CN102056325B - 一种基于多输入多输出天线的多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多输入多输出天线技术领域，特别是一种基于多输入多输出天线的多址接入方法，多个发送节点和接收节点的控制帧采用RTS/CTS帧，所述方法包括：（1）接收节点在侦听到第一个RTS帧后，启动定时时间为时间长度的定时器；（2）在时间长度内继续等待侦听其他RTS帧；（3）经过时间长度后，检查侦听到的所有RTS帧，并向目的节点为接收节点的所有发送节点返回CTS帧；（4）发送节点收到接收节点返回的CTS帧后，根据CTS帧携带的信息确定所使用的天线数目，向接收节点发送数据。本发明可以通过先接收多个RTS帧再发送CTS帧，并且在相同的邻域内多对节点可以同时通信，大大减小了链路的分组时延，提高了吞吐量。

Description

一种基于多输入多输出天线的多址接入方法

技术领域

本发明涉及多输入多输出天线技术领域，特别是一种基于多输入多输出天线的多址接入方法。

背景技术

MAC协议是Ad Hoc网络组网的重要组成部分，它直接影响着整个网络的性能。MPR技术可使网络中的节点同时侦听多个数据包，而且能够将它们进行成功分离，进而显著地提高网络的吞吐量，对MAC协议的设计产生了很大的影响。MIMO技术是实现MPR的途径之一。MIMO在不增加带宽的情况下能够成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，被广泛的使用于现代通信系统中。因此，设计高效的MAC协议来充分利用MIMO的这种能力，具有十分重要的研究意义和价值。目前，基于MPR技术的MAC协议，主要有以下几种：

文献1：“Qing Zhao and Lang Tong,The Dynamic Queue Protocol for spreadspectrum random access networks,Military Communications Conference2001,vol.2,2001,Page(s):1024–1028”，针对CDMA（码分多址）系统提出了一种基于MRP信道的MAC机制DQP（Dynamic Queue Protocol），其网络模型为包含一个中心节点和若干个用户的单群网络。协议将时间轴分成连续的传输周期（TP，Transmission Period），每个TP由若干个时隙组成。当系统中的用户都被轮询且在之前的TP中产生的数据包被成功侦听时一个TP结束。在第i个TP的开始，所有M个用户都在等待队列里，协议根据包到达概率、第i-1个TP的长度及MPR能力等因素，在每个时隙进行发送时选择Ni个用户组成一个最佳的发送节点集。每次发送后，发送成功或没有数据包需要发送的节点将被移出队列，然后再选择Ni个用户在下一个个时隙进行发送，以此类推，直到所有M个节点都移出队列，该TP结束。该协议以最大化网络吞吐量和最小化包时延为目标，按照使TP的时隙数最少的原则来选择Ni。

文献2：“PHY-MAC dialogue with Multi-Packet Reception”，通过对DQP改进形成了一种新的MPR MAC协议MDQP（Modified Dynamic Queue Protocol）。它通过MAC层和PHY层的对话使系统达到了更好的性能。

文献3：“Cross-Layer Multi-Packet Reception Based Medium AccessControl and Resource Allocation for Space-Time Coded MIMO/OFDM”，将MPR与资源的自适应分配结合，针对CSMA/CA系统提出了一种新的MAC-PHY的跨层设计方法。文献作者指出MPR领域的最近研究工作都集中在ALOHA系统，在CSMA/CA系统中还是一个很新的概念。另外，文献4“An Enhanced Multi-PacketReception MAC Protocol:Cooperative Approach”的作者将MPR和节点协作引入到MAC层的设计中来。

MIMO技术作为下一代无线通信系统的核心技术，不仅能够获得分集增益、复用增益或者二者的折中，而且是实现MPR的一种有效方式。近些年来，基于MIMO的MAC协议被广泛研究，国内外的许多学者针对这一技术做了大量工作，文献5“K.Sundaresan,R.Sivalumar,M.A.Ingram and T.-Y.Chang,MediumAccess Control in Ad Hoc Networks with MIMO Links:OptimizationConsiderations and Algorithms,IEEE Transactions On Mobile Computing,vol.3,no.4,Oct-Dec.2004,pp.350-365.”的作者针对具有MIMO链路的Ad Hoc网络提出了一种集中式的数据流控制多址接入协议SCMA（stream-controlledmedium access）和一种分布式的SCMA协议，并且该文献表明，合理地利用MIMO链路可以增加Ad Hoc网络的容量。然而，SCMA协议需要采用集中式并知道全网的拓扑结构或者采用分布式但需要较大的开销来获得网络拓扑，这不仅是对AdHoc网络带宽的较大浪费，而且，节点的移动性会降低该协议的效率。同时，SCMA仅支持点对点传输，并不支持广播传输。

