CN102761879B - 一种认知mac协议的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种认知MAC协议的实现方法，涉及无线通信技术领域。所述方法包括：源认知用户向目的认知用户发送感知请求消息RTS；目的认知用户确定感知信道集合Ω，向源认知用户发送确认消息CTS；同时，目的认知用户对集合Ω中的数据信道进行感知，然后向源认知用户发送感知结果消息SRR；源认知用户首先接收消息CTS，对集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A；接着，源认知用户接收消息SRR，广播源节点数据信道预留消息SRES；目的认知用户接收消息SRES后，广播目的节点数据信道预留消息DRES，同时把数据收发器调整到集合RCL中的数据信道上。所述方法，显著降低了认知用户感知信道的能量开销。

Description

一种认知MAC协议的实现方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种认知MAC（MediaAccess Control，硬件地址）协议的实现方法。

背景技术

通讯设备数量的飞速增长给有限的频谱资源的分配带来了巨大压力。另一方面，传统的固定频谱分配方式导致频谱利用率低下，频谱浪费严重。如何提高频谱利用率以满足日益增长的频谱需求已成为当前迫切需要解决的问题。认知无线电技术通过允许不同的用户动态共享空闲频谱资源，能够有效地解决频谱资源紧缺的问题。

在认知系统中存在着两种用户，分别是授权用户和认知用户。认知用户通过频谱感知确定当前时刻没有被授权用户使用的频谱并接入，一旦感知到授权用户在空闲频谱上再次出现则及时退出以免对授权用户的通信造成干扰。因此，认知用户在接入空闲频谱之前必须先通过频谱感知确定空闲频谱，并且与目标认知用户交换控制信息，协商双方都能够使用的空闲频谱，利用空闲频谱进行数据传输。

认知用户交换控制信息进行频谱协商过程中遵循MAC协议。当前，认知Ad Hoc网络的MAC协议设计已经成为一个研究热点。

喻明皓和黄联芬在《认知无线Mesh网的多信道MAC协议》中提出一种基于认知无线Mesh网的多信道MAC协议。所有认知用户先同时进行频谱感知确定空闲信道，然后竞争接入控制信道交换控制信息并完成数据传输后，再同时进行频谱感知。两次频谱感知之间的时间为一个感知周期，其长度是固定的。该协议要求所有认知用户每隔一段固定时间同时对所有授权信道进行感知，频谱感知带来的能量开销较大并且制约了认知用户频谱感知的灵活性。

Qianchuan Zhao,Geirhofer,S.,Lang Tong,Sadler,B.M.在《Opportunistic Spectrum Access via Periodic Channel Sensing》中提出了一个周期信道感知和接入策略,认知用户以可用信道数量个时隙为周期进行感知并根据感知结果进行频谱协商。由于该方案中认知用户在感知信道的时候不能接入控制信道，所以周期感知策略降低了认知系统的吞吐量。

魏飞在《基于跳预约多址接入的认知无线电MAC协议》中提出一种基于跳预约多址接入的认知无线电MAC协议，在协议中每个超帧被划分为多个时隙，每个时隙对应着一条信道，所有认知用户在每个时隙开始时跳到对应的信道上进行感知并交换信道状态控制信息和预约信道。由于认知用户在传输数据之前必须交换大量的控制信息，因此数据传输时间受到很大的制约，数据信道的利用率不高。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种认知MAC协议的实现方法，以减少认知用户在感知信道过程的能量开销，延长认知用户的工作时间。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种认知MAC协议的实现方法，其包括步骤：

A：源认知用户在需要发送数据时，向目的认知用户发送包含源认知用户的候选感知信道列表SCL_A的感知请求消息RTS；

B：目的认知用户接收所述消息RTS后，结合自身的候选感知信道列表SCL_B，确定感知信道集合Ω；

C：目的认知用户向源认知用户发送包含所述集合Ω的感知确认消息CTS；同时，目的认知用户对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录目的空闲数据信道的集合CCL_B，然后向源认知用户发送包含所述集合CCL_B的感知结果消息SRR；

