CN105578523B - 基于协作mac协议的802.11自组织网络能效优先方法 - Google Patents

基于协作mac协议的802.11自组织网络能效优先方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于协作MAC协议的802.11自组织网络能效优先方法，主要步骤有源节点i根据1跳邻居拓扑的链路信息，选择到达目的节点j的能效满足Eikj＞Eij，Eij为源节点i直接向目的节点j传输的能效，Eikj为源节点i通过中继节点k向目的节点j传输的能效，且具有最大Eikj值的中继节点k作为中继节点，发送RRTS帧，并设置RCTS超时接收计时器；目的节点j收到RTS消息，按照标准802.11方式回复CTS，然后目的节点j进入数据接收状态；中继节点k一旦收到来至源节点i的RRTS消息，则发送一个RCTS至源节点i，通知源节点i可以通过中继进行转发数据，同时保存RRTS中的目的MAC地址。本发明通过中继协作技术对无线传输速率和传输能耗同时进行优化，提高单位能量传输的比特数。

Description

基于协作MAC协议的802.11自组织网络能效优先方法
技术领域
本发明涉及802.11无线局域网通信领域，特别涉及一种基于协作MAC(MediaAccess Control，介质访问控制)协议的802.11自组织网络能效优先方法。
背景技术
IEEE802.11a/b/g媒体访问控制协议具有多速率物理层，可以根据信道的状况，来决定以何种速率进行数据传输。当信噪比(SNR)较高时，可以采用较高的传输速率进行数据传输。为了利用物理层的多速率特性，产生了网络层多速率路由算法和MAC层多速率接入算法。网络层多速率路由算法通过将信道状态信息作为路由选择度量，来提高端到端的吞吐量。然而，路由更新时延以及控制开销较大，不能适应信道的时变特性。MAC层多速率接入算法通过对信道质量进行感知选择合适的传输速率，具有较大使用性，但主要是针对节点之间的直接传输，没有充分考虑中继协作增益。现有协作MAC协议要么是以提高数据传输速率为目标的，要么考虑的是如何减小数据传输能耗，缺乏对二者的综合考虑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于协作MAC协议的802.11自组织网络能效优先方法，通过中继协作技术对无线传输速率和传输能耗同时进行优化，提高单位能量传输的比特数。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于协作MAC协议的802.11自组织网络能效优先方法，包括针对源节点i、目的节点j和中继节点k进行处理：
针对所有节点
S0、当Hello报文到达时，维护1跳拓扑链路信息，包括链路对应节点的发射功率和所能达到的最大传输速率。
针对源节点i
S1.1、源节点i根据1跳邻居拓扑的链路信息，选择到达目的节点j的能效满足Eikj＞Eij，Eij为源节点i直接向目的节点j传输的能效，Eikj为源节点i通过中继节点k向目的节点j传输的能效，且具有最大Eikj值的中继节点k作为中继节点，发送RRTS(Relay RequestTo Send，中继请求发送)帧，并设置RCTS(Relay Clear To Send，中继清除发送)超时接收计时器；如果Eikj＞Eij条件无法满足，则采用标准802.11方式，将数据发送到目的节点j；S1.2、源节点i的RCTS计时器超时，则进行退避然后重新启动信道竞争过程；S1.3、源节点i收到RCTS，根据1跳范围链路质量信息设定源节点i到中继节点k的传输速率，将DATA(数据)帧的RA(Receive Address，接收地址)字段设定为中继节点k的MAC地址，将DATA帧发送到中继节点k，设置ACK(Acknowledgement，确认)帧接收超时计时器；S1.4、源节点i的ACK计时器超时，则进行重传；S1.5、源节点i收到ACK，则按照802.11协议开始退避，准备下一轮数据的传输；
针对目的节点j
S2.1、目的节点j收到RTS(Request To Send，请求发送)帧，按照标准802.11方式回复CTS(Clear To Send，清除发送)帧，然后目的节点j进入数据接收状态；S2.2、目的节点j不论收到来至源节点i还是中继节点k发送的DATA后，需回复ACK；
针对中继节点k
S3.1、中继节点k一旦收到来至源节点i的RRTS消息，则发送一个RCTS至源节点i，通知源节点i可以通过中继进行转发数据，同时保存RRTS中的目的MAC地址；S3.2、中继节点k对收到的DATA帧进行检测，如果发现接收地址RA字段为自己的MAC地址，则向源节点i回复ACK，根据存储的目的MAC地址，将DATA帧按照标准802.11的方式发送至目的节点j，并设置ACK接收超时计时器；S3.3、中继节点k的ACK计时器超时，则进行重传；S3.4、中继节点k收到ACK，完成本次数据传输。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过中继协作技术对无线传输速率和传输能耗同时进行优化，提高单位能量传输的比特数，通过协作MAC协议，实现了802.11自组织网络能效优先。
附图说明
图1为本发明中网络拓扑示意图。
图2为本发明中Hello报文格式。
图3为本发明中各节点链路质量信息示意图。
图4为本发明中源节点与中继节点的RRTS/RCTS帧交互示意图。
图5为本发明中源节点与中继节点的DATA/ACK帧交互示意图。
图6为本发明中中继节点与目的节点的RTS/CTS帧交互示意图。
图7为本发明中中继节点与目的节点的DATA/ACK帧交互示意图。
图8为本发明中采用的RRTS/RCTS帧格式。
图9为本发明方法协议处理流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。在局域网通信领域里，802.11b/g中基于CSMA(Carrier Sense Multiple Access，载波检测多路访问)/CA(Collision Avoidance，冲突避免)的RTS-CTS-DATA-ACK握手协议中，源节点i直接向目标节点j传输一个分组所需的时间为：
其中TSIFS：短帧帧间间隔；TDIFS：长帧帧间间隔；TRTS：RTS传输所需时间；TCTS：CTS传输所需时间；数据传输所需时间。
