CN102438283A - 一种基于自组网的协作通信方法及系统 - Google Patents

一种基于自组网的协作通信方法及系统 Download PDF

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CN102438283A CN2011104578746A CN201110457874A CN102438283A CN 102438283 A CN102438283 A CN 102438283A CN 2011104578746 A CN2011104578746 A CN 2011104578746A CN 201110457874 A CN201110457874 A CN 201110457874A CN 102438283 A CN102438283 A CN 102438283A
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刘志国
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Abstract

本发明实施例提供一种基于自组网的协作通信方法及系统，所述方法包括：侦听自组网中各节点的通信信息；根据所述通信信息，更新设置于协作节点的MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据直传传输时间，在所述协作传输时间短于所述直传传输时间时，发送HTS帧，以使目的节点发送More Fragments比特设为1的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点进行协作通信；在所述协作传输的时间长于所述直传传输时间时，不发送HTS帧，以使目的节点发送More Fragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，以利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。本发明实施例将MAC协作表维持在协作节点，实现了协作节点的准确选取。

Description

一种基于自组网的协作通信方法及系统
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地说，涉及一种基于自组网的协作通信方法及系统。
背景技术
目前，在解决变电站临时数据采集、应急状态下的数据传输、布线困难以及无信号覆盖下的数据传输问题方面，自组网以其独特的信号传输方式起着重要的作用。自组网是一种以MAC(Medium/Media Access Control，介质访问控制层)协议为基础，支持多跳扩展且具有高度自适应性和移动性的通信网络，其由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成，网络中每个节点(即上述所述移动终端节点)可以自由移动且地位相等。无线自组网没有任何的中心实体，其依靠节点间的协作通信可在任何时刻和任何地点，在各种移动且复杂多变的无线环境中自行组网，同时借助多跳扩展技术弥补节点间无线通信距离有限的缺陷，拓宽网络通信范围，从而实现网络中源节点到目的节点的数据传输；其中，较为理想的协作通信为在源节点和目的节点间，引入信道条件较为理想的协作节点，利用该协作节点进行数据的多跳扩展传输，从而实现高速率的数据协作传输。需要说明地是，对于协作节点的选取可通过无线自组网各节点内置的MAC协作表确定。
现有技术存在两种协作通信方法：
一种为UTD(The University Of Texas At Dallas，达拉斯德克萨大学)提出的基于UTD MAC协议的协作通信技术，该协作通信技术，源节点发送的数据帧可以同时被目的节点和协作节点侦听到，所述数据帧包括RTS(ReadyTo Send，请求发送)帧和CTS(Clear To Send，准许发送)帧，数据首先由源节点发送到目的节点，只有当目的节点接收数据失败时，位于源节点和目的节点之间的节点才作为协作节点，进行协作通信；然而该协作通信技术中RTS帧和CTS帧的持续时间域Duration始终保持不变，会使得节点在更新NAV(Network Allocation Vector，网络配置向量)时产生矛盾。按无线局域网标准IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气和电子工程师协会)802.11协议在MAC层规定的DCF(Distributed CoordinatedFunction，分布式协调功能)机制的要求，网络中的所有的节点都需要准确的更新自己的网络配置向量NAV。