D：源认知用户首先接收所述消息CTS，对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A；接着，源认知用户接收所述消息SRR，根据所述集合CCL_B和所述集合CCL_A确定预留数据信道集合RCL和源数据信道预留时间T_{SRES_DCH}；然后，源认知用户广播包含所述集合RCL和所述时间T_{SRES_DCH}的源节点数据信道预留消息SRES；

E：目的认知用户接收所述消息SRES后，确定目的数据信道预留时间T_{DRES_DCH}，然后广播包含所述集合RCL和所述时间T_{DRES_DCH}的目的节点数据信道预留消息DRES，同时把数据收发器调整到所述集合RCL中的数据信道上，用于准备接收源认知用户的数据。

优选地，所述步骤A具体包括步骤：

A1：源认知用户在需要发送数据时，首先判断自身的候选感知信道列表SCL_A中是否存在当前时刻未被相邻认知用户使用的数据信道，如果是，执行步骤A2；否则，源认知用户不竞争接入控制信道，结束流程；

A2：源认知用户竞争接入所述控制信道，并通过所述控制信道向目的认知用户发送包含所述列表SCL_A的感知请求消息RTS。

优选地，所述步骤B具体包括：

B1：目的认知用户接收所述消息RTS后，结合自身的候选感知信道列表SCL_B，计算得到感知信道集合Ω，判断所述集合Ω是否为空，如果为空，目的认知用户停止向源认知用户回复消息，执行步骤B2；否则，执行步骤C；

B2：源认知用户在预定时间后未收到目的认知用户的回复消息，则广播第一NULL消息通知相邻认知用户感知信道预留失败，并退出对控制信道的占用，结束流程。

优选地，所述集合Ω的计算公式如下：

Ω＝SCL_A∩SCL_B。

优选地，所述预定时间T’的计算公式如下：

T’=T_SIFS+T_CTS+2τ；

其中，T_SIFS为802.11CSMA/CA信道访问机制中一个SIFS间隔的时间长度；T_CTS为目的认知用户向源认知用户发送所述消息CTS的时间长度；τ为物理传输时延。

优选地，所述步骤C具体包括步骤：

C1：目的认知用户向源认知用户发送包含所述集合Ω的感知确认消息CTS；同时，目的认知用户对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录目的空闲数据信道的集合CCL_B，判断所述集合CCL_B是否为空，如果为空，执行步骤C2；否则，向源认知用户发送包含所述集合CCL_B的感知结果消息SRR；

C2：目的认知用户广播第二NULL消息通知相邻认知用户候选数据信道预留失败，并退出对控制信道的占用；

C3：源认知用户接收到所述第二NULL消息，广播第三NULL消息通知相邻认知用户候选数据信道预留失败，退出对控制信道的占用，结束流程。

优选地，所述步骤D具体包括步骤：

D1：源认知用户首先接收所述消息CTS，对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A；

D2：接着，源认知用户接收所述消息SRR，根据所述集合CCL_B和所述集合CCL_A确定预留数据信道集合；

D3：判断所述集合RCL是否为空，如果不为空，则源认知用户确定源数据信道预留时间T_{SRES_DCH}，然后广播包含所述集合RCL和所述时间T_{SRES_DCH}的源节点数据信道预留消息SRES；否则，执行步骤D4；

D4：源认知用户广播第四NULL消息通知相邻认知用户数据信道预留失败，退出对控制信道的占用；

D5：目的认知用户接收到所述第四NULL消息，广播第五NULL消息通知相邻认知用户数据信道预留失败，退出对控制信道的占用，结束流程。

优选地，所述步骤D3中，所述时间T_{SRES_DCH}的计算公式如下：

$T_{\mathrm{SRES}\_\mathrm{DCH}}=\mathrm{\ΔT}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{\underset{i=1}{\overset{\left|\right|\mathrm{RCL}\left|\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BW}}_i}+T_{\mathrm{ACK}};$