由于在802.11b/g中RTS、CTS、ACK是以1Mbps速率进行传输，而DATA的传输速率大于等于1Mbps。其感知范围内的所有节点都可以对RTS、CTS、ACK正确解调，但是却不一定能正确提取DATA帧，因为DATA帧的传输速率一般都大于基本传输速率。可以得到RTS/CTS/ACK/DATA的传输时间分别为：
TRTS＝(RTS+PHY_Hdr)/RRTS
TCTS＝(CTS+PHY_Hdr)/RCTS
TACK＝(ACK+PHY_Hdr)/RACK
假设来自上层的数据分组的长度为L(Bit)，则添加上MAC层首部，以及PLCP(Physical Layer Convergence Procedure，物理层会聚协议)头部，其传输时间为：
设节点i的发射功率为Pi，对于长度为L(Bits)的分组，当长度L远远大于RTS、CTS和ACK帧的长度时，节点i直接向节点j传输的能效Eij为：
Eij＝L/(Tij×Pi)
当长度L远远大于RTS、CTS和ACK帧的长度时，节点i直接向节点j传输的能效可近似为
设源节点i的发射功率为Pi，设中继节点k的发射功率为Pk，对于长度为L的分组，当长度L远远大于RTS、CTS和ACK帧的长度时，源节点i通过某个中继节点k向目的节点j传输数据，其能效Eikj为：
Eikj＝L/((Tik×Pi)+(Tkj×Pk))
当长度L远远大于RTS、CTS和ACK帧的长度时，源节点i通过某个中继节点k向目的节点j传输数据，其能效可近似为
对于长度为L的分组，源节点i通过某个中继节点k向目的节点j传输数据，该中继节点k需满足的条件如下：
Eikj＞Eij或
为了达到本发明中能效优先的技术效果，本发明提供的基于协作MAC协议的802.11自组织网络能效优先方法，包括针对源节点i、目的节点j和中继节点k进行处理：
针对所有节点
当Hello报文到达时，维护1跳拓扑链路信息，包括链路对应节点的发射功率和所能达到的最大传输速率；
针对源节点i
1、源节点i根据1跳邻居拓扑的链路信息，选择到达目的节点j的能效满足Eikj＞Eij，Eij为源节点i直接向目的节点j传输的能效，Eikj为源节点i通过中继节点k向目的节点j传输的能效，且具有最大Eikj值的中继节点k作为中继节点，发送RRTS帧，并设置RCTS超时接收计时器；如果Eikj＞Eij条件无法满足，则采用标准802.11方式，将数据发送到目的节点j；2、源节点i的RCTS计时器超时，则进行退避然后重新启动信道竞争过程；3、源节点i收到RCTS，根据1跳范围链路质量信息设定源节点i到中继节点k的传输速率，将DATA帧的接收地址RA字段设定为中继节点k的MAC地址，将DATA帧发送到中继节点k，设置ACK接收超时计时器；4、源节点i的ACK计时器超时，则进行重传；5、源节点i收到ACK，则按照802.11协议开始退避，准备下一轮数据的传输；
针对目的节点j
1、目的节点j收到RTS消息，按照标准802.11方式回复CTS，然后目的节点j进入数据接收状态；2、目的节点j不论收到来至源节点i还是中继节点k发送的DATA后，需回复ACK；
针对中继节点k
1、中继节点k一旦收到来至源节点i的RRTS消息，则发送一个RCTS至源节点i，通知源节点i可以通过中继进行转发数据，同时保存RRTS中的目的MAC地址；2、中继节点k对收到的DATA帧进行检测，如果发现接收地址RA字段为自己的MAC地址，则向源节点i回复ACK，根据存储的目的MAC地址，将DATA帧按照标准802.11的方式发送至目的节点j，并设置ACK接收超时计时器；3、中继节点k的ACK计时器超时，则进行重传；4、中继节点k收到ACK，完成本次数据传输。
下面通过具体实例对本发明方法进行验证，从而说明本发明方法的有益效果。网络拓扑如图1所示。MAC层周期广播Hello报文，Hello报文格式如图2所示。各链路的传输速率以及各节点的发射功率如图3所示。
当源节点1需要将数据发送至目的节点4时。根据公式分别计算选择节点2、节点3作为中继节点传输数据到节点4的能效(能效计算采用简化后的公式计算)，其值分别为和节点1所有去往节点4的可选中继中，最大能效为根据公式可计算出节点1与节点4直接传输的能效满足条件因此选择节点2为中继节点。
如图4所示，节点1以基本速率1Mbps发送RRTS帧给节点2，RRTS帧格式如图8所示。RRTS帧的源地址SA和发送地址TA字段都设置为节点1的MAC地址，接收地址RA字段和目的地址DA字段设定为中继节点2的MAC地址，并设置RCTS超时接收计时器；
如图4所示，节点2收到来至节点1的RRTS帧，发现RRTS帧的RA地址为本节点的MAC地址，向节点1回复RCTS帧，RCTS帧格式如图8所示。设置RCTS帧的源地址SA和发送地址TA字段为节点2的MAC地址，接收地址RA字段和目的地址DA字段设定为节点1的MAC地址，以基本速率1Mbps发送RCTS至节点1，通知节点1发送DATA帧。
如图5所示，节点1收到RCTS帧，根据1跳范围链路质量信息设定到节点2的传输速率为54Mbps，设置DATA帧的源地址SA和发送地址TA字段为节点1的MAC地址，接收地址RA字段设定为节点2的MAC地址，目的地址DA字段设定为节点4的MAC地址，将DATA帧发送到节点2，并设置ACK帧的接收超时计时器。
如图5所示，节点2收到DATA帧后进行检测，发现DATA帧的接收地址RA字段为自己的MAC地址，设置ACK帧的源地址SA和发送地址TA字段为节点2的MAC地址，接收地址RA字段和目的地址DA字段设定为节点1的MAC地址，以基本速率1Mbps向源节点1回复ACK；源节点1成功收到ACK帧，准备下一轮数据的传输。
如图6所示，节点2与节点4进行标准的RTS-CTS握手。
如图7所示，节点2从DATA帧中获得DA字段中的目的为节点4的MAC地址，根据1跳范围链路质量表中节点2与节点4的链路信息设定DATA帧的传输速率为54Mbps；设置DATA帧的源地址SA为节点1的MAC地址，发送地址TA字段为节点2的MAC地址，接收地址RA字段和目的地址DA字段设定为节点4的MAC地址，将DATA帧发送至节点4，并设置ACK帧接收超时计时器。
如图7所示，目的节点4成功接收来至节点2的DATA帧，以基本速率1Mbps向节点2回复ACK帧；节点2收到来至节点4的ACK帧，标志本次中继传输完成。如果节点2没有正确收到来至节点4的ACK帧，节点2启动重传，重复RTS-CTS-DATA-ACK过程。