文献6“M.Park,R.W.Heath Jr.,Scott,M.Nettles,ImprovingThroughput and Fairness for MIMO Ad Hoc Networks Using Antenna SelectionDiversity,”IEEE GLOBECOM2004,November2004,Dallas(TX,USA),pp.3363-3367.”提出了一种MIMA（Mitigating Interference using MultipleAntennas）MAC协议，它利用空间复用来减小邻节点带来的干扰、增加网络的吞吐量和公平性。然而，该协议没有按照网络中各节点的实际需求来分配发送天线，每次数据发送时仅仅使用一半数目的天线，即使在接收节点周围只有一个发送节点。这对充分发挥MIMO技术的优势是不利的，没有最大化利用信道资源。

文献7“M.Hu and J.Bang,MIMO ad hoc network with spatial diversity:Medium access control and saturation throughput,in43rd IEEE Conferenceon Decision and Control,(Bahamas),Dec.2004.(invited paper).”从空间分集的角度出发，提出了一种SD-MAC（spatial diversity MAC）协议，该协议采用空时码获得分集增益来减小衰落的影响，发送节点根据信道状况对数据包的速率进行自适应调整。

此外，一些学者将MIMO技术与多信道场景或TDMA机制相结合，并提出了相应的多址接入控制协议，例如，MARI-BTMA（multiple antennas receiverinitiated busy tone medium access）协议[8]和TTR-TDMA（topology-transparent reservation TDMA）协议等。表1为以上主要的研究成果总结。

表1基于MIMO MAC协议特点总结

从上述研究现状可以看出：基于MPR技术的MAC多采用传统的CDMA方式，较多的研究Aloha协议，网络模型多是有中心控制的场景；另一方面，现有基于MIMO的MAC协议较多的关注了MIMO技术的分集和复用增益，但是没有发挥其MPR能力。

现有技术采用RTS/CTS机制，RTS/CTS机制的工作原理是，发送站点在向侦听站点发送数据包之前，即在DIFS之后不是立即发送数据，而是代之以发送一个请求发送RTS（Ready To Send）帧，以申请对介质的占用，当侦听站点收到RTS信号后，立即在一个短帧隙SIFS之后回应一个准许发送CTS（Clear To send）帧，告知对方已准备好侦听数据。双方在成功交换RTS/CTS信号对（即完成握手）后才开始真正的数据传递，保证了多个互不可见的发送站点同时向同一侦听站点发送信号时，实际只能是收到侦听站点回应CTS帧的那个站点能够进行发送，避免了冲突发生。即使有冲突发生，也只是在发送RTS帧时，这种情况下，由于收不到侦听站点的CTS消息，大家再回头用DCF提供的竞争机制，分配一个随机退守定时值，等待下一次介质空闲DIFS后竞争发送RTS帧，直到成功为止。

如图1所示，处于同一竞争区域内的几条相互干扰链路，如果它们预发送数据的时间间隔小于T_R，则传统的MAC协议要把它们按先后顺序排列起来逐条链路进行发送，等待其中一条链路的数据发送完毕后，再激活另一条链路，如图1所示。虽然链路L2发送节点的上层数据在链路L1交换RTS的阶段到达，但是它只能等到链路L1通信结束后才能开始自己的发送流程。假设一次完整数据发送需要的时间为T₁，则这两条链路完成数据交换共需时间至少为2T₁。

发明内容

本发明提出一种基于多输入多输出天线的多址接入方法，以解决现有技术中，多条链路完成数据交换需要时间较长的技术问题。

为了实现本发明的发明目的，采用的技术方案如下：

一种基于多输入多输出天线的多址接入方法，多个发送节点和接收节点的控制帧采用RTS/CTS帧，所述方法包括：

（1）接收节点在侦听到第一个RTS帧后，启动定时时间为T_R时间长度的定时器；

（2）在T_R时间长度内继续等待侦听其他RTS帧；

（3）定时器终止后，检查侦听到的所有RTS帧，并向目的节点为接收节点的所有发送节点返回CTS帧；

（4）发送节点收到接收节点返回的CTS帧后，向接收节点发送数据。

RTS帧中包含有侦听地址和发送地址，侦听地址即目的节点而发生地址即源节点。

优选地，在接收节点侦听到第一个RTS帧启动定时时间为T_R时间长度的定时器后，在T_R时间长度内再次收到RTS帧时，不再启用T_R时间长度的定时器。

作为一种优选方案，所述步骤（2）还包括，当在T_R时间内接收的RTS帧的个数等于接收节点天线数目时，终止定时器，则执行步骤（3）。

作为进一步的优选方案，所述T_R时间长度为20us<T_R<201.8008us。

作为进一步的优选方案，所述T_R时间长度根据以下公式决定：

其中m为发送节点的个数，a_j,k表示退避级数为j，退避计数器当前值为k的状态，W_j为j级退避时的最大退避窗口值，退避计数器在[0,W_j-1]内均匀的选择退避值k。