第二种协作通信方法为基于Coop(Cooperative的简称，协作)MAC协议的协作通信技术，相对于UTD MAC协议，CoopMAC协议增加了一个新控制帧HTS(help to send，协作发送)帧，并在各帧中增加了三个比特域。参见下表示出的CoopMAC协作表的5个比特域，其中，ID表示协作节点地址(HelperID)，Time表示最后一个包到达时的时间，Rhd表示目的节点到协作节点的数据传输速率(Rate Between Helper and Destination)，Rsh表示源节点到协作节点的数据传输速率(Rate Between Helper and Source)，Num of Failure表示传输失败的次数(NO.of Transmission Failure)；所述ID，Rhd和Rsh为所述增加的三个比特域。基于CoopMAC协议的协作通信技术，可根据该CoopMAC协作表进行协作节点的选定，以实现协作通信。
发明人通过研究发现，基于CoopMAC协议的协作通信技术通过在各帧中增加ID，Rsh和Rhd这三个比特域，虽然可以减少节点在更新NAV时矛盾的产生，但CoopMAC协作表维持在源节点中，当节点处于移动的状态时，源节点判断的其与协作节点之间的数据传输速率就会出现偏差，这将造成选取的协作节点的准确性不高。
其次，CoopMAC协议中各帧均增加了ID，Rsh和Rhd这三个比特域，使得CoopMAC协议相对于UTD MAC协议在帧格式和比特数发生了变化，造成了CoopMAC协议与IEEE 802.11b的不兼容。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于自组网的协作通信方法及系统，以解决现有技术由于源节点判断的其与移动协作节点之间的数据传输速率存在偏差，而导致的协作节点选取准确性不高的问题，实现协作节点的准确选取。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于自组网的协作通信方法，包括：
步骤A.侦听自组网中各节点的通信信息；
步骤B.根据所述通信信息，更新协作节点的介质访问控制层MAC协作表信息，根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据从所述源节点直传至所述目的节点所需的直传传输时间，比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短，若所述协作传输时间短于所述直传传输时间，则发送协作发送帧HTS帧，执行步骤C，若所述协作传输的时间长于所述直传传输时间，则不发送HTS帧，执行步骤D；所述MAC协作表维持在协作节点，包括多个状态栏，各状态栏包括五个比特域，所述五个比特域为：源节点的物理层地址，目的节点物理层地址，源节点到目的节点的数据传输速率，源节点到协作节点的数据传输速率，和最后一个包到达时间；
步骤C.在预设时间内接收所述HTS帧，判定数据传输方式为协作传输，发送More Fragments比特设为1的准许发送帧CTS帧给所述源节点，通知所述源节点将数据发送到所述协作节点，以便所述协作节点将数据转发给所述目的节点；
步骤D.在预设时间内未接收到HTS帧，判定数据传输方式为直传，发送More Fragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。
本发明还提供一种基于自组网的协作通信系统，包括：侦听模块，处理模块，发送模块，判定模块和指令模块；
所述侦听模块，用于侦听自组网中各节点的通信信息；
所述处理模块包括：更新子模块和比对子模块；
所述更新子模块，用于根据所述通信信息，更新协作节点的介质访问控制层MAC协作表信息，所述MAC协作表维持在协作节点，包括多个状态栏，各状态栏包括五个比特域，所述五个比特域为：源节点的物理层地址，目的节点物理层地址，源节点到目的节点的数据传输速率，源节点到协作节点的数据传输速率，和最后一个包到达时间；
所述比对子模块，用于根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据从源节点直传至目的节点所需的直传传输时间，比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短；
所述发送模块，用于在所述协作传输时间短于所述直传传输时间的情况下，发送协作发送帧HTS帧，否则，不发送HTS帧；
所述判定模块，用于在预设时间内接收到所述HTS帧的情况下，判定数据传输方式为协作传输，及在预设时间内没接收到HTS帧的情况下，判定数据传输方式为直传。
指令模块，用于在所述判定模块的判定结果为协作传输的情况下，发送More Fragments比特设为1的准许发送帧CTS帧给所述源节点，通知所述源节点将数据发送到所述协作节点，以便所述协作节点将数据转发给所述目的节点，及在所述判定模块的判定结果为直传的情况下，发送More Fragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。
