CN106341901A

CN106341901A - 一种rts/cts通信控制方法

Info

Publication number: CN106341901A
Application number: CN201510395394.XA
Authority: CN
Inventors: 韦彩勇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-18

Abstract

本发明提出了一种RTS/CTS通信控制方法。本发明将信道分为3个子信道：数据信道、RTS控制信道和CTS控制信道。控制分组以扩频形式在控制信道上连续传输。源节点在发送RTS前先检测控制信道，若目的节点空闲且无其他CTS信息，则发送RTS请求信令。目的节点通过检测RTS信道发送多状态的CTS应答，源节点做出相应反应。本发明可以完全解决隐藏终端问题和暴露终端问题，并能提高子信道的利用率。

Description

一种RTS/CTS通信控制方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，特别涉及RTS/CTS握手机制(RTS全称为Request-To-Send，CTS全称为Clear-To-Send)，以及WLAN隐藏终端问题和暴露终端问题的解决方法。

背景技术

无线局域网中各节点的通信范围受到限制，而且共享广播信道，导致了“隐藏终端”和“暴露终端”问题的出现。

“隐藏终端”是指一个终端位于接收者的通信范围内，而在发送者的通信范围外。隐藏终端因侦听不到发送节点的发送，而可能向同一个接收节点发送分组，造成分组在接收节点处的冲突。若此时该终端发送信息，则为“隐藏发送端”，见图1，节点C为隐藏发送端。隐藏发送端会造成分组的碰撞，降低系统吞吐量，其通信是被禁止的；若此时该终端接收信息，则被称为“隐藏接收端”，见图2，节点C为隐藏接收端，不会造成不良影响，其通信是被允许的。

“暴露终端”是指在发送者的通信范围内，而在接收者的通信范围外的终端。暴露终端因能侦听到发送节点的发送而可能延迟发送，但因为它在接收节点的通信范围外，它的发送实际上不会造成冲突，这就引入了不必要的延迟。若此时该终端发送信息，则为“暴露发送端”，见图3，节点C为暴露发送端，其通信是被允许的；若此时该终端接收信息，则被称为“暴露接收端”，见图4，节点C为暴露接收端，由于发送者的分组会干扰暴露接收端的接收，所以其通信是被禁止的。

隐藏终端和暴露终端的存在，会造成无线局域网时隙资源的无序争用和浪费，增加数据碰撞的概率，严重影响网络的吞吐量、容量和数据传输时延。因此，必须解决“隐藏终端”和“暴露终端”问题，即允许“隐藏接收端”和“暴露发送端”的通信，禁止“隐藏发送端”和“暴露接收端”的通信，以便获得较高的信道利用率、较低的时延和较好的公平性。

目前最常用的解决“隐藏终端”问题的方法是传统的RTS/CTS机制。见图5，在RTS/CTS握手过程中，首先由发送端向覆盖范围内所有节点发送RTS帧，所有接收到该帧的非目的节点停止数据交换，目的节点则向源节点发送CTS帧表示进入准备接收信息的状态，然后即可进入数据传输过程。RTS和CTS帧中包含需要占用信道的时间信息，其他节点可以根据此信息调整自己的NAV(网络配置矢量，目的是防止在预设的时间内其它数据与当前数据竞争信道)。当数据传输完成后，目的端发送ACK，信道资源被释放，新一轮竞争开始。IEEE802.11帧间间隔(IFS)的长短来设定帧的发送优先级，包括短帧间间隔(SIFS)、PCF帧间间隔(PFIS)、DCF帧间间隔(DIFS)和延长帧间间隔(EIFS)。SIFS发送优先级最高，DIFS的帧发送优先级较低。

传统的RTS/CTS机制强制的限制了通信节点的通信范围内其它节点的一切活动，这样可以避免分组的碰撞，有效的解决隐藏终端问题。但是，同时也限制了一些可以通信的节点的活动，增加了不必要的等待时间，例如，“隐藏接收端”和“暴露发送端”的通信。并且，传统的RTS/CTS机制不能解决“暴露终端”问题。

除了传统的RTS/CTS机制，还有一些新的方法相继被提出，例如，申请号是200710031832.X的专利提出了“一种解决多跳无线自组网隐藏终端和暴露终端问题的方法”，这种方法采用了两个信道，接收节点通过控制分组通知隐藏终端、发送节点通过控制分组通知暴露终端，从而在不增加硬件实现难度的基础上，通过设计RTS/CTS、DRI/DRFIN、DSI/DSFIN等控制分组完成解决了多跳无线自组网的隐藏终端和暴露终端问题。这种方法虽然保证了数据分组无冲突发生，且能解决隐藏终端和暴露终端问题，但并没提高信道利用率，而且引进的新的控制分组通信使过程复杂化。

