CN102612152B - 一种基于空时多址的Ad Hoc网络MAC协议实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空时多址的Ad Hoc网络MAC协议实现方法，用于解决现有的Ad Hoc网络MAC协议实现方法适应性差的技术问题。技术方案是将一个完整的数据链路层协议帧划分为控制帧、广播帧和信息帧三个部分。控制帧与节点一一对应，用于传输数据时申请信息时隙。广播帧用于处理申请冲突。信息帧按照一个2ⁿ、二个2^n-1、四个2^n-2...指数形式分配基准时隙个数，并分配时隙号，以适应不同QoS要求的业务。信息时隙是按块方式组织的，以满足不同业务的QoS要求。提高了Ad Hoc网络的拓扑适应性，而且具有开销小，时隙利用率高的特点，可对语音和视频通信提供很好的支持。

Description

一种基于空时多址的Ad Hoc网络MAC协议实现方法

技术领域

本发明涉及一种基于空时多址(以下简称STDMA)的MAC协议实现方法，特别是一种基于STDMA的Ad Hoc网络MAC协议实现方法。 

背景技术

Ad Hoc网络具有不依赖于通信基础设施，易于实施，可形成任意拓扑的特点，因此，在军事、抢险、救灾及应急通信领域有着广泛的应用前景。由于Ad Hoc网络是一种分布式无中心网络，无法确定一个中心协调点，所以目前Ad Hoc网络主要采用基于CSMA/CA的802.11x系列或802.15.4作为MAC层协议。但CSMA/CA是一种基于竞争的多址接入技术，当节点数较多或业务量较大时，尤其是在实时话音和视频业务情况下就无法保证QoS。 

为了实现支持语音和视频通信业务的大规模Ad Hoc网络，必须采用预留带宽的机制。传统的CDMA和FDMA多址接入技术需要基站进行维持和控制，无法直接应用于Ad Hoc网络中，因此，在Ad Hoc网络中，只能采用基于TDMA的方案实现带宽预留。 

现在，针对Ad Hoc网络的TDMA已经开发了许多算法，不过这些算法大多需要得到全网的拓扑结构，会造成较大的网络开销，且较难处理动态网络拓扑问题。此外，单纯的TDMA多址接入方法无法形成对信道的充分复用，信道利用率比较低。 

文献“公开号是CN101507200的中国发明专利”公开了一种Ad-hoc网络的利用邻居间接确认算法进行的TDMA信道访问调度的方法，该方法将固定分配多址与竞争分配多址相结合，利用信标来竞争帧内的多个时分多址，每个相邻节点选择每帧的TDMA时隙。对没有接收到成功信标的确认的相邻节点，这些节点竞争空闲的TDMA时隙并且利用冲突检测机制解决残留的冲突，提高了TDMA协议对Ad Hoc动态网络的适应性。但该方案以一个30位的信标为基础实现时隙的分配，每一个节点通过占用信标中的一位表明对于时隙的占用，因此对于大规模Ad Hoc网络的适应性仍较弱。 

发明内容

为了克服现有的Ad Hoc网络MAC协议实现方法适应性差的不足，本发明提供一种基于空时多址的Ad Hoc网络MAC协议实现方法。该方法将一个完整的数据链路层协议帧划分为控制帧、广播帧和信息帧三个部分。控制帧与节点一一对应，用于传输 数据时申请信息时隙。广播帧用于处理申请冲突。信息帧按照一个2ⁿ、二个2^n-1、四个2^n-2...指数形式分配基准时隙个数，并分配时隙号，以适应不同QoS要求的业务。信息时隙是按块方式组织的，以满足不同业务的QoS要求。本发明可以提高Ad Hoc网络的拓扑适应性。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于空时多址的Ad Hoc网络MAC协议实现方法，其特点是包括以下步骤： 

将一个完整的时钟周期分为控制帧、广播帧和信息帧。在控制帧部分采用固定的时隙分配方式，将控制帧分为M+2个时隙，其中M为节点个数，每个节点占用一个时隙。在控制时隙的末尾留有两个空闲时隙S1和S2，不被任何节点占用，作为预分配时隙，用于节点入网。广播帧是由两个广播时隙B1和B2组成。信息帧划分为多个信息时隙，用于节点传送数据信息。 

