CN101883439B - 一种无线自组织网中实时业务可靠传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线自组织网中实时业务可靠传输方法，针对节点B收到实时业务发送节点A发送的实时业务数据分组RPK，或收到实时业务接收节点

确认RPK接收的特殊ACK分组RACK；非实时业务节点B_tx给B_rx发送DPK，或实时业务节点A给

发送第一个RPK；实时业务发送节点发送第二个及以后的实时业务数据分组等三种情况，通过在Ad Hoc网络中为实时业务提前获得信道使用权，提高其传输可靠性，降低了分组传输中的误帧率。

Description

一种无线自组织网中实时业务可靠传输方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种无线自组织网中基于多步信道预约的实时业务(如视频、音频数据)传输方法。

背景技术

无线自组织网络(即Ad Hoc网络)是由带有无线收发装置的移动终端组成的多跳无线网络。Ad Hoc网络的建立不需要预先铺设网络基础设施，也不用设置任何中心控制节点，依靠节点间的相互协作，在移动、复杂的无线环境中自行成网，其特点是组网灵活性强、易于迅速展开、系统整体抗毁能力强、成本较低等，可广泛用于军事战场、民用通信、车载网络等场合。

随着无线网络技术的不断发展和成功应用，人们已经不满足于Ad Hoc网络仅仅提供普通的数据传输服务，各种多媒体实时业务(视频、音频等)在Ad Hoc网络中的传输逐步成为人们的研究热点。多媒体实时业务的特点在于其周期性较强，每个数据分组之间时间间隔相对固定，例如在保证流畅播放的前提下，通常视频数据每40ms产生一个数据分组，音频数据每30ms产生一个数据分组。合理利用实时业务这种周期性的特点设计多址接入协议(即MAC协议)，可以有效降低实时业务数据分组的分组失败概率，提高多媒体数据的访问成功率。但是，许多现有无线网络MAC协议在实时业务服务质量(Quality of Service，QoS)保证上考虑不够充分，实时业务数据分组的周期性没有得到充分利用，当网络业务量不断增加时，实时业务的分组失败概率不能得到有效的抑制。

目前，IEEE 802.11标准是目前无线网络多址接入技术公认的国际标准之一，其定义的分布式协调功能(DCF)是802.11工作组制定的用于AdHoc网的MAC协议，已经被业界所广泛采用。DCF是基于载波侦听与冲突回避机制(CSMA/CA)的一种多址随机接入策略，采用二进制退避的方法进行随机竞争信道接入。由于实时业务与普通业务都要通过竞争以获得信道资源，因此该协议没有为实时业务提供较为可靠的QoS保证。针对这一情况，802.11工作组提出了IEEE 802.11e标准，采用了增强的DCF机制(即EDCA)，四种类型的数据被分为八个优先级，拥有不同的信道竞争优先权，其中实时业务的优先权较高，普通业务的优先权较低。然而在EDCA中，由于实时业务仍然是通过竞争的方式接入信道，数据传输之前需要进行二进制指数退避，因此难以克服在网络负载较大时的分组冲突问题。

C.R.Lin和M.Gerla为了解决无线多媒体中的可靠传输问题，提出了对信道资源进行预约的MAC协议，称为MACA/PR。在该协议中，每次发送一个实时业务数据分组时，数据分组中携带了下一个实时业务数据分组的发送时间，邻节点收到后其保存，并在这段发送时间内回避信道接入，从而实现了对信道资源的预约。之后，Zhou Ying，A.L.Ananda和Lillykutty Jacob对MACA/PR协议进行了改进，修改了预约信息的保存方式，克服了由于节点之间相互交换预约信息带来的额外网络负担。

