CN105491677A - 一种基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，该方法实现复用RTS帧帧控制字段的三个比特位指示站点发送数据的QoS，在AP处对接收到的两个冲突的RTS混合信息以广播方式进行转发，两个发送站点根据自身先验RTS帧的信息对接收到的混合信息进行解析，然后根据RTS特定比特位的QoS指示信息等级选择发送数据QoS较高的站点优先接入信道。相比于传统的RTS冲突处理机制，该方法能更好地降低隐藏站点问题，充分利用时隙资源，提升系统吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体是一种802.11无线局域网中基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法。
背景技术
作为IEEE802局域网标准家族中的一员，IEEE802.11与以太网在链路层上兼容。802.11MAC(MediaAccessControl,MAC)通过一种带碰撞避免的载波侦听多址(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance,CSMA/CA)技术支持对无线媒体的共享接入，同时CSMA/CA技术所支持的简单分布式、基于竞争的接入协议构成802.11MAC协议的基础。
802.11WLAN(WirelessLocalAreaNetworks,WLAN)信道接入的分布式本质使得载波侦听对于无碰撞的操作至关重要。逻辑上存在于PHY(PhysicalLayer,PHY)中的物理载波侦听负责检测其他站点的传输，而在某些情况下物理载波侦听可能无法探测到所有站点的传输，如隐藏站点问题。802.11CSMA/CA机制采用RTS(RequesttoSend,RTS)/CTS(CleartoSend,CTS)机制来降低隐藏站点问题，具体做法是：当发送站点有数据要发送时，先进行信道检测(DIFS(DCFInter-frameSpace,DIFS)时长+等待一个随机回退数时长)且判断信道是否空闲，如果空闲，则发送RTS帧，接收站点正确收到RTS后，发CTS帧应答，发送站点收到CTS后，开始发送数据，接收站点在接收完数据帧后，发ACK(Acknowledgement,ACK)确认，一次传输成功完成。RTS/CTS交互完成后，发送和接收站点的邻居收到RTS/CTS后，通过设置网络分配向量(NetworkAllocationVector,NAV)，并在NAV规定时长内不进行信道检测和数据发送。
对于传统RTS/CTS机制，多个发送站点发送的RTS可能产生碰撞，这种情况下，由于收不到接收站点的CTS消息，发送站点会执行CSMA/CA提供的竞争机制将竞争窗口翻倍且重新竞争信道。这种在RTS碰撞时的处理机制会造成时隙资源的浪费，不利于系统吞吐量的提升。
发明内容
发明目的：为了更好地降低隐藏站点问题，充分利用时隙资源，提升系统吞吐量，本发明提出了一种基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，实现两个发送站点(Station,STA)的RTS在接入点(AccessPoint,AP)处碰撞时能快速选择一个发送数据服务质量(QualityofService,QoS)较高的站点优先接入信道。
技术方案：一种基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，该方法实现复用RTS帧帧控制字段的三个比特位指示站点发送数据的QoS，在AP处对接收到的两个冲突的RTS混合信息以广播方式进行转发，两个发送站点根据自身先验RTS帧的信息对接收到的混合信息进行解析，分别解出对方站点的RTS帧，然后根据双方RTS特定比特位的QoS指示信息等级选择发送数据QoS较高的站点优先接入信道，具体包括如下步骤：
(1)根据发送数据服务质量(QoS)等级类别设置RTS帧的帧控制字段中QoS等级指示的子字段；
(2)发送站点STA1和STA2在检测到信道空闲后，向AP发送RTS帧，分别为RTSSTA1和RTSSTA2；
(3)AP收到两个站点发送的RTS帧的混合叠加信息，即RTS帧在AP处发生碰撞且AP无法解出任意一个站点的RTS帧，在AP处收到两者的混合叠加信息为：
y＝hA1xRTS1+hA2xRTS2+n(公式1)其中，xRTSi表示站点STAi发送的RTS帧，n表示加性高斯白噪声，hAi表示站点STAi到AP之间的信道响应。
(4)AP将收到的混合叠加信息以广播方式转发给STA1和STA2，STA1收到的混合叠加信息为：
