CN103874226A

CN103874226A - 自组织网络中基于tdma的多址接入方法

Info

Publication number: CN103874226A
Application number: CN201410121052.4A
Authority: CN
Inventors: 李长乐; 陈睿; 张瑜; 郭超; 宋月阳
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103874226B

Abstract

本发明公开了一种自组织网络中基于TDMA的多址接入方法，主要解决目前Adhoc网络中的单信道MAC协议在实现时容易产生的分组冲突、网络吞吐量小、时延大的问题。其实现步骤是：1）划分信道为控制帧CF和传输帧TF，待接入节点监听到信道传输处于控制帧CF阶段时接入信道；2）待接入节点在接入信道时，利用与自己邻节点的三次握手机制选择传输子时隙接入信道；3）每个待接入节点选择自己的传输子时隙接入信道，在自己选择的传输子时隙中传输分组。本发明提高了网络吞吐量，提高了时隙资源利用率，避免了分组冲突，减小了网络开销，可用于自组织网络Ad hoc中的节点接入信道。

Description

自组织网络中基于TDMA的多址接入方法

技术领域

本发明属于无线网络通信技术领域，特别涉及一种多址接入方法，用于自组织网络Ad hoc中的节点接入信道，提高时隙资源利用率和网络吞吐量。

背景技术

自组织网络Ad hoc是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳自治系统，可在任何时候、任何地点快速地构建起来，是一种完全分布式的网络。该网络在军事、抢险、救灾及应急通信领域有着广泛的应用前景。近年来，适用于Ad hoc网络的媒质接入控制MAC协议不断出现，其核心在于有效、公平的分配信道资源，努力提高信道资源利用率。目前Ad hoc网络中的单信道MAC协议都被设计成在同一时刻、一跳范围内只能接受一对用户通信，即经过一次预约，邻域内只能实现一次点对点的传输，即彼此间隔大于三跳及三跳以上的节点才可以占用相同时隙传输。因此无论如何设计这类协议，在实现时会遇到冲突、网络吞吐量小、时延大、公平性差等性能瓶颈问题。除此之外，为支持多用户对有限的无线频谱资源的占用，完成多业务通信，通信设备的数据传输速率趋于高速化。

引入多输入多输出MIMO技术可以在不增加系统带宽和传输功率的前提下，成倍提高无线信道中的信道容量和数据传输速率，降低信道误码率，缩小干扰域。但是这些优势的体现需要合理的设计支持MIMO技术的MAC层协议才能充分发挥，因此研究支持MIMO技术的Ad hoc网络MAC协议成为了一个热点。

目前，MIMO MAC协议分类主要有以下几种：

基于流控，如最早研究MIMO技术并行通信能力的SCMA协议；

基于波束成型，如SPACA-MAC协议；

基于编码，如SDS-MAC协议；

基于跨层技术，如MIMA-MAC协议；

基于MIMO-OFDM技术，如MARI-BTMA协议；

基于调度，如MIMO-TTR协议。

除了上述类别的MIMO MAC协议可以解决目前的Ad hoc网络单信道MAC协议中存在的问题之外，基于TDMA机制，通过邻域内节点复用时隙接入信道，提高时隙资源利用率和网络吞吐量的多址接入协议也可以解决目前Ad hoc网络单信道MAC协议中存在的问题，但这类协议的研究成果却比较匮乏，特别是缺少通过利用MIMO技术，使相隔两跳及两跳以上的节点选择相同时隙接入信道的方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种自组织网络中基于TDMA的多址接入方法，以解决目前Ad hoc网络单信道MAC协议中存在的冲突、网络吞吐量小的问题。

本发明的技术方案通过如下步骤实现：

（1）将信道划分为时帧T，该时帧包括控制帧CF和传输帧TF，即T={CF，TF}，再将传输帧T分成若干个传输子时隙Si，i≥1；

（2）信道划分结束后，待接入节点首先要监听信道，如果此时信道传输处于传输帧TF阶段，则待接入节点不能接入信道，如果此时信道传输处于控制帧CF阶段，则待接入节点通过与邻节点三次握手选择传输子时隙接入信道：

