CN106100796A - 一种融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线协作网络的管理多中继的媒质接入方法：两终端节点各自分别向对方发送数据分组，临近的候选节点监听所发送的数据分组并缓存，当接收数据分组的节点由于接收错误或失败时，请求临近候选节点协作完成通信，发送RRF帧进行请求。如果接收节点同样有数据分组要发送，则随着RRF帧一起发送。最后，中继节点根据其所监听到的数据分组的个数，采取不同的回退值来竞争信道，优先回退值达到零的节点成为中继节点，发送RSF帧完成协作传输。同时，网络编码可以多个数据分组一起编码和传输，有效地增加协作增益和网络吞吐量。中继节点通过融合网络编码，来完成多中继协作双向通信，进一步提高网络性能。

Description

一种融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法。

背景技术

协作通信技术的研究起源于20世纪70年代关于中继信道中信息论特性的研究工作，通过网络中终端临近的节点参与通信，可很大程度上提高网络性能，节省节点能量，提高资源利用率，已经或正在无线城域网、蜂窝移动通信网络、无线局域网、无线传感器网络中进行应用和研究。而媒质接入控制技术(Medium Access Control，MAC)作为通信网络的重要的一部分，它的性能的好坏直接影响无线通信网络的整体性能和信道利用效率的高低。特别是移动终端限于体积、能耗等，协作通信更加重要。因此，研究协作无线通信网络的媒质接入方法的相关技术具有重要的意义。

早起的协作通信研究的内容主要集中在物理层。近年来在接入层和网络层等涌现了很多成果，其中跨层协作研究也是热点内容。

根据目前国内外的研究状况，对于中继节点的选择情况，涌现了很多研究成功。例如称为CoopMAC的协作MAC协议，是根据端到端最小传输时间选择中继节点，高数据发送速率的节点协助低数据速率的节点完成通信，只不过需要在各节点内部维护一张称为CoopTable的协作表，占用内存空间，复杂度也比较高。另一种方法根据无线信道的瞬时信息来选择中继节点，通过选择信道质量最好的节点，并能够提高网络系统的性能，才能够成为中继节点，以提高吞吐量和网络性能为目标，最后实验验证在吞吐量和网络时延方面优于传统802.11协议的性能。还有一种方法中引入了跨层考虑的思想，提出协作MAC引入组内和组间竞争选出最优中继节点，但是这样的策略，使得开销加剧和引入了相应的时延。还有方法中通过计算最小传输时间的节点作为中继，融合网络编码，提高网络性能。另外还有一种方法采用多中继节点同时传输的方法，结合分布式时空编码，通过选择一种传输模式，可以提高网络传输稳定性、数据发送速率和网络性能，但是复杂度比较大。以上五篇文献都采用了各自的策略来选择中继节点完成协作传输，或者采用比较复杂的编码系统，以此来提高网络性能，但是仍然存在着各种弊端。

综上所述，应用于多中继节点的无线协作通信的媒质接入方法需要克服现有技术的缺陷，做进一步的研究。

发明内容

本发明的目的是为了解决管理和控制多中继协作通信的媒质接入问题，提供一种应用于无线协作网络的媒质接入方法，使其在多中继协作无线通信网络中提供更好的网络性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法，包括下列步骤：

(1)首先建立两终端多中继双向通信模型，所述模型中两终端均处于饱和状态，即两终端彼此之间一直有数据需要发送给对方，终端附件的临近节点监听数据分组并缓存；

(2)当接收节点接收数据分组失败或错误时，接收节点向临近的多个候选节点进行请求协作传输；如果接收节点同样有数据需要发送到对方节点，则随着请求分组一起发送；

(3)临近的候选节点接收到请求协作传输的数据分组之后，根据自身节点监听到的数据分组的数量，采取不同级别的一个随机的回退值，并融合网络编码，以广播的形式发送出去，继续等待终端节点的确认；

