CN102164093A - 一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法，MAC层为最佳路径中的每一跳节点选取一个协作节点，协作节点在数据传输的过程中进行协作传输，并引入双忙音调节信道的使用权。本发明采用选取协作节点进行两跳协作传输的方式，获得一定的协作增益，又采用双忙音进行信道占有权的控制，更好地解决隐藏终端与暴露终端的问题，极大地提高了网络的总体性能。

Description

一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法。

背景技术

无线Mesh网络（WMN，Wireless Mesh Networks）是一种新型的无线宽带接入网络，它具有自组网、自修复、多跳级联、节点自我管理等智能优势以及移动宽带、无线定位、Internet接入等特点，成为无线宽带接入的一种有效手段，具有广泛的应用。依托Wi-Fi作为无线传输方式的无线Mesh网络也正成为越来越多发达国家建设无线城市的首选技术手段。有关无线网络技术的研究取得了很大的进展，已经有一些相关的标准出台，但是仍有许多需要改进的地方。媒体访问控制（MAC，Media Access Controls）协议、路由协议的合理设计仍是提高Mesh网络总体性能的关键。

无线Mesh网络中，终端节点的移动性导致选择性衰落信道，严重影响网络总体性能。为了提高网络的总体性能，必须有效克服衰落问题。在传统蜂窝网络中，为了克服多径衰落问题，引入了空间分集协作。实践证明利用空间分集协作可以有效克服衰落问题，提高系统传输的可靠性。借鉴分集协作在蜂窝网络中的优良性能及无线Mesh网络的广播特性、每个节点丰富的邻居终端，将分集协作引入无线Mesh网络MAC协议的设计中。当前大多数的分集协作都是基于单跳协作的。然而在无线Mesh网络中，有些报文必须经过中间多跳中继才能到达目的节点，单跳协作在无线Mesh网络中不能很好地发挥作用，因此也不能有效地改善网络的总体性能。

无线Mesh网络中，除了由于时间选择性衰落信道导致的性能下降外，还有传统的隐藏、暴露终端等问题。隐藏终端问题是由于报文在接收端发生冲突，冲突后发送节点需重传冲突报文，从而严重降低了信道的利用率。同样地，暴露终端因听到发送节点的发送而延迟发送，但因为它在接收节点的通信范围之外，它的发送实际上并不会造成冲突，由此引入了不必要的延迟，造成网络性能的急剧下降。由此可见，解决无线Mesh网络的隐藏终端、暴露终端问题刻不容缓。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法，针对当前协作分集的弊端，设计了一种适用于无线Mesh网络、基于完整路径信息、跨越多跳的分集协作方式，并结合双忙音，有效解决传统MAC协议未能克服的棘手问题。

为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法，MAC层为最佳路径中的每一跳节点选取一个协作节点，协作节点在数据传输的过程中进行两跳协作传输，数据传输过程如下：

节点a通过节点c发送数据报文给节点d，协作节点b侦听数据报文以进行协作传输，根据节点c是否能够正确解析分为两种情况：

S1若节点c能够解析节点a发送的数据报文，节点d能够解析节点c发送的数据报文，则完成数据传输；

S2若节点c不能解析节点a发送的数据报文，则节点c对数据报文进行缓冲，节点b将侦听到的数据报文发送给节点c和d，节点d对数据报文进行解析，根据节点d是否能正确解析分为两种情况：

