CN104065720A - 基于即时转发的mac协议 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于即时转发的MAC协议，该协议通过如下步骤实现：自组路由步骤，节点根据ROUT_REQ帧、响应帧ROUT_ACK和确认帧ROUT_CNFM生成自组路由；以及传输步骤，对节点进行分类，分类后的节点根据自组路由获得目标地址，并根据目标地址将数据包进行发送或接收。根据本发明实施例的即时转发的MAC协议，通过自组路由以及对握手机制的改进，使得在转发过程中利用所转发的信号进行同步校验，同时支持双向对传、单向即时转发，还可以解决隐藏节点问题，降低端到端延迟，提升吞吐率和全双工网络性能。

Description

基于即时转发的MAC协议

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于即时转发的MAC协议。

背景技术

无线半双工通信在同一频率同一时隙只能进行发送或者接收，二者取其一；而无线全双工通信能实现同一频率同一时隙的同时收发，从而获得双倍吞吐率。由于过去几十年中自干扰抵消技术并不成熟，使得无线通信受到严重的自干扰影响，无线通信系统基本上都是采用半双工模式。

近年来自干扰抵消领域有了突破性研究，可以达到良好的抵消效果，为全双工模式的实现提供了可能性。自干扰抵消包含了射频域、模拟域以及数字域三部分的工作。在射频域通过半波长反相抵消等措施避免射频接收信号被淹没；在模拟域利用去噪芯片基于自发送信号进行自干扰滤除，减少模数转换器输入端处的自干扰；在数字域则进一步滤除由射频、模拟电路的非线性以及振荡器的相位噪声所产生的残余自干扰。

为了应用无线全双工通信技术，除了以上提到的实用硬件电路自干扰抵消技术，还需要特殊的介质访问控制(MAC)全双工协议对通信进行控制，以实现系统吞吐率的实际提升。

虽然有一些全双工MAC协议，但是在数据包多跳转发场景中并非基于即时转发的工作机制，导致中转数据包的端到端延迟较高，此外，在传输数据之前进行了三次握手，存在次数偏多等问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明需要提供一种基于即时转发的MAC协议。

有鉴于此，本发明的实施例提出一种基于即时转发的MAC协议，该协议通过如下步骤实现：自组路由步骤，节点根据ROUT_REQ帧、响应帧ROUT_ACK和确认帧ROUT_CNFM生成自组路由；以及输步骤，对节点进行分类，分类后的所述节点根据所述自组路由获得目标地址，并根据所述目标地址以及SEND_REQ帧和SEND_RESPONSE帧完成握手将数据包进行发送或接收。

根据本发明实施例的即时转发的MAC协议，通过自组路由以及对握手机制的改进，使得在转发过程中利用所转发的信号进行同步校验，同时支持双向对传、单向即时转发，还可以解决隐藏节点问题，降低端到端延迟，提升吞吐率和全双工网络性能。

在本发明的一个实施例中，所述自组路由步骤具体包括：所述节点发送所述ROUT_REQ帧进行路由请求，并等待来自终端节点的所述响应帧ROUT_ACK；所述终端节点接收到所述ROUT_REQ帧后提取节点地址，并随机退避后发送所述相应帧ROUT_ACK，等待所述确认帧ROUT_CNFM；所述节点接收所述确认帧ROUT_ACK后，提取所述源地址加入到路由表中，等待一个SIFS时隙后发送一个所述确认帧ROUT_CNFM；以及所述终端节点接收到所述确认帧ROUT_CNFM以完成所述自组路由的生成。

在本发明的一个实施例中，所述自组路由步骤具体还包括：当所述终端节点等待10个所述确认帧ROUT_CNFM时隙仍未收到目标地址为自节点地址的所述确认帧ROUT_CNFM，则根据CSMA/CA发送一个所述相应帧ROUT_ACK，继续等待所述确认帧ROUT_CNFM。

在本发明的一个实施例中，对所述节点进行分类包括：将以发送一个所述SEND_REQ帧为开始的节点定义为第一类节点；将以接收到一个所述SEND_REQ帧为开始的节点定义为第二类节点；以及将以接收到一个SEND_RESPONSE帧为开始的节点定义为第三类节点。