其中，ΔT表示目的认知用户将数据收发器调整到所述集合RCL中的数据信道上所需要的时间；L_DATA表示源认知用户向目的认知用户发送的数据量；||RCL‖表示所述集合RCL中的元素数量；BW_i表示数据信道i的带宽；T_ACK表示目的认知用户接收到源认知用户的数据后发送数据确认消息ACK需要的时间。

优选地，在所述步骤E之后还包括步骤：

F：源认知用户通过所述集合RCL中的数据信道向目的认知用户发送所述数据；

G：目的认知用户接收所述数据，然后返回数据确认消息ACK。

优选地，在所述步骤A至E执行过程中，源认知用户和目的认知用户之外的非相关认知用户执行下列动作：

当非相关认知用户接收到所述消息RTS后，禁止接入所述控制信道；

当非相关认知用户接收到所述消息CTS后，禁止接入所述控制信道；

当非相关认知用户接收到所述消息SRES或所述消息DRES时，则认为所述控制信道空闲，允许竞争接入所述控制信道；同时，非相关认知用户根据所述消息SRES或所述消息DRES，更新自身的相邻认知用户使用信道列表NCL，并且认为所述集合RCL中的数据信道在相应的退避时间内被预留或者使用。

（三）有益效果

本发明的所述认知MAC协议的实现方法，具有以下优势：认知用户只有在需要发送或接收数据时才感知信道，与认知用户无论是否需要发送或接收数据都必须每隔一段固定时间就进行信道感知的传统方法相比，能够减少不必要的感知次数，并且具有更高的灵活性，减少了能量开销；认知用户只有接入控制信道成功后，才进行信道感知，禁止接入控制信道失败的认知用户进行信道感知，进一步减少了能量开销；成功接入控制信道的收发双方认知用户通过协商确定需要感知的信道，保证了收发双方认知用户只感知有必要进行感知的信道，减少了认知用户感知的数据信道的数量，从而避免了认知用户进行不必要的数据信道感知，进一步减少了认知用户由于感知信道而带来的能量开销，延长了认知用户的工作时间；同时，本发明方法能够通过增加认知用户的数据传输时间来提高其吞吐量：在现有方法中，认知用户的数据传输时间=感知周期（授权用户最大可容忍干扰时间）—感知时间—控制信道竞争时间—控制信息发送时间，而在本发明方法中，认知用户的数据传输时间=授权用户最大可容忍干扰时间—感知时间—控制信息发送时间，即认知用户感知信道后不需要再竞争控制信道，并且由于需要感知的信道的数量减少从而所需的感知时间减少，从而提高了认知用户的数据传输时间。

附图说明

图1a~图1c是本发明的实施例所述三个信道列表的示意图；

图2a是本发明实施例所述认知MAC协议的实现方法的流程图；

图2b是本发明实施例所述认知MAC协议的实现方法的时序图；

图3a~图3e是本发明实施例所述认知MAC协议的实现方法的控制消息的帧结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明实施例的认知MAC协议的实现方法，是一种基于CSMA/CA的节省感知能量的认知MAC协议的实现方法。针对其他认知MAC协议的方法中认知用户的感知能量开销较大的问题，本发明方法能够很大程度上减少认知用户由于感知信道而带来的能量开销，延长认知用户的工作时间；另外，通过延长数据传输时间可以提高对数据信道的利用率和认知用户的吞吐量。同时，本发明方法对应的认知系统（以下简称本发明系统）中的认知用户均配置两个半双工收发器，分别工作在控制信道与数据信道上，能够实现在数据信道上收发数据的同时监听控制信道，从而解决了多数据信道场景中的隐藏终端问题和暴露终端问题。

