CN102883277B - 基于可靠多播mac层协议的协同通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法，包括以下步骤：1)当信道差的节点传输中出现错误时，向相邻的信道质量好的目的节点请求数据，并将其作为中继节点；2)中继节点在把数据包转发给下一条的用户时，同时利用无线通信的广播特性，向之前出现错误的节点发送数据。与现有技术相比，本发明具有可提供可靠的通信服务、提高网络的总体流量、充分利用多播本身的树状传输性质以及成功解决无线通信中隐藏站、暴露站问题等优点。

Description

基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法

技术领域

本发明涉及一种无线通信技术，尤其是涉及一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法。

背景技术

在计算机网络中，一般分为物理层，数据链路层，网络层，传输层和应用层五个层次。而数据链路层中的MAC(介质访问控制)子层里的协议设计一直是业界研究的热门话题。传统的多播一般在视频和音频等多媒体应用，这类应用允许一定容错率，并不需要可靠的数据连接，但是近来很多的应用更加需要可靠的数据连接。比如：一对多的多终端数据文件传输的多播应用，学校里师生之间的一对多的多播系统等等。这些应用需要可靠的数据传输作为保障。但不足的是，现在最常用的802.11wifi中的MAC协议并没有提供可靠的数据多播，因此设计一种可靠的MAC层多播协议是十分有必要的。

协同通信是无线通信领域一个比较热门的话题，比如最新的4G LTE标准中的虚拟MIMO技术就利用了不同终端之间配对，形成的虚拟多天线(V-MIMO)进行协同通信。把协同通信的概念引入MAC协议的设计也是近期一个热门的研究领域，在无线信道质量较差的情况下，协同通信能够显著地降低通信误码率。然而，相对于许多在单播(unicast)中引入中继节点来进行协同通信的研究，协同通信在多播(multicast)MAC层协议的应用少之又少。因此，在多播中引入协同通信是一种十分新颖的想法。

传统无线通信中的协同通信，都是在通信的源节点(发送)和目标节点(接收)之外，再寻找一个中继节点，该中继节点在源节点和目标节点之间起到一个增加信号强度、降低误码率的作用。一般来说，中继节点和源节点S以及目标节点D之间的信道质量都比较好，因此数据包通过中继节点传输，能够比从源节点直接传输到目标节点更有效率。然而，在多播应用中，由于源节点只有一个，而目标节点有很多个，所以为每一个信道质量不佳的目标节点寻找一个中继节点，会造成极大的资源浪费，因此传统的单播协同通信MAC协议并不适合在多播中应用。而当前在多播MAC协议大多都处于使用多个单播来模拟一个多播的阶段，其效率可想而知是不高的。因此为多播设计一个专门的协同通信协议显得十分有必要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提供可靠的通信服务、提高网络的总体流量、充分利用多播本身的树状传输性质以及成功解决无线通信中隐藏站、暴露站问题的基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法，其特征在于，利用无线通信中的广播特性，利用多播中信道好的节点，来帮助信道较差的节点进行传输，该方法包括以下步骤：

1)信道质量差的节点在传输中出现错误时，向相邻信道质量好的目的节点请求数据，并将其作为中继节点；

2)中继节点在把数据包转发给下一条的用户时，同时利用无线通信的广播特性，向之前出现错误的节点发送数据。

该方法具体步骤如下：

a)竞争信道成功的源节点向所有目标节点发送RTS(Request To Send)信号来预约信道，而竞争信道失败的源节点将自己的退避窗口CW(Contention Window)翻倍之后继续等待；

b)多个目的节点收到RTS之后，等待SIFS(Short Inter-Frame Space)时间后，回复CTS(Clear To Send)；

c)源节点收到所有的CTS之后，经过一个SIFS时间后，开始发送数据帧，该数据帧中包含了MAC头和整体数据，所有目的节点同时开始监听数据包；

d)所有目的节点判断是否解码成功，若为是，发送ACK，并执行步骤f)，若为否，发送NACK，同时监听所有的ACK强度，来选择一个信号质量最好的接收成功的节点加入协同通信，并执行步骤e)；

e)所有发送了NACK的节点再按照发送NACK的先后顺序，发送RTR(Requestto Retransmit)给各自选择的用于协同通信的节点；

f)所有源节点等待DIFS之后开始竞争下一次会话。

所述的RTS中包含了源节点地址、目的节点地址以及通信的持续时间；当目的节点收到RTS之后，发送CTS预约信道；当非目的节点的其他节点收到RTS时，设置网络向量分配保持空闲直到通信结束再次参与竞争；

