CN102387602B - 一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法。该方法将满足一定条件的发送/接收节点通过控制帧交互预约发起的传输定义为主传输，并在主传输发送预约过程与Data帧传输过程之间引入一段并发传输间隙。主传输接收节点采用基于指数平滑模型的动态调整方案确定并发传输间隙时间段的长度，主传输CTS帧传输范围内的其余节点在该间隙内按照一定法则尝试发起或应答从传输发送预约。并发传输间隙过后，主/从传输同时发起Data帧传输过程。同时，本发明采用了基于可容忍干扰功率估算的并发冲突避免机制和ACK帧依次应答策略，保证主/从传输Data帧的可靠传输。QualNet仿真环境中的仿真实验证明该方法可以有效提高无线ad hoc网络的饱和吞吐量。

Description

一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法。

背景技术

Ad hoc网络是一种新型的无线网络。它由一系列地位完全平等的移动节点组成，无需任何固定或预设的网络设施。网络中的每个节点在信道访问控制(Medium Access Control，MAC)协议的控制下以多跳共享的方式接入无线信道，实现信息和服务的共享。当ad hoc网络中的一个节点发送信号时，只有它传输范围内的邻居节点可以接收该信号，而传输范围外的节点却无法正确接收，甚至无法感知该信号。这种独特的信道共享方式极大地提高了ad hoc网络的频率空间复用度，但多跳传输的特性又使得网络中信号的冲突与节点所处的地理位置直接相关，而且一次冲突并不能被网络中所有的节点同时感知，这就带来了隐终端和暴露终端问题。

IEEE 802.11DCF(Distributed Coordination Function)是无线局域网中的标准协议，目前已被广泛应用于ad hoc网络的各种仿真和测试床，成为了事实上的ad hoc网络MAC协议规范。该协议通过物理载波检测和虚拟载波检测机制避免发送节点之间的冲突，并采用RTS/CTS控制帧握手机制部分的解决了隐终端问题。然而，上述机制虽然在一定程度上提高了数据帧的发送成功率，但却同时遏制了临近发送节点并发传输数据帧的可能性，因而无法获得最优的多跳共享无线信道的空分复用度和网络总平均吞吐量。在保证数据帧无冲突传输的前提下，如何有效提高多跳共享无线信道的空分复用度成为了无线ad hoc网络MAC协议研究的热点问题。

目前，常见的提高多跳共享无线信道空分复用度的方法大致可以分为两类。第一类方法通过节点发送功率控制实现空分复用度的提高。发送节点和接收节点通常采用最大可用功率完成RTS/CTS控制帧交互预约过程，接收节点根据RTS帧的传输损耗、噪声干扰功率及信号接收门限计算出数据帧的最小发送功率，并在CTS帧中添加相应字段，通过应答CTS帧将该功率告知发送节点。发送节点和接收节点即以该功率完成数据/ACK帧交互过程。降低数据帧发送功率可以在一定程度上减少信号干扰，提高网络空分复用度。然而，在网络拓扑结构和节点通信业务动态变化的多跳ad hoc网络环境中，接收节点很难准确获知数据帧接收过程中的噪声干扰功率。现有研究工作的仿真结果表明，该类功率控制机制只能在某些限定网络条件下实现空分复用度和网络总平均吞吐量的提高。

第二类方法采用数据帧并发传输机制实现空分复用度的提高。现有的数据帧并发传输机制又可以分为两种类型。第一种类型基于数据帧分片策略，网络中所有节点发送的数据帧被分成大小相同的片段。在抢先占用信道的某一收/发节点对的第一个数据帧片段发送过程中，该收/发节点传输范围内的其他收/发节点对并行发起RTS/CTS控制帧交互预约过程。当该收/发节点对发起第二个数据帧片段的传输时，成功完成了RTS/CTS控制帧交互的其余收/发节点对就能同时发起各自的数据帧片段的传输。由于每个节点的数据帧片段大小相等，所以这些收/发节点对的传输都是同步的。该类方法也能在一定程度上提高网络平均吞吐量，但过多的MAC帧分片将造成较大的网络开销，影响协议栈的整体性能。第二种类型在首先抢占信道的收/发节点RTS/CTS帧交互过程与数据帧传输过程之间引入一段控制时间间隙，允许该收/发节点对邻居范围内的其余节点在该时间间隙内发起RTS/CTS控制帧交互预约。控制时间间隙过后，成功完成发送预约的多对收/发节点同步完成数据/ACK帧交互过程。该类型的并发传输策略可以有效提高网络总平均吞吐量，但现有的并发传输方法缺乏合理的分布式并发传输节点选择机制和有效的并发冲突避免机制。因而研究结果表明，现有的并发传输方法只适用于发送节点密度较小的网络拓扑，在发送节点密度增大的条件下，该类并发传输方法甚至还会导致网络总平均吞吐量的严重下降。

发明内容

本发明的目的是针对无线ad hoc网络环境，提出一种实现冲突避免的高效并发传输方法，从而有效提高网络总平均吞吐量。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：节点在内存中分别维护记录邻居发送节点和邻居接收节点相关信息的线性链表NTL和NRL；NTL中记录的信息包括：邻居发送节点地址，邻居发送节点与本节点之间的传输损耗，邻居发送节点的活跃时间；NRL中记录的信息包括：邻居接收节点地址，邻居接收节点与本节点之间的传输损耗，邻居接收节点可容忍的最大干扰功率，数据帧发送起始时间，数据帧发送结束时间，ACK帧发送结束时间，传输主/从标志位；节点侦听到RTS、CTS和ATS控制帧后，根据控制帧的相关字段分别更新链表NTL和NRL中记录的信息。