2a）待接入节点向自己所有的邻节点发送传输子时隙请求帧TSR，请求这些邻节点给自己分配传输子时隙；

2b）待接入节点的邻节点收到待接入节点的TSR请求帧后，给待接入节点回复一个请求回复帧TSAR，该请求回复帧中包含各邻节点自己的邻节点时隙选择表；

2c）根据待接入节点是否收到邻节点回复的TSAR帧，选择待接入节点的传输子时隙：

2c1）如果待接入节点收到了邻节点回复的TSAR帧，根据TSAR帧中包含的邻节点时隙选择表，待接入节点将自己邻节点的传输子时隙选择信息写入自己的邻节点时隙选择表，同时选择自己的传输子时隙；

2c2）如果待接入节点没有收到邻节点回复的TSAR帧，则选择传输子时隙S1；

2d）待接入节点选择传输子时隙后，将此选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表中；

2e）待接入节点向自己的所有邻节点回复选择确认信息帧O-ACK，该信息帧包含待接入节点选择的传输子时隙信息；

2f）待接入节点的邻节点收到O-ACK信息帧后，将该信息帧中包含的待接入节点选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表中；

2g）待接入节点接入信道；

（3）每个待接入节点都通过步骤（2）选择自己的传输子时隙接入信道后，基于TDMA的多址接入过程结束。

本发明在目前的Ad hoc网络单信道MAC协议中引入MIMO技术，提出自组织网络中基于TDMA的多址接入方法。相较于目前的Ad hoc网络单信道MAC协议，具有如下优点：

1.网络吞吐量高。本发明由于降低了节点实现时隙复用需要满足的条件，增加了邻域内可复用时隙的网络节点数，提高了数据传输速率，即提高了网络吞吐量。

2.时隙资源利用率高。本发明中多个节点选择相同的传输子时隙，且这些节点之间的距离最小为两跳。而在目前的Ad hoc网络单信道MAC协议中，多个节点也可以选择相同的时隙，但这些节点之间的距离最小为三跳，本发明提高了时隙资源的利用率。

3.避免了分组冲突。本发明由于采用只有M个节点选择相同的传输子时隙，其中M≤m，m表示接收节点最大可解调的数据流个数，从而有效避免了分组冲突。

4.网络开销小。本发明中待接入节点通过与自己的邻节点三次握手接入信道，无需获取网络拓扑结构，节省了网络开销。

附图说明

图1是本发明的时帧结构图；

图2是本发明的实现流程图；

具体实施方式

参照图2，对本发明实现多址接入给出如下三种实施例。

实施例1，在待接入节点收到TSAR帧，且邻节点时隙选择表中存在被待接入节点的两跳邻节点选择了n次的传输子时隙的情况下，待接入节点选择传输子时隙接入信道的实现步骤。

步骤一，将信道划分为时帧T，该时帧包括控制帧CF和传输帧TF，即T={CF，TF}，再将传输帧T分成若干个传输子时隙Si，i≥1，如图1所示。在信道传输处于控制帧CF阶段时，待接入节点通过与邻节点三次握手来选择传输子时隙，从而接入信道，在信道传输处于传输帧TF阶段时，各接入节点在自己选择的传输子时隙中发送分组。

步骤二，划分信道结束后，待接入节点首先要监听信道，如果此时信道传输处于传输帧TF阶段，则待接入节点不能直接接入信道，需要不断监听信道，直到信道传输处于控制帧CF阶段，再通过与邻节点三次握手来选择传输子时隙，从而接入信道，具体步骤如下：

2b）待接入节点的邻节点收到待接入节点的TSR请求帧后，给待接入节点回复一个请求回复帧TSAR，该请求回复帧中包含各邻节点自己的邻节点时隙选择表，邻节点时隙选择表包含两项信息：一是本节点和自己邻节点的节点号；二是本节点和自己邻节点选择的传输子时隙；

2c）待接入节点收到邻节点回复的TSAR帧后，根据TSAR帧中包含的邻节点时隙选择表，待接入节点将自己邻节点选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表，同时选择自己的传输子时隙；

2d）待接入节点选择被自己的两跳邻节点选择了n次的传输子时隙；

2e）待接入节点选择传输子时隙后，将此选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表中；

2f）待接入节点向自己的所有邻节点回复选择确认信息帧O-ACK，该信息帧包含待接入节点选择的传输子时隙信息；

2g）待接入节点的邻节点收到O-ACK信息帧后，将该信息帧中包含的待接入节点选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表中；