基于以上技术方案，本发明实施例所提供的基于自组网的协作通信方法，将MAC协作表维持在协作节点中，MAC协作表的内容也以面向协作节点为主，协作节点根据侦听到的自组网中各节点的通信信息，更新自身的MAC协作表，从而判断自身是否参与协作通信，进而消除了现有技术由于通过源节点来确定协作节点，而造成的当节点处于移动的状态时，源节点判断的其与协作节点之间的数据传输速率出现偏差的缺陷，实现了协作节点的准确选取；
其次，本发明实施例所提供的基于自组网的协作通信方法，源节点以接收到的CTS帧的More Fragments比特来确定传输方式，当More Fragments比特为0时，则采用直接传输的方式传输数据，当More Fragments比特为1时，源节点则将数据发送给协作节点进行协作传输，这样的设置方式，使得本发明CTS帧结构与IEEE 802.11b中规定的CTS帧结构及比特数完全相同，实现了与IEEE 802.11b兼容。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于自组网的协作通信方法的流程图；
图2为本发明MAC协作表的更新方法流程图；
图3为本发明一种基于自组网协作通信方法的另一流程图；
图4为本发明一种基于自组网协作通信系统的结构框图；
图5为本发明更新子模块的结构框图；
图6为本发明更新单元的结构框图；
图7为本发明比对子模块的结构框图；
图8为IEEE 802.11b协议，CoopMAC协议和本发明的系统平均吞吐量的比对曲线图；
图9为IEEE 802.11b协议和本发明的系统平均丢包率的比对曲线图；
图10为IEEE 802.11b协议，CoopMAC协议和本发明的系统平均传输时延比对曲线图。
具体实施方式
本发明实施例所提供的基于自组网的协作通信方法及系统是建立在IEEE802.11协议的分布式协调功能DCF基础上的，因此本发明所提供的协作通信方法及系统存在如下假设：(1)网络中所有节点的传输功率是固定的；(2)网络中任意两点间的信道状况是对称的；(3)除了发送节点和接收节点以外，其他节点也可以侦听到各控制帧；(4)各个调制方案的信噪比门限是预先设定的，并且储存在各个节点的物理模式表中；(5)传输节点通过收到的信噪比来选择调制方式；其中，假设(4)与假设(5)可根据实际情况预先设定可以承受的信噪比，并由此确定调制方式。
基于上述假设，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一种基于自组网的协作通信方法的流程图。参照图1，该流程可以包括：
步骤S100、侦听自组网中各节点的通信信息；
基于上述假设(3)，本发明实施例协作节点可侦听通信节点与目的节点间的通信信息，侦听方式及通信信息的内容可参见现有技术，此处不再赘述。
步骤S200、根据所述通信信息，更新协作节点的MAC协作表信息，根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据从所述源节点直传至所述目的节点所需的直传传输时间，比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短，若所述协作传输时间短于所述直传传输时间，则发送HTS帧，执行步骤S300，若所述协作传输的时间长于所述直传传输时间，则不发送HTS帧，执行步骤S400；所述MAC协作表维持在协作节点，包括多个状态栏，各状态栏包括五个比特域，所述五个比特域为：源节点的物理层地址，目的节点物理层地址，源节点到目的节点的数据传输速率，源节点到协作节点的数据传输速率，和最后一个包到达时间；
其中，本发明的MAC协作表维持在协作节点，MAC协作表设置有多个状态栏，各状态栏包括5个比特域，用于反映自组网中相互通信的一对源节点与目的节点间的通信状况，该五个比特域内容参见下表，第一个比特域叫做Source ID，表示源节点的物理层地址，记为Ns；第二个域叫做Time，表示最后一个包到达时的时间，记为Time；第三个域叫做Source to Relay Rate，表示源节点到协作节点的数据传输速率，记为Rsr；第四个域叫做DestinationID，表示目的节点的物理层地址，记为Nd；最后一个域叫做Source toDestination Rate，表示源节点到目的节点之间的数据传输速率，记为Rsd；
图2为本发明MAC协作表的更新方法流程图。参见图2，该更新方法可以包括：
步骤S210、根据所述通信信息，判断源节点是否在当前的MAC协作表中，若否，则执行步骤S220，若是，则执行步骤S230；
