CN104902577B

CN104902577B - 一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法

Info

Publication number: CN104902577B
Application number: CN201510240066.2A
Authority: CN
Inventors: 闫中江; 杨博; 李波; 杨懋
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2018-10-30
Anticipated expiration: 2035-05-12
Also published as: CN104902577A

Abstract

本发明提供了一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法，本发明主要包括控制信道预约和数据信道预约，当节点在公共控制信道上按照分布式协调功能机制竞争成功后，发送节点与接收节点在控制信道上交互请求发送信息，完成对数据信道的选择、控制信道上的预约以及数据信道上的预约，本发明采用控制信道预约解决了多信道隐藏终端问题；通过采用多步数据信道预约，仅需要一次控制握手就可实现多个无冲突的数据分组传输，有效缓解了控制信道拥塞并大大提升了MAC效率，大幅度提升了系统性能，即提升了网络吞吐量并降低了平均分组时延；本发明仅需一套收发机，实现简单，无须中心控制节点及全网时同步，降低了实现开销和复杂度。

Description

一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其是一种多信道多址接入协议。

背景技术

在无线通信系统(比如无线局域网WLAN、蜂窝网等)中，通常存在多个可用的无线信道。比如，在非授权频段2.4GHz上有3个非重叠信道，而在5GHz频段上有12个非重叠的信道。移动用户数量的持续增长以及用户对大带宽业务需求的不断增加，如视频会议等业务，对无线通信系统吞吐量的提升提出了新的要求。因此，如何设计高效的多信道多址接入(Multi-channel MAC，McMAC)协议，从而充分利用多个无线信道并提升无线网络的吞吐量，成为一个非常亟待解决的问题。

在设计McMAC协议中所面临一个难题就是多信道隐藏终端问题。导致多信道隐藏终端问题的主要原因是：由于节点丢失了其邻节点的控制握手信息，致使节点对目前信道的使用信息掌握有误，从而选择了当前并不可用的信道来进行数据传输，最终导致了在数据传输过程中与邻节点发生冲突。为了解决多信道隐藏终端问题，目前已有的McMAC协议可大体归纳为两类：(1)基于时间同步的McMAC协议；(2)基于公共控制信道的McMAC协议。

在基于时间同步的McMAC协议中，其代表性协议是Jungmin So等人提出的基于时间段划分的McMAC协议(简称为：MMAC)。在MMAC协议中，每个节点仅需一套收发机，并且时间被划分为若干个时间间隔，每个时间间隔内包含一个控制阶段和一个数据传输阶段。所有节点在控制阶段内通过一个公共信道进行竞争并完成控制握手，进而在接下来的数据传输阶段完成数据分组的传输。但是，MMAC协议存在两个主要问题：其一，需要实现全网时间同步，这大大增加了实现的开销与复杂度；其二，由于所有节点在控制阶段内通过一个公共信道进行接入，而其余的信道此时被闲置，从而导致了信道资源的浪费问题。

在基于公共控制信道的McMAC协议中，所有节点是分布式实现的，不需要全网时间同步。但是，每个节点往往需要配备多套独立的收发机，以Shih-Lin和Chinh-Yu等人提出的动态信道分配(简称：Dynamic Channel Assignment，DCA)协议为代表。在DCA协议中，每个节点配备两套独立的收发机，其中一套收发机持续侦听一个公共控制信道并在该信道上进行控制信息的交互，另一套收发机则专门用于数据传输。这种基于公共控制信道的McMAC协议存在两个主要问题：其一，由于每个节点需要配备两套收发机，这增加了节点的硬件开销；其二，由于所有节点均通过同一个公共控制信道进行接入以及控制信息握手，因此当节点和可用信道个数较多时，随着网络负载的增大，该公共控制信道将变得非常拥塞并迅速达到饱和，进而成为性能的瓶颈所在。

因此，针对以上两类背景技术中各自存在的弊端，本发明提出了一个基于信道预约机制的多信道多址接入方法。该方法解决了多信道的隐藏终端问题，并兼备以下几个特点：(1)所有节点仅需要一套收发机，硬件开销很小；(2)所有节点不需要时间同步，分布式实现容易；(3)该方法有效缓解了公共控制信道的拥塞。仿真结果表明，本发明大幅度提升了网络性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明在不需要网络时间同步并且不引入额外开销的前提下，即网络中每个节点仅需要一套收发机的前提下，解决多信道隐藏终端问题，从而提升系统性能。

