CN106255171A - 多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议及其应用，在该协议中，某一跳中的信息接收者与协作中继会被同时确定，并且能够让接收者更接近目的节点，协作中继具有更好的信道条件，再者，考虑到网络中存在多个信息流传输所带来的流间信号干扰问题，该协议在选择协作中继时引入了干扰因子，使得所选择的协作中继在传输信息时对其他信息流的干扰较小。本发明的基本原理和方法可以应用到瑞利衰落环境下多跳多流无线自组织网络的中去。

Description

多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议及其应用

技术领域

本发明涉及无线自组织网络技术、协作通信技术以及无线路由与媒体接入控制技术。

背景技术

无线自组织(Ad Hoc)网络是由一组无线终端设备组成的临时性自治系统，具有分布式、多跳转发等特点，使得它具有无需网络基础设施、组网方便迅速、系统抗毁性强等显著优点，可以应用于战时通信、紧急救援、临时会议等多种环境，应用前景广阔。然而，AdHoc网络目前并没有得到大规模的应用，一个重要原因是由于Ad Hoc网络中数据接收的不可靠性。值得庆幸的是，协作通信的出现给这些难题的解决带来了曙光，从而可以促使AdHoc网络得到广泛的应用。在协作通信环境中，每个无线终端只需安装一个天线，并且可以通过一定规则共享其他终端的天线，以形成一个虚拟多输入多输出阵列，从而达到空间分集的效果。这样，就无需在终端上配备多个天线，同时又可以获得协作分集增益。

为了充分地将协作分集增益转化成上层协议的性能提升，需要解决一跳中的协作中继和接收者的联合选择问题，而不是先选择接收者，再选择协作中继。

发明内容

本发明为克服现有技术存在的不足之处，提供一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议及其应用，以期能充分利用物理层的协作分集所带来的增益，联合媒体接入控制层和路由层，使得在多跳多信息流的无线自组织网络中，以解决在多跳多信息流的无线自组织网络中，如何在一跳中同时选择协作中继和接收者的问题，从而能使系统吞吐量和端到端时延得到明显的提高和减少。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的特点包括五种控制帧：CL-RTS帧、CL-CTS帧、CL-RTH帧、CL-ATR帧以及CL-ACK帧；

所述CL-RTS帧占27个字节，是在RTS帧格式的基础上增加Packet Length字段、Sender Location字段、Destination Location字段和Numbe字段；

所述Packet Length字段占2个字节，用于指明发送包的长度；

所述Sender Location字段占2个字节，用于指明发送者的地理位置；

所述Destination Location字段占2个字节，用于指明目的节点的地理位置；

所述Number字占1个字节，用于指明潜在接收者的数量；

所述CL-CTS帧占22个字节，是在CTS帧格式的基础上增加SNR_SR字段和Counter字段；

所述SNR_SR字段占1个字节，用于指明发送者到接收者之间的信噪比；

所述Counter字段占1个字节，用于作为计数器且初始值等于潜在接收者的数量；

所述CL-RTH帧占29个字节，是在RTS帧格式的基础上增加Receiver ID字段、Transmission Type字段、R_DATA,1字段和R_DATA,2字段；

所述Receiver ID字段占6个字节，用于指明接收者的地址；

所述Transmission Type字段占1个字节，用于指明传输类型；

所述R_DATA,1字段占1个字节，用于指明协作传输第一阶段的传输速率；

所述R_DATA,2字段占1个字节，用于指明协作传输第二阶段的传输速率；

所述CL-ATR帧和CL-ACK帧占20个字节，是在ACK帧格式的基础上增加Receiver ID字段，所述Receiver ID字段占6个字节，用于指明接收者的地址。

本发明一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的协作中继选择与竞争策略的特点是按如下步骤进行：

步骤1、利用式(1)获得度量协作传输时链路性能的判据M_CT：

$M_{CT}=\frac{L_{DATA}}{T_{CT}}(1-p_{err}^c)(1-p_{\mathrm{int}}^r)---\left(1\right)$

式(1)中，L_DATA表示数据包中有效负载的长度，即字节数；T_CT表示协作传输总的传输时间；表示协作传输时的帧错误概率；指示中继节点处的干扰概率；

步骤2、利用式(2)获得度量直接传输时链路性能的判据M_DT：

$M_{DT}=\frac{L_{DATA}}{T_{DT}}(1-p_{err}^d)---\left(2\right)$

式(2)中，T_DT表示直接传输总的传输时间，表示直接传输时的帧错误概率。

步骤3、利用式(3)获得每个潜在的协作中继的忙音信号长度L_BT：

式(3)中，表示任意个中继节点的第i个协作链路，表示任意个发送者的第i个直接链路，S_ref表示参考的吞吐量，符号表示向下取整；

步骤4、，经过SIFS时间之后，所有潜在的中继同时发送忙音信号，并且让忙音信号的长度等于L_BT；如果任意个中继在结束自己的忙音信号时，仍然能够监听到其他忙音信号，则表明该中继所在的协作链路的性能没有其他中继的好，该中继不是最佳中继；如果任意个中继在结束自己的忙音信号时，不能够监听到其他的忙音信号，则表明该中继所在的协作链路的性能最好，并作为最佳中继。

