CN102104517A - 带有随机数声明的多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有随机数声明的多址接入方法。主要解决现有带有优先级多址接入方法中退避时段的时隙个数过多而引起的信道利用率低和信道接入时延大的问题。其实现过程包括：信道监听时段、优先级竞争时段、随机数声明时段和数据传输时段。在信道监听时段对信道进行监听，判断当前信道是否空闲；在优先级竞争时段声明各个站点的业务优先级，根据声明结果筛选出具有最高业务优先级的站点；在随机数声明时段中，由具有最高业务优先级的站点生成随机数，并将随机数进行声明，声明随机数最大的站点将获得数据传输机会。本发明具有信道接入开销小，信道利用率高，信道接入时延低的优点，可用于EoC通信。

Description

带有随机数声明的多址接入方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及多址接入方法，具体涉及一种基于同轴电缆的以太网EoC通信系统中，多个通信站点使用载波侦听多址接入CSMA方式高效地接入信道的方法，可用于EoC通信技术领域。

背景技术

在共享媒质的EoC通信系统中，当多个站点同时接入信道时，多个用户的数据帧在物理信道上可能会发生冲突，使得接收端无法正确接收，导致通信失败。在EoC网络中，为了有效地进行通信，针对不同的业务特性，通常采用时分多址接入TDMA方式和CSMA方式或者以上两种方式的组合来实现多个站点之间的信道共享。对于服务质量QoS要求比较高的业务，通常采用TDMA方式，当某个站点有数据需要传输时，系统会为该站点提前预留信道资源，以保证其QoS要求；对于QoS要求比较低的业务，使用TDMA方式可能会增加业务时延，降低信道利用率，通常采用CSMA方式进行信道接入。

在EoC通信系统中，常用的CSMA方式包括带有冲突检测功能的载波侦听多址接入CSMA/CD和带有冲突避免功能的载波侦听多址接入CSMA/CA。CSMA/CD的关键在于冲突检测。在CSMA/CD方式下，想要发送数据的站点在发送数据之前首先监听信道状态，如果信道处于非空闲状态，则持续监听信道，直至信道空闲后立即发送数据。数据发送之后，站点继续监听信道，以便确定本站点发送的数据帧是否与其他站点发送的数据帧发生碰撞。如果有碰撞产生，立即停止数据传输，以节省时间和带宽。使用CSMA/CD方式进行信道接入时，一旦一个站已经确定无疑地抓住了信道，冲突就不会发生。当多个站点都有数据要发送时，一旦信道空闲，此时多个站点同时进行数据传输，发生冲突的概率就会大大增加。同时为支持冲突检测，CSMA/CD要求站点在发送数据的同时具备信道监听的能力，这项要求是EoC系统难以实现的。为了尽可能地降低冲突的概率，EoC系统采用CSMA/CA机制进行信道分配。CSMA/CA机制的关键在于冲突避免。想要发送数据的站点在传输数据之前首先监听信道状态，检查网络中是否有其它站点正在进行数据传输，如果检测到信道处于非空闲状态，则可以按照退避算法随机等待一段时间或者持续监听信道，直到信道空闲；如果信道空闲，则采用必要的冲突避免机制竞争信道，然后站点进行数据传输。所以CSMA/CA机制可以在很大程度上降低冲突发生的概率。以IEEE P1901/D3.00 Draft Standard for Broadband over Power Line Networks：Medium Access Control and Physical Layer Specifications 8.2.1.1.4小节中采用的时隙CSMA/CA机制为例，其实现方式如图1所示。在IEEE1901网络中，业务被映射为4个优先级。等待发送数据的站点首先监听信道，如果信道上有站点正在进行数据传输，则等待信道空闲；当该数据帧传输结束，信道重新处于空闲状态时，想要发送数据的站点就进入优先级竞争时段。在优先级竞争时段，各个站点在优先级解决时隙PRS0和优先级解决时隙PRS1声明各自待传输数据业务的优先级。各个站点根据自己的业务优先级，在优先级竞争时段中的各个时隙选择在信道上发送信号或者进行信道监听。当任何一个站点监听到信道上存在信号时，就可以断定在该网络中存在优先级更高的站点。如果一个站点在整个优先级竞争时段中都没有监听到信道上存在信号，则说明本站点具有最高的业务优先级。优先级竞争后，具有最高优先级的一个或多个站点进行随机退避过程。在随机退避过程中，各站点首先选择一个随机数作为退避时隙数，按照所选择的随机数的取值，等待相应的退避时隙之后再进行信道监听；如果退避时隙到期后，信道处于空闲状态，则该站点立即发送数据帧；如果信道已经被占用，则重新进行该CSMA/CA过程接入信道。各站点在选择随机数时，随机数的选择范围在[0，R-1]之间，R为该网络中的站点总数。假设所选择的最小的退避时隙数为i，i的取值范围为[0，R-1]，则信道上退避时段的长度为i*退避时隙长度。