其中RTS帧格式如表1所示，

所述的回复CTS包括了持续时间以及当前目的节点的地址，该回复CTS的顺序与RTS中目的节点地址的顺序一致。

所述的ACK中包含发送ACK的目的节点的MAC地址。

其中CTS帧与ACK帧格式如表2所示，

所述的RTR中包含申请重新传输的节点和它所选择加入协同通信的节点；若一个节点在成功接收后发现有RTR需要它进行协同传输，那么在下一次会话中的目的地址列表里接入该接收失败的节点。

本发明中的通信设备终端是通用的，比如手机，电脑，路由器或者其他提供无线网络链接且在同一标准下的设备都可以通过本MAC协议互相通信。设备终端通过天线收集到信号之后，交给其无线网卡负责所有物理层以及数据链路层的工作。无线网卡将信号解码后成功接收，再把其组包为数据发给上层的数据处理器，比如MCU或者CPU等。所有的设备可以组成一个ad-hoc自组织网络，通过多跳的方式进行传输。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、提供可靠的通信服务，由于通信过程中的协议采用了数据包解码检测和ack的多方握手机制，如果数据传输出错会立刻重传，因此在一跳的通信内其MAC层数据传输可靠。

2、提高网络的总体流量，在信道质量较差的情况下，本发明中如果传输出错，立即采用协同通信机制，让最优的节点负责重传，这样可以降低误码率，从而减少再次重传的可能性，提高网络流量。

3、充分利用多播本身的树状传输性质，由于在协同通信过程中选出的用于协助的节点R，本身也是多播中的一跳，本来就要作为多播中的下一个源节点向其他目的节点发送数据，因此在节点R的传输目标中加入上一次接收失败的节点并不会占用额外资源。

4、成功解决无线通信中隐藏站、暴露站问题，隐藏站、暴露站问题通常使用RTS，CTS的两次握手机制来解决，本协议重传的过程，由于集成在下一次传输中，因此可以在重传中也保证解决隐藏站、暴露站的问题。其中在无线环境中，隐藏站和暴露站问题是不可避免的，假设有A、B、C三个终端，隐藏站问题是这样的：当前C正在给B传输数据，但A并不在C的传输范围中，所以A就不能发现B正接收数据，如果A尝试给B发送数据，就会造成冲突。暴露站问题则如下：假设A正在给传输范围中的另一个节点(不是C，C在A的传输范围外)传输，此时B准备给C传输，但通过监听，B会认为此时传输会失败，而事实上A的传输不会影响B、C之间的传输。

附图说明

图1为本发明源节点的MAC通信流程图；

图2为本发明目的节点的MAC通信流程图；

图3为本发明中继节点的MAC通信流程图；

图4为本发明实现的硬件结构示意图；

图5a、图5b为本发明协同工作的可靠多播MAC协议示意图；

图6为本发明MAC协议示意图。

其中，图1-图3中的源节点的多播有4个目标节点，其中有n个节点发生了误码，而目的节点的流程图若发生误码，为4个节点中的第k个节点。

图4中的S为源节点，Dn为第n跳的目的节点，Dn-1为第n跳中的源节点；

图5a为传输失败，图5b为协同重传；

图6中三个节点分别为A、B、C，其中A为源节点，B和C为多播的目的节点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图5a、图5b为实例的场景，其中A为源节点，B和C为目的节点。B在传输过程中发生了误包(图5a)，从而请求C节点进行协同重传(图5b)。其中A和B之间的信道质量较差，B和C的信道质量较好。

图6为所示的MAC协议图。以其中的三个节点A、B、C为例子。图中包含了RTS、CTS、DATA、ACK、NACK以及RTR的传输过程。图6是整个MAC协议的工作方法。