步骤2：主发送节点和主接收节点通过控制帧交互完成主传输发送预约，在主传输发送预约过程与数据帧传输过程之间引入并发传输间隙，主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点在该间隙内判断是否能够发起或应答从传输发送预约，发送节点和接收节点在发送预约过程中采用基于可容忍干扰功率估算的并发冲突避免机制保证数据帧并发传输成功，主接收节点采用基于指数平滑模型的动态调整方案确定并发传输间隙时间段的长度。

步骤3：并发传输间隙时间段过后，主传输和从传输发送节点同时向各自的接收节点发送数据帧，如果数据帧接收成功，则接收节点采用依次应答策略向发送节点发送ACK帧，如果数据帧接收失败，则接收节点在ACK帧依次应答时间内延迟发送。

本发明提出的实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法已经在QualNet网络仿真环境中实现。考虑在静态同心圆网络拓扑下进行仿真分析，同心圆外环和内环半径分别为200m和100m，发送节点和接收节点成对均匀分布在同心圆的外环和内环。物理层采用DSSS模型，信道传输速率为2Mbit/s。网络层采用静态路由，传输层采用UDP协议。仿真的业务类型为恒定比特率(CBR)业务，数据包长度为1024字节，发包间隔为2ms，使得信道处于饱和状态。仿真时间为300s，每个收/发节点对之间的CBR流在仿真开始后建立并传输数据，直到仿真结束为止。附图8给出了在同心圆拓扑中均匀分布不同数量的收/发节点对时，本发明的仿真结果与IEEE 802.11DCF协议仿真结果的对比。由附图8所示的仿真结果可以看出，本发明提出的高效并发传输方法可以获得较高的网络总平均吞吐量和较低的节点平均能耗。

附图说明

图1是本发明提出的多节点并发传输网络场景示意图；

图2是各并发传输节点的MAC帧交互时序图；

图3是本发明采用的发送节点工作流程图；

图4是本发明采用的接收节点工作流程图；

图5是本发明定义的RTS帧格式示意图；

图6是本发明定义的CTS帧格式示意图；

图7是本发明定义的ATS帧格式示意图；

图8是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

在后面的叙述中，本说明书将本发明提出的实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法简记为HCTM(High-efficient Concurrent TransmissionMethod)。HCTM首先设定了以下网络运行条件：

1、网络节点工作在半双工状态，即在同一时刻，节点只能发送或者接收信号，但不能同时进行发送和接收，数据传输速率为2Mbps；

2、节点发送功率为15dBm，信号接收门限为-74dBm，物理载波检测门限为-87dBm，判断信号是否能被正确接收的信号干扰噪声比门限为10dB；同时，节点可以在一定范围内任意调整信号发送功率。

3、网络中的发送和接收节点具有相同的天线高度和天线增益。

以上述条件为基础，本发明提出的实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法已经在无线网络仿真环境QualNet中实现，并通过QualNet环境中的仿真结果证明了该方法的有效性。附图1给出了本发明提出的多节点并发传输网络场景示意图；附图2给出了在附图1所示的网络场景中，各并发传输节点的MAC帧交互时序图；附图3和附图4分别给出了本发明采用的发送节点和接收节点的工作流程图。

HCTM的具体实施步骤为：

步骤1：节点侦听控制帧获知邻居发送节点和邻居接收节点的相关信息。

节点在内存中分别维护记录邻居发送节点和邻居接收节点相关信息的线性链表NTL(Neighboring Transmitter List)和NRL(Neighboring Receiver List)。NTL和NRL中的每个结点由存储后继结点位置信息的指针域和存放数据元素信息的数据域组成。其中，头结点指针域中的指针给出了头结点的存放地址，尾结点指针域中的指针为“空”(NULL)，而其余结点指针域中的指针指向线性链表中下一个结点的存放地址。

NTL中每个结点的数据域包含与邻居发送节点相关的以下信息：①邻居发送节点地址；②邻居发送节点与本节点之间的传输损耗；③邻居发送节点的活跃时间。其中，信号的发送节点和接收节点之间的传输损耗定义为信号的发送功率与接收功率的比值。节点成功侦听到一个RTS帧后，首先根据该RTS帧的接收功率计算出邻居发送节点与本节点之间的传输损耗，然后遍历NTL，查找是否存在与邻居发送节点地址相对应的结点。如果没有查找到相应结点，则节点在NTL的尾部插入一个新结点，将计算出的传输损耗写入新结点的数据域，并将侦听发送结点的活跃时间设置为当前时刻之后的10ms。如果在10ms的时间内，节点再次侦听到该邻居发送节点的RTS帧，则节点依照上述方法更新NTL中相应结点数据域的值；而如果节点收到了该邻居发送节点广播的取消发送(ATS)帧，或者在10ms的时间之内节点没有再次侦听到该邻居发送节点的RTS帧，则节点将NTL中与该邻居发送节点相关的结点删除。