上述机制降低了多个站点接入信道的冲突概率。但是，该方法存在退避时段最大长度随网络站点数目线性增加的问题，从而增加了信道接入开销，降低了信道利用率，增大了信道接入时延。

发明内容

本发明的目的在于针对上述CSMA/CA机制中出现的问题，提出一种带有随机数声明的多址接入方法，减小信道接入开销，提高信道利用率，降低网络的信道接入时延。

实现本发明目的的技术方案是基于现有的带有优先级声明的时隙CSMA/CA机制，通过增加随机数声明时段，为共享媒质的EoC网络提出了一种更有效的CSMA/CA多址接入方法。具体包括如下四个时段：

信道监听时段：对信道进行监听，判断当前信道状态是否为空闲状态；当一个物理网络中有多个站点想要接入信道时，所有想要传输数据的站点首先监听当前信道状态；定义该物理网络中想要传输数据的站点为A类站点，如果信道处于忙碌状态，则A类站点持续监听信道，直到信道空闲进入优先级竞争时段；如果信道处于空闲状态，则A类站点直接进入优先级竞争时段；

优先级竞争时段：所有的A类站点在本时段声明各自的业务优先级，根据优先级声明的结果，从所有的A类站点中筛选出当前时刻网络中具有最高业务优先级的站点；定义当前网络中具有最高业务优先级的站点为B类站点，一个或者多个B类站点将进入随机数声明时段进行声明，低于最高业务优先级的其他A类站点则退出本次信道接入过程，等待下一次接入时机重新监听信道；

随机数声明时段：B类站点集合中的任意一个站点B′在[0，M-1]范围内独立地生成一个随机数，M为网络可容纳的最大站点数目或者当前网络中工作的站点数目；B′站点将生成的随机数以二进制编码方式在信道上进行声明，即将随机数逐时隙地广播给该网络中除了B′站点以外的其他B类站点B″；B′站点将自身的随机数与B″站点的随机数进行比较，声明了最大随机数的B′站点进入数据传输时段，B″站点则退出本次信道接入过程，等待下一次接入时机重新监听信道；

数据传输时段：进入本时段的站点使用发送设备发送其业务数据，完成信道接入过程。

本发明与现有的CSMA/CA多址接入方法相比，由于在随机数声明时段，站点将所生成的随机数以二进制编码的形式进行声明，并将其随机数与其他站点声明的随机数进行比较以筛选出最终进行数据传输的站点，可使得随机数声明时段的长度随网络站点数目呈对数增加，因而可减小信道接入开销，提高信道利用率，降低网络的信道接入时延。

附图说明

图1为现有带有优先级的CSMA/CA多址接入方法时段图

图2为本发明提出的带有随机数声明的多址接入方法时段图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的内容做进一步阐述。

本发明在实施例中，P为网络中的业务优先级总数，取值为4；M为网络中的最大站点数目，取值为8。

参照图2，本发明的实现过程分为4个时段，依次为信道监听时段、优先级竞争时段、随机数声明时段和数据传输时段。图2中的“第K-1个数据帧”是指任意一个数据帧，“第K个数据帧”是指信道上“第K-1个数据帧”的下一个数据帧。各时段的工作流程描述如下：