S2.1若节点d能够解析节点b发送的数据报文，则完成数据传输；

S2.2若节点d不能解析节点b发送的数据报文，则节点d对数据报文进行缓冲，此时节点c对接收到的所有数据报文进行组合解码，根据节点c是否能正确解析分为两种情况：

S2.2.1若节点c能够解析接收到的所有数据报文，则发送数据报文给节点d，节点d对接收到的所有数据报文进行解析，若解析成功则完成数据传输；

S2.2.2若节点c不能解析接收到的所有数据报文，则节点a重新进行数据传输。

上述方案中，所述协作节点的选取包括以下步骤：

节点a广播RTS报文，所述RTS报文包括节点c和d的地址；

候选节点对RTS报文进行解析，若解析成功则进行下一步，否则丢弃RTS报文，所述候选节点为节点a载波侦听域内的节点；

候选节点查找其邻居列表，若节点c和d是其一跳邻居则进行下一步，否则丢弃RTS报文；

候选节点查看其剩余能量，若剩余能量不小于初始能量的0.2倍则进行下一步，否则丢弃RTS报文；

候选节点回复WTR报文给节点a，所述WTR报文包括该候选节点的剩余能量与负载大小；

节点a从回复WTR报文的候选节点中选取出依据函数值最大的节点b，向其发送RWTR报文，确定节点b作为节点c的协作节点。

所述剩余能量由下式计算取得：

，

式中

为候选节点在传输完第

个分组后的剩余能量，

为每个节点的初始能量，

为节点用于传输自身数据分组时使用的能量，

为节点处于协作状态时传输协作分组消耗的平均能量，上式表示候选节点在传输了

个自身数据分组之后，再传输完第

个协作分组后的剩余能量。

所述依据函数值由下式计算取得：

，

式中

为源节点初始能量，

为源节点负载大小，

为候选节点的负载大小。

上述方案中，所述候选节点计算剩余能量不小于初始能量的0.2倍，延迟时间

，然后再进行下一步；

所述时间

由下式计算取得：

，

式中

为节点c回复CTS报文给节点a所用的时间，

为传播延迟。

上述方案中，所述协作节点定期更新，根据网络状况设置更新时间。

上述方案中，所述节点均设置有双忙音，所述双忙音用于控制信道的占有权，包括发送忙音和接收忙音。

与现有技术相比，本发明采用选取协作节点进行两跳协作传输的方式，获得一定的协作增益，又采用双忙音进行信道占有权的控制，更好的解决隐藏终端与暴露终端的问题，极大地提高了网络的总体性能。

附图说明

图1为网络简单拓扑结构示意图；

图2为协作节点的选取流程图；

图3为选取协作节点后简化的拓扑结构示意图；

图4为数据报文传输流程图；

图5为节点b未协作传输的报文交互示意图；

图6为节点d成功解析节点b发送的数据的报文交互示意图；

图7为节点c成功解析节点b发送的数据的报文交互示意图。

具体实施方式

本发明提供的媒体访问控制方法用于无线Mesh网络，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

无线Mesh网络的简单拓扑结构示意如图1所示，其中节点u为源节点，节点v为目的节点，带箭头的链路表示数据的传输方向，两节点之间的链路表示此两节点互在对方的传输域内。

由于目的节点v并不在源节点u的覆盖范围之内，所以节点u不能通过单跳传输将数据传输给节点v，而必须借助于中间节点的中继传输。设路由层通过路由判据选出的从源节点到目的节点的最佳路径为u->a->c->d->v。

虽然协作分集已经得到很多的关注和研究，但目前为止大多数的协作分集研究工作都是在假定协作伙伴已经选定的基础上研究协作方案如何实现空域分集，提高系统性能。然而协作伙伴的选择是协作分集技术走向实际应用的第一步。对于一个有多个潜在协作节点的网络，最佳方案应该是根据某种准则选取出最佳的协作节点，而不是让所有的空闲用户都参与协作从而造成巨大的资源浪费。因此为了提高网络的优良性能，下面提出一种选取最佳的协作节点的具体策略。

为了便于说明，这里只截取a->c->d这两跳进行详细说明，且只说明节点c选取协作节点的大体方案。

本发明依然沿用IEEE802.11中的消息交互序列，即RTS（request to send）-CTS(clear to send)-DATA-ACK(acknowledge)，只不过此处所用的RTS报文稍有不同。由于我们已经从路由层接收到相应的路径信息，节点了解整条路径的节点地址，所以为了实现本发明提出的协作分集，此处的RTS报文不仅包括下一跳的地址，还包括下一跳的下一跳地址。