这些信道预约机制中，其共同特点在于每个实时业务数据分组仅对之后的第一个实时业务数据分组进行信道资源的预约，可以统称为“单步信道预约机制”。在无线网络中，由于信道衰落引起的信道不稳定与隐藏终端问题引起的分组冲突，导致无线网络中的分组很难有较为稳定的可靠传输，因此对于单步信道预约机制来说，其预约信息仅通过一次广播时，很有可能在邻节点处被其他数据分组冲突而导致预约失败，进而导致无法成功传输下一个数据分组传输。基于以上考虑，发明人在授权发明专利“ZL200710017816.5”中提出了多步预约的方法，即每个数据分组不只对之后的第一个分组进行信道资源预约，而是对之后的若干个分组均进行预约。以上发明专利所提出的方法中，实时业务和非实时业务是被同等对待的，并未考虑到给实时业务提供更高的接入优先级，从而保证实时业务获得更好的传输性能。另外，以上发明专利只考虑到了较为特殊而简单的单跳全联通网络配置，且假设节点间均保持着较好的同步性。而在实际的多媒体无线Ad Hoc网络中，实时业务需要具备更高的接入优先级，而且接入协议应支持异步多跳的网络配置。

发明内容

为了克服现有技术不能保证实时业务获得更好的传输性能，并且只考虑到了较为特殊而简单的单跳全联通网络配置，假设节点间均保持着较好的同步性的不足，本发明提供一种无线自组织网中实时业务可靠传输方法，为实时业务数据分组传输进行多步信道资源的预约，通过在Ad Hoc网络中为实时业务提前获得信道使用权，提高其传输可靠性，降低了分组传输中的误帧率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

情况1：实时业务发送节点为A，实时业务接收节点为

通称为实时节点；节点B收到节点A发送的实时业务数据分组RPK，或收到节点确认RPK接收的特殊ACK分组RACK。

步骤1：计算预约时间；

本发明的m步信道预约中，每个RPK或RACK需要对其之后至多m个实时业务数据分组的传输进行信道预约。每个收到RPK的节点需要计算与其相邻的实时节点发送或接收接下来m个RPK的时间段，即发送预约时间或接收预约时间。在实时节点的邻节点B收到节点A发送的第n个实时业务数据分组RPK_n时(图1中的t_cur1时刻)，按照公式(1)计算节点A发送第n+i个实时业务数据分组RPK_n+i(1≤i≤m)的开始时刻：

t_{rsv_start}＝t_cur1+i·t_cycle-t_RPK                                (1)

其中，t_cycle表示实时业务数据分组的产生周期；t_cur1时刻为

和节点B接收RPK完成的时刻，也是节点B计算发送预约时间的时刻；t_RPK为一个RPK的传输时长；

第n+i个实时业务数据分组RPK_n+i(1≤i≤m)的结束时刻为：

t_{rsv_end}＝t_cur1+i·t_cycle+SIFS+t_RACK                            (2)

其中，SIFS的长度参见IEEE 802.11标准，t_RACK为一个RACK分组的传输时长。

在节点收到RPK之后，将按照公式(1)、(2)计算预约时间。

若节点B收到RACK后也需要计算接收预约时间。在节点B收到节点

发送的第k个RACK时(图1中的t_cur2时刻)，按照公式(3)计算节点

接收第k+i个实时业务数据分组RPK_k+i(1≤i≤m)的开始时刻：

t_{rsv_start}＝t_cur2+i·t_cycle-t_RACK-SIFS-t_RPK                     (3)

按照公式(4)计算第k+i个实时业务数据分组RPK_k+i(1≤i≤m)的结束时刻：

t_{rsv_end}＝t_cur2+i·t_cycle                                       (4)

其中，t_cur2时刻为A和邻节点B接收RACK完成的时刻，也是邻节点B计算接收预约时间的时刻。

在节点收到RPK或RACK后，按照对应的公式与预约步数计算预约时间，并记录在相应的预约表中。在预约时间内，节点将回避信道接入，避免与实时业务数据分组的冲突。

步骤2：删除无效的预约信息；

实时业务发送节点A或实时业务接收节点

对同一个实时业务数据分组前后两次进行不同时间的信道预约时，说明存在若干邻节点没有正确接收到先前的预约信息，并占用了本属于A或

的预约时间段，从而导致A或

寻找新的时间段来发送实时业务数据分组并进行信道预约，之前的预约信息无效，此时节点B应以新的预约信息为准，删除先前的无效预约信息。该操作以预约信息中的源节点地址为索引。节点B判断预约信息是否无效的标准在于节点B的预约表中，同一个实时节点的相邻两个预约信息的开始时间t_{rsv_start}之差是否小于一个t_cycle，如果该时间差小于一个t_cycle，则该预约信息无效。