信道监听时段：对信道进行监听，判断当前信道状态是否为空闲状态，当一个物理网络中有多个站点想要接入信道时，所有想要传输数据的站点首先监听当前信道状态，定义该物理网络中想要传输数据的站点为A类站点，如果信道处于忙碌状态，则A类站点持续监听信道，直到信道空闲进入优先级竞争时段；如果信道处于空闲状态，则A类站点直接进入优先级竞争时段。

优先级竞争时段：所有的A类站点在本时段声明各自的业务优先级，根据优先级声明的结果，从所有的A类站点中筛选出当前时刻网络中具有最高业务优先级的站点进入随机数声明时段，该时段具体步骤如下：

首先，设定该时段由若干个时隙组成，当网络中的优先级数目为P时，优先级竞争时段中的时隙数目为：

由于该网络中的业务优先级总数P取值为4，该网络中的业务优先级分别为优先级3、优先级2、优先级1和优先级0，该实施例的优先级竞争时段包括2个时隙，分别称为优先级解决时隙PRS0和优先级解决时隙PRS1；

接着，所有的A类站点将业务优先级转化为与优先级竞争时段的各个时隙一一对应的二进制编码，例如某个站点的优先级为2时，其对应的二进制编码为10，则该站点的PRS0时隙的值为1，PRS1时隙的值为0；

接着，在该时段的各个时隙，由A类站点集合中的任意一个站点A′根据时隙值决定在该时隙进行信号发送或者进行信道监听，当时隙值为1时，A′站点向信道上发送信号，当时隙值为0时，A′站点监听信道，判断信道上是否存在信号；

最后，当A′站点在某个时隙监听到信道上存在信号时，则断定该网络中存在业务优先级高于该A′站点的业务优先级的站点，此时该A′站点退出信道接入过程，等待下一次接入时机重新进行信道接入；当A′站点在整个优先级竞争时段都没有监听到信道上存在信号时，则断定当前时刻网络中该A′站点具有最高的业务优先级，具有最高业务优先级的A′站点称为B类站点，B类站点的个数可有一个或者多个，一个或者多个B类站点将进入随机数声明时段。

随机数声明时段：B类站点集合中的每一个站点在该时段独立地生成一个随机数，并将生成的随机数以二进制编码方式在信道上进行声明，声明了最大随机数的站点进入数据传输时段，该时段的具体步骤如下：

首先，设定该时段由若干个时隙组成，随机数声明时段中的时隙数目N为：

每个时隙的长度L由网络根据其实现机制确定，随机数声明时段的长度为：

由于M取值为8，故本实施例的随机数声明时段包括3个时隙，依次称为时隙0、时隙1和时隙2；

接着，由B类站点集合中的任意一个站点B′在[0，M-1]范围内选择一个随机数，由于该网络中M取值为8，则B′站点在[0，7]范围内选择一个随机数；

接着，B′站点将随机数转换为与随机数声明时段中的各个时隙一一对应的二进制编码，随机数与随机数声明时段中时隙0、时隙1和时隙2取值的对应关系如表1所示，例如若随机数取值为5，则在时隙0，1，2中对应的取值为1，0，1；

表1随机数与时隙值的对应表

接着，在随机数声明时段中的各个时隙，由B′站点根据时隙值，决定在该时隙进行信号发送或者进行信道监听；如果时隙值为1，则B′站点向信道上发送信号；如果时隙值为0，则B′站点进行信道监听，不发送信号；

最后，由B′站点将自身的随机数与B类站点集合中除了B′站点以外的其他站点B″的随机数进行比较，该比较操作是通过检测每个时隙信道上的信号实现的；如果B′站点在某个时隙监听到信道上存在信号，则断定在该时段中存在随机数大于该B′站点随机数的站点，该B′站点立即退出信道接入过程，等待下一次信道接入时机重新进行接入；如果B′站点在整个随机数声明时段中都没有监听到信道上存在信号，则断定该B′站点的随机数最大，声明了最大随机数的B′站点进入数据传输时段；例如，当前时刻网络中有两个B类站点S1和S2进入随机数声明时段，S1选择的随机数为5，对应各时隙的取值为101，S2选择的随机数为6，对应各时隙的取值为110；在时隙0，S1和S2均发送信号；在时隙1，S1监听信道，S2发送信号，S1监听到信道上存在信号，断定在该时段中存在随机数大于本站点随机数的站点，则S1站点立即退出本次信道接入过程，等待下一次信道接入时机重新进行接入；在时隙2，S2监听信道，没有发现信号；当时隙2结束后站点2进入数据传输时段。