所述STDMA多址接入协议由四个工作流程组成，第一个工作流程是节点入网；第二个工作流程是控制信息的交换，主要在控制阶段和广播阶段完成，第三个工作流程是数据信息的传输，在数据传输阶段完成；第四个工作流程是节点退网。 

所述的控制帧中，每一个节点对应一个控制时隙，每个控制时隙又分为三个子时隙。对于Ad Hoc网络中的单播信息，利用这三个子时隙，通过三次握手完成无冲突的信息时隙分配：Ad Hoc网络中的每个节点维护一个本地时隙分配链表，当一个信息时隙被分配或被邻近的、二跳范围内的节点占用时，将在时隙分配链表添加一条记录；当被占用的信息时隙得到释放时，将从时隙分配链表中删除对应记录。Ad Hoc网络中的数据发送节点需要发送单播信息时，首先遍历本地时隙分配链表选择满足QoS要求的空闲信息时隙，将其状态设为TX，同时更新时隙分配链表；然后在对应的控制时隙中的第一个子时隙内发送时隙申请，即被占用时隙的时隙号。正常情况下，所有的一跳邻居节点接收到这一时隙申请消息。其中，目的节点查询本地时隙分配链表，若没有对应的时隙占用记录，则同意该时隙申请，将该时隙状态设为RX，同时更新时隙链表，并在控制时隙的第二个子时隙内发送正性确认消息。数据发送节点及目的节点的其它一跳邻居节点将该申请时隙状态设为BLOCK，避免二跳邻居节点申请此节点，造成冲突。申请节点在收到正性确认消息后，在第三个子时隙发送申请成功消息。一跳邻居节点均维持时隙状态不变。若目的节点被申请的时隙已经被占用，则会发送负性确认消息。如果申请节点收到的是负性确认消息，则在第三个子时隙内发送释放时隙 消息，数据发送节点及目的节点的其它一跳邻居节点将解除被申请时隙的BLOCK状态。 

对于组播和广播消息，所述的STDMA多址接入协议采用竞争方式获得信息时隙使用权：Ad Hoc网络中的数据发送节点查询本地时隙分配链表，将预计申请的信息时隙状态设为TX，同时更新时隙链表，并在对应的控制时隙中的第一个子时隙内发送被占用时隙的时隙号。数据发送节点的一跳邻居节点在收到组播及广播信息请求后，查询本地时隙分配链表，若申请的时隙空闲，则在本地时隙分配链表中添加对应记录。如果申请的时隙已经被其它节点申请并占用，则一跳邻居节点在随后的两个广播时隙的六个子时隙中随机选择一个时隙，用于发送冲突报告消息。如果在随后的广播帧中，数据发送节点没有收到冲突报告消息，即认为时隙申请成功。否则，进行退避。 

所述的控制帧中，最后两个时隙为空闲时隙，称为预分配时隙，用于新节点申请入网的专属控制时隙。 

所述的广播帧，有两个广播时隙，每个广播时隙也分为三个子时隙，主要用于处理组播和广播消息的时隙申请过程中发生的冲突问题。 

所述的信息帧，由若干信息时隙组成，每个信息时隙分为两个子时隙：信息传输子时隙和确认释放子时隙，分别用于信息传输和信息确认及时隙释放。 

本发明的有益效果是：由于该方法将一个完整的数据链路层协议帧划分为控制帧、广播帧和信息帧三个部分。控制帧与节点一一对应，用于传输数据时申请信息时隙。广播帧用于处理申请冲突。信息帧按照一个2ⁿ、二个2^n-1、四个2^n-2...指数形式分配基准时隙个数，并分配时隙号，以适应不同QoS要求的业务。信息时隙是按块方式组织的，以满足不同业务的QoS要求。提高了Ad Hoc网络的拓扑适应性，而且具有开销小，时隙利用率高的特点，可对语音和视频通信提供很好的支持。 

