CN102291784B - 一种基于认知流量的协作介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种协作MAC方法，涉及无线网络的介质访问控制方法，本发明在现有的MAC机制的基础上，选择协作节点时，不仅考虑信道状态信息，而且考虑节点的业务占用情况，以吞吐量为准则选择协作节点协助传输数据，提出一种新的基于认知流量的协作MAC（TC-MAC）方法，有效解决现有协作通信网中隐藏终端之间的协作通信问题。根据信道状态信息和邻居节点的空闲时间比值，节点所选择的高速率传输的两跳信道，从而有效的提高系统的性能。

Description

一种基于认知流量的协作介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线网络的MAC(Medium Access Control，介质访问控制)方法，尤其是一种新的协作MAC方法，该方法联合考虑信道状态信息和节点业务占用情况选择协作节点。

背景技术

在无线网络中，干扰和信号衰落是影响移动通信系统性能(如吞吐量)的主要因素。MIMO(多输入多输出)技术通过合并多路信号获得更高的分级阶数，以此提高信道容量。但由于便携式移动终端(如手机)在体积、重量、功耗和生产成本等方面的限制，使得多输入多输出技术在实际应用中很困难。AriaNosratinia等人在IEEE Communications Magazine 2004上提出了协作通信，即协作节点协助源节点传输数据到目的节点，以此获得空间分集增益，从而改善系统的性能。在协作通信中，信道资源的预留及分配是影响协作通信效果的重要因素。因此，协作MAC方法的研究对改善无线互联网的性能有着重要作用。

rDCF(relay-enabled Distributed Coordination Function)方法是由Hao Zhu在IEEE Infocom 2005会议上提出，其基本思路是：当节点S_S(源节点)有数据需要向节点S_D(目的节点)发送时，节点S_S先查找协作表，是否存在合适的节点

(协作节点)。若节点S_S中存在合适的节点

则节点

协助节点S_S转发数据到节点S_D；否则，源节点采用标准的DCF(分布式协调功能)方式传输数据。rDCF方法的具体实现为：节点S_S先向节点

发送RRTS1(中继请求发送1)帧，节点

和节点S_D可以同时接收到RRTS1帧，并通过感知RRTS1帧的信号强度来计算

(源节点和协作节点之间的最大信道传输速率)和R_S，D(源节点和目的节点之间的最大信道传输速率)。此后，节点

将封装在RRTS2(中继请求发送2)帧中，并发送到节点S_D。同理，节点S_D通过感知RRTS2帧的信号强度来计算

(协作节点和目的节点之间的最大信道传输速率)，并从RRTS2帧中提取

节点S_D通过比较

R_S，D和的大小，判断是否采用协作传输。若采用协作传输，则向节点S_S回复RCTS(中继清除发送)帧，以此告知源节点采用协作传输数据；否则，回复CTS(清除发送)帧，通知源节点采用直接传输数据。

BTAC(Busy Tone Based Cooperative MAC)技术是由Samir Sayed等人在Chinacom 2008会议上提出的，在BTAC技术中，每个基站维护着两张不同的表，即协作表和所有基站(包括基本服务集)的查询表。BTAC技术的实现过程为：(1)当节点S_S有数据需要发送时，先发送MRTS(Modified-RTS，修改后的请求发送)帧到节点

和节点S_D。(2)若节点

愿意协助节点S_S传输数据，则向节点S_S和S_D发送一个忙音；节点S_D收到忙音后，发送MCTS(Modified-CTS，修改后的清除发送)帧到节点

和节点S_S；节点S_S收到MCTS帧后，发送数据到节点节点

转发数据到节点S_D；节点S_D正确收到数据后，节点S_D发送ACK(确认)到节点S_S。(3)若节点

不愿意协助节点S_S传输数据，则在等待两个SIFS(短帧间间隔)后，节点S_D发送CTS到节点S_S；节点S_S收到CTS后，等待SIFS后发送数据到节点S_D；节点S_D正确收到数据后，节点S_D发送ACK到节点S_S。

现有的协作MAC方法是根据信道状态信息，选择高传输速率的两跳信道代替低传输速率的一跳信道，并没有考虑邻居节点竞争信道对周围其他节点的影响。在实际应用中，根据信道状态信息所选择的两跳信道，实现的信道传输速率可能小于直传速率，从而导致系统的性能(吞吐量)的下降。