协作节点可通过检查当前的MAC协作表中，是否记录了所述通信信息中所包含的源节点的物理层地址Ns，以此判断源节点是否在当前的MAC协作表中；
步骤S220、在所述MAC协作表中新建与所述源节点对应的状态栏，更新所述状态栏中的源节点物理层地址；
在当前MAC协作表并没记录所述通信信息中所包含的源节点物理层地址Ns时，则在所述MAC协作表中新建与所述源节点对应的状态栏，并且对状态栏中的源节点的物理层地址Ns一项进行更新；
步骤S230、根据所述通信信息，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率，源节点到目的节点的数据传输速率，目的节点物理层地址，和最后一个包到达时间；
在当前MAC协作表记录了所述源节点的物理层地址Ns后，即可对状态栏中的源节点到协作节点的数据传输速率Rsr、源节点到目的节点的数据传输速率Rsd、目的节点物理层地址Nd和最后一个包到达时间Time进行更新，具体更新方式如下：
从所述通信信息中获取节点发送数据的功率水平，计算所述协作节点与源节点间的路径损耗，查询物理模式表得出所述路径损耗与所述协作节点及所述源节点间传输数据速率的对应关系，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率；
其中，基于假设(1)，在自组网中各节点的发送功率是固定的，因此协作节点可以通过获取的节点发送数据的功率水平得出路径损耗，查询物理模式表(Physical Mode Table)中记载的路径损耗与协作节点及源节点间传输数据速率的对应关系，得出源节点到协作节点的数据传输速率，从而对Rsr进行更新；
根据所述通信信息中所含数据帧的PHY(Physical简写，物理层)header(数据头)，更新所述源节点到目的节点的数据传输速率Rsd；
根据所述通信信息中所含数据帧的物理层数据头PHY header，更新所述目的节点物理层地址Nd；
根据每次侦听到的源节点数据包，更新所述最后一个包到达时的时间Time。
步骤S200中根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间可以具体为：通过步骤S230更新的源节点到协作节点的数据传输速率Rsr，计算数据从源节点传输到协作节点所需的时间，根据协作节点至目的节点的传输速率，计算数据从协作节点传输到目的节点所需的时间，结合所述数据从源节点传输到协作节点所需的时间，和数据从协作节点传输到目的节点所需的时间得出所述协作传输时间；其中，协作节点至目的节点的传输速率的获取方式可参照现有的基于CoopMAC协议的协作通信技术；
步骤S200中根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据从所述源节点直传至所述目的节点所需的直传传输时间具体为：通过步骤S230更新的源节点到目的节点的数据传输速率，计算所述直传传输时间；
当计算出所述协作传输时间和直传传输时间后，需对二者进行比对，当协作传输时间短于直传传输时间时，则向目的节点发送HTS帧，并执行步骤S300；当协作传输的时间长于所述直传传输时间，则不向目的节点发送HTS帧，执行步骤400。
步骤S300、在预设时间内接收所述HTS帧，判定数据传输方式为协作传输，发送More Fragments比特设为1的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点将数据发送到所述协作节点，以便所述协作节点将数据转发给目的节点；
其中，目的节点接收协作节点发送的HTS帧的预设时间优选为2个SIFS(Short Inter Frame Space，短帧间隔)时间间隔，若目的节点在2个SIFS的时间间隔内接收到协作节点发送的HTS帧，则判定数据传输方式为协作传输。
步骤S400、在预设时间内未接受到HTS帧，判定数据传输方式为直传，发送More Fragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。
其中，目的节点在2个SIFS时间间隔内未接收到协作节点发送的HTS帧，则判定数据传输方式为直传。
本发明实施例所提供的基于自组网的协作通信方法，将MAC协作表维持在协作节点中，MAC协作表的内容也以面向协作节点为主，协作节点根据侦听到的自组网中各节点的通信信息，更新自身的MAC协作表，从而判断自身是否参与协作，进而消除了现有技术由于通过源节点来确定协作节点，而造成的当节点处于移动状态时，源节点判断的其与协作节点之间的速率会出现偏差的情况，实现了协作节点的准确选取。
图3示出了本发明基于自组网协作通信方法的另一流程图，结合图1和图3所示，图3所示方法在步骤300或步骤S400后还包括：
步骤S500、源节点接收目的节点发送的CTS帧后，利用与所述CTS帧对应的数据传输方式，将数据传输给目的节点；