本发明主要包括两部分：公共控制信道预约和数据信道预约。当节点在公共控制信道上按照IEEE 802.11DCF(Distributed Coordination Function，分布式协调功能)机制竞争成功后，发送节点与接收节点在公共控制信道上交互请求发送RTS(Request toSend)、允许发送CTS(Clear To Send)和预留RES(Reservation)信息，完成对数据信道的选择、公共控制信道上的预约以及数据信道上的预约。首先，在公共控制信道的预约过程中，发送节点根据公共控制信道上的预约周期T_C设置定时器(Tc指代的是公共控制信道的预约周期，其物理含义是：发送节点在控制握手过程中所发送的RES分组的时刻与所发送的第一个预约RES分组时刻之间的时间差值。)，当定时器超时后，发送节点在公共控制信道上发送预约的RES信息，该RES信息中包含了收发双方的数据信道选择信息以及预约等相关信息，而接收节点在收到该预约RES信息后，间隔SIFS后再次在公共控制信道上发送预约的RES信息；其次，在数据信道的预约过程中，发送节点与接收节点根据数据信道上的预约周期T_D设置定时器，每当定时器超时后，收发双方就在所协商好的数据信道上周期性地传输预约数据分组，当发送节点与接收节点完成最后一个预约数据分组的传输后，发送节点需要等待一段时间后，才能开始在公共控制信道上开始新一轮的竞争，这主要为了避免发送节点发起新的控制握手与邻节点的预约RES分组发生冲突。

在本发明的技术方案中，一方面，收发节点通过公共控制信道预约来确保自己的信道使用信息可以被邻节点接收，从而解决多信道隐藏终端问题；另一方面，收发节点通过多步数据信道预约来提升MAC效率，并能有效缓解公共控制信道拥塞。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

步骤1：该多信道多址接入方法假设在网络中有K+1个可用信道,其中1个为公共控制信道CCH(Common Control Channel)，其余K个为等带宽的数据信道，分别表示为DH_i,i＝1,...,K，每个节点配备一副半双工天线，并可以在所有信道中任意切换；

节点入网后先进入初始化状态，所有刚入网的节点侦听公共控制信道的预约周期T_C，所述Tc指代：发送节点在控制握手过程中所发送的RES分组的时刻与所发送的第一个预约RES分组时刻之间的时间差值；当节点有数据分组需要发送时，首先判断是否满足下面两个条件之一：

a)发送节点的队列中有待发送的分组个数不低于门限值，该门限值的取值要求在后续预约发送过程中不会因队列变空而导致无数据包可发即可，即队列中有足够多的数据分组有待发送；

b)发送节点的队列中有待发送的数据分组的最大时延不低于门限值，该门限值的取值要求数据包在队列中不会因存放太久而导致数据过期，即队列中的数据分组应当尽快被发送，否则可能过期；

若满足以上a)和b)两个条件之一，则转入步骤2，否则继续停留在步骤1中等待,直至满足其中一个条件；

步骤2：发送节点在公共控制信道上按照IEEE 802.11分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)协议进行二进制指数退避竞争信道，当信道竞争成功后转入步骤3，否则停留在步骤2中继续竞争；

步骤3：发送节点在公共控制信道CCH上发送RTS分组，完成与接收节点协商公共可用的数据信道，并等待接收节点回复CTS分组，若在预定时间内收到CTS分组则转入步骤4，否则转入步骤2中重新开始竞争；

在所述多信道多址接入方法所采用的RTS帧格式中，添加了7个字节的“信道控制”字段，其中16比特用于指示“公共控制信道预约周期T_C”、16比特用于指示“数据信道预约周期T_D”、8比特用于指示“预约步数”、剩余的16比特为“可用数据信道信息”字段，用于指示数据信道1～16的空闲与否的信息，在所述多信道多址接入方法所采用的CTS帧格式中，添加了6个字节的“信息控制”字段，其中16比特用于指示“公共控制信道预约周期”、16比特用于指示“数据信道预约周期”、8比特用指示“预约步数”，其余8比特为“选择的数据信道标号”字段，用于指示所协商好的数据信道标号信息；

步骤4：发送节点收到CTS分组后，在公共控制信道上发送RES分组，在该方法中采用的RES帧格式与步骤3中描述的CTS帧格式相同，同时，发送节点根据T_C的取值设置并启动公共控制信道预约定时器Timer_C，当RES分组传输完成后，转入步骤5；