作为进一步的优选方案，所述步骤（3）包括：接收节点侦听到n个RTS帧，n为大于或等于1的自然数：

如果n个RTS帧的目的节点都不是接收节点，接收节点将按照RTS中所携带的信道占用时间值来设置接收节点的NAV，然后进入静默状态；NAV是网络分配矢量Network Allocation Vector的缩写。

如果n个RTS帧中有m个目的节点是接收节点，则接收节点向这m个发送节点回复CTS，并通过CTS包携带的最大允许发送数据流数目，告诉每个发送节点发送数据时使用K/n个天线，其中K为接收节点的天线数目。

n为邻节点中所有想发起通信的节点数，m为邻节点中想向本接收节点发起通信的节点数，如果每个想通信的节点都采用K/n个天线进行通信，则每个想通信的节点都会预留一部分天线来抵制干扰，而如果采用K/m个天线进行通信，则所有发起通信的节点所使用的天线总线将大于Ｋ，这将使得接收节点无法分解信号流，通信会失败。

作为进一步的优选方案，所述步骤（4）包括：发送节点侦听到p个CTS帧，p为大于或等于0的自然数：

如果没有侦听到CTS帧，则发送节点将进入退避状态等待重传；

如果侦听到p个CTS，但是p个CTS帧的目的节点都不是发送节点，则查看p个CTS帧中所标识的信道占用时间值，并将按照p个CTS帧中的最大值来设置发送节点的NAV，然后进入静默状态；

如果侦听到p个CTS，并且其中有一个CTS的目的节点是发送节点，则提取允许用于数据传输的天线数N，并选择N个天线进行数据包的发送。

作为再进一步的优选方案，所述方法还包括：

发送节点侦听到p个CTS帧，，并且其中有一个CTS的目的节点是发送节点，发送节点采用N个天线与接收节点收发数据，N的值将取所有p个CTS帧中所携带的最大允许发送天线数目中的最小值，即

$N=\min \{\frac{K}{n_1},\frac{K}{n_2},...,\frac{K}{n_p}\}$

其中，

分别为p个CTS中所携带的最大允许发送天线数。

作为进一步的优选方案，所述方法还包括：

在发送节点发送的RTS帧中增加T_R域，在T_R域中设置T_R值，接收节点收到第一个RTS帧后，将根据T_R值设置T_R时间长度的定时器。

作为进一步的优选方案，所述方法还包括：

接收节点在经过T_R时间长度后或在T_R时间长度内侦听到的RTS帧数目等于接收节点的天线数时，执行如下步骤:

如果接收节点是RTS帧的目的节点而且当前时间大于NAV，接收节点将向发送节点发送包括可使用天线数目的CTS帧，同时根据收到的RTS帧中所携带的时延值更新接收节点的NAV;

如果侦听到数据帧,则通知数据帧的源节点发生碰撞，并更新接收节点的NAV，进入退避状态;

在其它情况下，接收节点根据收到的RTS帧中所携带的时延值更新接收节点的NAV；

发送节点侦听到CTS帧后，根据CTS帧中所携带的时延值更新发送节点的NAV值，且执行如下步骤:

如果CTS帧的目的节点是发送节点，则根据CTS帧中所携带的天线数目设置所发送的数据包的信道速率，并在短帧隙之后发送数据包;

如果接收到数据帧，则通知数据帧的源节点发生碰撞，进入退避状态。

作为进一步的优选方案，所述方法应用于第一节点和第二节点，第一节点作为接收节点，第二节点作为发送节点，第一节点和第二节点执行完步骤（1）～（4）后第二节点向第一节点传输数据：

如果第一节点侦听到数据帧，则根据数据帧中所携带的时延值更新第一节点的NAV值，且如果数据帧的目的节点是第一节点，则在短帧隙之后发送确认帧（ACKnowledgment，ACK帧）进行确认;

如果第一节点侦听到RTS帧，且RTS帧的源节点为第二节点，则通知第二节点发生碰撞，进入退避状态;

如果第二节点收到第一节点的确认帧，则表示这次传输成功；

如果第二节点在帧超时仍没有收到确认帧，则重新设置第二节点的NAV，进入退避状态。

本发明显著改善移动Ad Hoc网络的吞吐量和时延性能，由于控制帧使用单数据流发送，因此节点有数据发送并且第一次检测到信道空闲时，不必再进行随机退避，可以直接发送RTS帧，因为节点具有同时侦听并区分出多个RTS的能力。这节省了用于竞争信道所带来的时间开销，降低了网络时延。同时还允许邻域中有多对节点获得信道使用权，同时进行通信，提高了吞吐量。

