CN105227486A - 一种无线Mesh网络中基于智能天线的QoS MAC协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线Mesh网络中基于智能天线的QoS？MAC协议，采用多波束切换天线模型，且基于EDCA机制将待发送或转接的数据分为四个发送队列。节点根据监听到的数据包修改自身的定向网络分配向量表；当节点有数据要发送时，四个发送队列选择非阻塞方向的包作为队头并进行虚拟竞争；数据传输时，发送节点使用全向/定向RTS进行数据发送，目的节点发送全向CTS来确认并通知其他节点退避。发送节点不能收到CTS则进行退避等待，超时后丢弃该数据包并通过设定定向网络分配向量表来设置对应天线扇区短时堵塞。本发明保障了无线Mesh网络应用的QoS要求并调整业务队列的调度算法，解决了引入定向天线带来的队列头阻塞问题。

Description

一种无线Mesh网络中基于智能天线的QoS MAC协议

技术领域

本发明涉及一种无线Mesh网络中基于智能天线的QoSMAC协议，是基于智能天线的无线Mesh网络的媒介网络控制技术，属于通信网络技术。

背景技术

目前，无线Mesh网络作为一种能组建灵活的广域无线局域网(WLAN)的技术被大量研究，它的应用前景广泛，如智能交通、多媒体接入、环境监测等。这些应用往往在保证吞吐量的同时，具有很高的QoS要求，因此需要网络具备相应的能力保证其QoS要求。

IEEE802.11e中采用的增强型分布式协调接入机制(EDCA)机制，结合了帧间间隔和退避算法，提供了区分业务的传输服务，通过给业务分类，改变各个业务竞争接入的成功几率，使得高优先级的业务能获得优先服务权，获得较高的吞吐量和较低的接入时延。EDCA能够保障QoS要求，但不含有应用智能天线的针对性设计。

D-MAC协议是研究者提出的一种支持智能天线的MAC协议。参考模型为波束切换天线，基本设计思想为：如果某个节点收到来自某个方向的表示其他节点要通信的RTS或者CTS，则该节点在其他节点完成通信之前不会在该方向上发送任何数据报文，即节点在该方向上的发送过程被堵塞，其他方向不受影响，节点本身要进行通信时，按照本身的发送方向被堵塞情况，选择全向或者定向的方式发送RTS，而目的节点则采用全向的方式回复CTS。该协议通过一个邻节点信息表记录周围节点的信息以备查用，通过定向网络分配向量表(DNAV表)来记录天线被堵塞的方向。它可以有两种工作方式：一种是定向RTS(DRTS)反馈全向CTS(OCTS)，一种是定向RTS与全向RTS(ORTS)同时使用，反馈全向CTS。D-MAC协议能够有效改善空间复用度，但业务无数据分类，并且存在严重的聋节点问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于队列头阻塞的优化和业务QoS保障的智能天线MAC协议，结合D-MAC协议与EDCA机制，并加以改进，优化智能天线所带来的队列头阻塞问题，同时保障了业务的QoS要求。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无线Mesh网络中基于智能天线的QoSMAC协议，该协议承载网络为基于智能天线的无线Mesh网络，该无线Mesh网络中的每个节点均拥有唯一的标识且均为静态节点，每个节点都配备波束切换天线与一个收发机，收发机只收不发或只发不；所有节点的收发机功率相同，且节点之间无同步要求；

该协议采用的智能天线模型为多波束天线切换模型，该多波束天线切换模型有两种工作模式，分别为全向天线模式和定向天线模式；两种工作模式可以实现快速切换(可以忽略切换时间)，并且快速切换时多波束天线切换模型会改变自身的发射功率，使多波束天线切换模型在两种工作模式下的辐射距离一致；多波束天线切换模型工作在定向天线模式时，各个波束之间可以随意快速切换且不考虑旁瓣干扰；多波束天线切换模型传输时使用半双工模式，一个时段只处理一个用户的数据；多波束天线切换模型不配备定位设施，通过波达方向来判断数据的发送方向；