其中，源节点接收到More Fragments(是否有后续分片标记)比特设为1的CTS帧时，则通过协作节点利用协作通信方式将数据传输给目的节点；源节点接收到More Fragments比特设为0的CTS帧时，则将数据直传给目的节点；
本发明实施例对CTS帧的More Fragments比特域的改进，使得本发明MAC协议CTS帧结构及比特数与IEEE 802.11b协议中规定的相同，实现了与IEEE 802.11b的良好兼容。
步骤S600、目的节点接收数据，向源节点发送确认帧ACK(acknowledge简写)帧，以示数据传输成功。
优选的，本发明实施例所提供的基于自组网的协作通信方法还可以包括步骤：
根据倍数增线性减退避算法，从侦听自组网各节点通信信息的多个候选协作节点中选取一个协作节点，以选取该协作节点作为计算所述协作传输时间和所述直传传输时间的依据；
当自组网中有多个节点都可以作为协作节点帮助源节点进行数据的协作传输时，就需要从众多的候选节点中确定一个节点作为协作节点，本发明采用MILD(Multiplicative-Increase Linear-Decrease，倍数增线性减退避算法)进行协作节点的确定。在协作节点的确定过程中，众多的候选节点需要相互竞争信道，当竞争成功时，该协作节点就可以发送数据，CW＝MIN(α×CW，CWmax)；当竞争失败时，该协作节点不发送数据，CW＝MAX(CW-β，CWmin)，其中CW表示Contending Windows为竞争窗口，α和β是两个可以调节的参数；
本发明实施例协作节点的信道竞争可以包括如下两个阶段：
第一阶段为：竞争信道发送数据的时期。按照MILD算法，发送数据成功的节点将自己的竞争时间窗的值减少β；而其他没有竞争成功的节点则将自己的竞争时间窗的值CW设置为原来的α倍。在下次竞争开始时，各个节点按照新的竞争时间窗的值CW进行退避；
第二阶段为：是在源节点发送完RTS帧以后。如果有多个节点在接收到RTS帧后发现自己可以作为协作节点，则这些节点根据MILD算法开始竞争信道向外发送HTS帧，成功发送的节点将竞争时间窗的值CW减少β；而其他节点则将自己的竞争时间窗的值CW设置为原来的α倍。在下次竞争开始时，各个节点按照新的竞争时间窗的值CW进行退避。
优选的，可将本发明实施例的RTS帧的More Fragments设置为1，以使本发明MAC协议的RTS帧与IEEE 802.11b协议相兼容。
优选的，当自组网中的各节点接收到一次有效帧时，还可根据收到帧中的Duration进行NAV的更新，NAV的具体更新方法可参照现有技术，此处不再赘述。
图4为本发明一种基于自组网协作通信系统的结构框图。参见图4，该系统包括：侦听模块100，处理模块200，发送模块300，判定模块400和指令模块500。
侦听模块100设置在协作节点中，用于侦听自组网中各节点的通信信息。
处理模块200设置在协作节点中，包括：更新子模块210和比对子模块220；
更新子模块210，用于根据所述通信信息，更新协作节点的介质访问控制层MAC协作表信息，所述MAC协作表维持在协作节点，包括多个状态栏，各状态栏包括五个比特域，所述五个比特域为：源节点的物理层地址，目的节点物理层地址，源节点到目的节点的数据传输速率，源节点到协作节点的数据传输速率，和最后一个包到达时间；
图5示出了更新子模块的结构框图，更新子模块210包括：
更新判断单元211，用于根据所述通信信息，判断源节点是否在当前的MAC协作表中；
新建单元212，用于在更新判断单元211的判断结果为否的情况下，在所述MAC协作表中新建与所述源节点对应的状态栏，更新所述源节点的物理层地址；
更新单元213，用于在更新判断单元211的判断结果为是，或新建单元212新建了与所述源节点对应的状态栏后，根据所述通信信息，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率，源节点到目的节点的数据传输速率，目的节点物理层地址，和最后一个包到达时间；
更新单元213的结构组成可参见图6，更新单元213包括：
第一更新子单元2131，用于从所述通信信息中获取节点发送数据的功率水平，计算协作节点与源节点间的路径损耗，查询物理模式表得出所述路径损耗与协作节点及源节点间的传输数据速率的对应关系，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率；
第二更新子单元2132，用于根据所述通信信息中所含数据帧的PHYheader，更新所述源节点到目的节点的数据传输速率；
第三更新子单元2133，用于根据所述通信信息中所含数据帧的PHYheader，更新所述目的节点物理层地址；
第四更新子单元2134，用于根据每次侦听到源节点数据包，更新所述最后一个包到达时的时间。