本发明一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的数据交换方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、当发送者有数据包需要发送到目的节点时，在监听到信道空闲DIFS帧间隔时间后广播CL-RTS帧；

步骤2、当任意个邻居i收到CL-RTS帧时，判断是否为潜在的接收者，并设置一个计时器T_i；

当T_i＝0时，邻居i传输CL-CTS帧，直到所有离目的节点最近的前α个邻居发送完α个CL-CTS帧为止；α为CL-RTS帧中Number字段的值

步骤3、当发送者的任意个邻居同时收到CL-RTS帧和CL-CTS帧后，判断自己是否是潜在的协作中继；

每个潜在的协作中继将携自己的最佳协作路径去参与信道的竞争，获胜的协作中继作为最佳协作中继；所述最佳协作中继在经过SIFS帧间隔时间和退避时间后，广播CL-RTH帧；

步骤4、任意个潜在的接收者收到CL-RTH帧时，判断CL-RTH帧中Receiver ID字段的值与自己的ID是否相同，若相同，则自己作为当前跳中的接收者，并经过SIFS帧间隔时间后发送CL-ATR帧以通知其它的潜在接收者；

步骤5、当发送者收到CL-RTH帧和CL-ATR帧时，便获悉当前跳中的最佳协作中继和接收者，于是经过SIFS帧间隔时间后，将数据发送给最佳协作中继和接收者；

步骤6、最佳协作中继收到数据经过SIFS帧间隔时间后向接收者转发；

步骤7、接收者将发送者和中继发送过来的两路信号进行合并以接收数据，经过SIFS帧间隔时间后向发送者回复CL-ACK帧，以表示收到正确的数据。

本发明一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的节点操作方法的特点包括：发送者节点的操作、接收者节点的操作与协作中继节点的操作；

所述发送者节点的操作为：

当发送者自己的缓冲区中有数据存在，并且自己不是该数据的目的节点，将按如下步骤将数据发送出去：

步骤a、发送者在监听信道空闲DIFS后广播CL-RTS帧，并且将CL-RTS帧中的Duration字段值设置为D_RTS；同时，发送者也将设置一个超时计时器以等待接收CL-CTS帧；

所述字段值D_BTS由式(4)计算得到：

$\begin{array}{c}{D}_{RTS}={\mathrm{\αT}}_{CTS}+T_{RTH}+T_{ATR}\\ +(\mathrm{\α}+4)T_{SIFS}+T_{{\mathrm{CON}}_1}+T_{{\mathrm{CON}}_2}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，T_CTS,T_RTHandT_ATR分别表示CL-CTS帧、CL-RTH帧、CL-ATR帧的传输时间；T_SIFS表示最小帧间隔SIFS时间；和分别表示发送CL-CTS帧和选择最佳中继时的平均竞争时间；

所述超时计时器由式(5)计算得到：

$T_{O_1}=T_{RTS}+{\mathrm{\αT}}_{CTS}+T_{{\mathrm{CON}}_1}+{\mathrm{\αT}}_{SIFS}---\left(5\right)$

式(5)中，T_RTS表示CL-RTS帧的传输时间；

步骤b、如果在超时计时器时间内没有收到一个CL-CTS帧，发送者则执行退避算法以便在下一次进行重传操作；

步骤c、在D_RTS-T_ATR-2T_SIFS时间内，如果发送者收到CL-RTH帧，将表明采用协作传输方式，且最近协作中继和接收者已选择好；

如果发送者没有收到CL-RTH帧，则运用直接传输方式，此时发送者将发送CL-RTH帧，并将CL-RTH帧中的Transmission Type字段设置为DT；

再经过T_ATR+2T_SIFS时间后，发送者将向协作中继和接收者广播数据帧；

在发送数据帧的同时，将数据帧中的Duration字段值设置为D_DATA，同时，也将设置第二个超时计时器以等待接收CL-ACK帧；D_DATA和分别由下列式(6)和(7)计算得到；

$D_{DATA}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+2T_{SIFS},forCT\\ T_{ACK}+T_{SIFS},forDT\end{array}\right.---\left(6\right)$

$T_{O_2}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+2T_{SIFS},forCT\\ T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+T_{SIFS},forDT\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(6)和(7)中，和分别表示协作传输的第一阶段和第二阶段的数据传输时间；表示直接传输时的数据传输时间；T_ACK表示CL-ACK帧的传输时间；

如果在第二个超时计时器时间内没有收到CL-ACK帧，则发送者将执行退避算法以便在下一次进行重传。

所述接收者节点的操作按如下步骤进行：

步骤(a)、当发送者的任意个邻居i收到CL-RTS时，判断是否为潜在的接收者i，并利用式(8)设定计时器T_i：

$T_i=\left\{\begin{array}{ccc}(1-\frac{d_{s,dest}-d_{i,dest}}{r_{radio}})T_{max},& if& d_{s,dest}>d_{i,dest}\\ T_{max},& if& d_{s,dest}\≤d_{i,dest}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中，d_s，dest表示发送者到目的节点的距离，d_i，dest表示邻居i到目的节点的距离，r_radio表示无线传输距离，T_max是一个常量，表示最大计时时间；