数据传输时段：进入本时段具有最大随机数的B′站点，使用发送设备发送其业务数据，完成信道接入过程。

在每次数据传输成功之后，存在一段帧间隔，用来防止由于各个站点之间存在的时钟偏差而可能造成的数据帧碰撞。

以上仅为本发明的一个优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然根据本发明的构思本领域的技术人员均可作出不同的修改和置换，但这些均在本发明的保护之列。

Claims (5)

1.一种带有随机数声明的多址接入方法，包括：

信道监听时段：对信道进行监听，判断当前信道状态是否为空闲状态；当一个物理网络中有多个站点想要接入信道时，所有想要传输数据的站点首先监听当前信道状态，定义该物理网络中想要传输数据的站点为A类站点，如果信道处于忙碌状态，则A类站点持续监听信道，直到信道空闲进入优先级竞争时段；如果信道处于空闲状态，则A类站点直接进入优先级竞争时段；

优先级竞争时段：所有的A类站点在本时段声明各自的业务优先级，根据优先级声明的结果，从所有的A类站点中筛选出当前时刻网络中具有最高业务优先级的站点，定义当前网络中具有最高业务优先级的站点为B类站点，一个或者多个B类站点将进入随机数声明时段进行声明，低于最高业务优先级的其他A类站点则退出本次信道接入过程，等待下一次接入时机重新监听信道；

随机数声明时段：B类站点集合中的任意一个站点B′在[0，M-1]范围内独立地生成一个随机数，M为网络可容纳的最大站点数目或者当前网络中工作的站点数目；B′站点将生成的随机数以二进制编码方式在信道上进行声明，即将随机数逐时隙地广播给该网络中除了B′站点以外的其他B类站点B″；B′站点将自身的随机数与B″站点的随机数进行比较，声明了最大随机数的B′站点进入数据传输时段，B″站点则退出本次信道接入过程，等待下一次接入时机重新监听信道；

数据传输时段：进入本时段的站点使用发送设备发送其业务数据，完成信道接入过程。

2.根据权利要求1所述的多址接入方法，其中优先级竞争时段中所述的“所有的A类站点在本时段声明各自的业务优先级”，是由所有的A类站点先将业务优先级转化为与优先级竞争时段的各个时隙一一对应的二进制编码；再在优先级竞争时段的各个时隙，由A类站点集合中的任意一个站点A′将其业务优先级所对应的二进制编码逐时隙地广播给A类站点集合中除A′站点以外的其他A类站点A″，完成业务优先级声明过程。

3.根据权利要求1所述的多址接入方法，其中随机数声明时段中所述的“将随机数逐时隙地广播给该网络中除了B′站点以外的其他B类站点B″”，按如下步骤进行：

3a)B′站点将随机数转换为与随机数声明时段中的各个时隙一一对应的二进制编码；

3b)在随机数声明时段中的各个时隙，如果时隙值对应的二进制编码为1，则B′站点向信道上发送信号；如果时隙值对应的二进制编码为0，则B′站点进行信道监听，不发送信号。

4.根据权利要求1所述的多址接入方法，其中随机数声明时段中所述的“B′站点将自身的随机数与B″站点的随机数进行比较”，是通过检测每个时隙信道上的信号来实现，如果B′站点在某个时隙监听到信道上存在信号，则断定在该时段中存在随机数大于该B′站点随机数的站点；如果B′站点在整个随机数声明时段中都没有监听到信道上存在信号，则断定该B′站点的随机数最大。

5.根据权利要求1所述的多址接入方法，其中随机数声明时段中所述的“B″站点则退出本次信道接入过程”，是指当B″站点在随机数声明时段的任一时隙监听到信道上存在信号，则立即退出本次信道接入过程，等待下一次信道接入时机重新进行接入。

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