发明内容

本发明所要解决的问题是：根据现有技术对信道状态信息所选择的高传输速率的两跳信道，并没有考虑邻居节点竞争信道对周围其他节点的影响，使得系统性能低于直接传输性能的问题，本发明提出了一种基于认知流量的协作MAC方法，综合考虑信道状态信息和邻居节点对信道的竞争情况，以此有效的提高系统的性能。

本发明解决上述问题的技术方案是：在现有的MAC机制的基础上，选择协作节点时，不仅考虑信道状态信息，而且考虑节点的业务占用情况。以吞吐量为准则选择协作节点协助传输数据，提出一种新的基于认知流量的协作MAC(TC-MAC)方法，有效解决现有协作通信网中隐藏终端之间的协作通信问题。该方法具体包括如下步骤：

对控制帧进行修改，能够更好协助数据帧的传递，实现协作通信。节点侦听其邻居节点发送的通信请求消息，并根据香农公式计算出节点与其邻居节点之间的最大传输速率，建立并更新节点的协作表；节点通过在T(T为设定的时间常数)时间内统计所侦听到邻居节点发送的RTS(Request to Send，请求发送)，以此估算其邻居节点的空闲时间比值，建立并更新节点的邻居节点空闲时间比值表；节点综合考虑协作表中的最大传输速率，以及邻居节点空闲时间比值表中的邻居节点的空闲时间比值，确定数据传输的方式；若采用协作传输，则选择最佳的协作节点，通知该协作节点协助传输数据，并预留信道，否则，采用传统的MAC方法预留信道。

本发明中协作机制是通过综合考虑信道状态信息以及邻居节点的空闲时间比值来实现的。根据信道状态信息和邻居节点的空闲时间比值，节点所选择的高速率传输的两跳信道，并不会因选择的协作节点业务太多而导致系统的性能不如一跳信道的性能，从而有效的提高系统的性能(吞吐量)。

附图说明

图1为本发明中的系统模型图；

图2为本发明中节点i发送RTS次数示意图；

图3为本发明中协作节点选取流程图；

图4为本发明中帧交互时序图；

图5为本发明中TC-MAC的吞吐量分析。

具体实施方式

本发明在现有的MAC机制的基础上，以吞吐量为准则选择协作节点协助传输数据，为了能够更好协助数据帧的传递，首先对控制帧进行修改实现协作通信。

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

图1为本发明中的系统模型图。当节点S_S有数据需要传输时，是否选择节点作为协作节点，需要综合考虑链路

和的信道状态信息和节点的邻居节点竞争信道产生的影响。以下仅考虑一对数据流S₄→S₅对协作节点

的性能影响为例进行说明。本专利综合考虑信道状态信息以及数据流S₄→S₅对链路

和

的影响，判断节点

是否参与协作。当链路

和链路

支持的最大传输速率，在协作节点

的空闲时间比值里能够成功传输完数据，则协作节点

参与转发数据。

本专利将对控制帧进行修改。首先，在控制帧RTS中增加发送速率、发送功率、发送节点可用时间比值、转发速率和协作节点的地址五项，修改后的RTS为控制帧CRTS帧(Cooperative Request to Send，协作请求发送)，其具体的帧格式如表1所示。

表1CRTS帧格式

CRTS帧中每项的注释如下：

(1)帧控制：版本设为11，子类型设定为1011，代表CRTS帧；

(2)接收端地址：目的节点S_D的MAC地址；

(3)发送端地址：源节点S_S的MAC地址；

(4)协作节点

的MAC地址；

(5)发送功率：源节点S_S发送请求的功率P_通信请求；

(6)发送节点S_S的可用时间比值：

K_S∈(0，1)。其中，T＝β×N×T_overhead，T_overhead＝T_DIFS+T_RTS+T_CTS+3T_SIFS+T_ACK，β≥1，N为节点S_S邻居节点的个数，T_DIFS为短帧间间隔的时间，T_SIFS为分布式帧间间隔的时间，T_ACK、T_RTS和T_CTS分别为传输ACK帧、RTS帧和CTS帧所需要的时间；T_overhead为额外的开销；T_NAVn为节点第n次的网络分配矢量时间；

(7)发送速率：节点S_S发送数据的速率

其中，

为节点S_S和节点

(协作节点)之间实际上可支持的最大信道传输速率，为节点S_S和节点之间的最大信道传输速率；

为协作节点

的可用时间比值；

(8)设定持续时间：NAV值(网络分配矢量)，单位为毫秒。设置持续时间为：

t∈[1，W]，其中，W为候选的协作节点集的个数，t为最佳的协作节点，T_HTS和T_CCTS为传输HTS帧(Helper To Send，协作发送)和CCTS帧(协作清除发送)所需要的时间，L_DATA为数据包的长度；