步骤5：发送节点在步骤3中协商好的数据信道上预约多个数据传输机会，进而发送节点与接收节点均将各自的收发天线切换至步骤3协商的数据信道上发送一个预约的Data分组并等待ACK(Acknowledgement)分组，若发送节点在802.11协议中规定的时间短帧间间隔SIFS(Short InterFrame Space)内没有接收到ACK，则返回步骤2，否则转入步骤6；

步骤6：发送节点与接收节点均将各自的收发天线切换到公共控制信道上保持侦听，发送节点判断步骤5中成功发送的Data分组是否为数据信道上预约的最后一个Data分组；若不是，则发送节点根据T_D的取值T_D≥2t_D+3t_RES+2t_SIFS+t_CTS设置并启动数据信道预约定时器Timer_D并转入步骤7，其中，t_D表示一次数据传输时长，t_RES表示传输RES分组的时间，t_SIFS表示SIFS间隔时长，t_CTS表示传输CTS分组的时间，否则表明预约的Data分组已经全部发送完成，进而转入步骤9；

步骤7：发送节点判断公共控制信道预约定时器Timer_C是否发生超时，若超时，则收发双方在公共控制信道上相继间隔SIFS发送各自的预约RES分组，否则发送节点与接收节点继续在公共控制信道上保持侦听，进而转入步骤8；

步骤8：发送节点判断数据信道预约定时器Timer_D是否发生超时，若Timer_D没有超时，则返回步骤7；否则收发双方切换至步骤3中协商好的数据信道上，发送一个预约的Data分组并等待ACK(Acknowledgement)分组，数据传输完成后，转入步骤6；

步骤9：当收发双方完成所有预约的数据传输后，将各自的收发天线切换回公共控制信道上并保持侦听一段T_C的时间，T_C的范围满足条件T_C∈[t_RES+t_D,T_D-t_D-t_CTS-2t_RES-2t_SIFS]之后，若发送节点有新的数据发送需求，再返回步骤1，重新开始新一轮的收发数据。

所述步骤1中条件a)的发送节点的队列中有待发送的分组个数不低于门限值，该门限值一般取预约步数m；条件b)发送节点的队列中有待发送的数据分组的最大时延不低于门限值，该门限值一般取数据包业务的产生周期。

本发明的有益效果是由于采用公共控制信道预约解决了多信道隐藏终端问题；通过采用多步数据信道预约，使得仅需要一次控制握手就可以实现多个无冲突的数据分组传输，这有效缓解了公共控制信道拥塞并大大提升了MAC效率，因此大幅度提升了系统性能，即提升了网络吞吐量并降低了平均分组时延。另外，本方面方案仅需要一套收发机，实现简单，可在支持多信道网卡的固件中实现，同时也可以实现在驱动程序中，并且采用分布式的工作方式，无须中心控制节点及全网时同步，大大降低了实现开销和复杂度。

附图说明

图1是技术方案原理。

图2是变化业务量情况下的吞吐量曲线，此时网络中包括1个公共控制信道和10个数据信道。

图3是变化数据信道个数情况下的饱和吞吐量。

图4是变化数据信道个数情况下的平均分组时延曲线。

图5是RTS帧格式的参考设计。

图6是CTS/RES帧格式的参考设计。

图7是实施例的时序图。

其中SIFS(Short Inter-frame Space)是短帧间间隔，DIFS是分布式帧间间隙(Distributed Inter-frame Space)，BK表示随机退避过程，T_C是公共控制信道预约周期，T_D是数据信道预约周期，CCH代表公共控制信道；DCA是要对比的现有技术，RTS是请求发送(Request to Send)，CTS是允许发送(Clear To Send)，RES是预留(Reservation)，NAV是网络分配矢量(Network Allocation Vector)，NAV_RTS表示RTS包中指示的NAV信息，NAV_CTS表示CTS包中指示的NAV信息，t_start表示开始发送第一个预约数据分组的时刻，t_end表示最后一个预约数据分组发送完成的时刻，Data1到Datam分别是在数据信道上预约传输的m个Data分组；DHS是收发双方协商好的数据信道；DHK代表第K个数据信道；ACK是Acknowledgement，即确认帧，用于当正确收到Data分组时的回复；tc表示收发双方在公共控制信道上完成一次成功握手的时长，tD表示收发双方在数据信道上完成一次数据分组收发的时长，ts表示节点在公共控制信道上竞争成功的时刻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明可以在无线网卡中通过固件实现，或实现在无线网卡的驱动程序之中。下面结合实例对本发明的实现进行详细的说明。

