部分；而当T_p较大时，PU和SU之间的碰撞概率会增大。这两种情况都会导致U的下降。当T_p＝19ms时，OP-MAC的信道利用率优于CO-MAC 20％，优于R-MAC 35％。

如图4所示，采用OP-MAC、CO-MAC和R-MAC时，信道利用率U随信道数的变化(T_p＝5ms，m＝3，μ＝2/3)的对比图：在OP-MAC下的信道利用率比在R-MAC和CO-MAC下的信道利用率都要大。当信道较少时，CO-MAC的控制信道就显得浪费资源了；当信道数增加后，R-MAC下的SU无法得到其他信道的信息，从而信道利用率下降。当信道数为3时，OP-MAC的信道利用率优于CO-MAC 51％，优于R-MAC 18％。

结果表明，本实施例可以较好地利用信道的空闲状态，利用SU的合作传输并省去了网络中的控制信道，从而有效的提高了信道利用率。

Claims

1.一种无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、在网络初始化后，所有非授权用户SU同步并周期型地重复一个由随机周期性媒体访问控制协议OP-MAC指定的工作周期T_p；

步骤4、进一步由SU进行竞争，预留可用空闲信道；

步骤5、最后在传输预留阶段竞争成功的SU进行数据传输；

所述的监听，当SU在每个信道及其对应时隙传输一个信标信息后，其他加入的SU任意选择一条信道并进行监听，直到收到这个信标信息并和第一个SU同步；在SU同步后，每个SU必须选择一个信道组成一个“监听对”，并和其他SU交换这个监听对的信息，设置监听对是为了让SU专门检测并记录对应信道中授权用户PU的活动情况；如果一个SU无法在N个微时隙内收到信标信息，那么它成为第一个SU并传送信标信息。

2.根据权利要求1所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，所述的网络初始化，是指在认知无线电网络的形成中，第一个加入网络的SU将时间分为N个微时隙，对应N个信道，这个SU在每个信道及其对应时隙传输一个信标信息。

3.根据权利要求1所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，所述的N个微时隙，以N×T_ms表示，T_ms为网络汇报阶段的微时隙，每个微时隙都有一个SU汇报它所监听信道的情况，如果该信道空闲，则对应SU在该信道上发送一个信标信号；如果该信道繁忙，则对应SU不发送信号；在同一个微时隙中，其余SU监听此信道，如果收到信标信号，则所有SU都将知道此信号空闲；在经过N×T_ms后，SU将知道所有信道的可用信息及监听SU的信息。

4.根据权利要求1所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，所述的信道空闲，如果没有信道被监听为信道空闲，SU在信道空闲阶段和数据传输阶段停止活动；否则，所有SU选择在网络汇报中第一个汇报为空闲信道，并采用CSMA方案。

5.根据权利要求4所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，在步骤4中，若RTS传输成功，传输的SU将在短帧间间隙后收到一个CTS帧并将

其后退阶段置零，i＝0；在这个过程中所有SU将在传输预留阶段结束前等待T_suc时间：

T_suc＝T_RTS+SIFS+T_CTS+SIFS，

其中：T_RTS指传输RTS所需要的时间，T_CTS指传输CTS所需要的时间，SIFS为短的帧间隔时间。

6.根据权利要求4所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，在步骤4中，若RTS传输失败，即RTS和其他SU的RTS碰撞，则所有传输SU的后退计时器重新计时，且后退阶段i累加1，但须满足i≤m，其中m是最大后退阶段，这样所有SU必须在停滞T_c时间后继续进行后退计时：T_c＝T_RTS+SIFS+T_CTS+DIFS，SIFS为短的帧间隔时间，DIFS为分配的帧间隔时间。

7.根据权利要求1所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，所述的SU都设置有一个后退计数器，计数器包含了b个长度为τ时隙，b均匀分布在[0，2ⁱW]中，其中i成为后退阶段，W为初始竞争窗口，当检测信道空闲时间经过分布式帧间间隙后，信道每空闲一个时隙τ，每个后退计时器递减1；当信道检测为空闲时，计时器停止计时。

8.根据权利要求7所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，当所述的计时器归零时，对应SU传送一个RTS帧。

9.根据权利要求1所述的无线电网络中的随机周期性媒体访问控制协议实现的方法，其特征是，所述的步骤5，具体为：预留传输的SU将在此阶段中传输数据，直至当前工作周期T_p结束。