NRL中每个结点的数据域包含与邻居接收节点相关的以下信息：①邻居接收节点地址；②邻居接收节点与本节点之间的传输损耗；③邻居接收节点可容忍干扰功率；④数据帧发送起始时间；⑤数据帧发送结束时间；⑥ACK帧发送结束时间；⑦传输主/从标志位。节点成功侦听到一个CTS帧后，首先根据该CTS帧的接收功率计算出邻居接收节点与本节点之间的传输损耗，然后在链表的尾部插入一个新结点，并将计算得出的传输损耗及侦听到的CTS帧相关字段的值写入结点数据域。结点传输时间指示传输结束后，节点从NRL中删除该结点。

步骤2：主/从传输完成并发传输预约。

发送节点和接收节点通过控制帧交互过程完成并发传输预约，并采用基于可容忍干扰功率估算的并发冲突避免机制保证数据帧并发传输成功。HCTM定义的RTS、CTS和ATS控制帧格式分别如附图5、附图6和附图7所示。

当节点网络层队列中有数据分组等待发送时，节点查找NRL中是否记录有尚未完成数据传输的接收节点。如果没有相关记录，节点按照二进制指数退避法则(BEB)选择发送前的随机退避时间，并在退避过程中持续监听信道。若信道持续保持空闲，则退避时间结束后，节点将自身标记为主发送节点，并向接收节点发送RTS帧。接收节点收到该RTS帧后，采用并发冲突避免机制判断本节点是否能够无冲突的接收发送节点传输的数据帧。如果无冲突接收数据帧的条件成立，且节点NRL中没有记录其他尚未完成数据传输过程的接收节点，则该节点将自身标记为主接收节点，并向发送节点应答CTS帧。主发送节点成功收到主接收节点应答的CTS帧后，发送预约过程结束。通过RTS/CTS控制帧交互完成发送预约的主发送节点和主接收节点之间的传输即为主传输。

如附图2所示，HCTM将主传输发送预约过程与数据帧传输过程之间的时间段定义为并发传输间隙(Concurrent Transmission Gap，CTG)。接收节点采用基于指数平滑模型的动态调整方案确定CTG时间段的长度。在CTG时间段内，HCTM允许主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点按照一定条件判断是否能发起或应答RTS/CTS帧交互预约过程。在CTG时间段内成功完成预约，并与主传输同时发起数据帧传输过程的发送节点和接收节点之间的传输即为从传输。

发送节点发起主传输或从传输发送预约后，在一定时间内等待接收节点应答CTS帧。为了保证发送节点成功接收CTS帧，邻居节点侦听到RTS帧后，在上述等待时间内通过虚拟载波检测机制延迟发送。如果发送节点等待CTS帧超时，则发送节点向邻居节点广播ATS帧。邻居节点收到ATS帧后，即将NTL中与该邻居发送节点相对应的结点删除。同时，如果节点发起从传输发送预约失败，或者按照从传输发送预约发起/应答条件判断自身无法发起或应答从传输，则节点查询NRL获知当前并发传输的持续时间，并在该时间段内通过虚拟载波检测机制延迟发送或接收过程。

1、基于可容忍干扰功率估算的并发冲突避免机制

HCTM要求接收节点在应答CTS帧之前，估算出在当前并发传输条件下的可容忍干扰功率。估算的具体步骤为：

(1)计算CTS帧传输范围内的并发干扰总功率

接收节点通过遍历NTL，获知在Data帧并发接收过程中，接收节点CTS帧传输范围内的邻居发送节点对其产生的干扰总功率P_in，即：

$P_{\mathrm{in}}={\mathrm{\Σ}}_t\frac{P_{\mathrm{std}}}{G_{\mathrm{tr}}}---\left(1\right)$

其中，P_std为信号发送功率，t为接收节点CTS帧传输范围内的邻居发送节点，G_tr为节点t与接收节点之间的传输损耗。

(2)估算CTS帧传输范围外的并发干扰总功率

在数据帧并发接收过程中，接收节点无法准确获知其CTS帧传输范围外的发送节点对其产生的干扰总功率P_eout，因而接收节点只能对P_eout的取值进行估算。设网络并发传输密度为D，考虑主接收节点CTS帧传输范围内其余节点发起的并发传输总数量最大值为5，则：

$D\≤\frac{5}{R_{\mathrm{std}}^2}---\left(2\right)$

其中，R_std为接收节点CTS帧的传输半径。因此，P_eout的取值满足：

$P_{\mathrm{eout}}\≤\underset{R_{\mathrm{std}}}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{2\mathrm{\πx}\·5}{R_{\mathrm{std}}^2}\·\frac{P_{\mathrm{std}}}{x^4}\mathrm{dx}---\left(3\right)$

将上式进一步简化可得到：

$P_{\mathrm{eout}}\≤\frac{5\mathrm{\π}{P}_{\mathrm{std}}}{R_{\mathrm{std}}^4}=P_{o\max }---\left(4\right)$

根据P_eout的最大值P_omax，接收节点即可按照以下方法估算当前时刻P_eout的取值，本实施例将该P_eout的估算值记为

①

的初始值为0；

②若接收节点没有正确接收当前数据流的上一个数据帧，则接收节点将

调整为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}={\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}+0.25P_{o\max },& {\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}+0.25P_{o\max }<P_{o\max }\\ {\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}=P_{o\max },& {\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}+0.25P_{o\max }\&GreaterEqual;P_{o\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