1、公共控制信道/数据信道使用情况列表的构建方法

使用本发明接入方法的每个节点会创建并维护三个结构体链表：公共控制信道使用列表(CCUL：Control Channel Usage List)、数据信道使用列表(DCUL：Data ChannelUsage List)和可用信道列表(ACL：Available Channel List)。其中CCUL和DCUL中分别存放着所有邻居节点对公共控制信道和数据信道的使用信息，而ACL中存放着当前节点可以使用的数据信道标号。CCUL、DCUL与ACL的详细信息如下所示：

CCUL中的结构体有以下几个变量：

host：该变量用于存储邻居节点编号；

stime：该变量用于存储数据分组将在公共控制信道开始发送的时刻；

time：该变量用于存储公共控制信道将被占用的时长。

DCUL中的结构体有以下几个变量：

host：该变量用于存储邻居节点编号；

channel：该变量用于存储邻居节点所预约的数据信道编号；

stime：该变量用于存储数据分组将在数据信道开始发送的时刻；

time：该变量用于存储数据信道将被占用的时长。

ACL中的结构体主要包含一个变量：

channel：该变量用于存储节点自身可以使用的数据信道编号。

2、公共控制信道/数据信道使用情况列表的更新方法

当节点在收到不是给自己的CTS/RES分组后，会更新自己的CCUL和DCUL。具体步骤如下：

在CCUL和DCUL中分别增加一个新结构体CCUL[i]和DCUL[i]。将CTS/RES分组的接收地址分别赋值给CCUL[i].host和DCUL[i].host；

将CTS/RES分组中“选择的数据信道编号”字段的值赋给DCUL[i].channel；

假设T_current表示当前时刻，并进行以下的赋值操作：如果收到的是CTS分组，则：

CCUL[i].stime＝T_current+t_SIFS+T_C，CCUL[i].time＝2t_RES+t_SIFS，DCUL[i].stime＝T_current+t_SIFS+t_RES+(i-1)×T_D,i＝1,2,...,m(其中m为数据信道上的预约步数)，DCUL[i].time＝t_Data+t_SIFS+t_ACK；

如果收到的是RES分组，则：

CCUL[i].stime＝T_current+T_C-t_RES，CCUL[i].time＝2t_RES+t_SIFS，DCUL[i].stime＝T_current+(i-1)×T_D,i＝1,2,...,m，DCUL[i].time＝t_Data+t_SIFS+t_ACK。

3、公共控制信道/数据信道空闲的判断方法

公共控制信道列表/数据信道列表可用于提前判断公共控制信道或数据信道在一定的时间段内是否空闲。判断公共控制信道是否空闲的主要目的是确保控制分组的握手过程(包括RTS/CTS/RES)不被冲突。判断方法如下：假设节点在公共控制信道上竞争成功的时刻为t_S，那么判断公共控制信道为空闲，仅需满足一个条件：CCUL链表中没有与即将进行的控制分组传输相冲突的信息，即对于CCUL中的任意一条信息CCUL[i]，节点将要传输的时间段[t_S,t_S+t_C]与CCUL[i]中的时间段信息[CCUL[i].stime,CCUL[i].stime+CCUL[i].time]无重叠，其中t_C＝t_RTS+t_CTS+t_RES+2t_SIFS。

与公共控制信道空闲的判断方法类似，判断数据信道是否空闲的主要目的是确保所预约的多个数据分组的传输过程不被冲突。判断方法如下：假设节点在公共控制信道上完成握手的时刻为t_start，那么判断数据信道为空闲，仅需满足一个条件：DCUL链表中没有与即将进行的数据分组传输相冲突的信息，即对于DCUL中的任意一条信息DCUL[i]，节点将要传输的时间段[t_start,t_start+t_D]与DCUL[i]中的时间段信息[DCUL[i].stime,DCUL[i].stime+DCUL[i].time]无重叠，其中t_D＝t_Data+t_SIFS+t_ACK。

4、具体实施例

假设网络中有一个公共控制信道CCH以及K个为等带宽的数据信道(DH_i,i＝1,...,K)。在本实施例的表述过程中忽略了分组传播时延。具体实施步骤如下：当新节点入网后，首先进入初始化状态，并侦听公共控制信道T_C的时间，之后进入步骤1；