比对子模块220，用于根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据从源节点直传至目的节点所需的直传传输时间，比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短；
图7示出了比对子模块的结构框图，比对子模块220可以包括：
第一计算单元221，用于根据所述源节点到协作节点的数据传输速率，计算数据从源节点传输到协作节点所需的时间，根据协作节点至目的节点的传输速率，计算数据从协作节点传输到目的节点所需的时间，结合所述数据从源节点传输到协作节点所需的时间，和数据从协作节点传输到目的节点所需的时间，得出所述协作传输时间；
第二计算单元222，用于根据所述源节点到目的节点的数据传输速率，计算所述直传传输时间；
比对单元223，用于比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短。
发送模块300设置在协作节点，用于在所述协作传输时间短于所述直传传输时间的情况下，发送HTS帧，否则，不发送HTS帧。
判定模块400设置在目的节点，用于在预设时间内接收到所述HTS帧的情况下，判定数据传输方式为协作传输，及在预设时间内没接收到HTS帧的情况下，判定数据传输方式为直传。
指令模块500设置在目的节点，用于在判定模块400的判定结果为协作传输的情况下，发送More Fragments比特设为1的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点将数据发送到所述协作节点，以便所述协作节点将数据转发给所述目的节点，及在判定模块400的判定结果为直传的情况下，发送MoreFragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。
优选的，所述基于自组网的协作通信系统还可以包括：
协作节点选取模块，用于根据倍数增线性减退避算法从侦听自组网中各节点通信信息的多个候选协作节点中选取一个协作节点，以选取该协作节点作为计算所述协作传输时间和所述直传传输时间的依据。
下面将从系统平均吞吐量、平均丢包率和传输时延这三方面，对基于IEEE 802.11b协议的通信，基于CoopMAC协议的协作通信和本发明的协作通信进行比对，以突出本发明在系统平均吞吐量、系统平均丢包率和系统传输时延方面存在的优点；其中，基于IEEE 802.11b协议的通信为非协作通信。
上述所述比对建立在下述条件下：各个节点均匀分布在各个区域内，节点的数据传输速率与距离接入点(AP)的长度有关；所有节点在半径为100米的圆形区域内，AP节点位于圆心；网络中的信道服从瑞利分布，并且两个节点间的信道状况是对称的；网络中一直都有节点需要发送数据，即假设网络是饱和的；网络中的数据包的长度是固定的，并且服从泊松过程；其中，MILD算法中的α设置为1.5，β设置为1。
下表为节点传输速率对照表
下表为相应参数设置
Figure BDA0000127595510000132
图8为IEEE 802.11b协议，CoopMAC协议和本发明的系统平均吞吐量的比对曲线图。参照图8，从三条曲线可以看出，本发明和基于CoopMAC协议的协作通信在系统平均吞吐量方面都要优于IEEE 802.11b。比较本发明和CoopMAC协议的两条曲线可以看出，随着节点个数的增加，CoopMAC协议和本发明的平均吞吐量都增加。当节点数目较少时，本发明的平均吞吐量性能比CoopMAC协议有很明显的改善，但是当节点数量增加，网络中的节点变密集时，本发明的系统平均吞吐量性能比CoopMAC协议的改善的不是很明显，这是由于，我们在改进的协作MAC协议中引入了倍数增线性减MILD退避算法，在牺牲部分平均吞吐量的代价下，使得网络中的节点间公平性得到了增加。
图9为IEEE 802.11b协议和本发明的系统平均丢包率的比对曲线图。参照图9，该比对曲线建立在节点个数固定为6个不变的情况下，在网络数目相同时，本发明比IEEE 802.11b有更低的丢包率。这是因为本发明在原IEEE802.11b的RTS/CTS工作机制的基础上，引入了HTS帧，通过HTS帧来实现节点间的协作传输，减少了节点更新NAV时，矛盾的产生。而且本发明的MAC协议面向协作节点，减少了因为节点的移动对数据发送带来的影响，保证数据可以成功发送。此外由于在竞争阶段使用MILD退避算法，保证了节点间的公平性，可以使各个节点公平竞争来作为协作节点，避免了因为某个节点长期作为协作节点从而导致节点不可用的问题，因此本发明各个节点可充分参与到协作传输当中，保证了数据的正确传输，降低了系统平均丢包率。