本发明系统中有一条控制信道和多条数据信道，有多个认知用户和多个授权用户。其中，所有认知用户都可以接入控制信道发送控制信息；数据信道是授权用户的授权信道，每个授权用户占用一条数据信道，认知用户在不影响授权用户通信的情况下，可以竞争使用数据信道进行通信。

所有的数据信道分为3类：第I类数据信道是当前正在被授权用户使用的数据信道；第II类数据信道是当前被相邻认知用户使用或预留的数据信道；第III类数据信道是当前既没被授权用户使用，也没被相邻认知用户使用或预留的数据信道。认知用户通过感知数据信道得知是否为第I类数据信道，通过接收相邻认知用户的控制信息得知是否为第II类数据信道；为了避免对授权用户或者相邻认知用户造成干扰，认知用户只能接入第III类数据信道。

每个认知用户配置两个半双工收发器，一个工作于控制信道上，总是监听控制信道或者收发控制信息；一个工作于数据信道上，能够动态的改变工作频段，对不同的数据信道进行感知或在不同的数据信道上收发数据。认知用户遵守802.11的CSMA/CA（无线通信协议标准）信道访问机制接入控制信道发送或接收控制信息。在满足一定条件的情况下，认知用户能够同时在多个数据信道上收发数据。

每个认知用户维护三个信道列表：数据信道列表LCL、相邻认知用户使用信道列表NCL和候选感知信道列表SCL。其中，图1a是列表LCL的示意图，如图1a所示，列表LCL记录所有数据信道的信息，LCL_ch.i表示数据信道i。图1b是列表NCL的示意图，如图1b所示，NCL记录相邻认知用户使用的数据信道的信息，其中NCL_neighbor.k表示相邻认知用户k，NCL_{neighbor.k_chi}表示相邻认知用户k正在使用的数据信道i，NCL_{neighbor.k_ch.i_rel-tiime.t}表示相邻认知用户k释放数据信道i的时刻t。根据LCL和NCL，认知用户确定自身的候选感知信道列表SCL，记录没有被相邻认知用户使用的数据信道，具体地，当且仅当数据信道i属于LCL且不属于NCL时，数据信道i属于SCL。图1c是列表SCL的示意图，如图1c所示，SCL_ch.i表示数据信道i在当前时刻属于候选感知信道列表SCL。

图2a是本发明实施例所述认知MAC协议的实现方法的流程图，图2b是本发明实施例所述认知MAC协议的实现方法的时序图(其中，A对应源认知用户，B对应目的认知用户)，如图2a和图2b所示，所述方法包括步骤：

A：源认知用户在需要发送数据时，向目的认知用户发送包含源认知用户的候选感知信道列表SCL_A的感知请求消息RTS。本发明方法中，认知用户只有在需要发送或接收数据时才感知信道，与认知用户无论是否需要发送或接收数据都必须每隔一段固定时间就进行感知的MAC协议相比，能够减少不必要的感知次数，并且具有更高的灵活性。

所述步骤A具体包括步骤：

A1：源认知用户在需要发送数据时，首先判断自身的候选感知信道列表SCL_A中是否存在当前时刻未被相邻认知用户使用的数据信道，如果是，执行步骤A2；否则，源认知用户不竞争接入控制信道，结束流程。通过这种判断机制，可以限制那些不符合条件的认知用户接入控制信道，从而限制其进行信道感知，可以进一步减少信道感知过程的能量开销浪费。

A2：源认知用户竞争接入所述控制信道，并通过所述控制信道向目的认知用户发送包含所述列表SCL_A的感知请求消息RTS。图3a是消息RTS的帧结构示意图，如图3a所示，该帧结构中的候选感知信道列表字段中记录了所述列表SCL_A。

B：目的认知用户接收所述消息RTS后，结合自身的候选感知信道列表SCL_B，确定感知信道集合Ω。

所述步骤B具体包括：

B1：目的认知用户接收所述消息RTS后，结合自身的候选感知信道列表SCL_B，计算得到感知信道集合Ω，判断所述集合Ω是否为空，如果为空，目的认知用户停止向源认知用户回复消息，执行步骤B2；否则，执行步骤C。