步骤3：更新预约表(删除过时的预约信息)；

若预约表不为空，且预约表中的第一项预约信息标示的时间比当前时刻更早，则说明预约表中的第一项预约信息已经过时，需要将该预约信息删除并将之后未过时且距当前时刻最近的预约信息作为预约表中的第一项。预约信息是否过时的判断标准在于t_{rsv_end}与当前时刻孰先孰后，当且仅当t_{rsv_end}比当前时刻更早时，预约信息过时。

步骤4：插入预约信息到预约表合适的位置；

计算预约时间后，节点按照预约信息中预约开始时间t_{rsv_start}的先后，按顺序将其加入相应预约表。若节点B接收到的是RPK，则将预约信息加入到自己的发送预约表，此时的预约信息为发送预约信息，表示实时节点在何时将会发送实时业务数据分组；若收到的是RACK，则将预约信息加入到自己的接收预约表，此时的预约信息为接收预约信息，表示实时节点在何时将会接收实时业务数据分组。

情况2：非实时业务节点B_tx给B_rx发送DPK，或实时业务节点A给

发送第一个RPK。

步骤1：节点B_tx或A按照IEEE 802.11协议进行二进制指数随机退避。

步骤2：退避完成后，发送节点与接收节点分别更新并读取自己的预约表，检查预约表是否空闲。

更新预约表的操作与情况1中的步骤3相同。对于数据发送节点B_tx或A，预约表更新完成后，若当前时刻早于预约表第一项预约信息的开始时刻，且两者间的时间间隔足以让非实时业务的发送节点B_tx进行RTS/CTS/DPK/ACK的分组交换，或让实时业务发送节点A进行RTS/CTS/RPK/RACK的分组交换，则预约表空闲，节点B_tx或A转入步骤3，否则预约表忙，转入步骤1；同时，对于数据接收节点B_rx或

在分别收到B_tx或A的RTS分组之后，更新并检查预约表，若当前时刻早于预约表第一项预约信息的开始时刻，且两者间的时间间隔足以让非实时业务的接收节点B_rx进行CTS/DPK/ACK的分组交换，或让实时业务接收节点

进行CTS/RPK/RACK的分组交换，则预约表空闲，节点B_rx或

转入步骤3，否则预约表忙，转入步骤1；

步骤3：完成RTS/CTS握手与数据分组传输，包括以下步骤：

步骤3.1：非实时业务节点按照IEEE 802.11标准进行RTS/CTS/DPK/ACK分组交换；

步骤3.2：实时业务节点进行RTS/CTS/RPK/RACK分组交换，并在RPK与RACK中携带m步信道预约信息。

情况3：实时业务发送节点发送第二个及以后的实时业务数据分组。

步骤1：在之前RPK分组所决定的发送预约时间到来之后，直接发送当前RPK分组；

步骤2：RPK分组发送完成之后，若成功接收到RACK分组，则等待发送下一个RPK分组，否则取消下一个RPK分组的信道预约，并且在下一个RPK分组产生之后，转入情况2的处理流程。

本发明的有益效果是：本发明专利充分利用了实时业务的周期性特征，将多步信道预约方法推广到了更为一般的异步多跳Ad Hoc网络通信环境中，从而赋予了实时业务相较于非实时业务更高的接入优先级。本发明可以有效降低实时业务数据分组的误帧率，提高多媒体业务传输的可靠性。

采用本方法可以保证系统中采用多步信道预约机制进行实时业务数据分组传输时具有较小的误帧率。通过仿真实验，考虑了节点按照矩形均匀分布的无线自组织网络。每个发送节点均承载有一个业务流。系统的主要参数设置是依照IEEE 802.11a标准给出。对于每一个非实时业务发送节点来说，在开状态下，数据分组的到达服从泊松过程。在关状态下，没有数据分组到达相应的发送节点。对于每一个实时业务发送节点来说，数据分组以0.03秒为周期产生并到达MAC层进行发送。实验中我们利用两种方法得到系统的最佳性能，即实时业务分组传输的误帧率：方法1，利用单步信道预约机制对实时业务数据分组进行发送。方法2，就是利用本专利申请中提出的多步信道预约机制。通过仿真，我们对这两种方法所能达到的性能进行了对比。