图10为IEEE 802.11b协议，CoopMAC协议和本发明的系统平均传输时延比对曲线图。该比对曲线建立在发送数据的长度为1024字节不变的情况下，从三条曲线可以看出，随着节点个数的增加，系统的平均传输时延增加，这是因为节点数目越多，消耗在竞争阶段的时间越长，所以传输时延变大。比较三条曲线可发现，协作通信比不协作的IEEE 802.11b有更低的传输时延，这是因为在MAC协议中引入协作，可以提高数据的传输速率，因而降低了系统的平均传输时延。本发明的系统平均传输时延比CoopMAC协议的要低很多，这是主要是因为两个方面。第一个原因是本发明改进了协作MAC协议中帧的结构，CoopMAC协议中的RTS帧和HTS帧相对于本发明的MAC协议多三个比特域，由于控制帧的长度变小，所以发送帧所需的时间减短，所以降低了整个系统的平均传输时延。第二个原因是，本发明引入了MILD退避算法，各个节点在更新自身的竞争时间窗的值CW时，可以使其相对缓慢变化，从而减小了竞争时间窗的剧烈变化，而节点的退避时间是根据各自的竞争时间窗的值来计算的，因此MILD退避算法减少了各个节点的退避时间，从而对整个系统的传输时延产生了影响，降低了系统的平均传输时延。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于自组网的协作通信方法，其特征在于，包括：
步骤A.侦听自组网中各节点的通信信息；
步骤B.根据所述通信信息，更新协作节点的介质访问控制层MAC协作表信息，根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据从所述源节点直传至所述目的节点所需的直传传输时间，比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短，若所述协作传输时间短于所述直传传输时间，则发送协作发送帧HTS帧，执行步骤C，若所述协作传输的时间长于所述直传传输时间，则不发送HTS帧，执行步骤D；所述MAC协作表维持在协作节点，包括多个状态栏，各状态栏包括五个比特域，所述五个比特域为：源节点物理层地址，目的节点物理层地址，源节点到目的节点的数据传输速率，源节点到协作节点的数据传输速率，和最后一个包到达时间；
步骤C.在预设时间内接收所述HTS帧，判定数据传输方式为协作传输，发送是否有后续分片标记More Fragments比特设为1的准许发送帧CTS帧给所述源节点，通知所述源节点将数据发送到所述协作节点，以便所述协作节点将数据转发给所述目的节点；
步骤D.在预设时间内未接收到HTS帧，判定数据传输方式为直传，发送More Fragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B中根据所述通信信息，更新设置于协作节点的MAC协作表信息包括：
步骤B1.根据所述通信信息，判断源节点是否在当前的MAC协作表中，若否，则执行步骤B2，若是，则执行步骤B3；
步骤B2.在所述MAC协作表中新建与所述源节点对应的状态栏，更新所述状态栏中的源节点物理层地址；
步骤B3.根据所述通信信息，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率，源节点到目的节点的数据传输速率，目的节点物理层地址，和最后一个包到达时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤B3中根据所述通信信息，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率具体为：从所述通信信息中获取节点发送数据的功率水平，计算所述协作节点与源节点间的路径损耗，查询物理模式表得出所述路径损耗与所述协作节点及所述源节点间传输数据速率的对应关系，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率；
根据所述通信信息更新源节点到目的节点的数据传输速率具体为：根据所述通信信息中所含数据帧的物理层数据头PHY header，更新所述源节点到目的节点的数据传输速率；
根据所述通信信息更新目的节点物理层地址具体为：根据所述通信信息中所含数据帧的PHY header，更新所述目的节点物理层地址；
根据所述通信信息更新最后一个包到达时间具体为：根据每次侦听到的源节点数据包，更新最后一个包到达时的时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B中根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间具体为：根据所述源节点到协作节点的数据传输速率，计算数据从源节点传输到协作节点所需的时间，根据协作节点至目的节点的传输速率，计算数据从协作节点传输到目的节点所需的时间，结合所述数据从源节点传输到协作节点所需的时间，和数据从协作节点传输到目的节点所需的时间，得出所述协作传输时间；