在本发明的一个实施例中，当所述节点为所述第一类节点时，所述传输步骤具体包括：步骤S101，所述第一类节点发送所述SEND_REQ帧为Frame1时，等待来自所述节点的所述响应帧SEND_RESPONSE转到步骤S102；步骤S102，接收SEND_RESPONSE帧并提取目标地址，当所述目标地址与所述Frame1中的目标地址一致时，转到步骤S103，当所述目标地址与自节点地址一致时，转到步骤S104，否则根据所述SEND_RESPONSE帧中的数据长度保持相应时长的静默区间并结束；步骤S103，等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，同时监听路由中转节点所即时转发的数据包，并进行校验，发送完毕后保持一个DATA_ACK时隙的静默；以及步骤S104，等待一个所述SIFS时隙后开始传输所述数据包队列，同时接收目标节点发送给自节点的数据包，在发送完毕且完成接收后，发送ACK。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤S103中，自节点队列存在已校验正确的数据包时删除所述已校验正确的数据包。

在本发明的一个实施例中，当所述路由节点为所述第二类节点时，所述传输步骤具体包括：步骤S111，若节点为路由节点时，转到步骤S112，否则转到步骤S114；步骤S112，若接收到的所述SEND_REQ帧中的目标地址为路由表中的节点，则等待一个所述SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，等待接收数据队列，再转到步骤S113，否则结束；步骤S113，接收数据包队列并即时转发，转发完毕后等待接收DATA_ACK帧；步骤S114，若接收到SEND_REQ帧中的目标地址为自节点地址，则等待一个所述SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，等待一个所述SIFS时隙后开始发送数据包队列，同时接收数据包，发送和接收完毕后，发送ACK。

在本发明的一个实施例中，当所述路由节点为所述第三类节点时，所述传输步骤具体包括：步骤S111，若接收到的SEND_RESPONSE帧中的目标地址等于自节点地址，则转步骤S112，否则保持与该帧中的数据包队列长度等时长的静默；步骤S112，等待接收数据包队列，接收完毕后等待一个所述SIFS时隙后发送ACK。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1为根据本发明一个实施例的基于即时转发的MAC协议的实现流程图；

图2为根据本发明一个实施例的MAC协议的流程示意图；

图3为根据本发明一个实施例的双向对传和单向即时转发的示意图；以及

图4为根据本发明另一个实施例的三点单向即时转发的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个实施例的基于即时转发的MAC协议的实现流程图。如图1所示，根据本发明实施例的基于即时转发的MAC协议的实现过程如下：节点根据ROUT_REQ帧、响应帧ROUT_ACK和确认帧ROUT_CNFM生成自组路由(步骤101)。对节点进行分类，分类后的节点根据自组路由获得目标地址，并根据目标地址以及SEND_REQ帧和SEND_RESPONSE帧完成握手将数据包进行发送或接收(步骤102)。

在本发明的一个实施例中，MAC协议使用ROUT_REQ、ROUT_ACK和ROUT_CNFM帧完成自组路由过程。其中，ROUT_REQ帧包含源地址以及跳数；ROUT_ACK帧包含源地址、目标地址、源节点类型以及跳数；ROUT_CNFM帧包含源地址、目标地址以及跳数。使用SEND_REQ、SEND_RESPONSE帧完成握手过程；SEND_REQ帧包含源地址、目标地址以及数据长度；SEND_RESPONSE帧包含源地址、目标地址、申请发起地址以及数据长度。

在本发明的一个实施例中，SEND_REQ帧包含源地址、目标地址以及数据长度，SEND_RESPONSE帧包含源地址、目标地址、申请发起地址以及数据长度。ROUT_REQ帧包含源地址以及跳数；ROUT_ACK帧包含源地址、目标地址、源节点类型以及跳数，ROUT_CNFM帧包含源地址、目标地址以及跳数

通过如下方式将节点分为三类。

第一类节点：将以发送一个SEND_REQ帧定义为开始的节点。

第二类节点：将以接收到一个SEND_REQ帧定义为开始的节点。

第三类节点：将以接收到一个SEND_RESPONSE帧定义为开始的节点。

将第一类、第二类、第三类节点分别表示为X、Y和Z，短帧间隔(SIFS)的定义与IEEE802.11的定义相同。

具体MAC协议描述如下：

步骤S101具体如下：

A、路由节点发送ROUT_REQ帧进行路由请求，等待来自终端节点的响应帧ROUT_ACK。

B、终端节点接收ROUT_REQ帧后提取路由节点地址，随机退避后发送ROUT_ACK，等待来自路由节点的路由确认帧ROUT_CNFM。

C、路由节点接收ROUT_ACK帧后，提取源地址加入路由表中，等待一个SIFS时隙后基于CSMA/CA发送一个确认帧ROUT_CNFM。

D、终端节点若等待10个ROUT_CNFM时隙仍未收到目标地址为自节点地址的ROUT_CNFM，则再次基于CSMA/CA发送一个ROUT_ACK，继续等待ROUT_CNFM帧。