仿真结果如图2所示，m表示预约步数，从图中可知，两步信道预约机制相比于单步信道预约，在网络负载较大的情况下可以较为显著的降低分组误帧率，而三步信道预约机制可以进一步提高性能。在我们的仿真中，两步信道预约与三步信道预约的性能差别较小，且在某些情况下趋于收敛，因此在本专利中我们不加证明的认为，对于多步信道预约机制来说，三步信道预约已经可以较为显著的提高网络性能，进一步提高预约步数对网络性能的提高较为有限，且会增加算法复杂度和节点的运算负担，在实际操作中建议将预约步数m设置为3。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是预约时间计算方法的示意图；

图中，A表示实时业务发送节点，

表示对应的接收节点；t_cycle表示实时业务数据分组的产生周期；t_rsv表示正确传输一个RPK总共所需要的时间段，即预约表中记录的一个预约时间段，其中包括RPK和RACK分组的交换，其开始时刻为t_{rsv_start}，结束时刻为t_{rsv_end}；t_cur1时刻为和其他邻节点接收RPK完成的时刻，也是邻节点计算预约时间的时刻，t_cur2时刻为A和其他邻节点接收RACK完成的时刻。也是邻节点计算预约时间的时刻；t_RPK为一个RPK数据分组的传输时长，t_RACK为一个RACK分组的传输时长。

图2是多步信道预约机制的有益效果示意图。

图3是多步预约机制新定义的RPK帧格式示意图。

图4是多步预约机制新定义的RACK帧格式示意图。

图5是实例所考虑的网络拓扑示意图。

具体实施方式

在Ad Hoc网络中考虑两种发送节点，第一种发送节点承载的是普通数据业务(如邮件、短消息业务等)，对实时性要求较低；第二种承载的是多媒体实时业务(如视频、音频数据等)，也是我们所关心如何确保其实时性的业务。令t_cycle表示实时业务数据分组的产生周期，RPK表示实时业务数据分组，DPK表示普通业务数据分组，RACK表示实时业务数据分组接收节点确认RPK接收并对其邻节点进行m步信道预约的特殊的ACK分组，t₁时刻产生第一个实时业务数据分组RPK₁之后，在t₂＝t₁+t_cycle时刻将产生第二个实时业务数据分组RPK₂，以此类推。

在RPK与RACK中，携带有对接下来的m个实时业务数据分组的信道资源预约信息，通过对预约信息的解析和读取，邻节点可以计算出实时节点发送接下来的m个实时业务数据分组的具体信道使用时间段，并将这些时间段记录在相应的预约信息表中。在预约信息表记录的这些时间段内，邻节点将回避使用信道，避免与实时业务数据分组冲突。若实时业务数据分组最多会对接下来的m个实时业务数据分组进行信道资源预约，则称为m步信道预约。

我们将RPK中的预约信息称为发送预约信息，表示的是发送RPK的实时业务发送节点在某段时间内将会再次发送RPK，保存在节点的发送预约表中；而RACK中的预约信息称为接收预约信息，表示的是接收RPK的实时业务接收节点在某段时间内将会再次接收RPK，接收预约信息保存在节点的接收预约表中。

预约表中的每个预约信息包含三个元素：预约开始时间、预约结束时间、预约信息的源节点。预约开始时间和结束时间按照相应的公式进行计算，预约信息的源节点即RPK或RACK的发送节点。预约表中的预约信息均按照时间顺序进行排列，离当前时间最近的预约信息放在预约表的第一项。

本方法可以作为固件在IEEE 802.11无线接入网卡中实现，或实现在无线接入网卡的驱动程序里。在“所采取的技术方案”部分，我们给出了本方法涉及到的各种算法，下面结合实例，在基于IEEE 802.11a协议的Ad Hoc网络中对其进行详细说明。

为了在IEEE 802.11DCF的基础上支持所提出的控制方法，我们定义了两个新的分组格式：RPK和RACK，如图3、图4所示，其共同特点是在原有IEEE 802.11DCF分组格式的基础上附加了一个32位长度的域(即图中所示4个字节的扩展域)。