当T_i＝0时，邻居i便传输CL-CTS帧；

步骤(b)、在设定计时器T_i的同时，潜在的接收者i也设定一个计数器C_i，并令计数器C_i初值等于α；

当潜在的接收者i收到一个CL-CTS帧时，且T_i不等于0，则令C_i＝C_i-1；

步骤(c)、在任意个时刻，如果潜在的接收者i发现T_i＝0且C_i≠0，则判断自身为前α个潜在中继中的一员，并发送CL-CTS帧，同时将修改后的C_i值插入到CL-CTS帧中的Counter字段，将CL-CTS帧中的Duration字段设定为D_CTS，并且设定第三个超时计时器以等待接收CL-RTH帧；D_CTS和分别由下列式(9)和(10)计算得到；

$\begin{array}{c}{D}_{CTS}=(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ})T_{CTS}+T_{RTH}+T_{ATR}+T_{DATA}^{DT}\\ +T_{{\mathrm{CON}}_{1,\mathrm{\δ}}}+T_{{\mathrm{CON}}_2}+(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+5)T_{SIFS}\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{T}_{O_3}=(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+1)T_{CTS}+T_{RTH}+T_{{\mathrm{CON}}_{1,\mathrm{\δ}}}\\ +T_{{\mathrm{CON}}_2}+(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+2)T_{SIFS}\end{array}---\left(10\right)$

式(9)和(10)中，δ是一个变量且等于α-C_k+1；表示剩余的α-δ个潜在中继传输CL-CTS帧时的竞争时间；

如果T_i＝0或者T_i≠0且C_i＝0，则判断自己不是前α个潜在中继中的一员，则取消自身计时器T_i，不发送CL-CTS帧；

步骤(d)、如果在第三个超时计时器时间内收到了CL-RTH帧，并且发现帧中Receiver ID字段的值与自身ID一致，则判断出自身为当前跳中最佳接收者，并发送CL-ATR帧，同时将CL-ATR帧中的Duration字段设定为D_ATR，并由下列式(11)计算得到；

$D_{ATR}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+3T_{SIFS},forCT\\ T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+2T_{SIFS}.forDT\end{array}\right.---\left(11\right)$

步骤(e)、如果接收者收到正确的从发送者发送过来的数据，经过一个SIFS时间后将回复CL-ACK帧以通知发送者；

步骤(f)、当接收者发现收到的数据其目的地址不是自己时，将向下一跳的接收者转发数据，即将自己转变成下一跳中的发送者，执行发送者的操作；

所述协作中继节点的操作是按如下步骤进行：

步骤A、当发送者的任意个邻居同时收到CL-RTS和CL-CTS帧之后，判断自身是否为潜在的协作中继；若为潜在的中继，则潜在的协作中继会成为最佳(正真)的中继；最佳中继将广播CL-RTH帧以表明自己已准备好协作传输，同时将CL-RTH帧中的Duration字段设定为D_RTH，同时也设定一个第四个超时计时器以等待接收数据帧；D_RTH和分别由下列式(12)和(13)计算得到；

$D_{RTH}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{ATR}+T_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+4T_{SIFS},\\ forCT\\ T_{ATR}+T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+3T_{SIFS}.\\ forDT\end{array}\right.---\left(12\right)$

$T_{O_4}=T_{RTH}+T_{ATR}+T_{DATA,1}^{CT}+2T_{SIFS}---\left(13\right)$

步骤B、如果在第四个超时计时器时间内接收到数据帧，并且判断出数据帧中的Relay Address字段中的地址与自身一致，则经过SIFS时间后，向接收者转发刚才接收的数据帧；否则，丢弃该数据帧。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明运用跨层设计的思想，设计了一种联合媒体接入控制(MAC)层和路由层的跨层协作传输(CLCT)协议。在该协议中，某一跳中的信息接收者与协作中继会被同时确定，并且能够让接收者更接近目的节点，协作中继具有更好的信道条件。再者，考虑到网络中存在多个信息流传输所带来的流间信号干扰问题，该协议在选择协作中继时引入了干扰因子，使得所选择的协作中继在传输信息时对其他信息流的干扰较小，同时，CLCT协议在设计时还考虑了多数据源环境下数据传输所带来的干扰问题，从而使得CLCT协议提高了多跳多流Ad Hoc网络中的系统吞吐量，并且减少了端到端数据传输时延；本发明还可以应用到瑞利衰落环境下多跳多流无线自组织网络的中去。

附图说明

图1为本发明五种控制帧与数据帧的格式示意图；

图2为本发明发送者、接收者与协作中继三类节点之间数据交换流程图；

图3为本发明发送者节点的操作流程图；

图4为本发明接收者节点的操作流程图；

图5为本发明中继节点的操作流程图。

具体实施方式

本实施例中，为了实现CLCT协议，一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议，包括五种控制帧：CL-RTS帧、CL-CTS帧、CL-RTH帧、CL-ATR帧以及CL-ACK帧；这些帧是对IEEE 802.11协议中的RTS/CTS/ACK三种帧的扩展，具体的帧格式如图1所示。同时也对802.11协议的数据帧格式进行了扩展，得到了CLCT数据帧格式。

CL-RTS帧占27个字节，是对802.11协议中的RTS帧的扩展，在RTS帧格式的基础上增加Packet Length字段、Sender Location字段、Destination Location字段和Numbe字段；