Claims (1)

1.一种基于协作MAC协议的802.11自组织网络能效优先方法，其特征在于，包括针对源节点i、目的节点j和中继节点k进行处理：
针对所有节点
S0、当Hello报文到达时，维护1跳拓扑链路信息，包括链路对应节点的发射功率和所能达到的最大传输速率；
针对源节点i
S1.1、源节点i根据1跳邻居拓扑的链路信息，选择到达目的节点j的能效满足Eikj＞Eij，Eij为源节点i直接向目的节点j传输的能效，Eikj为源节点i通过中继节点k向目的节点j传输的能效，且具有最大Eikj值的中继节点k作为中继节点，发送RRTS帧，并设置RCTS超时接收计时器；如果Eikj＞Eij条件无法满足，则采用标准802.11方式，将数据发送到目的节点j；
S1.2、源节点i的RCTS计时器超时，则进行退避然后重新启动信道竞争过程；
S1.3、源节点i收到RCTS，根据1跳范围链路质量信息设定源节点i到中继节点k的传输速率，将DATA帧的接收地址RA字段设定为中继节点k的MAC地址，将DATA帧发送到中继节点k，设置ACK接收超时计时器；
S1.4、源节点i的ACK计时器超时，则进行重传；
S1.5、源节点i收到ACK，则按照802.11协议开始退避，准备下一轮数据的传输；
针对目的节点j
S2.1、目的节点j收到RTS消息，按照标准802.11方式回复CTS，然后目的节点j进入数据接收状态；
S2.2、目的节点j不论收到来至源节点i还是中继节点k发送的DATA后，需回复ACK；
针对中继节点k
S3.1、中继节点k一旦收到来至源节点i的RRTS消息，则发送一个RCTS至源节点i，通知源节点i可以通过中继进行转发数据，同时保存RRTS中的目的MAC地址；
S3.2、中继节点k对收到的DATA帧进行检测，如果发现接收地址RA字段为自己的MAC地址，则向源节点i回复ACK，根据存储的目的MAC地址，将DATA帧按照标准802.11的方式发送至目的节点j，并设置ACK接收超时计时器；
S3.3、中继节点k的ACK计时器超时，则进行重传；
S3.4、中继节点k收到ACK，完成本次数据传输。
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