在新增加的32个比特中，前两位表示所传输的是否为实时业务数据分组；接下来4位表示多步信道预约的预约步数；之后的8位表示t_cycle，即实时业务数据分组的产生周期；接下来两位标识实时业务数据分组的子类型，默认为全0，不加以区分，当某个节点需要同时传输多种不同类型的实时业务数据分组(如同时传输音频数据和视频数据)时，不同类型实时业务数据分组的周期时长可能不相同，此时可以利用该位标识不同的实时业务数据分组类型，本专利中认为同一种类型的实时业务数据分组长度固定不变；最后的16个比特为数据分组传输时长，表示传输一个RPK所需要的时间t_RPK。如果扩展域中的数据类型为“00”，则表示非实时业务数据分组传输，此时预约步数应设为“0000”，即不进行信道预约，且周期时长和子类型不进行读取，可默认设置周期时长为全1，子类型为全0。特别地，本专利中采用可变长度的分组格式，即非实时业务数据分组中省略了表示数据分组传输时长的最后16个比特，以减小网络开销，提高传输效率；如果数据类型为“11”，则表示实时业务数据分组传输，此时预约步数和周期时长应根据用户需要进行设定，其中预约步数范围为0～15步；周期时长的单位为毫秒(ms)，不足1ms将向上取整，表示范围为0～255ms，例如视频数据或音频数据，可以分别设置为“00101000”(40ms)或“00011110”(30ms)。最后16比特表示的数据分组传输时长为一个RPK实时业务数据分组的传输时长，以微秒(μs)为最小单位，不足1μs将向上取整，表示范围为0～65535μs。周期时长和数据分组传输时间长度将在计算预约时间时使用。由帧格式可知，数据分组RPK的长度可变，因此t_RPK的值在信道速率取定时也可变，而控制分组RACK的长度由帧格式唯一确定，因此t_RACK的值在信道速率取定时不变。

考虑如图5所示的网络拓扑。在图5中，黑色的点代表网络中的节点，节点之间若以实线相连则代表节点在对方的传输范围之内，在没有冲突的情况下可以正确收到对方发送的各种分组，箭头代表数据分组的发送方向，A_i、

分别代表实时业务的发送、接收节点，B_tx、B_rx分别代表非实时业务的发送、接收节点。

情况1：邻节点收到RACK分组或RPK分组。

网络中A₁给

发送RPK，A₂给

发送RPK。B_tx将收到

的RACK分组，B_rx将收到A₂的RPK分组。

按照IEEE 802.11a的规定，SIFS＝16μs。DPK的帧格式除了本专利定义的扩展域之外，由节点B_tx按照IEEE 802.11a的规定进行填写，扩展域中的数据类型定义为“00”，节点对扩展域的其他位不进行读取，DPK的有效载荷大小为1024bytes，整个数据帧大小为1060bytes。实时业务节点发送RPK采用3步信道预约(即m＝3)，RPK有效载荷大小为1024bytes，整个数据帧大小为1062bytes，信道速率为48Mbps，t_cycle为30ms；RACK大小为18bytes，t_RPK＝177μs，t_RACK＝3μs。

对于收到实时业务数据分组RPK₁的节点B_rx，其处理过程如下所述。

步骤1：计算预约时间。假设在第10s时，A₂与

完成了RTS/CTS握手并开始第一个实时业务数据分组RPK₁的发送，A₂在10.000177s时刻完成RPK₁的传输，经过SIFS＝16μs的等待时间，

开始发送RACK并在10.000196s完成发送。

节点B_rx在10.000177s接收到RPK₁之后，通过解析分组中的预约扩展域，对接下来3个实时业务数据分组按照公式(1)、(2)计算发送预约信息。对于RPK_1+i(1≤i≤m＝3)，预约开始时间为：

$t_{\mathrm{rsv}\_\mathrm{start}}=t_{\mathrm{cur}1}+i\·t_{\mathrm{cycle}}-t_{\mathrm{RPK}}=10.000177+i\·0.03-0.000177$

$=\left\{\begin{array}{cc}10.030000& i=1\\ 10.060000& i=2\\ 10.090000& i=3\end{array}\right.$

预约结束时间为：

$t_{\mathrm{rsv}\_\mathrm{end}}=t_{\mathrm{cur}1}+i\·t_{\mathrm{cycle}}+\mathrm{SIFS}+t_{\mathrm{RACK}}=10.000177+i\·0.03+0.000016+0.000003$