(4)终端节点接收到中继节点发送的协作传输的中继响应帧(Relay ResponseFrame，RSF)，则等待短帧间间隔(Short Inter-frame Space，SIFS)时隙后，发送确认帧(Acknowledgment，ACK)进行确认，完成本次协作传输，开始下一轮通信。

在本发明的一个实施例中，所述步骤(1)包括如下子步骤：

(1.1)首先建立两终端多中继双向通信模型，并将两终端使用U₁、U₂表示；

(1.2)在两终端具体发送数据分组之前，首先退避分布式帧间间隔(DistributedInter-frame Spacing，DIFS)时隙，假设U₁首先获取媒质访问权，向U₂发送数据分组；

(1.3)U₁、U₂临近的候选节点监听发送的数据分组并缓存。

在本发明一个实施例中，所述步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)U₁、U₂临近的候选节点使用R表示，R：{r₁、r₂、…、r_n}；

(2.2)当无线网络信道性能恶化导致U₂无法正确接收U₁所发送的数据分组时，U₂节点在等待SIFS时隙后，发送中继请求帧(Relay Request Frame，RRF)请求临近的候选节点参与协作传输；如果U₂节点同样有数据需要发送给U₁节点，则数据随着RRF帧一起发送出去。

在本发明一个实施例中，所述步骤(3)包括如下子步骤：

(3.1)U₁、U₂两终端临近的候选节点接收到U₂节点发送的请求完成协作传输的RRF帧后，各个候选节点分析已经接收到的数据分组个数；

(3.2)如果候选节点已经监听到两个数据分组，并正确接收，则采取[0～CW₀-1]之间的随机值作为回退值，回退值优先减为0的候选节点成为中继节点，在等待SIFS时隙后，把已经接收到的两个数据分组进行网络编码，以广播的形式发送出去；

(3.3)如果候选节点接收到一个数据分组，或者只接收到U₁节点发送的数据分组，或者只接收到U₂节点所发送的数据分组，或者U₁、U₂发送的数据分组都接收到了，但是有一个出错了，无法正确解析，则该候选节点采取[CW₀～2*CW₀-1]之间的随机值作为回退值；回退值优先减小到0的候选节点成为中继节点，等待SIFS时隙，然后把接收到的数据分组作为RSF帧以广播的形式发送出去；

(3.4)如果候选节点没有接收到一个数据分组，或者接收到了数据分组，但是由于无法正确解析，导致没有数据分组被正确接收，那么该候选节点采取[2*CW₀～3*CW₀-1]之间的随机值，作为回退值；回退值减小为0的候选节点成为中继节点，等待SIFS时隙后，以广播的形式，发送没有有效载荷的RSF帧。

在本发明一个实施例中，所属步骤(4)包括如下子步骤：

(4.1)终端节点U₁、U₂接收到中继节点发送的RSF数据帧后，分析RSF帧的结构；

(4.2)如果RSF数据帧包含两个数据分组，即融合了网络编码的数据分组，则两终端U₁、U₂对接收到的RSF数据帧解码，分别获取对方发送给自身的数据分组；若能正确解码，则等待SIFS时隙后，发送ACK确认帧给中继节点；若不能正确解码，则等待中继节点根据ACK响应超时进行重传；

(4.3)如果RSF数据帧只包含一个数据分组，则U₁、U₂两终端节点在接收到该数据分组后，确认数据分组是否是发送给自身为目的地，如果自身不是目的地，则丢弃；如果自身是该数据分组的目的地，则解析数据分组；如果能正确解析分组，则等待SIFS时隙后，发送ACK确认帧给中继节点完成传输；