所述集合Ω的计算公式如下：

Ω＝SCL_A∩SCL_B。

B2：源认知用户在预定时间后未收到目的认知用户的回复消息，则广播第一NULL消息通知相邻认知用户感知信道预留失败，并退出对控制信道的占用，结束流程。图3b是所述第一NULL消息的帧结构示意图，如图3b所示，该帧结构中主要包括：目标节点地址和广播地址。目标节点地址对应于所述源认知用户，广播地址对应于所述源认知用户的相邻认知用户。

所述预定时间T’的计算公式如下：

T’=T_SIFS+T_CTS+2τ；

其中，T_SIFS为802.11CSMA/CA信道访问机制中一个SIFS间隔的时间长度；T_CTS为目的认知用户向源认知用户发送所述消息CTS的时间长度；τ为物理传输时延。

C：目的认知用户向源认知用户发送包含所述集合Ω的感知确认消息CTS；同时，目的认知用户对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录目的空闲数据信道的集合CCL_B，然后向源认知用户发送包含所述集合CCL_B的感知结果消息SRR。

所述步骤C具体包括步骤：

C1：目的认知用户向源认知用户发送包含所述集合Ω的感知确认消息CTS；同时，目的认知用户对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录目的空闲数据信道的集合CCL_B，判断所述集合CCL_B是否为空，如果为空，执行步骤C2；否则，向源认知用户发送包含所述集合CCL_B的感知结果消息SRR。图3c是所述消息CTS的帧结构示意图，如图3c所示，该帧结构中的感知信道列表字段记录了所述集合Ω的信息。图3d是所述消息SRR的帧结构示意图，如图3d所示，其中的候选信道列表字段对应于所述集合CCL_B。

C2：目的认知用户广播第二NULL消息通知相邻认知用户候选数据信道预留失败，并退出对控制信道的占用。所述第二NULL消息的帧结构与所述第一NULL消息的帧结构类似，只是其中的目标节点地址字段对应于所述目的认知用户，广播地址字段对应于所述目的认知用户的相邻认知用户；后述第三NULL消息、第四NULL消息和第五NULL消息均与所述第一NULL消息的帧结构类似，只是其中的目标节点地址字段和广播地址字段对应的认知用户相应改变，不再重复说明。

C3：源认知用户接收到所述第二NULL消息，广播第三NULL消息通知相邻认知用户候选数据信道预留失败，退出对控制信道的占用，结束流程。

D：源认知用户首先接收所述消息CTS，对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A；接着，源认知用户接收所述消息SRR，根据所述集合CCL_B和所述集合CCL_A确定预留数据信道集合RCL和源数据信道预留时间T_{SRES_DCH}；然后，源认知用户广播包含所述集合RCL和所述时间T_{SRES_DCH}的源节点数据信道预留消息SRES。

所述步骤D具体包括步骤：

D1：源认知用户首先接收所述消息CTS，对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A。

D2：接着，源认知用户接收所述消息SRR，根据所述集合CCL_B和所述集合CCL_A确定预留数据信道集合RCL。源认知用户感知所述集合Ω中的数据信道所花费的时间，与目的认知用户感知所述集合Ω中的数据信道所花费的时间相同，因此，当源认知用户感知完毕时，刚好收到所述消息SRR。

所述集合RCL的计算公式如下：

RCL＝CCL_A∩CCL_B。

D3：判断所述集合RCL是否为空，如果不为空，则源认知用户确定源数据信道预留时间T_{SRES_DCH}，然后广播包含所述集合RCL和所述时间T_{SRES_DCH}的源节点数据信道预留消息SRES，执行步骤E；否则，执行步骤D4。图3e是所述消息SRES的帧结构示意图，如图3e所示，其中的数据信道预留时间字段对应所述时间T_{SRES_DCH}，预留数据信道列表字段对应所述集合RCL。