根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据从所述源节点直传至所述目的节点所需的直传传输时间具体为：根据所述源节点到目的节点的数据传输速率，计算所述直传传输时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据倍数增线性减退避算法，从侦听自组网各节点通信信息的多个候选协作节点中选取一个协作节点，以选取该协作节点作为计算所述协作传输时间和所述直传传输时间的依据。
6.一种基于自组网的协作通信系统，其特征在于，包括：侦听模块，处理模块，发送模块，判定模块和指令模块；
所述侦听模块，用于侦听自组网中各节点的通信信息；
所述处理模块包括：更新子模块和比对子模块；
所述更新子模块，用于根据所述通信信息，更新协作节点的介质访问控制层MAC协作表信息，所述MAC协作表维持在协作节点，包括多个状态栏，各状态栏包括五个比特域，所述五个比特域为：源节点的物理层地址，目的节点物理层地址，源节点到目的节点的数据传输速率，源节点到协作节点的数据传输速率，和最后一个包到达时间；
所述比对子模块，用于根据更新后的所述MAC协作表信息，计算数据通过协作节点从源节点转发至目的节点所需的协作传输时间，和数据从源节点直传至目的节点所需的直传传输时间，比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短；
所述发送模块，用于在所述协作传输时间短于所述直传传输时间的情况下，发送协作发送帧HTS帧，否则，不发送HTS帧；
所述判定模块，用于在预设时间内接收到所述HTS帧的情况下，判定数据传输方式为协作传输，及在预设时间内没接收到HTS帧的情况下，判定数据传输方式为直传；
指令模块，用于在所述判定模块的判定结果为协作传输的情况下，发送More Fragments比特设为1的准许发送帧CTS帧给所述源节点，通知所述源节点将数据发送到所述协作节点，以便所述协作节点将数据转发给所述目的节点，及在所述判定模块的判定结果为直传的情况下，发送More Fragments比特设为0的CTS帧给所述源节点，通知所述源节点利用直传的方式将数据传输给所述目的节点。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述更新子模块包括：
更新判断单元，用于根据所述通信信息，判断源节点是否在当前的MAC协作表中；
新建单元，用于在所述更新判断单元的判断结果为否的情况下，在所述MAC协作表中新建与所述源节点对应的状态栏，更新所述状态栏中的源节点物理层地址；
更新单元，用于在所述更新判断单元的判断结果为是，或所述新建单元新建了对应于所述源节点的状态栏后，根据所述通信信息，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率，源节点到目的节点的数据传输速率，目的节点物理层地址，和最后一个包到达时间。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述更新单元包括：
第一更新子单元，用于从所述通信信息中获取节点发送数据的功率水平，计算协作节点与源节点间的路径损耗，查询物理模式表得出所述路径损耗与协作节点及源节点间的传输数据速率的对应关系，更新所述源节点到协作节点的数据传输速率；
第二更新子单元，用于根据所述通信信息中所含数据帧的PHY header，更新所述源节点到目的节点的数据传输速率；
第三更新子单元，用于根据所述通信信息中所含数据帧的PHY header，更新所述目的节点物理层地址；
第四更新子单元，用于根据每次侦听到源节点数据包，更新最后一个包到达时的时间。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述比对子模块包括：
第一计算单元，用于根据所述源节点到协作节点的数据传输速率，计算数据从源节点传输到协作节点所需的时间，根据协作节点至目的节点的传输速率，计算数据从协作节点传输到目的节点所需的时间，结合所述数据从源节点传输到协作节点所需的时间，和数据从协作节点传输到目的节点所需的时间得出所述协作传输时间；
第二计算单元，用于根据所述源节点到目的节点的数据传输速率，计算所述直传传输时间；
比对单元，用于比对所述协作传输时间和所述直传传输时间的长短。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，还包括：
协作节点选取模块，用于根据倍数增线性减退避算法，从侦听自组网各节点通信信息的多个候选协作节点中选取一个协作节点，以选取该协作节点作为计算所述协作传输时间和所述直传传输时间的依据。
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