步骤1：该多信道多址接入方法假设在网络中有K+1个可用信道,其中1个为公共控制信道CCH(Common Control Channel)，其余K个为等带宽的数据信道，分别表示为DH_i,i＝1,...,K，每个节点配备一副半双工天线，并可以在所有信道中任意切换。

若满足以上a)和b)两个条件之一，则转入步骤2，否则继续停留在步骤1中等待,直至其中一个条件满足；

所述步骤1中条件a)的发送节点的队列中有待发送的分组个数不低于门限值，该门限值一般取预约步数m；条件b)发送节点的队列中有待发送的数据分组的最大时延不低于门限值，该门限值一般取数据包业务的产生周期；

当发送节点S有数据分组需要发送给接收节点D时，发送节点S首先判断是否满足下面两个条件之一：

a)节点S的队列中有待发送的分组个数N_Data不低于某个门限值N_th(如N_th＝m)，即N_Data≥N_th，这说明有足够多的数据分组有待发送；

b)节点S的队列中有待发送的数据分组的最大时延Delay_max不低于某个门限值Delay_th,如对于速率为23帧/s的视频帧来说，可以取值即Delay_max≥Delay_th，这意味着队列中的数据分组应当尽快被发送，否则将会过期。

在所述多信道多址接入方法所采用的RTS帧格式中，添加了7个字节的“信道控制”字段，其中16比特用于指示“公共控制信道预约周期T_C”、16比特用于指示“数据信道预约周期T_D”、8比特用于指示“预约步数”、剩余的16比特为“可用数据信道信息”字段，用于指示数据信道1～16的空闲与否的信息，在所述多信道多址接入方法所采用的CTS帧格式中，添加了6个字节的“信息控制”字段，其中16比特用于指示“公共控制信道预约周期”、16比特用于指示“数据信道预约周期”、8比特用指示“预约步数”，其余8比特为“选择的数据信道标号”字段，用于指示所协商好的数据信道标号信息，本发明所支持的帧格式包括但不限于以上的帧格式；

发送节点S在CCH上发送RTS分组，与接收节点协商公共可用的数据信道，并等待接收节点D回复CTS分组。若在预定时间内收到CTS分组则转入步骤4，否则转入步骤2中重新竞争；具体步骤如下：

步骤3.1：发送节点S采用“公共控制信道/数据信道空闲的判断方法”判断公共控制信道是否空闲。假设当前时刻(即节点竞争成功的时刻)为t_S，参考“公共控制信道/数据信道空闲的判断方法”，判断时间段[t_S,t_S+t_C]内是公共控制信道是否空闲；若不空闲则返回步骤2重新竞争，否则转入步骤3.2；

步骤3.2：发送节点S参考“公共控制信道/数据信道空闲的判断方法”，判断时间段[t_S+t_C,t_S+t_C+t_D]内是各个数据信道是否空闲；如都不空闲则返回步骤2，如有一个或一个以上的数据信道空闲，则将所有空闲数据信道的编号记录在ACL_S中并转入步骤3.3；

步骤3.3：发送节点S构建RTS分组。其中，将RTS分组中的“NAV”域设置为NAV_RTS，其中NAV_RTS＝t_CTS+t_RES+t_SIFS；将“公共控制信道预约周期”域设置为T_C；将“数据信道预约周期”域设置为T_D；将“预约步数”域设置为m，比如设置为“00000101”表示在数据信道上采用5步预约；对于“可用数据信道信息”的值，将步骤3.2中得到的空闲数据信道编号，填写“1”在对应的位置上，其余为“0”。例如，如果数据信道编号为1和7的数据信道信道空闲，则“可用数据信道信息”的值为“1000001000000000”。RTS分组的其余字段按照IEEE 802.11标准设置，设置完成后进入步骤3.4；

步骤3.4：发送节点S将生成的RTS分组在CCH上发送，之后转入步骤3.5；

步骤3.5：接收节点D在CCH上接收RTS分组并构建CTS分组，进而在公共控制信道上发送CTS分组，之后转入步骤4；若收到不是给自己的RTS分组后，则按照IEEE802.11标准在公共控制信道上设置NAV_RTS时间长度的虚拟载波侦听忙。步骤3.5可以细分为：