③若接收节点成功接收了当前数据流的上一个数据帧，但数据帧连续成功接收的次数小于5次，则

的值保持不变；

④若接收节点连续5次成功接收了当前数据流的数据帧，则接收节点将

调整为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}=0,& {\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}-0.25P_{o\max }\&le;0\\ {\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}={\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}-0.25P_{o\max },& {\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}-0.25P_{o\max }>0\end{array}\right.---\left(6\right)$

(3)计算接收节点可容忍干扰功率

接收节点根据RTS帧的接收功率即可获知发送节点和本节点之间的传输损耗，从而确定数据帧的接收功率P_rx。设接收节点判断是否能正确接收信号的信噪比门限为SINR，在当前并发传输条件下，节点数据帧接收过程中可容忍的最大干扰功率为P_mti，环境噪声功率为P_background，则由信噪比门限判别方法可知：

$\frac{P_{\mathrm{rx}}}{P_{\mathrm{in}}+{\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}+P_{\mathrm{backgroud}}+P_{\mathrm{mti}}}=\mathrm{SINR}---\left(7\right)$

从而可以得出P_mti的表达式：

$P_{\mathrm{mti}}=\frac{P_{\mathrm{rx}}}{\mathrm{SINR}}-P_{\mathrm{in}}-{\tilde{P}}_{\mathrm{eout}}-P_{\mathrm{background}}---\left(8\right)$

接收节点在应答CTS帧之前，通过查询NRL即可获知当前并发传输间隙剩余时间长度，该时间长度与RTS/CTS帧交互时间长度的比值即为当前并发传输间隙内还可能发起的从传输预约数量N_LCTG。HCTM将当前并发传输条件下，接收节点可容忍干扰功率P_sti定义为：

$P_{\mathrm{sti}}=\frac{P_{\mathrm{mti}}}{N_{\mathrm{LCTG}}}---\left(9\right)$

P_sti表示在本次并发传输过程中，为了保证无冲突的并发接收数据帧，本接收节点所能容忍的后续可能完成发送预约的每一个从传输对本节点产生的干扰功率的最大值。

根据接收节点在当前并发传输条件下估算的可容忍干扰功率，HCTM采用了以下并发冲突避免机制：

(1)接收节点向发送节点应答CTS帧时，计算出在当前并发传输条件下的可容忍干扰功率P_sti，并将该值写入CTS帧的V_sti字段，从而通过应答CTS帧，捎带广播该接收节点的可容忍干扰功率。

(2)接收节点CTS帧传输范围内的其余发送节点在发起从传输预约之前，通过遍历NRL获知所有邻居接收节点的可容忍干扰功率P_sti，以及所有邻居接收节点与该发送节点之间的传输损耗G_tr。如果对于NRL中记录的所有邻居接收节点均满足：

$\frac{P_{\mathrm{std}}}{G_{\mathrm{tr}}}\&le;P_{\mathrm{sti}}---\left(10\right)$

则表示本节点发送数据帧时产生的并发干扰不会导致其他接收节点发生冲突，该发送节点可以发起从传输发送预约。反之，该发送节点则不能发起预约。

(3)接收节点收到发送节点的RTS帧后，计算出在当前并发传输条件下本节点的最大可容忍干扰功率P_mti。若P_mti的取值非负，则表示在数据帧并发接收过程中，当前已完成发送预约的主/从传输产生的并发干扰不会导致本接收节点发生冲突，该接收节点可以向发送节点应答CTS帧。反之，该接收节点则不能应答CTS帧。

2、主传输并发传输间隙长度的自适应调整

主传输CTG时间段的长度直接决定了并发从传输的数量。在一定网络条件下，如果CTG时间段的长度设置过短，则从传输数量过少，限制了网络总吞吐量的提高；反之，则会产生不必要的时间开销，甚至还可能导致网络总吞吐量的严重下降。因此，并发传输策略必须对CTG时间段的长度进行动态调整，从而获取最优的网络总平均吞吐量性能。

HCTM采用了基于指数平滑模型的CTG时间段长度动态调整方案。CTG时间段的长度D_CTG定义为：

D_CTG＝N_CTG·(T_RTS+T_CTS+SIFS)+T_SBOmax            (11)

其中，T_RTS、T_CTS、SIFS和T_BOmax均为常量，T_RTS和T_CTS分别表示RTS帧和CTS帧的传输时间；SIFS表示最小帧间间距，在本实施例中为10μs；T_SBOmax表示节点在发起从传输发送预约前的最大退避时间，在本实施例中为640μs。变量N_CTG表示主接收节点预测的从传输数量，其初始值和最小值均为1，最大值为4。在每一次主传输的发送预约阶段，主接收节点采用改进的指数平滑模型对N_CTG的值进行调整，即：

$N_{{\mathrm{PS}}_i}={\mathrm{\&alpha;}}_i\&CenterDot;N_{{\mathrm{RS}}_{i-1}}+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_i)\&CenterDot;N_{{\mathrm{PS}}_{i-1}}+{\mathrm{\&beta;}}_i---\left(12\right)$