$=\left\{\begin{array}{cc}10.030196& i=1\\ 10.060196& i=2\\ 10.090196& i=3\end{array}\right.$

步骤2：删除无效的预约信息。节点B_rx在计算出RPK_1+i的预约时间后，需将预约表中的无效预约信息删除。假设当前预约表如表格1所示，则不存在无效预约信息。

表格1非实时节点B_rx发送预约表(一)

预约信息编号	开始时间	结束时间	预约节点
				1	9.970000	9.970196	A2
2	10.000000	10.000196	A2
				3	10.030000	10.030196	A2
4	10.060000	10.060196	A2

步骤3：删除过时的预约信息。当前时间为10.000177s，表格1所示的非实时接收节点B_rx的发送预约表中，第一项预约信息所表示的时间已经过时，存在过时的预约信息需要删除。删除过时预约信息后的发送预约表如表格2所示。

表格2非实时节点B_rx发送预约表(二)

预约信息编号	开始时间	结束时间	预约节点
				1	10.000000	10.000196	A2
2	10.030000	10.030196	A2
				3	10.060000	10.060196	A2

步骤4：计算出RPK_1+i的发送预约时间后，将预约信息按照时间顺序写入发送预约信息表，其内容如表格3：

表格3非实时节点B_rx发送预约表(三)

预约信息编号	开始时间	结束时间	预约节点
				1	10.000000	10.000196	A2
2	10.030000	10.030196	A2
				3	10.060000	10.060196	A2
4	10.090000	10.090196	A2

表示节点A₂将在这三段时间内进行实时业务数据分组的发送。

对于收到RACK的节点B_tx，其处理过程如下所述。

步骤1：计算预约时间。

假设A₁在10.0002s完成了RTS/CTS握手并开始第一个实时业务数据分组RPK₁的发送，在10.000377s时刻完成RPK₁的传输，经过SIFS＝16μs的等待时间，

开始发送RACK并在10.000396s完成发送。

节点B_tx在10.000396s接收到

发送的RACK后，通过解析分组中的预约扩展域，对接下来3个实时业务数据分组按照公式(3)、(4)计算接收预约信息。对于RPK_1+i(1≤i≤m＝3)，预约开始时间为：

$t_{\mathrm{rsv}\_\mathrm{start}}=t_{\mathrm{cur}2}+i\·t_{\mathrm{cycle}}-t_{\mathrm{RACK}}-\mathrm{SIFS}-t_{\mathrm{RPK}}$

$=10.000396+i\·0.03-0.000003-0.000016-0.000177$

$=\left\{\begin{array}{cc}10.030200& i=1\\ 10.060200& i=2\\ 10.090200& i=3\end{array}\right.$

预约结束时间为：

$t_{\mathrm{rsv}\_\mathrm{end}}=t_{\mathrm{cur}2}+i\·t_{\mathrm{cycle}}=10.000396+i\·0.03$

$=\left\{\begin{array}{cc}10.030396& i=1\\ 10.060396& i=2\\ 10.090396& i=3\end{array}\right.$

步骤2：删除无效的预约信息。假设当前非实时节点B_tx的接收预约表中，已有的预约信息如表格4所示：

表格4非实时节点B_tx接收预约表(一)

由时间关系可知，当前预约表的第一项预约信息来自于

且其开始时间与当前计算得到的预约时间不存在预约周期的整数倍数关系，因此预约表中预约节点为

的预约信息均为旧的无效预约信息，应予以删除。删除后预约表为空。

步骤3：删除过时的预约信息。由于当前预约表为空，因此不存在过时的预约信息。

步骤4：节点B_tx在计算出RPK_1+i的接收预约时间后，将预约信息按照时间顺序写入接收预约信息表，其内容如表格5：

表格5非实时节点B_tx接收预约表(二)

表示节点

将在这三段时间内进行实时业务数据分组的接收。

情况2：非实时业务节点发送DPK或实时业务节点发送第一个RPK。

步骤1：按照IEEE 802.11协议进行二进制指数随即退避，竞争信道资源

步骤2：退避完成后更新并读取预约表，检查预约表是否空闲。

更新预约表的操作与情况1中的步骤3相同。更新完成后，若当前时刻早于预约表第一项预约信息的开始时刻，且两者间的时间间隔足以让非实时业务节点进行RTS/CTS/DPK/ACK，或让实时业务节点进行RTS/CTS/RPK/RACK的分组交换，则预约表空闲，否则预约表忙，转入步骤1；