步骤3.5.1：记当前时刻为t_rts-current，接收节点D按照“公共控制信道/数据信道空闲的判断方法”在自己维持的DCUL链表中搜索在以t_start＝t_rts-current+t_CTS+t_RES+2t_SIFS为开始时刻、长度为t_D的时间段内处于空闲的数据信道编号，并存入ACL_D中，进而与接收到的RTS分组中的“可用数据信道信息”(ACL_S)进行比较。如果没有共同的空闲数据信道则不理会该RTS分组。如果有一条(或多条)共同的空闲数据信道编号，则随机或按照某种原则选择一个共同可用的数据信道，即DH_S＝ACL_S∩ACL_D，之后转入步骤3.5.2；

步骤3.5.2：接收节点D构建CTS分组。接收节点D将CTS分组中的“NAV”域设置为NAV_CTS，其中NAV_CTS＝t_RES+t_SIFS；将“公共控制信道预约周期”域设置为T_C，将“数据信道预约周期”域设置为T_D，将“预约步数”域设置为m，并将“选择的数据信道标号”域设置为DH_S，CTS分组的其余域按照IEEE 802.11标准进行设置；设置完成后转入步骤3.5.3；

步骤3.5.3：发送节点S按照IEEE 802.11标准等待CTS分组，若S收到CTS分组，则转入步骤4；否则等待超时，返回步骤2；

步骤4：发送节点收到CTS分组后，在公共控制信道上发送RES分组，在该方法中采用的RES帧格式与步骤3中描述的CTS帧格式相同，同时，发送节点根据T_C的取值设置并启动公共控制信道预约定时器Timer_C，当RES分组传输完成后，转入步骤5，具体步骤如下：

步骤4.1：发送节点S收到CTS分组并等待SIFS时间后，构建RES分组，即分别将CTS分组中的“公共控制信道预约周期”域、“数据信道预约周期”域、“预约步数”域以及“选择的数据信道标号”域的值分别赋给RES分组中相同的域中，RES的其余字段按照IEEE 802.11标准的CTS分组对应域设置。若收到不是给自己的CTS分组后，则按照IEEE 802.11标准在公共控制信道上设置NAV_CTS时间长度的虚拟载波侦听忙，并按照“公共控制信道/数据信道使用情况列表的更新方法”对DCUL进行更新操作；之后转入步骤4.2；

步骤4.2：发送节点S完成RES分组的构建后，在公共控制信道上发送RES分组。与此同时，发送节点S根据T_C的取值设置并启动公共控制信道预约的定时器Timer_C(即将定时器Timer_C计数值设置为T_C)。之后转入步骤4.3；

步骤4.3：接收节点D在公共控制信道上接收到RES分组，转入步骤5；若接收到不是自己的RES的分组，则节点按照“公共控制信道/数据信道使用情况列表的更新方法”对DCUL进行更新操作；

步骤5：发送节点在步骤3中协商好的数据信道上预约多个数据传输机会，进而发送节点与接收节点均将各自的收发天线切换至步骤3协商的数据信道上发送一个预约的Data分组并等待ACK(Acknowledgement)分组，若发送节点在802.11协议中规定的时间SIFS内没有接收到ACK，则返回步骤2，否则转入步骤6；具体步骤如下：

步骤5.1：发送节点S在步骤3中协商好的数据信道上预约m个数据分组的传输机会(这也就是数据信道预约)。假设完成RES分组传输的时刻为t_start，则所预约的m数据发送时刻分别为：t_start+(i-1)T_D,i＝1,2,...,m。之后转入步骤5.2；

步骤5.2：发送节点S与接收节点D均将自己的收发天线切换至所选择的数据信道DH_S上，进而S在协商好的数据信道DH_S上发送一个预约的Data分组，D接收到Data分组后回复ACK。若发送节点在802.11协作中规定的SIFS时间内没有接收到ACK，则返回步骤2，否则进入步骤6；

步骤6：发送节点与接收节点均将各自的收发天线切换到公共控制信道上保持侦听，发送节点判断步骤5中成功发送的Data分组是否为数据信道上预约的最后一个Data分组；若不是，则发送节点根据T_D的取值(T_D≥2t_D+3t_RES+2t_SIFS+t_CTS)设置并启动数据信道预约定时器Timer_D并转入步骤7，否则表明预约的Data分组已经全部发送完成，进而转入步骤9；具体步骤如下：