该协议基于EDCA机制，将需发送或转接的数据分为四个发送队列，使用EDCA的虚拟竞争机制进行虚拟竞争；

该协议包括以下过程：定向网络分配向量的记录与维护过程、四队列队头选择和虚拟竞争过程、数据外部竞争接入和传输过程。

具体的，该协议包括以下过程：定向网络分配向量的记录与维护过程、四队列队头选择和虚拟竞争过程、数据外部竞争接入和传输过程，各个过程具体包括如下步骤：

(1)定向网络分配向量的记录与维护过程，使用定向网络分配向量表指示天线各扇区的阻塞状态，每行为一个定向网络分配向量，表示一个扇区的阻塞情况，具体包括如下步骤：

(1.1)当节点监听到空中数据包时，根据数据包中的目的地址信息和发送节点位置信息，判断目标节点是否为自己；

(1.2)若目标节点是自己，则响应；

(1.3)若目标节点不是自己，则根据发送节点位置信息和自身位置信息，计算出需要阻塞的扇区，将计算结果存入定向网络分配向量表或根据计算结果更新定向网络分配向量表，根据数据包中的持续时间信息设置或更新该扇区的堵塞时间；

(2)四队列队头选择和虚拟竞争过程，具体包括如下步骤：

(2.1)当节点有数据需要发送或转接，首先将数据分为四个发送队列，再根据定向网络分配向量表判断被堵塞的扇区，每个发送队列分别从队头开始计算数据包的发送扇区，并依次和定向网络分配向量表进行比较：若数据包的发送扇区与定向网络分配向量表所记录的阻塞扇区不同，则选择该数据包作为该发送队列的队头，即选择该发送队列中第一个目的地址所对应的扇区为自由扇区的数据包为该发送队列的队头；在四个发送队列的队头选择完毕后，进入步骤(2.2)；

(2.2)四个发送队列的队头按照EDCA的虚拟竞争机制进行虚拟竞争，竞争成功的数据包进入数据外部竞争接入和传输过程；

(3)数据外部竞争接入和传输过程，具体包括如下步骤：

(3.1)若发送节点的定向网络分配向量表为空，表示该发送节点的所有扇区均为自由扇区，则发送全向请求发送(全向RTS)，选择竞争成功的数据包作为发送包；若发送节点的定向网络分配向量表不为空，表示该发送节点的部分扇区为自由扇区，则发送定向请求发送(定向RTS)，指向目的节点，选择竞争成功的数据包作为发送包；若当前没有合适的数据包，则延迟发送；

(3.2)接收节点接收到全向请求发送或定向请求发送后，首先判断自身是否为目的节点，若是，则判断自身的定向网络分配向量表是否为空：若为空，则发送一个全向清除发送(全向CTS)应答进行确认并通知其他节点进行退避；若不为空，则丢弃该全向请求发送或定向请求发送，不作响应；

(3.3)若发送节点能够接收到全向清除发送应答，则定向发送数据，等待接收节点的命令正确应答(ACK)，完成此次通信；若发送节点不能接收到全向清除发送应答，则进行避退等待，若等待超时，则丢弃该数据包并修改定向网络分配向量表中的对应扇区所在行的信息，使该对应扇区短时堵塞，以解决聋节点问题引起的队头阻塞问题。

本发明中，业务队头数据包的选择算法，主要依赖于定向网络分配向量表，根据定向网络分配向量表的扇区信息，可知每个扇区是否能进行数据的传输，故而扇区可分为自由扇区和堵塞扇区两种。将数据包的目的地址所对应的扇区编号，与上述自由扇区的编号作对比，得出本队列中第一个目的地址所对应的扇区为自由扇区的数据包，作为本队列的队头，参与四个业务队列的虚拟竞争。此方法产生的数据包，极大限度的避免了由于扇区堵塞引起的队列头阻塞问题。

有益效果：本发明提供的无线Mesh网络中基于智能天线的QoSMAC协议，具有如下两方面的优势：1、高效：引进智能天线并解决了队列头阻塞问题，能够有效提升网络的吞吐量，并且降低网络的时延；2、保证业务QoS：在复杂环境中，该协议在相同负载量不同业务及相同业务不同负载量情况下，仿真结果均较其他协议存在明显优势。

附图说明

图1为本发明中使用的智能天线模型示意图；

图2为本发明中使用的数据包调度算法流程图；

图3为本发明中发送节点发送数据的流程图；

图4为本发明中接收节点接收数据的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

以四扇区为例，采用四波束切换天线，四波束对应四个扇区，天线模型如图1所示。天线具有全向和定向两种工作模式，两种模式之间可以实现快速切换。天线分为四个扇区，分别为0-90°、90°-180°、180°-270°、270°-360°四个方向，每个扇区的主瓣宽度为90°，增益为10dB。