其中，

和

分别表示当前主收/发节点对第i-1次发起主传输时从传输数量的实际值和预测值，记号

表示不大于x的最大整数，β_i和α_i为平滑调整系数。

β_i和α_i的确定方法为：

主接收节点在内存中维护一个记录CTG相关信息的线性链表(CGL)。CGL中每个结点的数据域包含以下信息：①主发送节点的地址；②该主收/发节点对上一次发起主传输时，从传输数量的预测值N_PS；③一个长度为5的循环队列，队列中的5个单元分别用于记录该主收/发节点对当前时刻之前5次发起主传输时，实际从传输数量N_RS和平滑调整系数β的取值。

主接收节点遍历CGL，查找与当前主发送节点相对应的结点数据域，即可获知当前主收/发节点对上一次发起主传输时

和β_i-1的取值。根据以上取值，主接收节点按以下两式确定当前的主传输平滑调整系数β_i：

$N_{{\mathrm{PS}}_{i-1}}>N_{{\mathrm{RS}}_{i-1}},$ 则 $\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_i=0,& ({\mathrm{\&beta;}}_{i-1}-0.4)\&le;0\\ {\mathrm{\&beta;}}_i={\mathrm{\&beta;}}_{i-1}-0.4,& ({\mathrm{\&beta;}}_{i-1}-0.4)>0\end{array}\right.---\left(14\right)$

$N_{{\mathrm{PS}}_{i-1}}\&le;N_{{\mathrm{RS}}_{i-1}},$ 则 $\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&beta;}}_i={\mathrm{\&beta;}}_{i-1}+0.2,& ({\mathrm{\&beta;}}_{i-1}+0.2)\&le;1\\ {\mathrm{\&beta;}}_i=1,& ({\mathrm{\&beta;}}_{i-1}+0.2)>1\end{array}\right.---\left(15\right)$

HCTM采用绝对误差最小二乘法确定平滑调整系数α_i的取值，该方法使得从传输数量的预测值与实际值的绝对误差平方和最小。以当前主收/发节点对当前时刻之前5次发起主传输时从传输数量的预测值与实际值差值的平方和构建目标函数，即

$G=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(N_{{\mathrm{PS}}_i}-N_{{\mathrm{RS}}_i})}^2---\left(16\right)$

由式(17)可知，

$G=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({\mathrm{\&alpha;}}_i\&CenterDot;N_{{\mathrm{RS}}_{i-1}}+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_i)\&CenterDot;N_{{\mathrm{PS}}_{i-1}}+{\mathrm{\&beta;}}_i-N_{{\mathrm{RS}}_i})}^2$

$=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i\&CenterDot;{(1-{\mathrm{\&alpha;}}_i)}^j\&CenterDot;N_{{\mathrm{PS}}_{i-1-j}}+{(1-{\mathrm{\&alpha;}}_i)}^i+\underset{j=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(1-{\mathrm{\&alpha;}}_i)}^j\&CenterDot;{\mathrm{\&beta;}}_i-N_{{\mathrm{RS}}_i})}^2---\left(17\right)$

对目标函数求导，并令其等于0，得到α_i的最优值：

${\mathrm{\&alpha;}}_i=\frac{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}((N_{{\mathrm{RS}}_i}-i{\mathrm{\&beta;}}_i-1)\&CenterDot;A+F-E)}{\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}(A^2-2({\mathrm{i\&beta;}}_i+1-N_{{\mathrm{RS}}_i})\&CenterDot;B-(i^2{\mathrm{\&beta;}}_i+2i+1-N_{{\mathrm{RS}}_i})\&CenterDot;A-C+D)}---\left(18\right)$

其中，

$A=\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{{\mathrm{RS}}_{i-1-j}},$

$B=\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}j\&CenterDot;N_{{\mathrm{RS}}_{i-1-j}},$

$C=\frac{1}{6}{N}_{{\mathrm{RS}}_i}({2i}^3{\mathrm{\&beta;}}_i-{3i}^2{\mathrm{\&beta;}}_i+i{\mathrm{\&beta;}}_i+{6i}^2),$

$D=\frac{1}{12}({7i}^4{\mathrm{\&beta;}}_i^2-12i^3{\mathrm{\&beta;}}_i^2+{5i}^2{\mathrm{\&beta;}}_i^2+28i^3{\mathrm{\&beta;}}_i-{18i}^2{\mathrm{\&beta;}}_i+2i{\mathrm{\&beta;}}_i+24i^2),$

$E=\frac{1}{2}{N}_{{\mathrm{RS}}_i}(i^2{\mathrm{\&beta;}}_i-i{\mathrm{\&beta;}}_i+2i),$

$F=\frac{1}{2}(i^3{\mathrm{\&beta;}}_i^2-i^2{\mathrm{\&beta;}}_i^2+{3i}^2{\mathrm{\&beta;}}_i-i{\mathrm{\&beta;}}_i+2i).$

3、从传输发送预约发起/应答条件

主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点只有同时满足以下条件才能发起或应答从传输发送预约：

(1)从传输周围有且仅有一个主传输

节点在发起或应答从传输发送预约时，查询NRL中记录的主接收节点相关信息，如果发送节点NRL为空，接收节点NRL中有且仅有一个主接收节点的记录信息；或者接收节点NRL为空，发送节点NRL中有且仅有一个主接收节点的记录信息；或者发送节点和接收节点NRL中记录有相同且唯一的主接收节点信息，则节点能发起或应答从传输发送预约。否则，节点不能发起或应答从传输发送预约。