本发明从Ad Hoc网络的特点出发，结合基于MIMO技术的优势，其与现有MIMO MAC协议相比，具有以下特点：

1、本发明不仅发挥了MIMO技术的分集和复用增益，还发挥了MIMO MPR能力，是一种全分布式的MAC协议。（目前本协议主要体现MIMO技术复用增益特点）

2、在同一竞争区域内，允许两条以上的干扰链路并行传输，扩充了可以并行传输的链路数，提高了网络的吞吐量，改善了节点之间的公平性。而CSMA/CA(k)协议一次只允许一个节点发送，MIMA MAC协议最多允许两个节点同时发送，并且这两个协议都不支持MPR。

3、实现节点无差错的侦听并分离出多个节点发送的数据，此外控制帧使用单数据流发送，节点具有同时侦听并区分出多个RTS的能力，这节省了用于竞争信道所带来的时间开销，对提高网络吞吐量和改善分组时延性能有着重要的意义。

4、处于同一竞争区域内的几条相互干扰链路，如果它们预发送数据的时间间隔小于T_R，则传统的MAC协议要把它们按先后顺序排列起来逐条链路进行发送，等待其中一条链路的数据发送完毕后，再激活另一条链路，如图1所示。虽然链路L2发送节点的上层数据在链路L1交换RTS的阶段到达，但是它只能等到链路L1通信结束后才能开始自己的发送流程。假设一次完整数据发送需要的时间为T₁，则这两条链路完成数据交换共需时间至少为2T₁；

而本发明可以把它们规划在一起并行发送，并且不会相互干扰，如图2所示。本发明中，这两次数据发送所需要的总时间约为T₁+T_R，由于T_R远小于T₁，所以T₁+T_R=2T₁，即大大减小了链路L2的分组时延。

附图说明

图1为现有技术相互干扰的两条链路先后发送示意图；

图2为本发明实施例相互干扰的两条链路并行发送示意图；

图3为本发明实施例与CSMA/CA(k)的比较（K=2）；

图4为本发明实施例最大允许发送天线数不同时的情况；

图5为本发明实施例数据发送拓扑图；

图6为本发明实施例并行传输帧交换流程图；

图7为本发明实施例多包侦听帧交换流程图；

图8为RTS帧格式；

图9为CTS帧格式；

图10为ACK帧格式；

图11为接收节点对RTS帧的处理工作流程；

图12为数据发送端的工作流程；

图13为数据侦听端的工作流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

现有技术，处于同一竞争区域内的几条相互干扰链路，如果它们预发送数据的时间间隔小于T_R，则传统的MAC协议要把它们按先后顺序排列起来逐条链路进行发送，等待其中一条链路的数据发送完毕后，再激活另一条链路，如图1所示。虽然链路L2发送节点的上层数据在链路L1交换RTS的阶段到达，但是它只能等到链路L1通信结束后才能开始自己的发送流程。假设一次完整数据发送需要的时间为T₁，则这两条链路完成数据交换共需时间至少为2T₁；

而本发明实施例可以把它们规划在一起并行发送，并且不会相互干扰，如图2所示。本实施例中，这两次数据发送所需要的总时间约为T₁+T_R，由于T_R远小于T₁，所以T₁+T_R<<2T₁，即大大减小了链路L2的分组时延。

本实施例假设所有节点的发送天线数和侦听天线数相等，都等于K，且网络中所有的链路都是对称的，下面对该实施例进行详细的描述。

控制帧的发送规则：每个发送节点和接收节点使用一个数据流交换RTS/CTS分组及回复ACK，以利于接收节点进行冲突分解。并且，RTS/CTS分组可以用于MIMO链路的信道状态信息（CSI）估计，这样一个接收节点可以同时侦听并区分出最多K个发送节点发送过来的RTS帧。

信道竞争阶段：该阶段分为RTS期和CTS期，其中RTS期的长度等于RTS的传输时间加上一个固定值T_R。T_R值的大小主要由节点具有的天线数目（决定可以同时发送的最多节点数）、网络的业务负载以及网络拓扑等因素决定。

T_R(单位:us)时间的确定及相关说明:

我们知道节点接收一个RTS后等待T_R时间的目的是给其它节点提供接入信道的机会，等待另外的RTS到来，从而充分利用节点的MPR能力和MIMO的并行传输能力，以提高网络吞吐量。