E、判断结束。

步骤S102具体如下：

A、第一类节点的数据包收发过程具体为：

a)、X发送SEND_REQ帧Frame1，等待来自路由节点的响应帧SEND_RESPONSE，转到b。

b)、接收到SEND_RESPONSE帧并进行目标地址提取，若目标地址与Frame1中一致，则转c；若目标地址与自节点地址一致，则转d，否则根据所述SEND_RESPONSE帧中的数据长度保持相应时长的静默区间并结束。

c)、等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，发送过程中同时监听路由中转节点所即时转发的数据包并校验，从自节点队列中删除已校验正确的数据包，发送完毕后保持一个DATA_ACK时隙的静默，结束。

d)、等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，发送过程中同时接收目标节点发送给自节点的数据包，在发送完毕且完成接收后，发送ACK，结束。

B、第二类节点的数据包收发过程具体为：

a)、若该节点为路由节点，转b，否则转到d。

b)、若接收到的SEND_REQ帧中的目标地址为路由表中的节点，则等待一个SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，其中的目标地址、申请发起地址、数据包队列长度和源地址分别等于SEND_REQ帧中的目标地址、源地址、数据包队列长度和自节点地址，等待接收数据队列，转到c，否则结束。

c)、接收数据队列并即时转发，转发完毕后等待接收DATA_ACK。

d)、若接收到SEND_REQ帧中的目标地址为自节点地址，则等待一个SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，其中的目标地址、申请发起地址、数据包队列长度和源地址分别等于SEND_REQ帧中的源地址、源地址、自节点待发送给该节点的数据包长度和自节点地址，等待一个SIFS时隙后开始发送数据包队列，同时接收数据包，发送和接收完毕后，发送ACK，结束。

C、第三类节点的数据包收发过程具体为：

a)、若接收到的SEND_RESPONSE帧中的目标地址等于自节点地址，则转到b，否则保持与该帧中的数据包队列长度等时长的静默，结束；

b)、等待接收数据包队列，接收完毕后等待一个SIFS时隙后发送ACK，结束。

图2为根据本发明一个实施例的MAC协议的流程示意图。如图2所示，节点b作为路由节点，在自组路由阶段发起路由请求，发送ROUT_REQUEST帧，终端节点a和c各自随机退避一段时间后发送ROUT_ACK进行回应，节点b等待一个SIFS时隙后基于CSMA/CA发送ROUT_CNFM进行确认，完成一个三次握手的自组路由过程。

图3为根据本发明一个实施例的双向对传和单向即时转发的示意图。如图3所示，节点a有数据发送给节点b，检测到信道空闲且计数器为零时，发起连接请求，发送一个SEND_REQUEST帧，a的邻节点根据该帧信息保持相应时长的静默，节点b收到该帧后等待一个SIFS后发送一个SEND_RESPONSE帧进行回应，若此时节点b也有数据包需要发送给a，则该SEND_RESPONSE帧包含b将发给a的数据包数。节点b的邻节点监听到该帧后自动保持静默，静默时长等于b发给a的总包长。节点a成功接收到来自b的SEND_RESPONSE帧即为握手成功，a和b等待一个SIFS后开始互传数据。节点a和b双方发送完毕后等待一个SIFS后互发DATA_ACK。

图4为根据本发明另一个实施例的三点单向即时转发的示意图。如图4所示，节点a需要发送数据包给c，基于CSMA/CA发起一个连接请求，发送一个SEND_REQUEST帧，目标地址为c。b节点在接收到该帧后，检查到c为其路由表中的节点，因为等待一个SIFS后发送一个SEND_RESPONSE进行回应，该帧包含源地址b，目标地址c，申请发起地址a和数据包数等信息。节点c收到该帧后保持相应时长的静默。此后a等待一个SIFS时隙，开始发送数据包序列，b接收到数据包并在成功解析包头后进行即时转发。节点a在发送数据的同时监听b所转发的数据包，据此对a→b段的通信进行校验，并从待发送队列中删除已成功发送的数据包。节点c在b发送完所有数据包后，等待一个SIFS时隙后发送DATA_ACK。