(9)协作节点转发速率：

其中，为节点和节点S_D之间实际上可支持的最大信道传输速率，

为节点

和节点S_D之间的最大信道传输速率，K_D为协作节点S_D的可用时间比值；

(10)FCS(Frame Check Sequence，帧校验序列)。

同样，本发明在CTS(Clear to Send，清除发送)帧中增加发送功率、转发速率和协作节点回复HTS情况三项，修改后的CTS帧为CCTS(Cooperative Clear toSend，协作清除发送)，其具体的帧格式如表2所示。

表2CCTS帧格式

CCTS帧中每项的注释如下：

(1)帧控制：版本设为11，子类型被设定为1100，代表CCTS帧。

(2)接收端地址：目的节点S_D的MAC地址。

(3)持续时间：设定NAV值，单位为毫秒。设置持续时间为：

$T_{\mathrm{Duration}}={3T}_{\mathrm{SIFS}}+T_{\mathrm{ACK}}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{R_{S,H_t}^{\′}}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{R_{H_t,D}^{\′}};$

(4)发送功率：节点S_D发送CCTS帧的功率P_同间请求；

(5)

节点

和节点S_D之间实际上可支持的最大信道传输速率；

(6)协作节点回复HTS情况：将8bit全置为0，若收到HTS帧，判断发送HTS帧的节点是不是之前收到的CRTS帧中的协作节点

若是，则第8位置1，该位表示所选的协作节点恢复HTS的情况；

(7)FCS(Frame Check Sequence，帧校验序列)。

本发明中，将增加协作发送帧HTS，用于协作节点告知源节点参与转发数据，其具体的帧格式如表3所示。

表3HTS帧格式

HTS帧中每项的注释如下：

(1)帧控制：版本设为11，子类型被设定为1001，代表HTS帧。

(2)持续时间：设定NAV值，单位为毫秒。设置持续时间为：

$T_{\mathrm{Duration}}={3T}_{\mathrm{SIFS}}+T_{\mathrm{CCTS}}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{R_{S,H_t}^{\′}}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{R_{H_t,D}^{\′}}.$

(3)接收端地址：目的节点S_D的MAC地址。

(4)发送端地址：协作节点

的MAC地址。

(5)FCS(Frame Check Sequence，帧校验序列)。

根据修改的控制帧，以及通过以下步骤实现协作通信。

1.建立和更新协作表

节点通过侦听邻居节点发送的通信请求信息，以获取信道状态信息，并建立一张协作表，即该表存储有节点周围一跳范围内的所有节点。协作表中记录着目的节点S_D的地址、协作节点

的地址，R_S，D(源节点S_S到目的节点S_D之间的最大信道传输速率)，

(源节点S_S到协作节点

之间的最大信道传输速率)和

(协作节点

到目的节点S_D之间的最大信道传输速率)等信息。如表4所示，第一栏存储本次通信的目的节点S_D的地址；第二栏存储发起本次通信的节点(对于维护此表的节点来说是候选协作节点)

的地址；第三栏存储源节点S_S到目的节点S_D之间的最大信道传输速率R_S，D大小；第四栏存储源节点S_S到协作节点

的最大信道传输速率

大小；第五栏存储协作节点

到目的节点S_D的最大信道传输速率

大小；第六栏存储通过该协作节点

协作的失败次数；最后一栏存储协作表的更新时间。

表4协作表

源节点S_S帧听到其他周围的节点传输信息时，查找协作表中是否存在该传输的目的节点的地址。若不存在，则提取CRTS中携带的发送功率，并结合接收CRTS的功率，计算出信道增益

再利用香农公式计算出

并将

添加在HTS(Helper To Send，协作发送)中。目的节点通过提取RTS(Request toSend，请求发送)中携带的发送功率，并结合接收CRTS(Cooperative Request toSend，协作请求发送)的功率，计算出信道增益G_S，D，再利用香农公式计算出R_S，D；同理，目的节点通过提取HTS中携带的发送功率，以及接收HTS的功率，计算出

并将R_S，D和

添加在CCTS中。其中香农公式为W为信道带宽，P_S为发送功率，G_S，D为信道增益，σ²为噪声功率。(计算

时，G_S，D用信道增益代替)

最后，源节点将R_S，D，

添加到协作表中。协作表中以目的地址相同的节点根据

的大小由上至下排列。当某个协作节点传输数据失败的次数达到一个阈值时，就把该协作节点从协作表中删除，当它协作传输数据成功之后，协作节点失败的次数清零，并更新时间为源节点更新这一行的时间。

2.建立和更新邻居节点空闲时间比值表

表5邻居节点空闲时间比值表

Ki	更新时间	失败时间
			...	...	...