所述时间T_{SRES_DCH}的计算公式如下：

$T_{\mathrm{SRES}\_\mathrm{DCH}}=\mathrm{\ΔT}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{\underset{i=1}{\overset{\left|\right|\mathrm{RCL}\left|\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BW}}_i}+T_{\mathrm{ACK}};$

其中，ΔT表示目的认知用户将数据收发器调整到所述集合RCL中的数据信道上所需要的时间；L_DATA表示源认知用户向目的认知用户发送的数据量；||RCL‖表示所述集合RCL中的元素数量；BW_i表示数据信道i的带宽；T_ACK表示目的认知用户接收到源认知用户的数据后发送数据确认消息ACK需要的时间。

D4：源认知用户广播第四NULL消息通知相邻认知用户数据信道预留失败，退出对控制信道的占用。

D5：目的认知用户接收到所述第四NULL消息，广播第五NULL消息通知相邻认知用户数据信道预留失败，退出对控制信道的占用，结束流程。

E：目的认知用户接收所述消息SRES后，确定目的数据信道预留时间T_{DRES_DCH}，然后广播包含所述集合RCL和所述时间T_{DRES_DCH}的目的节点数据信道预留消息DRES，同时把数据收发器调整到所述集合RCL中的数据信道上，用于准备接收源认知用户的数据。

所述时间T_{DRES_DCH}的计算公式如下：

T_{DRES_DCH}＝T_{SRES_DCH}-T_DRES-τ；

其中，T_DRES表示发送DRES消息所需的时间。

本领域技术人员容易想到，在所述步骤E之后还包括数据发送的相关步骤：

F：源认知用户通过所述集合RCL中的数据信道向目的认知用户发送所述数据。

G：目的认知用户接收所述数据，然后返回数据确认消息ACK。

在所述步骤A至E执行过程中，源认知用户和目的认知用户之外的非相关认知用户执行下列动作：

当非相关认知用户接收到所述消息RTS后，禁止接入所述控制信道，以避免在控制信道上干扰源认知用户和目的认知用户之间的控制信息交互以及感知信道预留过程。

当非相关认知用户接收到所述消息CTS后，禁止接入所述控制信道，以避免在控制信道上干扰源认知用户和目的认知用户之间的控制信息交互以及感知信道预留过程。

当非相关认知用户接收到所述第一NULL消息、所述第二NULL消息、所述第三NULL消息、所述第四NULL消息和所述第五NULL消息，以及所述消息SRES或所述消息DRES时，则认为所述控制信道空闲，允许竞争接入所述控制信道。