(4.4)如果RSF数据帧不包含有效载荷，则说明中继节点没有接收到正确的数据分组，两终端收到该数据分组后，重新开始下一轮数据传输。

与现有技术相比，本发明具有以下有效效果：

1、在源节点和目的节点距离较远，直接传输数据分组失败的情况下，本发明所提出的媒质接入方法可有效完成源节点和目的节点的数据协作传输，提高资源利用率；

2、本发明所提出的媒质接入方法在网络性能方面，相比于融合网络编码的ARQ机制的媒质接入方法具有较好的优势；

3、本发明在相同的网络条件下，利用多个候选节点完成协作通信，进一步融合网络编码，可有效提高网络吞吐量。

附图说明

图1为本发明实施例中一种媒质接入方法模型图；

图2为本发明实施例中中继节点接收到两个数据分组时的时序图；

图3为本发明实施例中中继节点接收到两个数据分组时的时序图；

图4为本发明实施例中中继节点接收到两个数据分组时的时序图；

图5为本发明实施例中应用本媒质接入方法与应用NCCARQ的媒质接入方法的网络吞吐量对比示意图；

图6为本发明实施例中高数据速率与低数据速率下网络吞吐量对比示意图；

其中：U₁、U₂代表两终端节点，R代表中继节点。ω₂取值范围为：[0～CW₀-1]；ω₁取值范围为：[CW₀～2*CW₀-1]；ω₀取值范围为：[2*CW₀～3*CW₀-1]。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明适用于多中继无线协作网络，首先建立如图1所示的两终端多中继双向通信模型，本发明实施例中所述融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法包括如下步骤：

步骤S1，两终端节点U₁、U₂之间进行通信，每个节点都有一个缓存队列，分别缓存将要发送的数据包，通过竞争信道，在DIFS时隙后开始尝试发送数据包。

步骤S2，假设U₁获取到信道访问权，发送数据包P₁。正常情况下，U₂接收到数据包，经过SIFS时间间隔，发送ACK进行响应。

步骤S3，但是由于链路状态随时变化或其他原因，U₂不能正确解析数据包，U₂经过SIFS发送RRF帧请求中继进行协作传输；此时，如果U₂也有数据包发送给U₁，则把数据包P₁`随着RRF帧一同发送出去。

步骤S4，U₁、U₂的临近节点收到RRF帧，则通过合适的回退时间间隔，然后通过竞争，完成协作传输。

步骤S5，临近候选节点只有在自身处于空闲状态的情况下才成为中继节点，并参与协作传输。一般情况下，临近的中继节点有多个，每个中继节点与源节点、目的节点之间的距离，链路状态各不相同，因此，中继节点接收的数据包的数量最多有两个，可能是两个、一个、零个。所以，我们根据中继节点接收数据包的不同采取不同的回退时间来竞争信道，完成协作传输。

结合图2、图3、图4，步骤S5具体为：

步骤S51，中继节点接收到两个数据分组：即源节点和目的节点发送的数据分组都被中继节点接收到，那么回退时间采用[0,CW₀-1]之间的随机值，然后通过网络编码，优先获取信道，发送RSF+(P₁⊕P₁`)分组作为RRF请求中继帧的响应。源节点和目的节点收到该RSF中继响应帧之后，分别发送ACK到中继节点完成协作传输。但是，当源节点和目的节点都没有正确接收到数据分组的情况下，中继节点尝试经过SIFS时间后重新发送数据分组，直到源节点和目的节点正确接收或达到最大重传次数为止。

步骤S52，中继节点接收到一个数据分组：可能只是收到了源节点发送的数据分组，也可能只是收到了目的节点发送的数据分组，也可能是不能正确解析源节点或目的节点发送的数据分组，只是正确接收到一个数据分组，那么回退时间采用[CW₀,2CW₀-1]之间的随机值，然后发送RSF+P₁或者RSF+P₁`分组进行响应，接收节点发送ACK作为响应，完成协作传输。但是，当对应的目的节点没有正确接收中继所发送的数据分组时，即对应的目的节点没有向中继节点发送ACK进行确认，则中继节点尝试经过SIFS时间后重传数据分组，直到目的节点正确接收或达到最大重传次数为止。