Packet Length字段占2个字节，用于指明发送包的长度；

Sender Location字段占2个字节，用于指明发送者的地理位置；

Destination Location字段占2个字节，用于指明目的节点的地理位置；

Number字占1个字节，用于指明潜在接收者的数量；

CL-CTS帧占22个字节，是对802.11协议中的CTS帧的扩展，在CTS帧格式的基础上增加SNR_SR字段和Counter字段；

SNR_SR字段占1个字节，用于指明发送者到接收者之间的信噪比；

Counter字段占1个字节，用于作为计数器且初始值等于潜在接收者的数量；

CL-RTH帧占29个字节，是对802.11协议中的RTS帧的扩展，在RTS帧格式的基础上增加Receiver ID字段、Transmission Type字段、R_DATA,1字段和R_DATA,2字段；

Receiver ID字段占6个字节，用于指明接收者的地址；

Transmission Type字段占1个字节，用于指明传输类型(CT或DT)；

R_DATA,1字段占1个字节，用于指明协作传输第一阶段的传输速率；

R_DATA,2字段占1个字节，用于指明协作传输第二阶段的传输速率；

CL-ATR帧和CL-ACK帧占20个字节，是在ACK帧格式的基础上增加Receiver ID字段，Receiver ID字段占6个字节，用于指明接收者的地址。

本实施例中，一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的协作中继选择与竞争策略是按如下步骤进行：

步骤1、利用式(1)获得度量协作传输时链路性能的判据M_CT，作为度量协作传输性能好坏的依据：

$M_{CT}=\frac{L_{DATA}}{T_{CT}}(1-p_{err}^c)(1-p_{\mathrm{int}}^r)---\left(1\right)$

式(1)中，L_DATA表示数据包中有效负载的长度，即字节数；T_CT表示协作传输总的传输时间；示协作传输时的帧错误概率；指示中继节点处的干扰概率；

步骤2、利用式(2)获得度量直接传输时链路性能的判据M_DT，作为度量直接传输性能好坏的依据：

$M_{DT}=\frac{L_{DATA}}{T_{DT}}(1-p_{err}^d)---\left(2\right)$

式(2)中，T_DT表示直接传输总的传输时间，表示直接传输时的帧错误概率，T_CT、T_DT、

步骤3、利用式(3)获得每个潜在的协作中继的忙音信号长度L_BT：

式(3)中，表示任意个中继节点的第i个协作链路，表示任意个发送者的第i个直接链路，S_ref表示参考的吞吐量，为事先设定的一个常量；符号表示向下取整；由此可以看出，链路性能越好，L_BT的值就越大。

步骤4、经过SIFS时间之后，所有潜在的中继同时发送忙音信号，并且让忙音信号的长度等于L_BT；如果任意个中继在结束自己的忙音信号时，仍然能够监听到其他忙音信号，则表明该中继所在的协作链路的性能没有其他中继的好，该中继不是最佳中继；如果任意个中继在结束自己的忙音信号时，不能够监听到其他的忙音信号，则表明该中继所在的协作链路的性能最好，并作为最佳中继。

如图3所示，一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的数据交换方法是按如下步骤进行：

步骤1、当发送者有数据包需要发送到目的节点时，在监听到信道空闲DIFS(802.11协议中设定的一种帧间隔时间)帧间隔时间后广播CL-RTS帧；

步骤2、当任意个邻居i收到CL-RTS帧时，判断是否为潜在的接收者，并设置一个计时器T_i；

当T_i＝0时，邻居i传输CL-CTS帧，直到所有离目的节点最近的前α个邻居发送完α个CL-CTS帧为止；α为CL-RTS帧中Number字段的值

步骤3、当发送者的任意个邻居同时收到CL-RTS帧和CL-CTS帧后，判断自己是否是潜在的协作中继；

每个潜在的协作中继将携自己的最佳协作路径去参与信道的竞争，获胜的协作中继作为最佳协作中继；最佳协作中继在经过SIFS帧间隔时间和退避时间后，广播CL-RTH帧；

步骤4、任意个潜在的接收者收到CL-RTH帧时，判断CL-RTH帧中Receiver ID字段的值与自己的ID是否相同，若相同，则自己作为当前跳中的接收者，并经过SIFS帧间隔时间后发送CL-ATR帧以通知其它的潜在接收者；

步骤5、当发送者收到CL-RTH帧和CL-ATR帧时，便获悉当前跳中的最佳协作中继和接收者，于是经过SIFS帧间隔时间后，将数据发送给最佳协作中继和接收者；

步骤6、最佳协作中继收到数据经过SIFS(802.11协议中设定的一种帧间隔时间)帧间隔时间后向接收者转发；

步骤7、接收者将发送者和中继发送过来的两路信号进行合并以接收数据，经过SIFS帧间隔时间后向发送者回复CL-ACK帧，以表示收到正确的数据。

在CLCT协议中，发送者、接收者与协作中继三类节点之间首先需要进行控制帧的交换，以选择出最佳中继与接收者，然后再完成数据包从发送者到接收者传输，并且由最佳中继来进行协作。具体的数据包交换过程如图2所示，具体的说，一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的节点操作方法包括：发送者节点的操作、接收者节点的操作与协作中继节点的操作；