步骤6.1：当完成目前本个Data分组的传输后，发送节点S与接收节点D均将各自的收发天线切换到公共控制信道上保持侦听。之后转入步骤6.2；

步骤6.2：假设当前完成发送的Data分组序号为j,1≤j≤m。若j＜m，则表明本次发送的Data分组并不是预约的最后一个Data分组，进而转入步骤6.3；否则表明本次Data分组就是预约的最后一个Data分组，进而转入步骤9；

步骤6.3：发送节点S根据T_D的取值，设置并启动数据信道预约定时器Timer_D(即将定时器Timer_D计数值设置为T_D)，之后转入步骤7；

步骤7：发送节点判断公共控制信道预约定时器Timer_C是否发生超时，若超时，则收发双方在公共控制信道上相继间隔SIFS发送各自的预约RES分组，否则发送节点与接收节点继续在公共控制信道上保持侦听，进而转入步骤8；具体步骤如下：

步骤7.1：发送节点S判断定时器Timer_C是否发生超时，若Timer_C发生超时，则发送节点S首先在公共控制信道上发送一个预约的RES分组(目的是将发送节点S的信道预约信息告知其邻节点)，之后转入步骤7.2，否则转入步骤8；

步骤7.2：接收节点D接收到该预约的RES分组，间隔SIFS时间后，接收节点D在公共控制信道上回复一个预约的RES分组(目的是将接收节点D的信道预约信息告知其邻节点)，此时完成了公共控制信道预约，并转入步骤8；

步骤8：发送节点判断数据信道预约定时器Timer_D是否发生超时，若Timer_D没有超时，则返回步骤7；否则收发双方切换至步骤3中协商好的数据信道上，发送一个预约的Data分组并等待ACK(Acknowledgement)分组，数据传输完成后，转入步骤6；具体步骤如下：

步骤8.1：发送节点S判断Timer_D是否超时，若超时，则S与D切换至协商好的数据信道DH_S，进而S在DH_S上发送一个预约Data分组，之后转入步骤8.2；若Timer_D没有超时，则返回步骤7；

步骤8.2：接收节点D收到Data分组后，在DH_S上回复ACK分组，之后转入步骤6；

步骤9：当收发双方完成所有预约的数据传输后，将各自的收发天线切换回公共控制信道上并保持侦听一段T_C的时间，T_C的范围满足条件T_C∈[t_RES+t_D,T_D-t_D-t_CTS-2t_RES-2t_SIFS]之后，若发送节点有新的数据发送需求，再返回步骤1，重新开始新一轮的收发数据。具体步骤如下：

步骤9.1：发送节点S与接收节点D在t_end时刻将各自的收发天线切换回公共控制信道上保持侦听，之后转入步骤9.2；

步骤9.2：发送节点S与接收节点D在公共控制信道侦听T_C时间后，即直至t_end+T_C时刻，若节点有新的数据发送需求，则转入步骤1开始发起新的竞争。

仿真中统计了系统吞吐量和平均分组时延这两项性能指标，其中“m-RCR”代表本技术方案，进而与IEEE 802.11DCF和DCA协议进行对比。主要仿真参数如下：我们主要考虑单跳无线网络并忽略天线的切换时延。网络中包括一个带宽为2Mbps的公共控制信道，以及多个11Mbps的等带宽数据信道，并且所有的信道均为理想信道。发送节点为50个，T_C＝1ms，T_D＝7ms，数据分组的载荷大小为1024bytes，SIFS＝10μs，DIFS＝50μs，CW_min＝15slots(CW_min：the minimum of contention window，最小竞争窗)，slot time＝20μs(slot time：时隙长度)。通过仿真结果可以看出，本技术方案的吞吐量性能远高于IEEE 802.11DCF和DCA协议，当采用5步预约机制时，吞吐量约为DCA的2.5倍，并且本方案的平均分组时延也大大降低了。

Claims

1.一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤9：当收发双方完成所有预约的数据传输后，将各自的收发天线切换回公共控制信道上并保持侦听时长为T_C的时间，T_C的范围满足条件T_C∈[t_RES+t_D,T_D-t_D-t_CTS-2t_RES-2t_SIFS]之后，若发送节点有新的数据发送需求，再返回步骤1，重新开始新一轮的收发数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法，其特征在于：所述步骤1中条件a)的发送节点的队列中有待发送的分组个数不低于门限值，该门限值一般取预约步数m。

3.根据权利要求1所述的一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法，其特征在于：所述步骤1中条件b)发送节点的队列中有待发送的数据分组的最大时延不低于门限值，该门限值一般取数据包业务的产生周期。