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。 

附图说明

图1是本发明方法的帧结构图。 

图2是本发明方法的时隙分配流程图。 

图3是本发明方法的信息时隙分块原理图。 

图4是本发明方法的入网处理流程图。 

图5是本发明方法的退网处理流程图。 

图6是本发明方法的完整工作流程图。 

图中，CF-控制帧(Control Frame)，BF-广播帧(Broadcast Frame)，IF-信息帧(Information Frame)，M-节点个数，S1/S2-预分配时隙，N-用户自定义，DATA-信息传输子时隙，ACK-确认释放子时隙。 

具体实施方式

参照图1～6。本发明一种基于空时多址的Ad Hoc网络MAC协议实现方法具体实现步骤如下。 

由于本发明所述的STDMA多址接入协议需要处理动态拓扑Ad Hoc网络，首先必须实现节点动态入网。节点入网采用邻居代理的方式来实现。 

本发明所述的STDMA多址接入协议采用邻居代理的方式来实现节点动态入网。 

1)在本发明所述的STDMA多址接入协议中，节点与控制帧中的时隙是一一对应的。当一个节点需要加入Ad Hoc网络时，首先监听无线信道，以确定帧格式。若新入节点侦听到网络中长时间无信息交换，无法获得完整的帧结构，则认为该节点是网络中的第一个节点，设置控制时隙数为3，占用第一个控制时隙，入网完成。 

2)若新入节点能够收到完成的帧，则可确定广播帧之前有两个空闲的预分配时隙。在下一个时钟来临时，新入节点可以在这两个时隙的六个子时隙中以1/6的概率选择一个子时隙，发送入网请求。 

3)若两个或多个新入节点互为一跳邻居，且选择同一个空闲子时隙发出入网请求，则会发生冲突。冲突后，新入节点进行退避后重新发起入网申请。 

4)新入节点的所有一跳邻居节点会收到新入节点的入网申请，没有数据发送任务的节点在自己的控制时隙内发送入网代理应答消息，表明该节点有能力代理新入节点的入网请求。 

5)新入节点可能收到不至一个代理应答消息，依照先到原则，选择一个节点作为入网代理，并在步骤2)中选择的预分配子时隙中发送入网代理选择消息。 

6)被选中的代理节点构造入网广播消息，并申请信息时隙，以广播形式在信息帧内发送新入网节点的入网请求。入网广播消息级别高，且只有一个内容，即TTL，每经一跳转发即减1，TTL减到0后，停止转发。若控制帧的长度为n+2，TTL设为 

7)若控制帧的长度为n+2，则在等待 

个时钟周期后，代理节点没有收到否定性应答消息，则认为入网请求没有冲突。在自己的控制时隙内向新入节点发送入网成 功标志，即控制时隙确认消息。新入节点将占用第n-1个控制时隙，同时全网控制时隙个数加1，以保证有两个空闲的预分配时隙。其它中继节点在等待 个时钟周期后没收否定性应答消息，则全网控制时隙个数加1。 

Ad Hoc网络是一个动态网络，不仅有节点的加入，也有节点因为移动、障碍物阻隔、电池耗尽等原因离开网络，即退网。本发明对于节点退网的处理流程与入网过程类似，也是采用邻居代理的方式来实现。不同的是，节点退网分显式退网和隐式退网两种形式。显式退网是指节点退网以前，在自己的控制时隙向邻居节点发送退网请求，通过握手选择邻居代理后退网。邻居代理节点通过泛洪发送退网广播消息通知其他节点，全网控制时隙减1。隐式退网是指节点无法发出脱网信息时的非正常退网。这要求网络中每个节点保存一个邻居节点存活TTL表。当节点没有数据发送时，将在自己的控制时隙中发送heartbeat消息，其一跳邻居收到该消息时或该节点发送的任何消息时，会更新本地节点存活TTL。当节点存活TTL减到0时，即一段时间未收到来自该节点的任何消息时，邻居节点将作为代理发送退网广播消息。 