发明内容

针对传统RTS/CTS机制中存在的问题，以及现有方案的不足，本发明提出了一种结合扩频技术对传统RTS/CTS机制的改进方案。本发明具有如下优点：

1)可以完全解决“隐藏终端”和“暴露终端”问题，即允许“隐藏接收端”和“暴露发送端”的通信，禁止“隐藏发送端”和“暴露接收端”的通信。

2)本发明能提高传统RTS/CTS机制的性能，提高吞吐量和信道利用率。

3)本发明可以简化协议过程，减少协议参数。

本发明通过如下技术方案实现：

1.基本假设

本发明假设系统已存在高层协议可完成节点发现和动态地址分配功能；当节点需要多跳传输时，存在相应的路由协议；各节点发送不同的业务时，存在相应的业务协议。

上述假设是此类系统的典型情形，并非本发明的额外要求。

2.信道分割

本发明将可用的无线物理信道资源分割为3部分，分别称为RTS信道、CTS信道和数据信道。图6示出了信道分割的逻辑示意图。信道分割可以是任何一种正交或者非正交的多址分割，例如(但不限于)频分、时分、码分、正交跳频等。RTS信道和CTS信道具有等量的信道资源，数据信道占总资源的比例η是本发明的一个技术参数。

3.时隙

本发明中的方法以时隙方式工作。各节点之间保持同步或准同步关系。时隙长度T1见图7。考虑到对多径时延和节点同步误差的保护，T1中包含一个保护间隙T2。T1和T2是本发明所需的技术参数。

4.RTS/CTS控制帧

本发明只包含两种控制帧，分别是RTS帧和CTS帧。RTS帧格式见图8，它包含K比特，代表目的节点的地址；CTS帧格式见图8，它包含2比特，表示应答状态。由于源节点已知目的节点，所以CTS信令无需携带目的节点的地址信息。

如果必要，RTS和CTS帧可以增加额外比特以支持其他必要的功能。

RTS/CTS控制帧以直接序列扩频的方式发送，如图9所示。扩频所用的伪随机码序列用源节点的地址生成。伪随机码序列(但不限于)可以是m序列、Gold序列等。

RTS/CTS控制帧的接收采用扩频解扩的方式，如图10所示。监听方以不同的地址扫描监听RTS/CTS信道，从而可以获知控制信道上当前存在的源/目的节点地址以及相关的CTS应答状态。

RTS和CTS信道的扩频因子SF1和SF2是本发明的技术参数，这两个参数可以相等或者不相等。

5.协议过程：

1)源节点的发送请求。

对于任意源节点A拟同目的节点B通信前，A先用所有伪码序列扫描RTS信道和CTS信道，如果发现B的地址，则表明其他节点正在或者准备与B通信，此时A节点等待；如果A扫描信道未发现B节点的地址，则A扫描CTS信道，如果发现CTS信号，则表明在自己的覆盖范围内存在其他通信的接收端，此时继续检测；如果A扫描信道未发现B节点的地址，同时CTS信道空闲，则在RTS信令(以下标识此信令为RTS-AB)，此信令在以后的每个时隙重复持续发送，直至通信结束或通信被拒绝。

2)目的节点的响应。

任意空闲节点每时隙都检测RTS信道，直到它成为目的节点。对于任意的目的节点B，若有多个源地址同时向B发送RTS，则随机选一个，假设保留的源节点是A。B对其他源节点X发送CTS拒绝信令(标识为CTS-X2)；若除RTS-AB之外，B还监听到另外2个或者2个以上的其他RTS信令，则发送CTS-A2拒绝A；除RTS-AB之外，B还监听到另外1个其他RTS信令，则发送等待信令(标识为CTS-A1)要求A等待；若除RTS-AB之外，B未发现其他RTS信令，则发送允许信令(标识为CTS-A0)允许A发送，并从下一时隙开始接收数据。