若节点B_tx在10.029 300s时刻完成退避，在发送RTS之前应检查自己的预约表是否空闲，更新完成后发送预约表为空，接收预约表如表格5所示。按照IEEE 802.11a的规定，若DPK大小为1060bytes，信道速率为48Mbps，完成当前非实时业务数据分组的传输所需要的时间为0.000235s。节点B_tx计算当前时刻与预约表第一项的预约时间之间的关系，此时发送预约表为空，接收预约表不为空。由表格5可知，当前时刻与RPK₂的开始接收时刻10.030200s之间相差0.0009s，大于所必须的时间长度，因此节点B_tx发送RTS分组；若节点B_tx在10.029 985s时刻完成退避并检查预约表，当前时刻与RPK₂的开始接收时刻10.030 200s之间相差0.000215s，小于所必须的时间长度，因此节点B_tx不发送RTS分组，而是重新开始退避并发起RTS/CTS握手。

步骤3：完成RTS/CTS握手与数据分组传输，包括以下步骤：

步骤3.1：非实时业务节点按照IEEE 802.11标准进行RTS/CTS/DPK/ACK分组传输；

步骤3.2：实时业务节点进行RTS/CTS/RPK/RACK，并在RPK与RACK中携带m步信道预约信息。

按照IEEE 802.11a的规定，SIFS＝16μs。DPK的帧格式除了本专利定义的扩展域之外，由节点B_tx按照IEEE 802.11a的规定进行填写，扩展域中的数据类型定义为“00”，节点对扩展域的其他位不进行读取，DPK的有效载荷大小为1024bytes，整个数据帧大小为1060bytes。A₂给

发送RPK，采用3步信道预约(即m＝3)，RPK有效载荷大小为1024bytes，整个数据帧大小为1062bytes，信道速率为48Mbps，t_cycle为30ms；RACK大小为18bytes，t_RPK＝177μs，t_RACK＝3μs。由此可知，在RPK与的RACK预约扩展域中，数据类型为“11”，预约步数为“0011”，周期时长为“00011110”，子类型为“00”，数据分组传输时长为“0000 0000 1011 0001”，整个扩展域设置为：“0xCC7800B1”，

情况3：实时业务发送节点发送第二个及以后的实时业务数据分组。

步骤1：在之前RPK分组所决定的发送预约时间到来之后，直接发送当前RPK分组；

在情况1的实例中，节点

与10.000 000s发送了实时业务数据分组RPK₁之后，将在10.030 000s发送第二个实时业务数据分组RPK₂，与RPK₁不同之处在于，RPK₂将不通过RTS/CTS握手，而直接在信道上进行发送。

步骤2；RPK分组发送完成之后，若成功接收到RACK分组，则等待发送下一个RPK分组，否则取消下一个RPK分组的信道预约，并且在下一个RPK分组产生之后，转入情况2的处理流程。

本方法实现简单。可以作为无线网卡固件的一部分或作为网卡驱动程序的一部分加以实现。

本方法以较低的协议复杂度，为实时业务提供了更高的接入优先级，进而为实时业务提供了更为可靠的传输质量。

在异步多跳无线通信网络配置下，支持全分布式的工作方式。无需中心控制器的介入。

本发明兼容IEEE 802.11标准。

Claims (1)

1.一种无线自组织网中实时业务可靠传输方法，其特征在于包括下述步骤：

情况1：实时业务发送节点为A，实时业务接收节点为

通称为实时节点；节点B收到节点A发送的实时业务数据分组RPK，或收到节点

确认RPK接收的特殊ACK分组RACK；

步骤1：在实时节点的邻节点B收到节点A发送的第n个实时业务数据分组RPK_n时，按照公式(1)计算节点A发送第n+i个实时业务数据分组RPK_n+i的开始时刻，1≤i≤m，t_{rsv_start}＝t_cur1+i·t_cycle-t_RPK    (1)