步骤S53，中继节点没有接收到数据分组，这种情况下，中继节点的回退时间采用[2CW₀,3CW₀-1]之间的随机值，然后仅仅发送RSF帧作为协作响应，完成协作传输，源节点和目的节点接收到RSF帧后，重新开始下一轮数据传输。

需要注意的是，RRF帧和RSF帧的设计均是在原有IEEE802.11协议的基础上增加两种WIFI_MAC_HEADER类型实现的。

具体地，在原有IEEE802.11协议的基础上，增加媒质接入方法(MAC)头类型：WIFI_MAC_QOSDATA_RRF和WIFI_MAC_QOSDATA_RSF；终端节点发送中继请求分组RRF时，不改变原有MAC头部结构的情况下，构成完整的分组，发送目标节点；中继节点接收到RRF帧后，等待合适的回退值，响应RSF帧，同样不改变原有MAC头部结构，以广播的形式发送出去，等待终端节点进行确认。

上述媒质接入方法(MAC)头类型设计具有以下特点：1)不改变原有MAC头部结构；2)仅仅增加MAC头部类型；3)当RRF帧与RSF帧被相应的节点所接收后，该节点能够对分组进行分析，并完成协作通信。

下面给出网络性能评价过程中的定量评价指标的定义以公平合理地进行性能评估。

吞吐量：成功传输到目的地的有效载荷的期望值E[P]与一个数据分组被成功传输到目的地的平均时间E[T]的比值。

实验采用了基于NS3平台对本发明中提出的方法的性能进行仿真测试评估。

仿真网络拓扑中参数采用如表1所示，使用5个候选的节点，作为中继节点，参与两终端U₁和U₂的协作传输，在初始状态下，5个候选节点都处于空闲状态，都可以作为中继节点参与协作传输，两终端节点处在饱和状态下，一直向对方发送数据包。我们假设误包率PER_(U1-r)与PER_(U2-r)相等，PER_(U1-U2)为1，即两终端不能直接传输数据包，需利用中继节点来完成协作传输。控制帧传输发送的速率统一采用6Mb/s，数据包发送数据速率分别采用6Mb/s和54Mb/s。

为了具有可比性，在同样的条件下，仿真实验与文献[11]中的被命名为NCCARQ双向无线协作通信的MAC协议进行了对比。

参数	值
		有效载荷	1500字节
RRF	28字节
		ACK	14字节
SIFS	10us
		PER(U1-U2)	1.0
PER(U1-r)	[0-1.0]
		MAC header	34字节
RSF	34字节
		Time slot	10us
DIFS	50us
		队列长度	1024
PER(U2-r)	[0-1.0]

表1

图5为网络吞吐量的仿真结果。从结果上可以看出，在不同PER情况下，吞吐量存在比较大的差别。随着PER的增加，吞吐量随之减小。在网络状况相对良好的情况下，网络吞吐量随之增加。图中蓝色线代表应用本发明的媒质接入方法的网络的吞吐量，相比于绿色线代表的NCCARQ媒质接入方法来说，在吞吐量上有大提高，说明本发明的媒质接入方法具有使网络性能变好的能力。在网络状况比较差的情况下，两种网络的吞吐量表现均有所下降。

图6为高数据速率和低数据发送速率情况下，网络吞吐量对比示意图。图中蓝色线表示的是中继节点在54Mb/s高数据发送速率下完成协作传输的吞吐量曲线，而绿色线代表的是中继节点在6Mb/s低数据发送速率下完成协作传输的吞吐量曲线。很明显可以看出，在高数据传输速率情况下，无线协作网络所得到的吞吐量要远远高于在低数据发送速率下所得到的吞吐量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法，其特征在于，包括：

(1)首先建立两终端多中继双向通信模型，所述模型中两终端均处于饱和状态，即两终端彼此之间一直有数据需要发送给对方，终端附件的临近节点监听数据分组并缓存；

(2)当接收节点接收数据分组失败或错误时，接收节点向临近的多个候选节点进行请求协作传输；如果接收节点同样有数据需要发送到对方节点，则随着请求分组一起发送；

(3)临近的候选节点接收到请求协作传输的数据分组之后，根据自身节点监听到的数据分组的数量，采取不同级别的一个随机的回退值，并融合网络编码，以广播的形式发送出去，继续等待终端节点的确认；