第一步中，A节点发送RTS，B和C负责接收。RTS中包含了所有目的节点的地址，在途中由于只有B和C两个目的节点，所以目的节点地址占用RTS中的12个字节；在MAC层协议中，RTS代表源节点对发起会话的声明，以及对其他节点表示自己对信道的预约；在RTS包中，B和C的地址按先后顺序排列。

第二步中，B和C节点都返回给A一个CTS。CTS的顺序和RTS包中一样，那么CTS即是目标节点对源节点准备好通信的回复，也是对其他节点表示本次会话对信道的预约。

第三步中，A负责给B和C发送数据，但是B中出现了误包。其中是否误包主要由数据帧的校验位校验是否出错而决定。

第四步中，B由于误包，发送一个NACK给A，NACK的结构和ACK基本一致，只需要在控制帧稍作改动，而C成功接收，发送一个ACK，该ACK被B所监听到，因此B选择C作为协同通信的节点。

第五步中，B发送RTR给C，请求C重新传输。RTR应该和802.11b单播中的RTS结构是一样的，既包含了B的地址，也包含了C的地址。

第六步中，C发送CTR给B，进行双向握手确认。此次RTR和CTR和之前的RTS和CTS的作用并不同，他们并不是为了解决隐藏站和暴露站的问题存在的，仅仅是单纯的握手确认而已。C在结束双方握手以后，把B加入到下一次转发该数据包的目标节点中。也就是说，在C的下一次转发此包时，还要重复上述协议，和B经历一次握手的过程。

如图5所示，图中的三个节点可以是路由器、电脑或者手机等等安装了无线网卡的设备。A节点可能是电脑主机，想把文件发给B、C等移动设备，提供可靠的数据服务。本发明的设备由一台或多台包含天线、无线网卡以及微型计算机的移动终端组成。一台终端充当数据的发送源，而另外几台终端充当数据的接收器，或者转发器。

本发明改进于传统的CSCA\MA的方式，在802.11协议中接入了对可靠多播传输以及协同通信的支持。多个终端构成自组织网络之后，通过本发明中设计的协议，可以在信道质量较差的情况下，通过解码失败的目标节点寻找信道质量较好的其他目标节点进行协同传输，从而大大降低了通信的误码率，提高了系统效率，并节省了资源。

Claims (4)

1.一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)信道质量差的节点在传输中出现错误时，向相邻信道质量好的目的节点请求数据，并将其作为中继节点；

2)中继节点在把数据包转发给下一条的用户时，同时利用无线通信的广播特性，向之前出现错误的节点发送数据；

该方法具体步骤如下：

a)竞争信道成功的源节点向所有目标节点发送RTS信号来预约信道，而竞争信道失败的源节点将自己的退避窗口CW翻倍之后继续等待；

b)多个目的节点收到RTS之后，等待SIFS时间后，回复CTS；

c)源节点收到所有的CTS之后，经过一个SIFS时间后，开始发送数据帧，该数据帧中包含了MAC头和整体数据，所有目的节点同时开始监听数据包；

d)所有目的节点判断是否解码成功，若为是，发送ACK，并执行步骤f)，若为否，发送NACK，同时监听所有的ACK强度，来选择一个信号质量最好的接收成功的节点加入协同通信，并执行步骤e)；

e)所有发送了NACK的节点再按照发送NACK的先后顺序，发送RTR给各自选择的用于协同通信的节点；

f)所有源节点等待DIFS之后开始竞争下一次会话；

所述的RTS中包含了源节点地址、目的节点地址以及通信的持续时间；当目的节点收到RTS之后，发送CTS预约信道；当非目的节点的其他节点收到RTS时，设置网络向量分配保持空闲直到通信结束再次参与竞争。

2.根据权利要求1所述的一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法，其特征在于，所述的回复CTS包括了持续时间以及当前目的节点的地址，该回复CTS的顺序与RTS中目的节点地址的顺序一致。

3.根据权利要求2所述的一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法，其特征在于，所述的ACK中包含发送ACK的目的节点的MAC地址。

4.根据权利要求3所述的一种基于可靠多播MAC层协议的协同通信方法，其特征在于，所述的RTR中包含申请重新传输的节点和它所选择加入协同通信的节点；若一个节点在成功接收后发现有RTR需要它进行协同传输，那么在下一次会话中的目的地址列表里接入该接收失败的节点。