3)源节点接收到CTS后的响应。

任意源节点A在发送RTS信令之后，除每个时隙继续发送RTS之外，还同时用自己的伪码序列检测CTS信道。若收到CTS-A2拒绝指令，则从下一时隙开始停止发送RTS，停止监听CTS信道，然后随机等待一定时间T3后重试；若收到CTS-A1等待指令，则继续发送RTS，继续监听CTS信道。若在T4时间内仍未被允许，则自动按被拒绝执行，但回退时间计入已经等待时间；若收到CTS-A0允许指令，则继续发送RTS，并从下一时隙开始在数据信道发送数据。上述T3和T4是本发明的技术参数。

4)任意发送数据的节点A在发生数据的同时继续发送RTS信令。在发送数据的最后一个时隙停止发送RTS。然后转入空闲状态。

5)任意接收数据的节点B在接收数据的同时也继续用源节点的伪码序列检测RTS信道，如果当前时隙RTS消失，则它在完成当前时隙的数据接收之后停止数据接收，转入空闲状态。

6)本发明中，发送碰撞的情形有两种情况：一种可能性是多个源节点同时向一个目标节点发送RTS请求。此时由于RTS信令的扩频码不同，所以目的节点能识别出各个源节点，从而选出一个。另一种可能性是发送在等待上。如果同时出现2个RTS，有些被拒绝，有些被置于等待状态。等待的节点如果未能在等待时间内获得机会，则被拒绝。

本发明与已有技术相比，有如下特点：

1)将信道分为3个子信道，数据信道、RTS控制信道和CTS控制信道。数据和信令在数据量、可靠性要求等方面都存在很大的差异，让这两种数据共享相同的物理资源有效不能体现其差异。本发明以不同的物理资源分离控制信道和数据信道，使竞争只发生在控制信道，从而可以提高物理资源的利用率。

2)本发明只使用RTS帧和CTS帧这两个帧格式。由于这两个帧持续发送，因此其存在性已经能表达许多信息，所以本发明可以省略传统系统中NAV参数，省略ACK帧，并可省略SIFS、DIFS时延，从而提高信道利用率，简化协议过程。

3)RTS/CTS控制分组以扩频形式在控制信道上持续传输。因此本发明可以抵御偶然性的信令失败，这种偶然失效在无线信道衰落信道中是一种典型存在，因此本发明在无线信道中具有更好的抗干扰性能和抗衰落能力。

附图说明

图1“隐藏发送端”示意图

图2“隐藏接收端”示意图

图3“暴露发送端”示意图

图4“暴露接收端”示意图

图5传统的RTS/CTS机制过程示意图

图6信道分割逻辑示意图

图7时隙示意图

图8信令格式示意图

图9控制信令信号的产生示意图

图10控制信令的接收示意图

图11两节点通信时的信道占用情况

图12互不影响的四个节点通信时的信道占用情况

图13互相影响的四个节点通信时的信道占用情况

图14存在“隐藏发送端”时的信道占用情况

图15存在“隐藏接收端”时的信道占用情况

图16存在“暴露发送端”时的信道占用情况

图17存在“暴露接收端”时的信道占用情况

实施例

下面结合典型情景的具体实施例进一步说明本发明。本实施例仅表示对本发明的原理性说明，不代表对本发明的任何限制。

在本实施例中，全部信道资源是5MHz的连续无线频谱，被按频分方式分割成：“数据信道”4.5kHz，RTS信道0.25kHz，CTS信道0.25kHz。参数η是0.9。

信道时隙长度是T1＝1250μs，保护间隔T2＝0，回退时间T3是一个随机数，等待时间T4＝10*T1。

地址码长度是K＝4，可支持16个动态节点。

扩频因子是SF1＝16、SF2＝16。扩频码采用Gold序列。

所有节点处于同步状态，包括：扩频码同步、码片同步、帧同步，以及解调时必须的载波同步。

情景1：A→B，两点传输。

A→B的数据传输过程见图11。第1个时隙A发送RTS-AB，第2个时隙B发送CTS-A0，第3个时隙开始发送数据。在数据的最后一个时隙，RTS-AB停止发送。

情景2：节点A正在给节点B发送数据时，节点C需要发送数据给节点D，且A到B的通信和C到D的通信互不干扰，见图12。

由于A到B的通信和C到D的通信互不干扰，所以在A、B通信时C、D可以通信。C发送RTS-CD，D收到RTS-CD后，在下一时隙回复CTS-C0，C、D间连接建立，下一时隙C、D间开始传输数据。