其中，m为信道预约步数，t_cycle表示实时业务数据分组的产生周期；t_cur1时刻为

和节点B接收RPK完成的时刻，也是节点B计算发送预约时间的时刻；t_RPK为一个RPK的传输时长；

第n+i个实时业务数据分组RPK_n+i的结束时刻为：

t_{rsv_end}＝t_cur1+i·t_cycle+SIFS+t_RACK    (2)

其中，SIFS的长度参见IEEE 802.11标准，t_RACK为一个RACK分组的传输时长；

在节点收到RPK之后，将按照公式(1)、(2)计算预约时间；

在节点B收到节点

发送的第k个RACK时，按照公式(3)计算节点

接收第k+i个实时业务数据分组RPK_k+i的开始时刻：

t_{rsv_start}＝t_cur2+i·t_cycle-t_RACK-SIFS-t_RPK    (3)

按照公式(4)计算第k+i个实时业务数据分组RPK_k+i的结束时刻：

t_{rsv_end}＝t_cur2+i·t_cycle    (4)

其中，t_cur2时刻为A和邻节点B接收RACK完成的时刻，也是邻节点B计算接收预约时间的时刻；

在节点收到RPK或RACK后，按照对应的公式与预约步数计算预约时间，并记录在相应的预约表中在预约时间内，节点将回避信道接入，避免与实时业务数据分组的冲突；

步骤2：节点B判断预约信息是否无效的标准在于节点B的预约表中，如果同一个实时节点的相邻两个预约信息的开始时间t_{rsv_start}之差小于一个t_cycle，则该预约信息无效；此时节点B应以新的预约信息为准，删除先前的无效预约信息；

步骤3：若预约表不为空，当且仅当t_{rsv_end}比当前时刻更早时，预约信息过时，需要将该预约信息删除并将之后未过时且距当前时刻最近的预约信息作为预约表中的第一项；

步骤4：计算预约时间后，节点按照预约信息中预约开始时间t_{rsv_start}的先后，按顺序将其加入相应预约表；若节点B接收到的是RPK，则将预约信息加入到自己的发送预约表，此时的预约信息为发送预约信息，表示实时节点在何时将会发送实时业务数据分组；若收到的是RACK，则将预约信息加入到自己的接收预约表，此时的预约信息为接收预约信息，表示实时节点在何时将会接收实时业务数据分组；

情况2：非实时业务节点B_tx给B_rx发送DPK，或实时业务节点A给

发送第一个RPK；

步骤1：节点B_tx或A按照IEEE 802.11协议进行二进制指数随机退避；

步骤2：退避完成后，发送节点与接收节点分别更新并读取自己的预约表，检查预约表是否空闲；更新预约表的操作与情况1中的步骤3相同；对于数据发送节点B_tx或A，预约表更新完成后，若当前时刻早于预约表第一项预约信息的开始时刻，且两者间的时间间隔足以让非实时业务的发送节点B_tx进行RTS/CTS/DPK/ACK的分组交换，或让实时业务发送节点A进行RTS/CTS/RPK/RACK的分组交换，则预约表空闲，节点B_tx或A转入情况2的步骤3，否则预约表忙，转入情况2的步骤1；同时，对于数据接收节点B_rx或

在分别收到B_tx或A的RTS分组之后，更新并检查预约表，若当前时刻早于预约表第一项预约信息的开始时刻，且两者间的时间间隔足以让非实时业务的接收节点B_rx进行CTS/DPK/ACK的分组交换，或让实时业务接收节点进行CTS/RPK/RACK的分组交换，则预约表空闲，节点Brx或转入情况2的步骤3，否则预约表忙，转入情况2的步骤1；

步骤3：完成RTS/CTS握手与数据分组传输，包括以下步骤：

步骤3.1：非实时业务节点按照IEEE 802.11标准进行RTS/CTS/DPK/ACK分组交换；

步骤3.2：实时业务节点进行RTS/CTS/RPK/RACK分组交换，并在RPK与RACK中携带m步信道预约信息；

情况3：实时业务发送节点发送第二个及以后的实时业务数据分组；

步骤1：在之前RPK分组所决定的发送预约时间到来之后，直接发送当前RPK分组；

步骤2：RPK分组发送完成之后，若成功接收到RACK分组，则等待发送下一个RPK分组，否则取消下一个RPK分组的信道预约，并且在下一个RPK分组产生之后，转入情况2的处理流程。

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