(2)当前从传输发送预约可在CTG剩余时间内完成

节点在发起或应答从传输发送预约时，根据当前时间和主传输数据帧的发送起始时间计算出CTG剩余时间长度。如果CTG剩余时间长度足够节点完成从传输RTS/CTS控制帧交互，则节点能发起或应答从传输发送预约；否则，节点不能发起或应答从传输发送预约。

(3)从传输数据帧长度不能大于主传输数据帧长度

节点在发起或应答从传输发送预约时，查询NRL获知主传输数据帧的发送持续时间。如果从传输数据帧的发送持续时间不大于主传输数据帧的发送持续时间，则节点能发起或应答从传输发送预约。否则，节点不能发起或应答从传输发送预约。

(4)在数据帧并发传输的过程中能够避免冲突

节点在发起或应答从传输发送预约时，根据前述并发冲突避免机制判断在主/从传输完成数据帧并发传输的过程中是否会产生冲突。如果不会产生冲突，则节点能发起或应答从传输发送预约；否则，节点不能发起或应答从传输发送预约。

4、从传输发送节点退避机制

主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点在并发传输间隙内发起或应答从传输发送预约。由上述基于可容忍干扰功率估算的并发冲突避免机制可知，在主接收节点CTS帧传输范围内，距离主接收节点越远的发送节点成功发起从传输发送预约的可能性越大。为了反映从传输发送节点与主接收节点之间的相对位置，HCTM引入了从传输并发传输指数CI：

$\mathrm{CI}=1-\frac{d_{\mathrm{tm}}}{R_m}---\left(19\right)$

其中，d_tm为发送节点和主接收节点之间的距离，R_m为主接收节点CTS帧的传输半径。由CI的定义可知，从传输发送节点和主接收节点之间的距离越小，则CI的取值越大。

主接收节点CTS帧传输范围内的发送节点侦听到主接收节点的CTS帧后，即可根据CTS帧的接收功率确定R_m和d_tm的取值，进而计算出CI。在发起从传输发送预约前，节点以CI的取值为依据，依照以下两式确定发起预约前的随机退避时间T_SBO：

$\mathrm{CW}=\left\{\begin{array}{cc}8,& 0\&le;\mathrm{CI}\&le;0.25\\ 16,& 0.25<\mathrm{CI}\&le;0.5\\ 24,& 0.5<\mathrm{CI}\&le;0.75\\ 32,& 0.75<\mathrm{CI}\&le;1\end{array}\right.---\left(20\right)$

其中，CW表示从传输发送竞争退避窗口，rand[0，CW]表示在区间[0，CW]内随机选取的一个值。SLOT_TIME表示一个时隙的长度，在本实施例中为20μs。

在并发传输间隙内，如果主接收节点CTS帧传输范围外的发送节点向主接收节点CTS帧传输范围内的接收节点发起从传输发送预约，则该发送节点按照BEB法则选择发起预约前的随机退避时间。

步骤3：主/从传输完成数据帧并发传输。

并发传输间隙时间段过后，主传输和从传输发送节点同时向各自的接收节点发送数据帧，接收节点在一定时间内等待接收数据帧。接收节点成功收到数据帧后，向发送节点应答ACK帧。发送节点若成功收到接收节点应答的ACK帧，则认为当前数据帧传输成功。

为了避免数据帧与其他传输的ACK帧之间，以及不同传输的ACK帧之间的冲突，HCTM要求并发接收节点依次应答ACK帧。具体实现方法为：主接收节点收到数据帧后，间隔SIFS时间即向主发送节点应答ACK帧；从传输接收节点在应答CTS帧之前，通过遍历NRL获知其中记录的并发传输接收节点依次应答ACK帧的结束时间，并将该时间设定为本节点应答ACK帧的起始时间。从传输接收节点成功收到数据帧后，等待ACK帧发送起始时间到来即向从传输发送节点应答ACK帧。如果接收节点等待数据帧超时，则接收节点通过遍历NRL获知其中记录的并发传输接收节点依次应答ACK帧的持续时间，并在该时间内通过虚拟载波检测机制延迟发送。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法，所采用的步骤是： 

步骤1：节点在内存中维护记录邻居发送节点相关信息的NTL和记录邻居接收节点相关信息的NRL；NTL中记录的信息包括：邻居发送节点地址，邻居发送节点与本节点之间的传输损耗，邻居发送节点的活跃时间；NRL中记录的信息包括：邻居接收节点地址，邻居接收节点与本节点之间的传输损耗，邻居接收节点可容忍干扰功率，数据帧发送起始时间，数据帧发送结束时间，ACK帧发送结束时间，传输主/从标志位；节点侦听到RTS、CTS控制帧，以及邻居发送节点广播的取消发送帧(ATS帧)后，根据控制帧的相关字段分别更新链表NTL和NRL中记录的信息； 

步骤2：主发送节点和主接收节点通过控制帧交互完成主传输发送预约，在主传输发送预约过程与数据帧传输过程之间引入并发传输间隙，主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点在该间隙内判断是否能够发起或应答从传输发送预约；主接收节点采用基于指数平滑模型的动态调整方案确定并发传输间隙时间段的长度； 