本协议采用单信道，在相同带宽的条件下进行性能的优化，可以提供更多空闲的信道，提高信道的利用率，降低硬件和信道资源的开销。

该协议的具体实施例如下：

1、当节点监听到数据包后，将根据数据包中的信息判断目标节点是否为自身，如果是自己，则进行响应；如果不是，则根据发送节点位置信息和自身位置信息，计算出需要阻塞的方向，存入定向网络分配向量表，并根据“持续时间”设置阻塞时间。定向网络分配向量的构成如表1所示，表中每一行代表一个方向的阻塞情况。

表1节点的定向网络分配向量表

上表中，扇区编号标志着天线的四个不同扇区；有效状态表示该扇区是否堵塞，若为1则为有效状态，0为堵塞状态；时间值1表示接到RTS的时刻；时间值2表示通信完成的时刻；定向网络分配向量计数器用于计算该方向的堵塞时间，当该值递减为0时，表示解除堵塞。

同时，节点还有一个邻节点信息表，用来记录邻节点的信息，以备之后的数据发送中使用。邻节点信息表的构成如表2所示：

表2邻节点信息表

邻节点地址

通信方向

忙闲状态

截止时间

信息有效时间

上表中，邻节点地址中是相邻节点的MAC地址；通信方向保存本节点与相邻节点通信时的波束方向；忙闲状态记录邻节点是否忙碌；截止时间记录当前忙碌状态要持续的时间，空闲时则忽略；信息有效时间用于判断当前保存的信息是否还在时效范围之内，如果当前时间大于该值，则认为信息无效。

2、包调度过程如图2所示。在数据包发送之前，先查找定向网络分配向量表，确定当前被闭塞的天线方向，找到每个队列中第一个目的方向不闭塞的数据包，生成四个队列的队头，并进行虚拟竞争。

3、按照EDCA的虚拟竞争方式，每个队列按照其相应的接入等级(AC)进行信道的竞争，等级参数主要有仲裁帧间隔AIFS，最小、最大竞争窗口(CW_min[AC],CW_max[AC])等。根据不同的AIFS，不同业务队列可以得到不同的AIFS[AC]，AIFS小的节点更容易竞争到接入信道的机会。假设优先级高的业务和优先级较低的业务的计数器在同一时刻减为零，则节点内部的调度算法会让优先级较高的业务发送数据，优先级较低的业务进行退避，并增大低优先级队列的退避窗口。

4、数据发送流程如图3所示，当有数据要发送时，则发送端根据判断定向网络分配向量表，确定使用全向RTS还是定向RTS方式发送RTS。若发送端的定向网络分配向量表为空，则发送全向RTS，选择竞争成功的数据包作为发送包；如果定向网络分配向量不为空，说明有堵塞方向不能发送，则发送定向RTS，指向目的节点；如果当前没有合适的数据包，则延迟发送。

5、数据接收流程如图4所示，目的节点收到全向或定向RTS后判断是否自身为目的节点，若是，判断自身的定向网络分配向量表是否为空，如果为空，则发送一个全向CTS进行确认，并通知其他节点进行退避，如果不为空，则丢弃该RTS，不作响应。

6、发送节点接收到CTS应答信息，则定向发送数据，等待接收节点的ACK，ACK的接收代表此次通信完成。协议中所使用的RTS、CTS与ACK帧格式如表3所示：

表3RTS/CTS/ACK帧格式

字节数	2	2	6	6	4
						帧内容	控制帧头	持续时间	发送节点地址	接收节点地址	FCS

传输的DATA帧帧格式如表4所示：

表4DATA帧格式

若发送节点不能接收到CTS应答信息，则进行退避等待，若是等待超时，则丢弃该数据包，并且将该方向的天线扇区短时堵塞。

在本实施例中，将业务分成四个服务队列，在每一次传输之前，都通过相应的查询，查找到第一个不堵塞方向的数据包，作为该队列的队头，四个队头之间参与虚拟竞争，成功获得发送权利的数据包，根据其目的节点的信息，决定选用全向还是定向的方式进行RTS/CTS握手机制，为避免聋节点问题，回复的CTS帧一律采用全向发送的模式，在握手成功以后，则进行数据的传输，收到ACK后完成此轮传输，下一个数据包重新进行传输竞争。该协议能改善网络的性能和吞吐量，且能区分业务提供服务，保障业务的QoS，具有一定的实用价值。