协作节点的选取流程如图2所示。若节点a有数据需要发送到节点d，则根据路由层提供的最佳路径信息，可知下一跳为c。所以向节点c发送一个包含节点c以及d物理地址的RTS（c,d）报文，并进入等待CTS(a)分组状态。由于无线信道的广播特性，只要在节点a载波侦听域内的节点都可以接收到此报文，但只有处于节点a的传输域内的节点才可以正确解析此报文。又由于正确解析报文是成为协作节点的硬件条件，所以只能在节点a的传输域内选取出协作节点。

所有接收到RTS报文的邻居节点，若不能正确解析报文，则丢弃报文，若能正确解析报文，则提取出RTS中节点c和d的地址，并查找自己的邻居列表，确认这两个目的地址的节点是否其一跳邻居。若不是则直接丢弃，否则节点查看自身的剩余能量，确认其剩余能量值是否大于初始能量的0.2倍。若不是则直接丢弃，否则延迟一段时间，此时间可表示为：

，

上式中，

表示传输CTS报文所用时间长度，

表示传播延迟。节点延迟

时间是为了确保源节点a能正确接收到节点c的CTS报文。

时间到期后，各节点计算出自身的剩余能量，并提取出自身负载，然后向源节点发送WTR（willing to relay）报文，将自身剩余能量及其负载大小发送给源节点a。

源节点a收到众多节点发送的WTR，提取出其中的剩余能量和负载信息，最后计算出每个潜在协作节点的依据函数值，选取出依据函数最大的节点作为协作节点，并向协作节点发送一个RWTR(reply to willing to relay)报文，然后开始数据的发送过程。

选取出节点b的协作节点后的拓扑结构可简化为如图3所示。

由于节点的剩余能量以及负载会随时间变化，所以为了利用最佳的协作节点从而保证协作过程的顺利进行，我们应该进行协作节点的定期更新。假设更新时间为

。

的选取随网络状况而异，若网络传输数据较频繁，则应选得较短以适应网络节点的状态更新，相反地

应取得较长。

为每个节点都设定一个定时器

，当上一次更新之后，开启定时器。到定时器溢出，若此时信道空闲，则向源节点a发送WTR,从而重复上面的协作节点选取过程。

经过协作节点的选取，可以有效地阻止其他空闲节点的协作转发，从而节省了大量的空间资源，提高网络的整体性能。

下面具体介绍本发明所用的函数。

设每个节点的初始能量为，

表示节点k在传输完第

个分组的剩余能量。假设节点用于传输自身信息分组时使用的能量为

，节点处于协作状态时传输分组消耗的平均能量为

，假设节点k在传输第

个协作分组之前，已经传输了个自身数据分组，所以传输完

个协作分组之后剩余能量为：

，

假设源节点初始能量为

,负载大小为

，k节点当时的负载大小为

，则k节点的依据函数为：

，

由于节点剩余能量和负载长度对整个网络性能的影响起着同等重要的作用，所以上式中我们将两者的影响因子同设为0.5。根据上式可知，当节点的剩余能量较大，负载较小时，其依据函数值较大，有利于其被选为协作节点。

在Mesh网络中，报文冲突只是局部事件，并非所有节点都可以感知到。一个节点正确接收到一个报文，该报文可能会在另一个节点处发生冲突；也可能报文在接收节点处发生了冲突，而发送节点丝毫觉察不到。也就是说发送节点和接受节点感知到的信道状况的不一致性，这会带来隐终端、暴露终端等一系列问题。隐藏终端问题和暴露终端问题是无线通信长期无法克服的两个问题。

一些研究验证了隐藏终端和暴露终端问题对WMN的影响较为严重。一系列的仿真数据表明：隐藏终端严重恶化网络的吞吐量，原因是隐藏节点处的网络分配矢量NAV（Network Allocation Vector）设置不正确，从而增加了碰撞。暴露终端也严重恶化了网络的吞吐量，原因是过于保守地设置了暴露节点的NAV，导致暴露节点接入信道时的延迟。