当非相关认知用户接收到所述消息SRES时，还检查所述SRES消息中的所述集合RCL，若数据信道i属于所述集合RCL，则添加下列信息到自身的列表NCL：

NCL_neighbor.A＝A；

NCL_{neighbor.A_chi}＝i；

NCL_{neighbor.A_chi_rel-time.t}＝T_CURRENT+T_{SRES_DCH}；

其中，A表示对应源认知用户的编号，T_CURRENT是非相关认知用户自身记录的当前时间；

同时，非相关认知用户产生一个数据信道退避时间：

NAV_DCH＝T_{DRES_DCH}，此时间内认为数据信道i被源认知用户预留或使用；

当NAV_DCH递减为零时，非相关认知用户自身的列表NCL中删除下列信息：

NCL_neighbor.A＝A；

NCL_{neighbor.A_chi}＝i；

NCL_{neighbor.A_ch.i_rel-time.t}＝T_CURRENT+T_{SRES_DCH}；

并添加下列信息到自身的列表SCL：SCL_ch.i＝i。

当非相关认知用户接收到目的认知用户的DRES消息，检查DRES消息中的所述集合RCL，若数据信道i属于所述集合RCL，则添加下列信息到自身的列表NCL：

NCL_neighbor.B＝B；

NCL_{neighbor.B_ch.i}＝i；

NCL_{neighbor.B_ch.i_rel-time.t}＝T_CURRENT+T_{DRES_DCH}；

其中，B表示对应目的认知用户的编号，T_CURRENT是非相关认知用户自身记录的当前时间；

同时，非相关认知用户产生一个数据信道退避时间：

NAV_DCH＝T_{DRES_DCH}，此时间内认为数据信道i被目的认知用户预留或使用；

当NAV_DCH递减为零时，从非相关认知用户自身的列表NCL中删除下列信息：

NCL_neighbor.B＝B；

NCL_{neighbor.B_ch.i}＝i；

NCL_{neighbor.B_ch.i_rel-time.t}＝T_CURRENT+T_{DRES_DCH}；

并添加下列信息到自身的列表SCL：SCL_ch.i＝i。

需要注意的是，非相关认知用户根据最近接收到的控制消息更新数据信道退避时间。退避时间的递减规则与802.11中的CSMA/CA控制接入方式中的退避时间递减规则相同，在此不再赘述。

本发明实施例所述认知MAC协议的实现方法，具有以下优势：认知用户只有在需要发送或接收数据时才感知信道，与认知用户无论是否需要发送或接收数据都必须每隔一段固定时间就进行信道感知的传统方法相比，能够减少不必要的感知次数，并且具有更高的灵活性，减少了能量开销；认知用户只有接入控制信道成功后，才进行信道感知，禁止接入控制信道失败的认知用户进行信道感知，进一步减少了能量开销；成功接入控制信道的收发双方认知用户通过协商确定需要感知的信道，保证了收发双方认知用户只感知有必要进行感知的信道，减少了认知用户感知的数据信道的数量，从而避免了认知用户进行不必要的数据信道感知，进一步减少了认知用户由于感知信道而带来的能量开销，延长了认知用户的工作时间；同时，本发明方法能够通过增加认知用户的数据传输时间来提高其吞吐量：在现有方法中，认知用户的数据传输时间=感知周期（授权用户最大可容忍干扰时间）—感知时间—控制信道竞争时间—控制信息发送时间，而在本发明方法中，认知用户的数据传输时间=授权用户最大可容忍干扰时间—感知时间—控制信息发送时间，即认知用户感知信道后不需要再竞争控制信道，并且由于需要感知的信道的数量减少从而所需的感知时间减少，从而提高了认知用户的数据传输时间。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1.一种认知MAC协议的实现方法，其特征在于，包括步骤：

A1：源认知用户在需要发送数据时，首先判断自身的候选感知信道列表SCL_A中是否存在当前时刻未被相邻认知用户使用的数据信道，如果是，执行步骤A2；否则，源认知用户不竞争接入控制信道，结束流程；

A2：源认知用户竞争接入所述控制信道，并通过所述控制信道向目的认知用户发送包含所述列表SCL_A的感知请求消息RTS；

B：目的认知用户接收所述消息RTS后，结合自身的候选感知信道列表SCL_B，确定感知信道集合Ω；

C：目的认知用户向源认知用户发送包含所述集合Ω的感知确认消息CTS；同时，目的认知用户对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录目的空闲数据信道的集合CCL_B，然后向源认知用户发送包含所述集合CCL_B的感知结果消息SRR；

D：源认知用户首先接收所述消息CTS，对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A；接着，源认知用户接收所述消息SRR，根据所述集合CCL_B和所述集合CCL_A确定预留数据信道集合RCL和源数据信道预留时间T_{SRES_DCH}；然后，源认知用户广播包含所述集合RCL和所述时间T_{SRES_DCH}的源节点数据信道预留消息SRES；

E：目的认知用户接收所述消息SRES后，确定目的数据信道预留时间T_{DRES_DCH}，然后广播包含所述集合RCL和所述时间T_{DRES_DCH}的目的节点数据信道预留消息DRES，同时把数据收发器调整到所述集合RCL中的数据信道上，用于准备接收源认知用户的数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1：目的认知用户接收所述消息RTS后，结合自身的候选感知信道列表SCL_B，计算得到感知信道集合Ω，判断所述集合Ω是否为空，如果为空，目的认知用户停止向源认知用户回复消息，执行步骤B2；否则，执行步骤C；