y1'＝hA1 *y＝hA1 *hA1xRTS1+hA1 *hA2xRTS2+hA1 *n(公式2)
STA2收到的混合叠加信息为：
y2'＝hA2 *y＝hA2 *hA1xRTS1+hA2 *hA2xRTS2+hA2 *n(公式3)
其中，y表示AP处收到的两者的混合信息，xRTSi表示站点STAi发送的RTS帧，n表示加性高斯白噪声，hAi表示站点STAi到AP之间的信道响应。
(5)STA1和STA2收到AP转发的混合叠加信息后，根据自身先验RTS帧的信息解出对方站点的RTS帧，然后根据双方RTS中特定比特位的QoS等级指示选择发送数据服务质量(QoS)较高的站点优先接入信道；
(6)选择QoS等级较高的站点在短帧间隔(ShortInter-framespace,SIFS)后发送RTS帧，另一冲突站点根据CSMA/CA提供的竞争机制进行竞争窗口翻倍，然后重新进入信道竞争过程，若接入信道站点发送的RTS帧再次与隐藏站点发送的RTS帧产生冲突，则重复步骤(1)再次执行相同机制。
有益效果：本发明方法相比于传统的RTS冲突处理机制，能更好地降低隐藏站点问题，充分利用时隙资源，提升系统吞吐量。
附图说明
图1为本发明实例说明系统模型图；
图2为本发明实现总体流程图；
图3为本发明实现时隙图；
图4为RTS帧结构图；
图5为传统RTS帧帧控制字段结构图；
图6为本发明重新定义的RTS帧帧控制字段结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明提供了一种基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，图2为本发明实现的总体流程图，图3为本发明实现的时隙图，具体描述为该方法实现复用RTS帧帧控制字段的三个比特位指示站点发送数据的QoS信息，在AP处对接收到的两个冲突的RTS混合信息以广播方式进行转发，两个发送站点根据自身先验RTS帧的信息对混合信息进行解析，分别解出对方站点的RTS帧，然后根据双方RTS中特定比特位的QoS指示信息等级选择发送数据服务质量(QoS)较高的站点优先接入信道。
以两个STA，1个AP为例，如图1所示，说明本发明的具体实施步骤：
(1)根据发送数据服务质量(QoS)等级类别设置RTS帧的帧控制字段中QoS等级指示的3个子字段，具体服务质量等级类别如表1所示，具体帧结构如图6、图4所示，帧结构里重新定义子字段相应的内容值如表3所示；
(2)发送站点STA1和STA2在检测到信道空闲后发送向AP发送RTS帧，分别为RTSSTA1和RTSSTA2，具体RTS帧结构如图4所示；
(3)两个站点发送的RTS帧在AP处发生碰撞，AP无法解出任意一个站点的RTS帧，在AP处收到两者的混合叠加信息：
y＝hA1xRTS1+hA2xRTS2+n(公式1)
(4)AP将收到的混合叠加信息以广播方式转发给STA1和STA2，STA1收到的混合叠加信息为：
y1'＝hA1 *y＝hA1 *hA1xRTS1+hA1 *hA2xRTS2+hA1 *n(公式2)
STA2收到的混合叠加信息为：
y2'＝hA2 *y＝hA2 *hA1xRTS1+hA2 *hA2xRTS2+hA2 *n(公式3)
其中，xRTSi表示站点STAi发送的RTS帧，n表示加性高斯白噪声，hAi表示站点STAi到AP之间的信道响应。
(5)STA1和STA2收到AP转发的混合叠加信息后，根据自身先验RTS帧的信息解出对方站点的RTS帧，然后根据双方RTS中B10、B11、B13子字段的QoS等级指示选择发送数据服务质量(QoS)较高的站点优先接入信道，此实施例中选择QoS等级较高的STA1接入信道；
(6)选择QoS等级较高的站点STA1在短帧间隔后发送RTS帧，另一冲突站点STA2根据CSMA/CA提供的竞争机制进行竞争窗口翻倍，然后重新进入信道竞争过程，具体过程如图3所示。接入信道的站点STA1发送的RTS帧若再次与隐藏站点发送的RTS帧产生冲突，则重复步骤(1)再次执行相同机制。
所述发送数据服务质量(QoS)等级包括4种接入类别(AccessCategories,AC)、8种优先级别。每个AC由一组接入参数的特定赋值定义。这些参数在统计上规定了各AC对信道接入的优先级别。表1给出了4种AC的相对接入优先级别以及802.1D(MAC桥接)用户优先级与各AC的映射关系。一个带有特定用户优先级的MAC服务数据单元(MACServiceDataUnit,MSDU)被称为属于该用户优先级的通信类别(TrafficCategory,TC)。
表1AC的相对优先级以及对802.1D用户优先级的映射