发送者节点的操作为：

如图3所示，当发送者自己的缓冲区中有数据存在，并且自己不是该数据的目的节点，将按如下步骤将数据发送出去：

步骤a、发送者有数据包需要发送到目的节点时，在监听信道空闲DIFS(802.11协议中设定的一种帧间隔时间)后广播CL-RTS帧，并且将CL-RTS帧中的Duration字段值设置为D_RTS；同时，发送者也将设置一个超时计时器以等待接收CL-CTS帧；D_RTS和别由式(4)和式(5)计算得到；

$\begin{array}{c}{D}_{RTS}={\mathrm{\αT}}_{CTS}+T_{RTH}+T_{ATR}\\ +(\mathrm{\α}+4)T_{SIFS}+T_{{\mathrm{CON}}_1}+T_{{\mathrm{CON}}_2}\end{array}---\left(4\right)$

$T_{O_1}=T_{RTS}+{\mathrm{\αT}}_{CTS}+T_{{\mathrm{CON}}_1}+{\mathrm{\αT}}_{SIFS}---\left(5\right)$

式(4)和(5)中，T_RTS,T_CTS,T_RTHandT_ATR分别表示CL-RTS、CL-CTS、CL-RTH、CL-ATR帧的传输时间；T_SIFS表示最小帧间隔SIFS时间；和分别表示发送CL-CTS帧和选择最佳中继时的平均竞争时间；

步骤b、如果在超时计时器时间内没有收到一个CL-CTS帧，发送者则执行退避算法以便在下一次进行重传操作；

步骤c、在D_RTS-T_ATR-2T_SIFS时间内，如果发送者收到CL-RTH帧，将表明采用协作传输方式，且最近协作中继和接收者已选择好；

CLCT协议允许两种传输方式，即直接传输方式DT和协作传输方式CT。当多个潜在的协作中继同时发送CL-RTH帧时，在发送者处将产生冲突，发送者则不能正确解析CL-RTH帧。这时，发送者会发送CL-RTH帧，并且将Transmission Type字段设置为DT，即不需要中继协作；否则，如果发送者正确收到CL-RTH帧，则是协作传输方式，CL-RTH帧中的Transmission Type字段由中继设置为CT。

如果发送者没有收到CL-RTH帧，则运用直接传输方式DT，此时发送者将发送CL-RTH帧，并将CL-RTH帧中的Transmission Type字段设置为DT；

再经过T_ATR+2T_SIFS时间后，发送者将向协作中继和接收者广播数据帧；

在发送数据帧的同时，将数据帧中的Duration字段值设置为D_DATA，同时，也将设置第二个超时计时器以等待接收CL-ACK帧；D_DATA和分别由下列式(6)和(7)计算得到；

$D_{DATA}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+2T_{SIFS},forCT\\ T_{ACK}+T_{SIFS},forDT\end{array}\right.---\left(6\right)$

$T_{O_2}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+2T_{SIFS},forCT\\ T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+T_{SIFS},forDT\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(6)和(7)中，和分别表示协作传输的第一阶段和第二阶段的数据传输时间；表示直接传输时的数据传输时间；T_ACK表示CL-ACK帧的传输时间；

如果在第二个超时计时器时间内没有收到CL-ACK帧，则发送者将执行退避算法以便在下一次进行重传。

如图4所示，接收者节点的操作按如下步骤进行：

步骤(a)、所有的发送者邻居将接收到CL-RTS帧，当发送者的任意个邻居i收到CL-RTS时，判断是否为潜在的接收者i，并利用式(8)设定计时器T_i：

$T_i=\left\{\begin{array}{ccc}(1-\frac{d_{s,dest}-d_{i,dest}}{r_{radio}})T_{max},& if& d_{s,dest}>d_{i,dest}\\ T_{max},& if& d_{s,dest}\≤d_{i,dest}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中，d_s，dest表示发送者到目的节点的距离，d_i，dest表示邻居i到目的节点的距离，r_radio表示无线传输距离，T_max是一个常量，表示最大计时时间；

当T_i＝0时，邻居i便传输CL-CTS帧；直到所有离目的节点最近的前α(等于CL-RTS帧中Number字段的值)个邻居发送完α个CL-CTS帧为止。

步骤(b)、在设定计时器T_i的同时，潜在的接收者i也设定一个计数器C_i，并令计数器C_i初值等于α；

当潜在的接收者i收到一个CL-CTS帧时，且T_i不等于0，则令C_i＝C_i-1；

步骤(c)、在任意个时刻，如果潜在的接收者i发现T_i＝0且C_i≠0，则判断自身为前α个潜在中继中的一员，并发送CL-CTS帧，同时将修改后的C_i值插入到CL-CTS帧中的Counter字段，将CL-CTS帧中的Duration字段设定为D_CTS，并且设定第三个超时计时器以等待接收CL-RTH帧；D_CTS和分别由下列式(9)和(10)计算得到；

$\begin{array}{c}{D}_{CTS}=(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ})T_{CTS}+T_{RTH}+T_{ATR}+T_{DATA}^{DT}\\ +T_{{\mathrm{CON}}_{1,\mathrm{\δ}}}+T_{{\mathrm{CON}}_2}+(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+5)T_{SIFS}\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{T}_{O_3}=(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+1)T_{CTS}+T_{RTH}+T_{{\mathrm{CON}}_{1,\mathrm{\δ}}}\\ +T_{{\mathrm{CON}}_2}+(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+2)T_{SIFS}\end{array}---\left(10\right)$