其它RTS到来的早晚与邻节点的退避计数器值有关，因为只有退避计数器值为零时节点才可以发起握手过程。如果等待时间过长即T_R取值过大，虽然能使同步接入信道的节点数目增多，但是将会增加握手时间的开销，使分组时延变大。反之，如果T_R取值过小，分组时延相对变小，但是有可能在T_R时间内并没有一个邻居节点有接入信道的请求，这将会因为等不到另外的RTS，而使这段时间被白白浪费，达不到设置该参数的目的。

从原理上分析，T_R的大小与节点的多包接收能力、邻节点退避计数器值（由退避阶数和初始退避窗口决定）、邻节点数及节点的业务流等因素有关，即

T_R=f(K,j,W,D,S)   (1)

其中K为节点的天线数，j为退避级数，W为初始退避窗口，D为最大节点度，S为业务负载。

通过上面的简单分析，我们取T_R为各状态的稳态概率与各状态时的退避计数器值的乘积的加权和，用其来表征每个节点的退避计数器的平均值，即

$T_R=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{W_j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\&CenterDot;a_{j,k}---\left(2\right)$

将a_j,k代入并化简，得

$T_R=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{W_j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\&CenterDot;a_{j,k}=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{j,0}\underset{k=0}{\overset{W_j-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}k\&CenterDot;\frac{W_j-k}{W_j}=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{j,0}\frac{W_j^2-1}{6}---\left(3\right)$

由于W≤W_j≤W_m，则

$\frac{W^2-1}{6}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{j,0}<\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{j,0}\frac{{W_j}^2-1}{6}<\frac{{W_m}^2-1}{6}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{j,0}---\left(4\right)$

即

$\frac{W^2-1}{6}\mathrm{\&tau;}<T_R<\frac{{W_m}^2-1}{6}\mathrm{\&tau;}---\left(5\right)$

τ的计算公式:

假设信道中发生冲突的概率为p_c(0<p_c<1)，分析是基于饱和状态下的，即每个节点总是有数据分组要发送，且节点每次发送时，信道中发生冲突的概率与过去的冲突次数无关。在文献8“G.Bianchi,Performance Analysis of the IEEE802.11Distributed Coordination Function,IEEE Journal on Selected Areas InCommunications,Vol.18,No.3,March2000.”中，Bianchi建立了一种二维马尔可夫链模型，并通过转移概率及递推运算得到各状态的稳态概率为

$a_{j,k}=\frac{W_j-k}{W_j}{a}_{j,0},j\&Element;(0,m),k\&Element;(0,W_j-1)---\left(6\right)$

其中，a_j,k表示退避级数为j，退避计数器当前值为k的状态；W_j为j级退避时的最大退避窗口值，退避计数器在[0,W_j-1]内均匀的选择退避值k。

由退避规程可知，当节点的退避计数器值为0时节点才可以发送数据，所以节点在任一时隙随机发送数据分组的概率τ为

$\mathrm{\&tau;}=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_{j,0}=\frac{2(1-2p_c)}{(1-2p_c)(w_{\min }+1)+p_c{w}_{\min }[1-{\left(2p_c\right)}^2]}---\left(7\right)$

其中p_c是信道中发生冲突的概率，w_min等于初始退避窗口值W，m是最大退避级数。

T_R的取值范围计算:w_min=15，m=4，w_m=255

当p_c=0时，没有发生碰撞，即节点第一次发送数据包成功，w=w_min

根据(7)公式得出τ=18，

根据(5)可知，

即T_R>20

当p_c=3/4时，即节点第四次发送数据包成功，w=w_m

根据(7)公式得出τ=0.0186，

根据(5)可知，

即T_R<201.8008

所以T_R的取值范围是：20<T^R<201^.8008

需要发送数据的节点在第一次检测到信道空闲时，直接发送RTS帧发起握手规程，而不再进行随机退避，因为接收节点可以分解允许范围内的冲突，即同时发送的RTS数少于侦听天线个数。当节点侦听到（包括旁听）一个RTS后，要立即启动一个定时器T_R，在这段时间内等待其他RTS的到来，定时器溢出后再回复CTS（自己是目的节点时）或进入静默状态（自己不是目的节点时）。

如果一个节点在RTS期内共侦听到n个来自不同节点的RTS，这时会出现两种情况：

①所有RTS帧的目的节点地址都不是本节点：节点将按照RTS中所携带的信道占用时间值来设置自己的NAV，然后进入静默状态；

②n个RTS中有m（1≤m≤n）个目的节点地址是本节点：这意味着在同一竞争区域内有n个节点将要发送数据，并且其中的m个节点欲向同一个目的节点发送数据。这时该节点要向这m个发送节点回复CTS，并通过CTS包携带的最大允许发送数据流数目，告诉每个发送节点发送数据时使用K/n个天线，因为每个发送节点都需要留出一些天线来抑制相互之间所形成的干扰。