根据本发明实施例的即时转发的MAC协议，通过自组路由以及对握手机制的改进，使得在转发过程中利用所转发的信号进行同步校验，同时支持双向对传、单向即时转发，还可以解决隐藏节点问题，降低端到端延迟，提升吞吐率和全双工网络性能。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种基于即时转发的MAC协议，其特征在于，所述协议通过如下步骤实现：

自组路由步骤，节点根据ROUT_REQ帧、响应帧ROUT_ACK和确认帧ROUT_CNFM生成自组路由；以及

传输步骤，对节点进行分类，分类后的所述节点根据所述自组路由获得目标地址，并根据所述目标地址以及SEND_REQ帧和SEND_RESPONSE帧完成握手将数据包进行发送或接收。

2.如权利要求1所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，所述自组路由步骤具体包括：

所述节点发送所述ROUT_REQ帧进行路由请求，并等待来自终端节点的所述响应帧ROUT_ACK；

所述终端节点接收到所述ROUT_REQ帧后提取节点地址，并随机退避后发送所述相应帧ROUT_ACK，等待所述确认帧ROUT_CNFM；

所述节点接收所述确认帧ROUT_ACK后，提取所述源地址加入到路由表中，等待一个SIFS时隙后发送一个所述确认帧ROUT_CNFM；

所述终端节点接收到所述确认帧ROUT_CNFM以完成所述自组路由的生成。

3.如权利要求2所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，所述自组路由步骤具体还包括：

当所述终端节点等待10个所述确认帧ROUT_CNFM时隙仍未收到目标地址为自节点地址的所述确认帧ROUT_CNFM，则根据CSMA/CA发送一个所述相应帧ROUT_ACK，继续等待所述确认帧ROUT_CNFM。

4.如权利要求1所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，对所述节点进行分类包括：

将以发送一个所述SEND_REQ帧为开始的节点定义为第一类节点；

将以接收到一个所述SEND_REQ帧为开始的节点定义为第二类节点；以及

将以接收到一个SEND_RESPONSE帧为开始的节点定义为第三类节点。

5.如权利要求4所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，当所述节点为所述第一类节点时，所述传输步骤具体包括：

步骤S101，所述第一类节点发送所述SEND_REQ帧为Frame1时，等待来自所述节点的所述响应帧SEND_RESPONSE转到步骤S102；

步骤S102，接收SEND_RESPONSE帧并提取目标地址，当所述目标地址与所述Frame1中的目标地址一致时，转到步骤S103，当所述目标地址与自节点地址一致时，转到步骤S104，否则根据所述SEND_RESPONSE帧中的数据长度保持相应时长的静默区间并结束；

步骤S103，等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，同时监听路由中转节点所即时转发的数据包，并进行校验，发送完毕后保持一个DATA_ACK时隙的静默；以及

步骤S104，等待一个所述SIFS时隙后开始传输所述数据包队列，同时接收目标节点发送给自节点的数据包，在发送完毕且完成接收后，发送ACK。

6.如权利要求5所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，在所述步骤S103中，自节点队列存在已校验正确的数据包时删除所述已校验正确的数据包。

7.如权利要求4所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，当所述路由节点为所述第二类节点时，所述传输步骤具体包括：

步骤S111，若节点为路由节点时，转到步骤S112，否则转到步骤S114；

步骤S112，若接收到的所述SEND_REQ帧中的目标地址为路由表中的节点，则等待一个所述SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，等待接收数据队列，再转到步骤S113，否则结束；

步骤S113，接收数据包队列并即时转发，转发完毕后等待接收DATA_ACK帧；

步骤S114，若接收到SEND_REQ帧中的目标地址为自节点地址，则等待一个所述SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，等待一个所述SIFS时隙后开始发送数据包队列，同时接收数据包，发送和接收完毕后，发送ACK。

8.如权利要求4所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，当所述路由节点为所述第三类节点时，所述传输步骤具体包括：

步骤S111，若接收到的SEND_RESPONSE帧中的目标地址等于自节点地址，则转步骤S112，否则保持与该帧中的数据包队列长度等时长的静默；

步骤S112，等待接收数据包队列，接收完毕后等待一个所述SIFS时隙后发送ACK。