为了有效克服隐藏终端、暴露终端对网络性能的严重影响，提高网络的总体性能，我们引入了双忙音，结合协作分集，设计一种有效优良的MAC协议。

我们假设有两个信道：控制信道和数据信道。除了使用RTS/CTS握手报文外，我们引入了两个忙音：发送忙音

和接收忙音

。RTS、CTS、WTR、RWTR等控制报文在控制信道上传送，而数据报文则在数据信道上传送。发送忙音主要用于节点在发送报文过程中，控制信道的占有权，防止听到此发送忙音的暴露终端竞争信道，造成不必要的冲突，由此解决了暴露终端问题。同理接收忙音也主要用于在节点接收报文过程中，宣布信道的暂时所有权，从而一定程度上缓解隐藏终端问题。网络中的节点要发送报文前，需先检测信道上是否存在接收忙音，若存在则延缓数据的发送，从而有效得克服隐藏终端问题。同理若节点要接收数据则先检测信道上是否存在发送忙音，若存在则不做任何回应，从而有效得解决了暴露终端问题，提高网络的总体性能。图5、图6、图7中充分显示了将发送接收忙音有效结合进协作分集MAC协议的具体报文流程。

下面对本发明应用于报文交互的过程进行分析，以节点a通过节点c发送数据报文给节点d，节点b作为节点c的协作节点为例，流程如图4所示。

节点c接收到节点a发送过来的数据报文，根据其是否能成功解析分为下面两种情形：

（1）若节点c能够解析从a->c传送过来的数据报文，则其回送一个ACK(a)给节点a，然后与节点d进行RTS/CTS报文交互后，将数据报文直接传送给d。若节点d同样也能够直接对这股报文进行正确解析，则这个过程犹如一般的报文传送过程。其报文交互如图5所示。

（2）若节点c不能正确译出报文，则它会把收到的不完全正确帧进行缓冲，以期同后面收到的同样报文进行报文组合解析。此时源节点a由于未能接收到相应的ACK而判定为传输失败，所以它增大自身的竞争窗口，从而减低了其信道竞争力，提升了b->c的传输优先级。

若协作节点b成功解析后，其发送RTS（b，d，c）报文。此RTS的源节点为节点b,目的节点为节点c及下一跳的目的节点d。如果d发送CTS(b)进行应答，节点b就将缓冲区中的数据报文发送给目的节点d，此报文同时也会被节点c监听到，从而用于节点c本身对这股数据流的重新解析。因此，这种协作方式与传统三角协作主要的不同之处在于节点b协作发送的报文可以被节点c和d加以利用。

根据节点d能否成功解析将具体过程分为下面两种情形：

(2.1)若节点d接收到节点b传送过来的数据报文后，与原缓冲帧进行组合解析后解析成功。则节点d就会向协作节点b发送回一个ACK(d)。此时若节点c再将数据报文传送给节点d就显得冗余了，若不加以阻止就会严重降低网络的有效吞吐量。因此，节点b发送一个虚假的ACK（faked-ACK，f-ACK）到节点a。此时节点a还在等待节点c的ACK确认，则它会误把f-ACK当作节点c发送的ACK，从而有效地阻止了节点a进行不必要的重发。同时发送f-ACK也可以阻止节点c进行不必要的数据发送，丢弃相关报文，从而有效地利用一次简单重传提高了两次普通传输的成功率。其报文交互如图6所示，图中黑色部分表示不能成功解析。

(2.2)若节点d不能单独解析出节点b发送过来的数据帧，则节点d将缓冲此不完全的帧。因为另一个相同的数据帧可能会通过路径c->d发送至节点d，到时可进行组合解析。

由于节点c上此时有两股节点a发送的数据流，一股是节点a通过路径a->c发送的原始帧，另一股是协作节点b通过路径b->c发送的协助数据流，此时节点c会尝试进行上述两股数据帧的组合解析。