B2：源认知用户在预定时间后未收到目的认知用户的回复消息，则广播第一NULL消息通知相邻认知用户感知信道预留失败，并退出对控制信道的占用，结束流程。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述集合Ω的计算公式如下：

Ω＝SCL_A∩SCL_B。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预定时间T’的计算公式如下：

T’＝T_SIFS+T_CTS+2τ；

其中，T_SIFS为802.11CSMA/CA信道访问机制中一个SIFS间隔的时间长度；T_CTS为目的认知用户向源认知用户发送所述消息CTS的时间长度；τ为物理传输时延。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C具体包括步骤：

C1：目的认知用户向源认知用户发送包含所述集合Ω的感知确认消息CTS；同时，目的认知用户对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录目的空闲数据信道的集合CCL_B，判断所述集合CCL_B是否为空，如果为空，执行步骤C2；否则，向源认知用户发送包含所述集合CCL_B的感知结果消息SRR；

C2：目的认知用户广播第二NULL消息通知相邻认知用户候选数据信道预留失败，并退出对控制信道的占用；

C3：源认知用户接收到所述第二NULL消息，广播第三NULL消息通知相邻认知用户候选数据信道预留失败，退出对控制信道的占用，结束流程。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D具体包括步骤：

D1：源认知用户首先接收所述消息CTS，对所述集合Ω中的数据信道进行感知，记录源空闲数据信道的集合CCL_A；

D2：接着，源认知用户接收所述消息SRR，根据所述集合CCL_B和所述集合CCL_A确定预留数据信道集合；

D3：判断所述集合RCL是否为空，如果不为空，则源认知用户确定源数据信道预留时间T_{SRES_DCH}，然后广播包含所述集合RCL和所述时间T_{SRES_DCH}的源节点数据信道预留消息SRES；否则，执行步骤D4；

D4：源认知用户广播第四NULL消息通知相邻认知用户数据信道预留失败，退出对控制信道的占用；

D5：目的认知用户接收到所述第四NULL消息，广播第五NULL消息通知相邻认知用户数据信道预留失败，退出对控制信道的占用，结束流程。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤D3中，所述时间T_{SRES_DCH}的计算公式如下：

$T_{\mathrm{SRES}\_\mathrm{DCH}}=\mathrm{\ΔT}+\frac{L_{\mathrm{DATA}}}{\underset{i=1}{\overset{\left|\right|\mathrm{RCL}\left|\right|}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{BW}}_i}+T_{\mathrm{ACK}};$

其中，ΔT表示目的认知用户将数据收发器调整到所述集合RCL中的数据信道上所需要的时间；L_DATA表示源认知用户向目的认知用户发送的数据量；||RCL||表示所述集合RCL中的元素数量；BW_i表示数据信道i的带宽；T_ACK表示目的认知用户接收到源认知用户的数据后发送数据确认消息ACK需要的时间。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤E之后还包括步骤：

F：源认知用户通过所述集合RCL中的数据信道向目的认知用户发送所述数据；

G：目的认知用户接收所述数据，然后返回数据确认消息ACK。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤A至E执行过程中，源认知用户和目的认知用户之外的非相关认知用户执行下列动作：

当非相关认知用户接收到所述消息RTS后，禁止接入所述控制信道；

当非相关认知用户接收到所述消息CTS后，禁止接入所述控制信道；

当非相关认知用户接收到所述消息SRES或所述消息DRES时，则认为所述控制信道空闲，允许竞争接入所述控制信道；同时，非相关认知用户根据所述消息SRES或所述消息DRES，更新自身的相邻认知用户使用信道列表NCL，并且认为所述集合RCL中的数据信道在相应的退避时间内被预留或者使用。