步骤3：发送节点和接收节点在发送预约过程中采用以下基于可容忍干扰功率估算的并发冲突避免机制保证数据帧并发传输成功： 

(1)可容忍干扰功率估算的具体方法 

①计算CTS帧传输范围内的并发干扰总功率 

接收节点通过遍历NTL，获知在Data帧并发接收过程中，接收节点CTS帧传输范围内的邻居发送节点对其产生的干扰总功率P_in，即： 

其中，P_std为信号发送功率，t为接收节点CTS帧传输范围内的邻居发送节点，G_tr为节点t与接收节点之间的传输损耗； 

②估算CTS帧传输范围外的并发干扰总功率 

在数据帧并发接收过程中，接收节点无法准确获知其CTS帧传输范围外的发送节点对其产生的干扰总功率P_eout，因而接收节点只能对P_eout的取值进行估算，主接收节点CTS帧传输范围内其余节点发起的并发传输总数量最大值为5，设网络并发传输密度为D，则： 

其中，R_std为接收节点CTS帧的传输半径，因此，P_eout的取值满足： 

根据P_eout的最大值P_omax，接收节点即可按照以下方法确定当前时刻P_eout的估计值

(a)

的初始值为0； 

(b)若接收节点没有正确接收当前数据流的上一个数据帧，则接收节点将 

调整为： 

(c)若接收节点成功接收了当前数据流的上一个数据帧，但数据帧连续成功接收的次数小于5次，则的值保持不变； 

(d)若接收节点连续5次成功接收了当前数据流的数据帧，则接收节点将 调整为： 

③计算接收节点可容忍干扰功率 

接收节点根据RTS帧的接收功率即可获知发送节点和本节点之间的传输损耗，从而确定数据帧的接收功率P_rx，设接收节点判断是否能正确接收信号的信噪比门限为SINR，在当前并发传输条件下，节点数据帧接收过程中可容忍的最大干扰功率为P_mti，环境噪声功率为P_background，则由信噪比门限判别方法可知： 

从而可以得出P_mti的表达式： 

接收节点在应答CTS帧之前，通过查询NRL即可获知当前并发传输间隙剩余时间长度，该时间长度与RTS/CTS帧交互时间长度的比值即为当前并发传输间隙内还可能发起的从传输预约数量N_LCTG，因此，在当前并发传输条件下，接收节点的可容忍干扰功率P_sti可表示为： 

P_sti表示在本次并发传输过程中，为了保证无冲突的并发接收数据帧，本接收节点所能容忍的后续可能完成发送预约的每一个从传输对本节点产生的干扰功率的最大值； 

(2)并发冲突避免机制的具体实现方法 

①接收节点向发送节点应答CTS帧时，计算出在当前并发传输条件下的可容忍干扰功率P_sti，并将该值写入CTS帧的相关字段中，从而通过应答CTS帧，捎带广播该接收节点的可容忍干扰功率； 

②接收节点CTS帧传输范围内的其余发送节点在发起从传输预约之前，通 过遍历NRL获知所有邻居接收节点的可容忍干扰功率P_sti，以及所有邻居接收节点与该发送节点之间的传输损耗G_tr，如果对于NRL中记录的所有邻居接收节点均满足： 

其中P_std为信号发送功率，则表示本节点发送数据帧时产生的并发干扰不会导致其他接收节点发生冲突，该发送节点可以发起从传输发送预约，反之，该发送节点则不能发起预约； 

③接收节点收到发送节点的RTS帧后，计算出在当前并发传输条件下本节点的最大可容忍干扰功率P_mti；若P_mti的取值非负，则表示在数据帧并发接收过程中，当前已完成发送预约的主/从传输产生的并发干扰不会导致本接收节点发生冲突，该接收节点可以向发送节点应答CTS帧；反之，该接收节点则不能应答CTS帧 ；

步骤4：并发传输间隙时间段过后，主传输和从传输发送节点同时向各自的接收节点发送数据帧，如果数据帧接收成功，则接收节点采用依次应答策略向发送节点发送ACK帧，如果数据帧接收失败，则接收节点在ACK帧依次应答时间内延迟发送。 

2.根据权利要求1所述的一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法，其特征在于主/从传输发送预约的具体方法为： 

当节点网络层队列中有数据分组等待发送时，节点查找NRL中是否记录有尚未完成数据传输的接收节点，如果没有相关记录，节点按照二进制指数退避法则选择发送前的随机退避时间，并在退避过程中持续监听信道；若信道持续保持空闲，则退避时间结束后，节点将自身标记为主发送节点，并向接收节点 发送RTS帧；接收节点收到该RTS帧后，采用并发冲突避免机制判断本节点是否能够无冲突的接收发送节点传输的数据帧；如果无冲突接收数据帧的条件成立，且节点NRL中没有记录其他尚未完成数据传输过程的接收节点，则该节点将自身标记为主接收节点，并向发送节点应答CTS帧；主发送节点成功收到主接收节点应答的CTS帧后，发送预约过程结束；通过RTS/CTS控制帧交互完成发送预约的主发送节点和主接收节点之间的传输即为主传输；主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点在并发传输间隙内判断是否能够发起或应答从传输发送预约，在并发传输间隙时间段内成功完成预约，并与主传输同时发起数据帧传输过程的发送节点和接收节点之间的传输即为从传输； 