2h）待接入节点接入信道。

实施例2，在待接入节点收到TSAR帧，且邻节点时隙选择表中的所有传输子时隙都被待接入节点的两跳邻节点选择了m次，或者是邻节点时隙选择表中的所有传输子时隙都被待接入节点的邻节点选择的情况下，待接入节点选择传输子时隙接入信道的实现步骤。

步骤1，与实施例1中的步骤一相同。

步骤2，划分信道结束后，待接入节点首先要监听信道，如果此时信道传输处于传输帧TF阶段，则待接入节点不能接入信道，需要不断监听信道，直到信道传输处于控制帧CF阶段，则待接入节点通过与邻节点三次握手来选择传输子时隙，从而接入信道，具体描述如下：

2.1）待接入节点向自己所有的邻节点发送传输子时隙请求帧TSR，请求这些邻节点给自己分配传输子时隙；

2.2）待接入节点的邻节点收到待接入节点的TSR请求帧后，给待接入节点回复一个请求回复帧TSAR，该请求回复帧中包含各邻节点自己的邻节点时隙选择表，邻节点时隙选择表包含两项信息：一是本节点和自己邻节点的节点号；二是本节点和自己邻节点选择的传输子时隙；

2.3）待接入节点收到邻节点回复的TSAR帧后，根据TSAR帧中包含的邻节点时隙选择表，待接入节点将自己邻节点选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表，同时选择自己的传输子时隙；

2.4）邻节点时隙选择表中的传输子时隙都不能被选择，此时待接入节点按如下规则选择传输子时隙：

若不能选择的传输子时隙Si连续，即i值连续，且min[i]-1<1，则待接入节点选择传输子时隙为Smin[i]-1，否则，选择Smax[i]+1；

若不能选择的传输子时隙Si由于缺失Sv不连续，即i值由于缺失v值不连续，则待接入节点选择的传输子时隙为Sv，其中min[i]＜v＜max[i]；

2.5）待接入节点选择传输子时隙后，将此选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表中；

2.6）待接入节点向自己的所有邻节点回复选择确认信息帧O-ACK，该信息帧包含待接入节点选择的传输子时隙信息；

2.7）待接入节点的邻节点收到O-ACK信息帧后，将该信息帧中包含的待接入节点选择的传输子时隙信息写入自己的邻节点时隙选择表中；

2.8）待接入节点接入信道。

实施例3，在待接入节点没有收到TSAR帧的情况下，待接入节点选择传输子时隙接入信道的实现步骤。

第一步，与实施例1中的步骤一相同。

第二步，划分信道结束后，待接入节点首先要监听信道，如果此时信道传输处于传输帧TF阶段，则待接入节点不能接入信道，需要不断监听信道，直到信道传输处于控制帧CF阶段，则待接入节点通过与邻节点三次握手来选择传输子时隙，从而接入信道，具体描述如下：

2C）待接入节点没有收到邻节点回复的TSAR帧，即该节点没有邻节点，选择传输子时隙S1；

2E）待接入节点向自己的所有邻节点回复选择确认信息帧O-ACK，该信息帧包含待接入节点选择到的传输子时隙信息；

2G）待接入节点接入信道。

以上描述仅是本发明的三种情况实例，并不构成对发明的任何限制。显然，对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种自组织网络中基于TDMA的多址接入方法，包括如下步骤：

2g）待接入节点接入信道；

2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于步骤2c1）中所述的待接入节点根据收到的邻节点回复给自己的TSAR帧中包含的邻节点时隙选择表，选择自己的传输子时隙，按如下步骤进行：

2c11）若邻节点时隙选择表中存在传输子时隙，且该传输子时隙被待接入节点的两跳邻节点选择了n次，则选择该传输子时隙，其中n<m，m表示接收节点最大可解调的数据流个数；

2c12）若邻节点时隙选择表中的所有传输子时隙都被待接入节点的两跳邻节点选择了m次，则这些传输子时隙都不能被选择，执行步骤2d14）；

2c13）若邻节点时隙选择表中的所有传输子时隙都被待接入节点的邻节点选择，则这些传输子时隙都不能被选择，执行步骤2d14）；

2c14）若不能选择的传输子时隙Si连续，即i值连续，且min[i]-1<1，则待接入节点选择传输子时隙为Smin[i]-1，否则，选择Smax[i]+1；若不能选择的传输子时隙Si由于缺失Sv不连续，即i值由于缺失v值不连续，其中min[i]＜v＜max[i]，则待接入节点任选一个传输子时隙Sv。