根据节点c此时能否组合解析成功可分为两种情形：

(2.2.1)若节点c能成功解析出数据帧，则其发送一个暂时的ACK（interim-ACK,i-ACK）到节点a，阻止节点a进行不必要的报文重传。随后，节点c再次与节点d进行两次握手（RTS/CTS）并主动将数据报文发送到节点d。此时节点d已缓冲多股相同的数据流，因此，其可进行直接解析或者把它与之前缓冲的数据报文进行组合解析。其报文交互如图7所示，图中黑色部分表示不能成功解析。

(2.2.2)若节点c仍然不能解析此数据帧，则在一定时间内节点a未能收到ACK，节点a就会重新竞争信道，进行数据报文重发。

Claims (7)

1.一种无线Mesh网络的媒体访问控制方法，其特征在于MAC层为最佳路径中的每一跳节点选取一个协作节点，协作节点在数据传输的过程中进行两跳协作传输，数据传输过程如下：

节点a通过节点c发送数据报文给节点d，协作节点b侦听数据报文以进行协作传输，根据节点c是否能够正确解析分为两种情况：

S1若节点c能够解析节点a发送的数据报文，节点d能够解析节点c发送的数据报文，则完成数据传输；

S2若节点c不能解析节点a发送的数据报文，则节点c对数据报文进行缓冲，节点b将侦听到的数据报文发送给节点c和d，节点d对数据报文进行解析，根据节点d是否能正确解析分为两种情况：

S2.1若节点d能够解析节点b发送的数据报文，则完成数据传输；

S2.2若节点d不能解析节点b发送的数据报文，则节点d对数据报文进行缓冲，此时节点c对接收到的所有数据报文进行组合解码，根据节点c是否能正确解析分为两种情况：

S2.2.1若节点c能够解析接收到的所有数据报文，则发送数据报文给节点d，节点d对接收到的所有数据报文进行解析，若解析成功则完成数据传输；

S2.2.2若节点c不能解析接收到的所有数据报文，则节点a重新进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的媒体访问控制方法，其特征在于所述协作节点的b选取包括以下步骤：

节点a广播RTS报文，所述RTS报文包括节点c和d的地址；

候选节点对RTS报文进行解析，若解析成功则进行下一步，否则丢弃RTS报文，所述候选节点为节点a载波侦听域内的节点；

候选节点查找其邻居列表，若节点c和d是其一跳邻居则进行下一步，否则丢弃RTS报文；

候选节点查看其剩余能量，若剩余能量不小于初始能量的0.2倍则进行下一步，否则丢弃RTS报文；

候选节点回复WTR报文给节点a，所述WTR报文包括该候选节点的剩余能量与负载大小；

节点a从回复WTR报文的候选节点中选取出依据函数值最大的节点b，向其发送RWTR报文，确定节点b作为节点c的协作节点。

3.根据权利要求2所述的媒体访问控制方法，其特征在于所述剩余能量由下式计算取得：

，

式中

为候选节点在传输完第

个分组后的剩余能量，

为每个节点的初始能量，

为节点用于传输自身数据分组时使用的能量，

为节点处于协作状态时传输协作分组消耗的平均能量，上式表示候选节点在传输了

个自身数据分组之后，再传输完第

个协作分组后的剩余能量。

4.根据权利要求3所述的媒体访问控制方法，其特征在于所述依据函数值由下式计算取得：

，

式中为源节点初始能量，为源节点负载大小，

为候选节点的当前负载大小。

5.根据权利要求2所述的媒体访问控制方法，其特征在于所述候选节点计算剩余能量不小于初始能量的0.2倍后，延迟时间

，然后再进行下一步；

所述时间

由下式计算取得：

，

式中

为节点c回复CTS报文给节点a所用的时间，

为传播延迟。

6.根据权利要求1所述的媒体访问控制方法，其特征在于所述协作节点定期更新，根据网络状况设置更新时间。

7.根据权利要求1所述的媒体访问控制方法，其特征在于引入双忙音，所述双忙音用于控制信道的占有权，包括发送忙音和接收忙音。

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