发送节点发起主传输或从传输发送预约后，在一定时间内等待接收节点应答CTS帧；为了保证发送节点成功接收CTS帧，邻居节点侦听到RTS帧后，在上述等待时间内通过虚拟载波检测机制延迟发送；如果发送节点等待CTS帧超时，则发送节点向邻居节点广播ATS帧；邻居节点收到ATS帧后，即将NTL中与该邻居发送节点相对应的结点删除；同时，如果节点发起从传输发送预约失败，或者按照从传输发送预约发起/应答条件判断自身无法发起或应答从传输，则节点查询NRL获知当前并发传输的持续时间，并在该时间段内通过虚拟载波检测机制延迟发送或接收过程。 

3.根据权利要求1所述的一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法，其特征在于主接收节点调整并发传输间隙时间段长度的具体方法为： 

主接收节点采用基于指数平滑模型的并发传输间隙时间段长度动态调整方案，并发传输间隙时间段的长度D_CTG定义为： 

D_CTG＝N_CTG·(T_RTS+T_CTS+SIFS)+T_SBOmax    (10)其中，T_RTS、T_CTS、SIFS和T_BOmax均为常量，T_RTS和T_CTS分别表示RTS帧和CTS 帧的传输时间，SIFS表示最小帧间间距，T_SBOmax表示节点在发起从传输发送预约前的最大退避时间；变量N_CTG表示主接收节点预测的从传输数量，其初始值和最小值均为1，最大值为4；在每一次主传输的发送预约阶段，主接收节点采用改进的指数平滑模型对N_CTG的值进行调整，即： 

其中，

和分别表示当前主收/发节点对第i-1次发起主传输时从传输数量的实际值和预测值，记号表示不大于x的最大整数，β_i和α_i为平滑调整系数；

β_i和α_i的确定方法为： 

主接收节点在内存中维护一个记录并发传输间隙相关信息的线性链表CGL；CGL中每个结点的数据域包含以下信息：①主发送节点的地址，②该主收/发节点对上一次发起主传输时，从传输数量的预测值N_PS，③一个长度为5的循环队列，队列中的5个单元分别用于记录该主收/发节点对当前时刻之前5次发起主传输时，实际从传输数量N_RS和平滑调整系数β的取值； 

主接收节点遍历CGL，查找与当前主发送节点相对应的结点数据域，即可获知当前主收/发节点对上一次发起主传输时

和β_i-1的取值；根据以上取值，主接收节点按以下两式确定当前的主传输平滑调整系数β_i： 

则

则

主接收节点采用绝对误差最小二乘法确定平滑调整系数α_i的取值，该方法使得从传输数量的预测值与实际值的绝对误差平方和最小；以当前主收/发节点对当前时刻之前5次发起主传输时从传输数量的预测值与实际值差值的平方和 构建目标函数，即 

由式(17)可知， 

对目标函数求导，并令其等于0，得到α_i的最优值： 

其中， 

4.根据权利要求1或2所述的一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法，其特征在于主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点在并发传输 间隙内判断是否能够发起或应答从传输发送预约的具体方法为： 

主接收节点CTS帧传输范围内的其余节点只有同时满足以下条件才能发起或应答从传输发送预约： 

(1)从传输周围有且仅有一个主传输 

节点在发起或应答从传输发送预约时，查询NRL中记录的主接收节点相关信息，如果发送节点NRL为空，接收节点NRL中有且仅有一个主接收节点的记录信息；或者接收节点NRL为空，发送节点NRL中有且仅有一个主接收节点的记录信息；或者发送节点和接收节点NRL中记录有相同且唯一的主接收节点信息，则节点能发起或应答从传输发送预约；否则，节点不能发起或应答从传输发送预约； 

(2)当前从传输发送预约可在CTG剩余时间内完成 

节点在发起或应答从传输发送预约时，根据当前时间和主传输数据帧的发送起始时间计算出CTG剩余时间长度；如果CTG剩余时间长度足够节点完成从传输RTS/CTS控制帧交互，则节点能发起或应答从传输发送预约；否则，节点不能发起或应答从传输发送预约； 

(3)从传输数据帧长度不能大于主传输数据帧长度 

节点在发起或应答从传输发送预约时，查询NRL获知主传输数据帧的发送持续时间；如果从传输数据帧的发送持续时间不大于主传输数据帧的发送持续时间，则节点能发起或应答从传输发送预约；否则，节点不能发起或应答从传输发送预约； 

(4)在数据帧并发传输的过程中能够避免冲突 

节点在发起或应答从传输发送预约时，根据并发冲突避免机制判断在主/从传输完成数据帧并发传输的过程中是否会产生冲突，如果不会产生冲突，则节 点能发起或应答从传输发送预约；否则，节点不能发起或应答从传输发送预约。 

5.根据权利要求1所述的一种实现冲突避免的无线ad hoc网络高效并发传输方法，其特征在于接收节点应答ACK帧的具体方法为： 

主接收节点收到数据帧后，间隔SIFS时间即向主发送节点应答ACK帧；从传输接收节点在应答CTS帧之前，通过遍历NRL获知其中记录的并发传输接收节点依次应答ACK帧的结束时间，并将该时间设定为本节点应答ACK帧的起始时间；从传输接收节点成功收到数据帧后，等待ACK帧发送起始时间到来即向从传输发送节点应答ACK帧；如果接收节点等待数据帧超时，则接收节点通过遍历NRL获知其中记录的并发传输接收节点依次应答ACK帧的持续时间，并在该时间内通过虚拟载波检测机制延迟发送。 

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