式(9)和(10)中，δ是一个变量且等于α-C_k+1；表示剩余的α-δ个潜在中继传输CL-CTS帧时的竞争时间；

如果T_i＝0或者T_i≠0且C_i＝0，则判断自己不是前α个潜在中继中的一员，则取消自身计时器T_i，不发送CL-CTS帧；

步骤(d)、如果在第三个超时计时器时间内收到了CL-RTH帧，并且发现帧中Receiver ID字段的值与自身ID一致，则判断出自身为当前跳中最佳接收者，并发送CL-ATR帧以通知其它的潜在接收者，同时将CL-ATR帧中的Duration字段设定为D_ATB，且有下列式(11)计算得到；

$D_{ATR}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+3T_{SIFS},forCT\\ T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+2T_{SIFS}.forDT\end{array}\right.---\left(11\right)$

步骤(e)、如果接收者收到正确的从发送者发送过来的数据，经过一个SIFS时间后将回复CL-ACK帧以通知发送者；

步骤(f)、当接收者发现收到的数据其目的地址不是自己时，将向下一跳的接收者转发数据，即将自己转变成下一跳中的发送者，执行发送者的操作。

如图5所示，协作中继节点的操作是按如下步骤进行：

步骤A、当发送者的任意个邻居同时收到CL-RTS和CL-CTS帧之后，判断自身是否为潜在的协作中继；若为潜在的中继，则潜在的协作中继会成为最佳(正真)的中继；最佳中继将广播CL-RTH帧以表明自己已准备好协作传输，同时将CL-RTH帧中的Duration字段设定为D_RTH，同时也设定一个第四个超时计时器以等待接收数据帧；D_RYH和分别由下列式(12)和(13)计算得到；

$D_{RTH}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{ATR}+T_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+4T_{SIFS},\\ forCT\\ T_{ATR}+T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+3T_{SIFS}.\\ forDT\end{array}\right.---\left(12\right)$

$T_{O_4}=T_{RTH}+T_{ATR}+T_{DATA,1}^{CT}+2T_{SIFS}---\left(13\right)$

某个潜在的协作中继会收到来自多个潜在的接收者的多个CL-CTS(至多α个)帧，为此，这个潜在的协作中继将构建多个潜在的协作路径，并且从多个潜在的协作路径中选择出最佳路径，当网络中有多个潜在的协作中继时，每个潜在的协作中继将携自己的最佳协作路径去参与信道的竞争，获胜的协作中继将是最佳协作中继。

步骤B、如果在第四个超时计时器时间内接收到数据帧，并且判断出数据帧中的Relay Address字段中的地址与自身一致，则经过SIFS时间后，向接收者转发刚才接收的数据帧；否则，丢弃该数据帧。

Claims (4)

1.一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议，其特征包括五种控制帧：CL-RTS帧、CL-CTS帧、CL-RTH帧、CL-ATR帧以及CL-ACK帧；

所述CL-RTS帧占27个字节，是在RTS帧格式的基础上增加Packet Length字段、SenderLocation字段、Destination Location字段和Numbe字段；

所述Packet Length字段占2个字节，用于指明发送包的长度；

所述Sender Location字段占2个字节，用于指明发送者的地理位置；

所述Destination Location字段占2个字节，用于指明目的节点的地理位置；

所述Number字占1个字节，用于指明潜在接收者的数量；

所述CL-CTS帧占22个字节，是在CTS帧格式的基础上增加SNR_SR字段和Counter字段；

所述SNR_SR字段占1个字节，用于指明发送者到接收者之间的信噪比；

所述Counter字段占1个字节，用于作为计数器且初始值等于潜在接收者的数量；

所述CL-RTH帧占29个字节，是在RTS帧格式的基础上增加Receiver ID字段、Transmission Type字段、R_DATA,1字段和R_DATA,2字段；

所述Receiver ID字段占6个字节，用于指明接收者的地址；

所述Transmission Type字段占1个字节，用于指明传输类型；

所述R_DATA,1字段占1个字节，用于指明协作传输第一阶段的传输速率；

所述R_DATA,2字段占1个字节，用于指明协作传输第二阶段的传输速率；

所述CL-ATR帧和CL-ACK帧占20个字节，是在ACK帧格式的基础上增加Receiver ID字段，所述Receiver ID字段占6个字节，用于指明接收者的地址。

2.一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的协作中继选择与竞争策略，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、利用式(1)获得度量协作传输时链路性能的判据M_CT：