上述实施例仅是为清楚说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。比如本发明所采用的天线模型，均为理想状态下的定向天线，未考虑旁瓣的影响，也未考虑无线信道衰落等造成的影响；且假设了全向模式和定向模式下天线覆盖范围一致，这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。进由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种无线Mesh网络中基于智能天线的QoSMAC协议，其特征在于：该协议承载网络为基于智能天线的无线Mesh网络，该无线Mesh网络中的每个节点均拥有唯一的标识且均为静态节点，每个节点都配备波束切换天线与一个收发机，收发机只收不发或只发不；所有节点的收发机功率相同，且节点之间无同步要求；

该协议采用的智能天线模型为多波束天线切换模型，该多波束天线切换模型有两种工作模式，分别为全向天线模式和定向天线模式；两种工作模式可以实现快速切换，并且快速切换时多波束天线切换模型会改变自身的发射功率，使多波束天线切换模型在两种工作模式下的辐射距离一致；多波束天线切换模型工作在定向天线模式时，各个波束之间可以随意快速切换且不考虑旁瓣干扰；多波束天线切换模型传输时使用半双工模式，一个时段只处理一个用户的数据；多波束天线切换模型不配备定位设施，通过波达方向来判断数据的发送方向；

该协议基于EDCA机制，将需发送或转接的数据分为四个发送队列，使用EDCA的虚拟竞争机制进行虚拟竞争；

该协议包括以下过程：定向网络分配向量的记录与维护过程、四队列队头选择和虚拟竞争过程、数据外部竞争接入和传输过程。

2.根据权利要求1所述的无线Mesh网络中基于智能天线的QoSMAC协议，其特征在于：该协议包括以下过程：定向网络分配向量的记录与维护过程、四队列队头选择和虚拟竞争过程、数据外部竞争接入和传输过程，各个过程具体包括如下步骤：

(1)定向网络分配向量的记录与维护过程，使用定向网络分配向量表指示天线各扇区的阻塞状态，每行为一个定向网络分配向量，表示一个扇区的阻塞情况，具体包括如下步骤：

(1.1)当节点监听到空中数据包时，根据数据包中的目的地址信息和发送节点位置信息，判断目标节点是否为自己；

(1.2)若目标节点是自己，则响应；

(1.3)若目标节点不是自己，则根据发送节点位置信息和自身位置信息，计算出需要阻塞的扇区，将计算结果存入定向网络分配向量表或根据计算结果更新定向网络分配向量表，根据数据包中的持续时间信息设置或更新该扇区的堵塞时间；

(2)四队列队头选择和虚拟竞争过程，具体包括如下步骤：

(2.1)当节点有数据需要发送或转接，首先将数据分为四个发送队列，再根据定向网络分配向量表判断被堵塞的扇区，每个发送队列分别从队头开始计算数据包的发送扇区，并依次和定向网络分配向量表进行比较：若数据包的发送扇区与定向网络分配向量表所记录的阻塞扇区不同，则选择该数据包作为该发送队列的队头，即选择该发送队列中第一个目的地址所对应的扇区为自由扇区的数据包为该发送队列的队头；在四个发送队列的队头选择完毕后，进入步骤(2.2)；

(2.2)四个发送队列的队头按照EDCA的虚拟竞争机制进行虚拟竞争，竞争成功的数据包进入数据外部竞争接入和传输过程；

(3)数据外部竞争接入和传输过程，具体包括如下步骤：

(3.1)若发送节点的定向网络分配向量表为空，表示该发送节点的所有扇区均为自由扇区，则发送全向请求发送，选择竞争成功的数据包作为发送包；若发送节点的定向网络分配向量表不为空，表示该发送节点的部分扇区为自由扇区，则发送定向请求发送，指向目的节点，选择竞争成功的数据包作为发送包；若当前没有合适的数据包，则延迟发送；

(3.2)接收节点接收到全向请求发送或定向请求发送后，首先判断自身是否为目的节点，若是，则判断自身的定向网络分配向量表是否为空：若为空，则发送一个全向清除发送应答进行确认并通知其他节点进行退避；若不为空，则丢弃该全向请求发送或定向请求发送，不作响应；

(3.3)若发送节点能够接收到全向清除发送应答，则定向发送数据，等待接收节点的命令正确应答，完成此次通信；若发送节点不能接收到全向清除发送应答，则进行避退等待，若等待超时，则丢弃该数据包并修改定向网络分配向量表中的对应扇区所在行的信息，使该对应扇区短时堵塞，以解决聋节点问题引起的队头阻塞问题。