进一步的，所述8种服务质量优先级别需要3个比特位进行指示，复用RTS帧结构中的3个比特位。附图4给出RTS帧的结构图，其中帧控制字段由多个子字段组成，出现在所有的帧类型中；“时长”字段被设置为以μs为单位的帧序列时长，由期望中的CTS(允许发送)响应及后继的帧交换组成；RA(ReceiveAddress,RA)字段是发送的数据或管理帧所要发往的接收站点的地址；TA(TransmitAddress,TA)字段是发送RTS帧的站点地址；FCS(FocusControlSystem,FCS)字段包含一个32bit的CRC(CyclicRedundancyCheck,CRC)，用来校验MAC协议数据单元(MACProtocolDataUnit,MPDU)的完整性。根据RTS帧各字段的功能特性，时长、RA、TA、FCS字段不可复用，帧控制字段部分子字段可以复用。
进一步的，所述指示QoS等级的3个比特位通过复用RTS帧帧控制字段的3个子字段组合成QoS指示字段实现。附图5给出传统RTS帧帧控制字段的结构图，复用字段为：“更多分片”字段、“重试”字段、“受保护帧”字段。附表2给出3个子字段的内容值及解释。
表2帧控制可复用子字段内容值及解释
进一步的，重新定义选定的RTS帧帧控制字段的3个子字段，附图6给出重新定义后RTS帧帧控制字段的结构图，附表3给出重新定义后3个子字段的内容值及解释，其他字段保持原有内容值不变。
表3重新定义子字段内容值及解释
Claims (6)
1.一种基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据发送数据QoS等级类别设置RTS帧的帧控制字段中QoS等级指示的子字段；
(2)发送站点STA1和STA2在检测到信道空闲后，向AP发送RTS帧，分别为RTSSTA1和RTSSTA2；
(3)AP收到两个站点发送的RTS帧的混合叠加信息，即RTS帧在AP处发生碰撞且AP无法解出任意一个站点的RTS帧；
(4)AP将收到的混合叠加信息以广播方式转发给STA1和STA2；
(5)STA1和STA2收到AP转发的混合叠加信息后，根据自身先验RTS帧的信息解出对方站点的RTS帧，然后根据双方RTS中特定比特位的QoS等级指示选择发送数据QoS较高的站点优先接入信道；
(6)选择QoS等级较高的站点在SIFS后发送RTS帧，另一冲突站点根据CSMA/CA提供的竞争机制进行竞争窗口翻倍，然后重新进入信道竞争过程，若接入信道站点发送的RTS帧再次与隐藏站点发送的RTS帧产生冲突，则重复步骤(1)再次执行相同机制。
2.根据权利要求1所述的基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，其特征在于，所述QoS等级包括4种接入类别、8种优先级别。
3.根据权利要求1所述的基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，其特征在于，所述指示QoS等级的3个比特位通过复用RTS帧帧控制字段的3个子字段组合成QoS指示字段实现，复用字段为：“更多分片”字段、“重试”字段、“受保护帧”字段。
4.根据权利要求1所述的基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，其特征在于，所述AP处收到的两者的混合叠加信息为：
y＝hA1xRTS1+hA2xRTS2+n(公式1)
其中，xRTSi表示站点STAi发送的RTS帧，n表示加性高斯白噪声，hAi表示站点STAi到AP之间的信道响应。
5.根据权利要求1所述的基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，其特征在于，所述STA1收到的混合叠加信息为：
y1'＝hA1 *y＝hA1 *hA1xRTS1+hA1 *hA2xRTS2+hA1 *n(公式2)
其中，y表示AP处收到的两者的混合叠加信息，xRTSi表示站点STAi发送的RTS帧，n表示加性高斯白噪声，hAi表示站点STAi到AP之间的信道响应。
6.根据权利要求1所述的基于网络编码的带碰撞避免的载波侦听多址方法，其特征在于，所述STA2收到的混合信息为：
y2'＝hA2 *y＝hA2 *hA1xRTS1+hA2 *hA2xRTS2+hA2 *n(公式3)
其中，y表示AP处收到的两者的混合信息，xRTSi表示站点STAi发送的RTS帧，n表示加性高斯白噪声，hAi表示站点STAi到AP之间的信道响应。
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