$M_{CT}=\frac{L_{DATA}}{T_{CT}}(1-p_{err}^c)(1-p_{int}^r)---\left(1\right)$

式(1)中，L_DATA表示数据包中有效负载的长度，即字节数；T_CT表示协作传输总的传输时间；表示协作传输时的帧错误概率；指示中继节点处的干扰概率；

步骤2、利用式(2)获得度量直接传输时链路性能的判据M_DT：

$M_{DT}=\frac{L_{DATA}}{T_{DT}}(1-p_{err}^d)---\left(2\right)$

式(2)中，T_DT表示直接传输总的传输时间，表示直接传输时的帧错误概率；

步骤3、利用式(3)获得每个潜在的协作中继的忙音信号长度L_BT：

$L_{BT}=\left\{\begin{array}{cc}1+\[\frac{max\left\{M_{\stackrel{\·}{C}T}\right\}}{S_{ref}}\],forCT& \\ & \left(3\right)\\ 1+\[\frac{max\left\{M_{DT}^i\right\}}{S_{ref}}\],fOrDT& \end{array}\right.$

式(3)中，表示任意个中继节点的第i个协作链路，表示任意个发送者的第i个直接链路，S_ref表示参考的吞吐量，符号表示向下取整；

步骤4、，经过SIFS时间之后，所有潜在的中继同时发送忙音信号，并且让忙音信号的长度等于L_BT；如果任意个中继在结束自己的忙音信号时，仍然能够监听到其他忙音信号，则表明该中继所在的协作链路的性能没有其他中继的好，该中继不是最佳中继；如果任意个中继在结束自己的忙音信号时，不能够监听到其他的忙音信号，则表明该中继所在的协作链路的性能最好，并作为最佳中继。

3.一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的数据交换方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、当发送者有数据包需要发送到目的节点时，在监听到信道空闲DIFS帧间隔时间后广播CL-RTS帧；

步骤2、当任意个邻居i收到CL-RTS帧时，判断是否为潜在的接收者，并设置一个计时器T_i；

当T_i＝0时，邻居i传输CL-CTS帧，直到所有离目的节点最近的前α个邻居发送完α个CL-CTS帧为止；α为CL-RTS帧中Number字段的值

步骤3、当发送者的任意个邻居同时收到CL-RTS帧和CL-CTS帧后，判断自己是否是潜在的协作中继；

每个潜在的协作中继将携自己的最佳协作路径去参与信道的竞争，获胜的协作中继作为最佳协作中继；所述最佳协作中继在经过SIFS帧间隔时间和退避时间后，广播CL-RTH帧；

步骤4、任意个潜在的接收者收到CL-RTH帧时，判断CL-RTH帧中Receiver ID字段的值与自己的ID是否相同，若相同，则自己作为当前跳中的接收者，并经过SIFS帧间隔时间后发送CL-ATR帧以通知其它的潜在接收者；

步骤5、当发送者收到CL-RTH帧和CL-ATR帧时，便获悉当前跳中的最佳协作中继和接收者，于是经过SIFS帧间隔时间后，将数据发送给最佳协作中继和接收者；

步骤6、最佳协作中继收到数据经过SIFS帧间隔时间后向接收者转发；

步骤7、接收者将发送者和中继发送过来的两路信号进行合并以接收数据，经过SIFS帧间隔时间后向发送者回复CL-ACK帧，以表示收到正确的数据。

4.一种多跳无线自组织网络中的跨层协作传输协议的节点操作方法，其特征包括：发送者节点的操作、接收者节点的操作与协作中继节点的操作；

所述发送者节点的操作为：

当发送者自己的缓冲区中有数据存在，并且自己不是该数据的目的节点，将按如下步骤将数据发送出去：

步骤a、发送者在监听信道空闲DIFS后广播CL-RTS帧，并且将CL-RTS帧中的Duration字段值设置为D_RTS；同时，发送者也将设置一个超时计时器以等待接收CL-CTS帧；

所述字段值D_RTS由式(4)计算得到：

$\begin{array}{c}{D}_{RTS}={\mathrm{\αT}}_{CTS}+T_{RTH}+T_{ATR}\\ +(\mathrm{\α}+4)T_{SIFS}+T_{{\mathrm{CON}}_1}+T_{{\mathrm{CON}}_2}\end{array}---\left(4\right)$

式(4)中，T_CTS,T_RTH and T_ATR分别表示CL-CTS帧、CL-RTH帧、CL-ATR帧的传输时间；T_SIFS表示最小帧间隔SIFS时间；和分别表示发送CL-CTS帧和选择最佳中继时的平均竞争时间；

所述超时计时器由式(5)计算得到：

$T_{O_1}=T_{RTS}+{\mathrm{\αT}}_{CTS}+T_{{\mathrm{CON}}_1}+{\mathrm{\αT}}_{SIFS}---\left(5\right)$

式(5)中，T_RTS表示CL-RTS帧的传输时间；

步骤b、如果在超时计时器时间内没有收到一个CL-CTS帧，发送者则执行退避算法以便在下一次进行重传操作；

步骤c、在D_RTS-T_ATR-2T_SIFS时间内，如果发送者收到CL-RTH帧，将表明采用协作传输方式，且最近协作中继和接收者已选择好；

如果发送者没有收到CL-RTH帧，则运用直接传输方式，此时发送者将发送CL-RTH帧，并将CL-RTH帧中的Transmission Type字段设置为DT；

再经过T_ATR+2T_SIFS时间后，发送者将向协作中继和接收者广播数据帧；

在发送数据帧的同时，将数据帧中的Duration字段值设置为D_DATA，同时，也将设置第二个超时计时器以等待接收CL-ACK帧；D_DATA和分别由下列式(6)和(7)计算得到；