为了提高信道利用率及提供区分业务的QoS支持，本发明所述的STDMA多址接入协议的信息时隙的规划采用分块结构组织。在本发明中的信息帧共有m×2ⁿ(m，n是常值，由用户根据构建的网络规模手动设置)个单位时隙，每个时隙块由若干个单位时隙组成。分配时隙资源就是将大小不同的时隙块按需要分配给网络中的节点，节点得到的将是一个或多个单位时隙组成的时隙块，这样不仅可以满足不同业务的不同要求，而且可以降低接入时延，从而保证节点的QoS要求。 

在进行资源分配过程中，时隙块是等分得到的，其等分方法采用二叉树均分法。每划分一次，即生成两块，一块进入左子树，标记为0，一块进入右子树，标记为1。由此可见，m即为划分的次数，2ⁿ即为最大的时隙块所包含的单位时隙数。在预约时隙的过程中，可以使用块编码来标识所申请的时隙块。时隙块的编码越短，时隙块就越大。因此，Ad Hoc网络中的各个节点可以根据当前应用的QoS类别，申请不同大小的时隙块。 

本发明所述的STDMA多址接入协议的信息时隙申请过程。数据发送节点的信息时隙申请及数据传输过程如下： 

1)当节点的网络层有数据需要发送时，本发明所述的STDMA多址接入协议将网络层数据读取到本地缓存。数据发送节点根据QoS要求选择可用的空闲信息时隙，同 时将所选时隙添加到本地时隙分配链表。根据目的节点地址，判断数据的类型。如果是单播数据，则采取三次握手过程申请时隙，转步骤2)；如果是广播数据，则跳转到步骤5)。 

2)对于单播数据，发送节点将在对应控制时隙的第一个子时隙中向目标节点发送时隙申请消息(时隙_APPLY)。 

3)数据发送节点的目标节点在收到时隙申请后，根据申请消息中的时隙号查询本地时隙分配链表。如果申请的时隙空闲，则在本地时隙链表内添加一个时隙占用记录，并广播发送正性确认消息(时隙_AGREE)。收到时隙_AGREE消息的所有节点，将修改本地时隙分配链表，添加对应的时隙占用记录。从而实现二跳无冲突的时隙分配。如果被申请的时隙已经被占用，则发送负性确认消息(时隙_DENY)。 

4)数据发送节点在收到正性确认消息后，在对应控制时隙的第三个子时隙内发送时隙申请确认消息(时隙_CONFIRM)。数据发送节点的所有一跳节点在收到时隙_CONFIRM消息，修改本地时隙分配链表，添加对应的时隙占用记录。由于本发明所述的STDMA多址接入协议利用三次握手过程实现了二跳范围内的单播信息时隙申请无冲突，因此，在此阶段发生所申请的信息时隙发生冲突的概率很低，仅在节点快速移动，并处于发送或接收状态时才有可能发生。如果发生冲突，邻居节点将在后续的广播帧内发送冲突报告消息，如步骤5)所述。 

5)对于广播数据，数据发送节点将在对应的控制时隙中广播时隙申请消息(时隙_APPLY)。一跳邻居收到时隙申请后查询本地时隙分配链表，如果申请的时隙空闲，则在本地时隙链表中添加一条时隙占用记录；如果申请的时隙已被占用，邻居节点将在广播帧的6个子时隙中以1/6的概率选择一个发送冲突报告消息。 

6)若数据发送节点在广播帧中收到了冲突报告消息，将进行退避，更新时隙链表后，重新发起申请。否则，信息时隙申请成功。 

7)在信息时隙申请成功后，数据发送节点利用占用的信息时隙开始发送用户数据。在信息帧中包含信息长度信息，数据发送节点的一跳邻居节点，根据信息长度信息定义释放时隙定时器，当时隙定时器到时后，更新本地时隙分配链表，删除对应的时隙占用记录，表明时隙处于空闲状态。发送结束后，目标节点将发送RELEASE消息，通知其一跳邻居，也就是数据发送节点的二跳节点释放时隙。 