当信道竞争阶段仅有一个节点参与竞争时（即仅收到一个RTS），该节点可以使用所有的数据流，以最大传输速率占用信道；当信道竞争阶段有多个节点参与竞争时（即收到多个RTS），必需由多个节点共享信道。我们通过减少每个发送节点所使用的数据流数目，使这些发送节点可以同时成功地发送减小速率后的数据流，并增强它们的抗干扰能力。通过这种方式，每个节点在它单独占用信道时以最大速率发送所有数据流，而在它需要与其他节点共享信道时仅发送一部分数据流来解决冲突。

发送节点发送完RTS后就进入等待侦听CTS的状态，假设节点在CTS期侦听到p（0≤p≤K）个CTS，这时节点会根据不同的情况作出三种响应：

①没有侦听到CTS：这意味着收发节点之间握手的失败，即RTS或CTS在传输过程中发生了冲突，此时节点将进入退避状态等待重传；

②侦听到p个CTS，但是所有CTS的目的节点地址都不是本节点：查看所有CTS帧中所标识的信道占用时间值，并将按照它们中的最大值来设置自己的NAV，然后进入静默状态；

③侦听到p个CTS，并且其中只有一个CTS的目的节点地址是本节点：这意味着该发送节点已经获得了信道的使用权，它首先要提取允许用于数据传输的天线数N，然后根据一定的天线选择准则选择性能最好的N个天线进行数据包的发送。

这样，本发明允许同一竞争区域内的多条链路并行传输，最多可以有K个节点同时发送，进一步增加了可以同时发送的节点数；并且实现了MPR功能，即允许多个节点同时向一个节点传输数据。而CSMA/CA(k)在一个竞争区域内只允许一个节点发送，MIMA MAC最多允许两个节点同时发送，并且这两个协议都不支持MPR。图3所示的是CSMA/CA(k)系统与本发明在K=2时的发送情况。

应该指出的是，当同一个发送节点在CTS期侦听到多个CTS（发送给自己的或者旁听到的发送给其他节点的）时，这些CTS中所携带的最大允许发送天线数目信息可能会不一致，为了保证数据帧的正确侦听，这时N的值将取所有最大允许发送天线数目中的最小值，即

$N=\min \{\frac{K}{n_1},\frac{K}{n_2},...,\frac{K}{n_p}\}$

其中，

分别为p个CTS中所携带的最大允许发送天线数。

如图4所示的网络拓扑，如果节点0和节点2在同一时刻分别向节点1和节点3发出RTS，那么节点1会同时收到来自节点0和节点2的两个不同的RTS请求，然后节点1向节点0回复CTS，并告知它仅可以使用一半数目即K/2的天线来发送数据，因为通过侦听到的RTS的个数，节点1可以判断出在它的周围存在两个即将发送数据的节点。同时节点3也会向节点2回复CTS，并告诉它可以使用全部数据流来发送数据，因为节点3周围不存在其他的发送节点了，仅有节点2要发送。这种情况下，节点2就会同时侦听到来自于两个节点的CTS，并且它们所携带的最大允许发送数据流的数目不一致，此时就要按照取允许数据流数目最小值的原则以避免数据帧的碰撞。

数据传输阶段：根据信道竞争阶段协商好的允许发送数据流数目来传输数据帧，并且按照一定的天线选择准则选择性能最好的N个天线进行数据包的发送；接收节点侦听完毕数据后，使用一个数据流向发送节点回复ACK进行确认，如果每帧都侦听正确，则至此一次完整的数据传输就完成了。

天线选择准则：在分布式MIMO系统中对发送天线进行选择不仅可以提高信道容量，而且可以减小系统复杂度和硬件成本。当选择的天线为发送端天线时被称为发送天线选择（TAS，Transmit Antenna Selection），发送天线选择都是基于侦听端的输出信噪比最优。TAS的原理是侦听端根据信道信息选择出最优的发送天线子集，再将所选天线子集通过反馈链路来告知发送端，发送端根据反馈的信息选择相应的天线子集发送经过空时编码和调制的信息。

本方案中将第i根发射天线的信道增益作为主要考虑因素，对所有发射天线的信道增益值按照从大到小的顺序进行排列，取前N根天线作为发射天线。

1、干扰链路的并行传输

体现干扰链路并行传输的一个例子如下，如图5所示的网络拓扑，假设节点0在t时刻向节点1发起数据发送请求，而节点2在t+Δt时刻（Δt<T_R）向节点3发起数据发送请求，它们之间的数据发送流程如图6所示。