节点在时间T内通过侦听其邻居节点发送的RTS信息，统计所有邻居节点的空闲时间信息，并将邻居节点的相关信息添加到邻居节点空闲时间比值表中。每个节点都维护着一张邻居节点空闲时间比值表，表中存储着邻居节点的可用时间比值，这张表一共有3栏。第一栏存储着它的邻居节点可用时间比值K_i(i表示邻居节点的序号)；第二栏存储着信息的更新时间；第三栏存储着对应行的更新时间，如果更新时间内没有更新过，则表明该行信息失效，将其从表中进行删除。

每个节点中的可用时间比值的计算过程如下：

在时间T内，所有邻居节点(邻居节点个数为N)完成一次通信所花费的时间，T＝β×N×T_overhead，T_overhead＝T_DIFS+T_RTS+T_CTS+3T_SIFS+T_ACK，β≥1。对于节点i而言，在时间T内，节点i有数据需要发送，以及节点i作为中继节点协助其他节点传输数据，都需要发送RTS竞争信道。邻居节点j第一次侦听到节点i发送的RTS后，读取节点i的NAV1值(第1次的网络分配矢量)，并更新节点i对信道的占用时间为T_NAV1(第1次的网络分配矢量的时间)。当节点j第二次收到节点i发送的RTS，提取节点i的NAV2(第2次的网络分配矢量)，并更新节点i对信道的占用时间为T_NAV2(第2次的网络分配矢量的时间)；当节点j第n次收到节点i发送的RTS，节点j提取节点i的NAVn值(第n次的网络分配矢量)，并更新节点i对信道的占用时间为

(节点i第n次的网络分配矢量的时间)。在时间T内，若网络中有N个节点同时在发送RTS，并假设节点j收到节点i发送的RTS次数为α_i次，节点j对信道的占用时间为(节点j第n次的网络分配矢量的时间)，则节点j的可用时间比值K_j为

$K_j=\frac{T-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{NAVn}}^i-\underset{n=1}{\overset{{\mathrm{\α}}_j}{\mathrm{\Σ}}}{T}_{\mathrm{NAVn}}^j}{T}$

3.协作节点的选择

在本发明中，如仅考虑一个最佳的协作节点参与协作传输。设分组的长度为L字节，选取协助源节点传输的一个分组到目的节点所需实际传输时间最短的协作节点。设协作节点用

表示，t′_S，D为L字节的分组由源节点直接发送到目的节点的实际传输时间；

为L字节的分组从源节点发出经过协作节点转发到目的节点的实际传输时间。R′_S，D为源节点S_S和目的节点S_D之间实际上可支持的最大传输速率，

为源节点S_S和协作节点

之间实际上可支持的最大信道传输速率，

为协作节点

和目的节点S_D之间实际上可支持的最大信道传输速率。根据如下公式计算协作节点

选取的各信道传输速率：

$R_{S,H_t}=W{\log }_2(1+\frac{P_S{G}_{S,H_t}}{{\mathrm{\σ}}^2})---\left(1\right)$

$R_{H_t,D}=W{\log }_2(1+\frac{P_{H_t}{G}_{H_t,D}}{{\mathrm{\σ}}^2})---\left(2\right)$

$R_{S,D}=W{\log }_2(1+\frac{P_S{G}_{S,D}}{{\mathrm{\σ}}^2})---\left(3\right)$

其中，W为信道带宽，P_i为节点i的发送功率(其中i为源节点S_S和目的节点

)，G_i，j为节点i和节点j之间的信道增益，σ²为噪声功率。

$R_{S,H_t}^{\′}=R_{S,H_t}\min \{K_S,K_{H_t}\}---\left(4\right)$

$R_{H_t,D}^{\′}=R_{H_t,D}\min \{K_{H_t},K_D\}---\left(5\right)$

R′_S，D＝R_S，Dmin{K_S，K_D}(6)

由上式可得，

和t′_S，D分别为

和

若则

为候选协作节点。由

可化为

$\frac{1}{R_{S,H_t}^{\&prime;}}+\frac{1}{R_{H_t,D}^{\&prime;}}<\frac{1}{R_{S,D}^{\&prime;}}---\left(7\right)$