本发明所述的STDMA多址接入协议的完整工作流程，涉及节点入网、信息时隙申 请、信息传输及节点退网过程。本发明所述的STDMA多址接入协议有效的解决了信道冲突问题，并且能够根据对业务提供区分服务，满足业务的QoS要求，具有开销小，时隙利用率高，适应拓扑结构变化的特点，特别适用于大规模Ad Hoc网络。 

Claims (1)

1.一种基于空时多址STDMA的Ad Hoc网络MAC协议实现方法，其特征在于包括以下步骤：

将一个完整的时钟周期分为控制帧、广播帧和信息帧；在控制帧部分采用固定的时隙分配方式，将控制帧分为M+2个时隙，其中M为节点个数，每个节点占用一个时隙；在控制时隙的末尾留有两个空闲时隙S1和S2，不被任何节点占用，作为预分配时隙，用于节点入网；广播帧是由两个广播时隙B1和B2组成；信息帧划分为多个信息时隙，用于节点传送数据信息；

所述STDMA多址接入协议由四个工作流程组成，第一个工作流程是节点入网；第二个工作流程是控制信息的交换，主要在控制阶段和广播阶段完成，第三个工作流程是数据信息的传输，在数据传输阶段完成；第四个工作流程是节点退网；

所述的控制帧中，每一个节点对应一个控制时隙，每个控制时隙又分为三个子时隙；对于Ad Hoc网络中的单播信息，利用这三个子时隙，通过三次握手完成无冲突的信息时隙分配：Ad Hoc网络中的每个节点维护一个本地时隙分配链表，当一个信息时隙被分配或被邻近的、二跳范围内的节点占用时，将在时隙分配链表添加一条记录；当被占用的信息时隙得到释放时，将从时隙分配链表中删除对应记录；Ad Hoc网络中的数据发送节点需要发送单播信息时，首先遍历本地时隙分配链表选择满足QoS要求的空闲信息时隙，将其状态设为TX，同时更新时隙分配链表；然后在对应的控制时隙中的第一个子时隙内发送时隙申请，即被占用时隙的时隙号；正常情况下，所有的一跳邻居节点接收到这一时隙申请消息；其中，目的节点查询本地时隙分配链表，若没有对应的时隙占用记录，则同意该时隙申请，将该时隙状态设为RX，同时更新时隙链表，并在控制时隙的第二个子时隙内发送正性确认消息；数据发送节点及目的节点的其它一跳邻居节点将该申请时隙状态设为BLOCK，避免二跳邻居节点申请此节点，造成冲突；申请节点在收到正性确认消息后，在第三个子时隙发送申请成功消息；一跳邻居节点均维持时隙状态不变；若目的节点被申请的时隙已经被占用，则会发送负性确认消息；如果申请节点收到的是负性确认消息，则在第三个子时隙内发送释放时隙消息，数据发送节点及目的节点的其它一跳邻居节点将解除被申请时隙的BLOCK状态；

对于组播和广播消息，所述的STDMA多址接入协议采用竞争方式获得信息时隙使用权：Ad Hoc网络中的数据发送节点查询本地时隙分配链表，将预计申请的信息时隙状态设为TX，同时更新时隙链表，并在对应的控制时隙中的第一个子时隙内发送被占用时隙的时隙号；数据发送节点的一跳邻居节点在收到组播及广播信息请求后，查询本地时隙分配链表，若申请的时隙空闲，则在本地时隙分配链表中添加对应记录；如果申请的时隙已经被其它节点申请并占用，则一跳邻居节点在随后的两个广播时隙的六个子时隙中随机选择一个时隙，用于发送冲突报告消息；如果在随后的广播帧中，数据发送节点没有收到冲突报告消息，即认为时隙申请成功；否则，进行退避；

所述的控制帧中，最后两个时隙为空闲时隙，称为预分配时隙，用于新节点申请入网的专属控制时隙；

所述的广播帧，有两个广播时隙，每个广播时隙也分为三个子时隙，主要用于处理组播和广播消息的时隙申请过程中发生的冲突问题；

所述的信息帧，由若干信息时隙组成，每个信息时隙分为两个子时隙：信息传输子时隙和确认释放子时隙，分别用于信息传输和信息确认及时隙释放。

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