从图6可以看出，只要满足条件0≤Δt<T_R，节点1和节点3就可以在RTS期侦听到来自两个节点的RTS，此时接收节点通过合理分配和使用它们的天线资源，这两条链路就可以无冲突地同时进行数据交换，从而改善网络的吞吐量和时延性能。

2、多包侦听

体现多包侦听操作流程的一个例子如下，在图7所示的网络拓扑中，如果节点0和节点2都要向节点1发送数据，那么节点1通过合理的分配天线资源，就可以侦听并成功分离出来自这两个节点的数据包，它们的帧交换流程如图7所示。

如图11、图12和图13所示为本发明实施例的具体工作流程图：

(1)为了保证干扰链路的节点同时发送数据包，在RTS帧格式中增加TR域，通知收到RTS帧的目的节点将等待多长时间回复CTS帧；

(2)由于源节点根据CTS帧中所携带的天线数目设置发送数据包的信道速率，那么在RTS帧中所预约的信道时延值(如图1中的持续时间)应该是多大？有两种方法解决这个问题：①在RTS帧中所预约的信道时延值是最大的，即计算数据包的传输时延所用的信道速率是单天线下的信道速率；②在RTS帧中所预约的信道时延值是最小的，即计算数据包的传输时延所用的信道速率是单天线下的K倍(k是指节点的天线数)，再通过CTS帧去调整所预约的信道时延值。本文中采用第二种方法，目的节点只需知道数据包的大小，根据此时的信道速率计算数据包的传输时延，调整预约的信道时延值。故在RTS帧中增加datalength域；

(3)由于本发明支持MPR，因此CTS帧和ACK帧的目的地址域需要扩充，即目的地址域的个数等于节点的天线数，这样可以避免回复多个CTS帧和ACK帧，减少开销。由于仿真中考虑每个节点有4根天线的情况，因此目的地址域的个数等于4，未用的目的地址域的值为-2；

(4)RTS的目的节点发送CTS帧通知发送节点使用几根天线发送数据包，因此在CTS帧格式中增加天线数域，从而保证在同一区域内有多对节点同时通信；

因此，RTS，CTS和ACK帧的帧格式如图8、图9和图10所示：

(5)由于目的节点收到RTS帧后，将启用TR定时器，因此RTS帧的源节点的NAV及其帧超时的时间将增加tr_value；

(6)需要发送数据的节点在第一次检测到信道空闲时，直接发送RTS帧发起握手过程，而不再进行随机退避；

(7)发送RTS，CTS，ACK帧使用单根天线发送，网络中的节点(除了RTS帧的源节点)将记录在RTS帧中所指定的TR定时器内所收到的RTS帧的数目。如果在TR定时器内所收到的RTS帧的数目等于节点的天线数，提前结束TR定时器；

(8)已经启用TR定时器的节点，再次收到RTS帧时，不再启用TR定时器；

(9)在TR定时器结束后或在定时器内侦听到的RTS帧数目等于节点的天线数时:①如果节点是目的节点而且当前时间大于NAV，节点将发送CTS帧并通知RTS帧的发送节点使用几根天线发送数据包，填入CTS帧的天线数域，同时根据收到的RTS帧中所携带的时延值更新自己的NAV;②如果其它节点（其它节点指不属于本次通信的发送或者接收节点）是DATA帧的源节点，通知该节点发生碰撞，并更新自己的NAV，进入退避状态;③在其它情况下，根据收到的RTS帧中所携带的时延值更新自己的NAV；

(10)侦听到CTS帧的节点立即根据CTS帧中所携带的时延值更新自己的NAV值:①CTS帧的目的节点将根据CTS帧中所携带的天线数目设置所发送的数据包的信道速率，并在SIFS之后发送数据包;②DATA帧的源节点，通知该节点发生碰撞，进入退避状态;

(11)侦听到DATA帧的节点立即根据DATA帧中所携带的时延值更新自己的NAV值:①DATA帧的目的节点在SIFS之后发送ACK帧进行确认;②RTS帧的源节点，通知该节点发生碰撞，进入退避状态;

(12)DATA帧的源节点收到目的节点的ACK帧，表示这次传输成功；

(13)如果DATA帧的源节点在帧超时后没有收到确认帧，则重新设置自己的NAV，进入退避状态。

Claims (9)