通过式(7)可以知道，选择所需要的传输时间

最小的候选协作节点，转化为选择数据包的传输速率最大的候选协作节点。如图3所示，源节点联合考虑协作表和邻居节点空闲时间比值表，转化为选取数据包的传输速率

最大的候选协作节点，以此选择一个最佳的协作节点参与转发数据。若有满足条件的候选协作节点，则选取最小的候选协作节点作为协作节点；否则，采用直传方式进行通信。

4.信道预留

源节点根据协作节点的选择，确定传输数据的方式。若存在满足条件的候选协作节点，则采用基于认知流量的协作MAC机制预留信道；否则，采用传统的IEEE802.11MAC机制预留信道。如图4所示，为本发明的帧交互时序图，其具体过程如下：

(1)当源节点有数据需要发送时，先查找协作表和邻居节点空闲时间比值表，根据是否有合适的候选协作节点，以确定传输数据的方式。若没有合适的候选协作节点或者采用协作传输的时间比直传的多，则采用直传方式进行数据传输。

(2)若协作传输的时间更短，则采用协作传输。当存在多个候选协作节点，选择最近更新的协作节点。源节点发送CRTS，通知选定的协作节点参与协作，并设置

t∈[1，W]，其中，W为候选的协作节点总数，t为选定的协作节点。

(3)协作节点t根据CRTS中的请求消息，回复HTS，目的节点和源节点同时收到HTS。协作节点设置为转发数据传输所需要的时间。

(4)目的节点收到HTS后，回复CCTS，更新参与协作节点t的ID，并设置 $\mathrm{NAV}={3T}_{\mathrm{SIFS}}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{R_{S,H_t}^{\&prime;}}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{R_{H_t,D}^{\&prime;}}+T_{\mathrm{ACK}}.$

(5)源节点收到CCTS后，结合HTS中的信息，更新协作节点的可用性，并把选定的协作节点设置

(6)协作节点根据CRTS中的信息，结合CCTS中的信息确定是否参与协作传输。若参与协作传输，则在发送数据帧时设置NAV＝T_SIFS+T_ACK。

对本发明TC-MAC的性能进行仿真验证，并与CoopMAC方法进行比较分析TC-MAC方法的吞吐量。在仿真中，所使用的仿真参数设置如表6所示。本专利针对系统模型图1进行仿真，其仿真结果如图5所示。由图5可知，TC-MAC方法中的吞吐量明显大于CoopMAC方法的吞吐量，验证了TC-MAC方法的有效性。

表6仿真参数设置

Claims (4)

1.一种基于认知流量的协作介质访问控制方法，其特征在于，节点侦听其邻居节点发送的通信请求消息，计算节点与其邻居节点之间的最大传输速率，建立并更新节点的协作表，增加协作发送帧HTS用于协作节点告知源节点参与转发数据；节点在预定时间T内统计其邻居节点发送的请求发送RTS，估算其邻居节点的空闲时间比值，建立并更新节点的邻居节点空闲时间比值表；节点根据协作表中的最大传输速率，以及邻居节点的空闲时间比值，确定数据传输的方式；若采用协作传输，则选择最佳的协作节点协助传输数据，并预留信道，否则，采用传统的介质访问控制方法预留信道；所述估算其邻居节点的空闲时间比值具体为：在时间T内，若网络中有N个节点同时在发送RTS，若节点j收到节点i发送的RTS次数为α_i次，则根据公式： 

计算节点j的空闲时间比值，其中，

为节点i第n次的网络分配矢量的时间；

为节点j的第n次的网络分配矢量的时间，α_j为节点j自身发送的RTS次数。 

2.根据权利要求1所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，计算节点与其邻居节点之间的最大传输速率具体为：

其中：W为信道带宽，P_i为发送功率，G_i,j为信道增益，σ²为噪声功率。 

3.根据权利要求1所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，选取协助源节点传输L字节的分组到目的节点所需时间最短的节点作为协作节点。 

4.根据权利要求1或3所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，源节点S_S侦听到周围的节点传输信息时，查找协作表中是否存在该传输的目的节 点的地址；若不存在，提取协作请求发送帧CRTS中携带的发送功率，计算出信道增益

确定源节点和协作节点之间的最大信道传输速率并将

添加在协作发送帧HTS中；目的节点通过提取请求发送RTS中携带的发送功率，结合CRTS的功率，计算出信道增益G_S,D，确定源节点和目的节点之间的最大信道传输速率R_S,D；目的节点通过提取HTS中携带的发送功率，以及接收HTS的功率，计算出协作节点和目的节点之间的最大信道传输速率

，并将R_S,D和

添加在协作清除发送帧CCTS中，源节点将R_S,D、

添加到协作表中。 

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