(4)终端节点接收到中继节点发送的协作传输的RSF数据帧，则等待SIFS时隙后，发送ACK帧进行确认，完成本次协作传输，开始下一轮通信。

2.如权利要求1所述的融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法，其特征在于，所述步骤(1)包括如下子步骤：

(1.1)首先建立两终端多中继双向通信模型，其中两终端使用U₁、U₂表示；

(1.2)在两终端具体发送数据分组之前，首先退避DIFS时隙，假设U₁首先获取媒质访问权，向U₂发送数据分组；

(1.3)U₁、U₂临近的候选节点监听发送的数据分组并缓存。

3.如权利要求1所述的融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法，其特征在于，所述步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)将U₁、U₂临近的候选节点使用R表示，R：{r₁、r₂、…、r_n}；

(2.2)当无线网络信道性能恶化导致U₂无法正确接收U₁所发送的数据分组时，U₂节点在等待SIFS时隙后，发送RRF帧请求临近的候选节点参与协作传输；如果U₂节点同样有数据需要发送给U₁节点，则数据随着RRF帧一起发送出去。

4.如权利要求1所述的融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下子步骤：

(3.1)U₁、U₂两终端临近的候选节点接收到U₂节点发送的请求完成协作传输的RRF帧后，各个候选节点分析已经接收到的数据分组个数；

(3.2)如果候选节点已经监听到两个数据分组，并正确接收，则采取[0～CW₀-1]之间的随机值作为回退值，回退值优先减为0的候选节点成为中继节点，在等待SIFS时隙后，把已经接收到的两个数据分组进行网络编码，以广播的形式发送出去；

(3.3)如果候选节点接收到一个数据分组，或者只接收到U₁节点发送的数据分组，或者只接收到U₂节点所发送的数据分组，或者U₁、U₂发送的数据分组都接收到了，但是有一个出错了，无法正确解析，则该候选节点采取[CW₀～2*CW₀-1]之间的随机值作为回退值；回退值优先减小到0的候选节点成为中继节点，等待SIFS时隙，然后把接收到的数据分组作为RSF帧以广播的形式发送出去；

(3.4)如果候选节点没有接收到一个数据分组，或者接收到了数据分组，但是由于无法正确解析，导致没有数据分组被正确接收，那么该候选节点采取[2*CW₀～3*CW₀-1]之间的随机值，作为回退值；回退值减小为0的候选节点成为中继节点，等待SIFS时隙后，以广播的形式，发送没有有效载荷的RSF帧。

5.如权利要求1所述的融合网络编码的多中继无线协作媒质接入方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下子步骤：

(4.1)终端节点U₁、U₂接收到中继节点发送的RSF数据帧后，分析RSF帧的结构；

(4.2)如果RSF数据帧包含两个数据分组，即融合了网络编码的数据分组，则两终端U₁、U₂对接收到的RSF数据帧解码，分别获取对方发送给自身的数据分组；若能正确解码，则等待SIFS时隙后，发送ACK确认帧给中继节点；若不能正确解码，则等待中继节点根据ACK响应超时进行重传；

(4.3)如果RSF数据帧只包含一个数据分组，则U₁、U₂两终端节点在接收到该数据分组后，确认数据分组是否是发送给自身为目的地，如果自身不是目的地，则丢弃；如果自身是该数据分组的目的地，则解析数据分组；如果能正确解析分组，则等待SIFS时隙后，发送ACK确认帧给中继节点完成传输；

(4.4)如果RSF数据帧不包含有效载荷，则说明中继节点没有接收到正确的数据分组，两终端收到该数据分组后，重新开始下一轮数据传输。