1.一种基于多输入多输出天线的多址接入方法，多个发送节点和接收节点的控制帧采用RTS/CTS帧，其特征在于，所述方法包括：

（1）接收节点在侦听到第一个RTS帧后，启动定时时间为T_R时间长度的定时器；

（2）在T_R时间长度内继续等待侦听其他RTS帧；

（3）定时器终止后，检查侦听到的所有RTS帧，并向目的节点为接收节点的所有发送节点返回CTS帧；

（4）发送节点收到接收节点返回的CTS帧后，向接收节点发送数据；

所述步骤（3）包括：接收节点侦听到n个RTS帧，n为大于或等于1的自然数：

如果n个RTS帧的目的节点都不是接收节点，接收节点将按照RTS中所携带的信道占用时间值来设置接收节点的NAV，然后进入静默状态；

如果n个RTS帧中有m个目的节点是接收节点，则接收节点向这m个发送节点发送包括最大可用天线数的CTS帧，最大可用天线数为K/n，其中K为接收节点的天线数目；所述NAV是网络分配矢量。

2.根据权利要求1所述的多址接入方法，其特征在于，所述步骤（2）还包括，当在T_R时间内接收的RTS帧的个数等于接收节点天线数目时，终止定时器，执行步骤（3）。

3.根据权利要求1或2所述的多址接入方法，其特征在于，所述T_R时间长度为20us<T_R<201.8008us。

4.根据权利要求1或2所述的多址接入方法，其特征在于，所述T_R时间长度根据以下公式决定：

其中m为发送节点的个数，a_j,k表示退避级数为j，退避计数器当前值为k的状态，W_j为j级退避时的最大退避窗口值，退避计数器在[0,W_j-1]内均匀的选择退避值k。

5.根据权利要求1或2所述的多址接入方法，其特征在于，所述步骤（4）包括：发送节点侦听到p个CTS帧，p为大于或等于0的自然数：

如果没有侦听到CTS帧，则发送节点将进入退避状态等待重传；

如果侦听到p个CTS，但是p个CTS帧的目的节点都不是发送节点，则查看p个CTS帧中所标识的信道占用时间值，并将按照p个CTS帧中的最大值来设置发送节点的NAV，然后进入静默状态；

如果侦听到p个CTS，并且其中有一个CTS的目的节点是发送节点，则提取允许用于数据传输的天线数N，并选择N个天线进行数据包的发送。

6.根据权利要求5所述的多址接入方法，其特征在于，所述方法还包括：

发送节点侦听到p个CTS帧，并且其中有一个CTS的目的节点是发送节点，发送节点采用N个天线与接收节点收发数据，N的值将取所有p个CTS帧中所携带的最大允许发送天线数目中的最小值，即

$N=\min \{\frac{K}{n_1},\frac{K}{n_2},...,\frac{K}{n_p}\}$

其中，

分别为p个CTS中所携带的最大允许发送天线数。

7.根据权利要求1或2所述的多址接入方法，其特征在于，所述方法还包括：

在发送节点发送的RTS帧中增加T_R域，在T_R域中设置T_R值，接收节点收到第一个RTS帧后，将根据T_R值设置T_R时间长度的定时器。

8.根据权利要求1或2所述的多址接入方法，其特征在于，所述方法还包括：

接收节点在经过T_R时间长度后或在T_R时间长度内侦听到的RTS帧数目等于接收节点的天线数时，执行如下步骤:

如果接收节点是RTS帧的目的节点而且当前时间大于NAV，接收节点将向发送节点发送包括可使用天线数目的CTS帧，同时根据收到的RTS帧中所携带的时延值更新接收节点的NAV;

如果侦听到数据帧,则通知数据帧的源节点发生碰撞，并更新接收节点的NAV，进入退避状态;

在其它情况下，接收节点根据收到的RTS帧中所携带的时延值更新接收节点的NAV；

发送节点侦听到CTS帧后，根据CTS帧中所携带的时延值更新发送节点的NAV值，且执行如下步骤:

如果CTS帧的目的节点是发送节点，则根据CTS帧中所携带的天线数目设置所发送的数据包的信道速率，并在短帧隙之后发送数据包;

如果接收到数据帧，则通知数据帧的源节点发生碰撞，进入退避状态。

9.根据权利要求1或2所述的多址接入方法，其特征在于，所述方法应用于第一节点和第二节点，第一节点作为接收节点，第二节点作为发送节点，第一节点和第二节点执行完步骤（1）～（4）后第二节点向第一节点传输数据：

如果第一节点侦听到数据帧，则根据数据帧中所携带的时延值更新第一节点的NAV值，且如果数据帧的目的节点是第一节点，则在短帧隙之后发送确认帧进行确认;

如果第一节点侦听到RTS帧，且RTS帧的源节点为第二节点，则通知第二节点发生碰撞，进入退避状态;

如果第二节点收到第一节点的确认帧，则表示这次传输成功；如果第二节点在帧超时仍没有收到确认帧，则重新设置第二节点的NAV，进入退避状态。

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