$D_{DATA}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+2T_{SIFS},forCT\\ T_{ACK}+T_{SIFS},forDT\end{array}\right.---\left(6\right)$

$T_{O_2}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+2T_{SIFS},forCT\\ T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+T_{SIFS},forDT\end{array}\right.---\left(7\right)$

式(6)和(7)中，和分别表示协作传输的第一阶段和第二阶段的数据传输时间；表示直接传输时的数据传输时间；T_ACK表示CL-ACK帧的传输时间；

如果在第二个超时计时器时间内没有收到CL-ACK帧，则发送者将执行退避算法以便在下一次进行重传；

所述接收者节点的操作按如下步骤进行：

步骤(a)、当发送者的任意个邻居i收到CL-RTS时，判断是否为潜在的接收者i，并利用式(8)设定计时器T_i：

$T_i=\left\{\begin{array}{cc}(1-\frac{d_{s,dest}-d_{i,dest}}{r_{radio}})T_{max},& if{d}_{s,dest}\≤d_{i,dest}\\ T_{max},& if{d}_{s,dest}\≤d_{i,dest}\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中，d_s，dest表示发送者到目的节点的距离，d_i，dest表示邻居i到目的节点的距离，r_radio表示无线传输距离，T_max是一个常量，表示最大计时时间；

当T_i＝0时，邻居i便传输CL-CTS帧；

步骤(b)、在设定计时器T_i的同时，潜在的接收者i也设定一个计数器C_i，并令计数器C_i初值等于α；

当潜在的接收者i收到一个CL-CTS帧时，且T_i不等于0，则令C_i＝C_i-1；

步骤(c)、在任意个时刻，如果潜在的接收者i发现T_i＝0且C_i≠0，则判断自身为前α个潜在中继中的一员，并发送CL-CTS帧，同时将修改后的C_i值插入到CL-CTS帧中的Counter字段，将CL-CTS帧中的Duration字段设定为D_CTS，并且设定第三个超时计时器以等待接收CL-RTH帧；D_CTS和分别由下列式(9)和(10)计算得到；

$\begin{array}{c}{D}_{CTS}=(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ})T_{CTS}+T_{RTH}+T_{ATR}+T_{DATA}^{DT}\\ +T_{{\mathrm{CON}}_{1,\mathrm{\δ}}}+T_{{\mathrm{CON}}_{2,\mathrm{\δ}}}+(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+5)T_{SIFS}\end{array}---\left(9\right)$

$\begin{array}{c}{T}_{O_3}=(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+1)T_{CTS}+T_{RTH}+T_{{\mathrm{CON}}_{1,\mathrm{\δ}}}\\ +T_{{\mathrm{CON}}_2}+(\mathrm{\α}-\mathrm{\δ}+2)T_{SIFS}\end{array}---\left(10\right)$

式(9)和(10)中，δ是一个变量且等于α-C_k+1；表示剩余的α-δ个潜在中继传输CL-CTS帧时的竞争时间；

如果T_i＝0或者T_i≠0且C_i＝0，则判断自己不是前α个潜在中继中的一员，则取消自身计时器T_i，不发送CL-CTS帧；

步骤(d)、如果在第三个超时计时器时间内收到了CL-RTH帧，并且发现帧中ReceiverID字段的值与自身ID一致，则判断出自身为当前跳中最佳接收者，并发送CL-ATR帧，同时将CL-ATR帧中的Duration字段设定为D_ATR，并由下列式(11)计算得到；

$D_{ATR}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+3T_{SIFS},forCT\\ T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+2T_{SIFS\·}forDT\end{array}\right.---\left(11\right)$

步骤(e)、如果接收者收到正确的从发送者发送过来的数据，经过一个SIFS时间后将回复CL-ACK帧以通知发送者；

步骤(f)、当接收者发现收到的数据其目的地址不是自己时，将向下一跳的接收者转发数据，即将自己转变成下一跳中的发送者，执行发送者的操作；

所述协作中继节点的操作是按如下步骤进行：

步骤A、当发送者的任意个邻居同时收到CL-RTS和CL-CTS帧之后，判断自身是否为潜在的协作中继；若为潜在的中继，则潜在的协作中继会成为最佳(正真)的中继；最佳中继将广播CL-RTH帧以表明自己已准备好协作传输，同时将CL-RTH帧中的Duration字段设定为D_RTH，同时也设定一个第四个超时计时器以等待接收数据帧；D_RTH和分别由下列式(12)和(13)计算得到；

$D_{RTH}=\left\{\begin{array}{c}{T}_{ATR}+T_{DATA,1}^{CT}+T_{DATA,2}^{CT}+T_{ACK}+4T_{SIFS},\\ forDT\\ T_{ATR}+T_{DATA}^{DT}+T_{ACK}+3T_{SIFS}.\\ forDT\end{array}\right.---\left(12\right)$

$T_{O_4}=T_{RTH}+T_{ATR}+T_{DATA,1}^{CT}+2T_{SIFS}---\left(13\right)$

步骤B、如果在第四个超时计时器时间内接收到数据帧，并且判断出数据帧中的RelayAddress字段中的地址与自身一致，则经过SIFS时间后，向接收者转发刚才接收的数据帧；否则，丢弃该数据帧。