情景3：节点A正在给节点B发送数据时，节点C需要发送数据给节点D，且A、B、C、D互相影响，见图13。

由于A、B、C、D互相影响，所以A、B通信时，C、D不能通信。C检测到CTS-A0，此时不能发送RTS-CD，C继续检测CTS信道。在CTS-A0停止发送后，C立即发送RTS-CD。D收到RTS-CD后，检测RTS信道，只检测到RTS-CD，则在下一时隙发送CTS-C0。C、D间连接建立，数据从下一时隙开始传输。

情景4：C为“隐藏接收端”，见图14，节点A正在给节点B发送数据时，节点C需要发送数据给节点D。

当节点A在发送数据给节点B时，节点C可以检测到CTS-A0，而节点D检测不到任何信息。C检测到CTS-A0，此时不能发送RTS-CD，C继续检测CTS信道。在CTS-A0停止发送后，C立即发送RTS-CD。D收到RTS-CD后，检测RTS信道，只检测到RTS-CD，则在下一时隙发送CTS-C0。C、D间连接建立，数据从下一时隙开始传输。

情景5：C为“隐藏接收端”，见图15，节点A正在给节点B发送数据时，节点D需要发送数据给节点C。

当节点A在发送数据给节点B时，节点C可以检测到CTS-A0，而节点D检测不到任何信息。此时，节点D认为节点C是空闲的，而且D的范围内没有其他CTS信息，于是D发送RTS-DC。D发送RTS-DC，C检测到RTS-CD，由于C的覆盖范围内没有其他的RTS，于是回复CTS-D0。C、D间连接建立，数据从下一时隙开始传输。

情景6：C为“暴露发送端”，见图16，节点A正在接收节点B发出的数据时，节点C需要发送数据给节点D。

当节点A在接收节点B发出的数据时，节点C可以检测到RTS-BA，而节点D检测不到任何信息。由于C没有检测到其他的CTS，于是发送RTS-CD。D收到RTS-CD后，检测RTS信道，没有其他的RTS，则在下一时隙发送CTS-C0。C、D间连接建立，数据从下一时隙开始传输。

情景7：C为“暴露接收端”，见图17，节点A正在接收节点B发出的数据时，节点D需要发送数据给节点C。

当节点A在接收节点B发出的数据时，节点C可以检测到RTS-BA，而节点D检测不到任何信息。此时，节点D认为节点C是空闲的，而且D的范围内没有其他CTS信息，于是D发送RTS-DC。C接收到RTS-DC后，可以检测到RTS信道中还有其他的RTS，即RTS-BA，则C发送CTS-D1，要求D等待。D收到CTS-D1后，仍然每时隙发送RTS-DC，且不断检测CTS信道。当节点A与节点B的通信结束后，节点C检测到RTS信道中只有RTS-DC，则节点C发送CTS-D0，允许建立连接。D收到CTS-D0后，连接建立，节点D在下一时隙开始发送数据。D在发送数据的最后一个时隙停止发送RTS-DC，然后转入空闲状态。

Claims

1.一种RTS/CTS通信控制方法，它将物理信道分成一个数据信道和两个控制信道，控制信道上的控制信令以扩频方式持续发送，节点按请求/应答方式建立通信。

2.权利要求1所述之物理信道划分，其特征是以正交或准正交的方式对物理资源进行分割，这种分割包含但不限于时分、频分、码分。

3.权利要求1所述之扩频方式，其特征是用一个伪随机码序列对控制信令进行扩频，这种扩频方式包含但不限于直接序列扩频。

4.权利要求3所述之控制信令，其特征是包括RTS信令和CTS信令，它们由若干个比特组成。RTS信令至少(但不限于)包括节点地址信息。CTS信令至少(但不限于)包括控制命令，控制命令分别表示允许、等待和拒绝。

5.权利要求3所述之伪随机码序列，其特征是可以是m序列或者其他序列，序列与节点的标识地址一一对应。

6.权利要求4所述之地址信息，其特征是每个节点有一个唯一的地址信息，该地址信息对应一个唯一的伪随机码序列。每个用户的地址信息由K比特组成，可区分2K个节点。节点的地址由系统根据网络中的节点动态分配。每个节点都有一个算法单元，可以用给定的地址信息得到对应的伪随机码序列。

7.权利要求1所述之持续发送，其特征是控制信令在每时隙都被发送，直至通信结束或被拒绝。

8.权利要求7所述之时隙，其特征是系统操作的基本时间单位，每个时隙内包括多个符号间隔或者码片间隔。如考虑传播时延和其他处理时延，可在控制时隙的设计中留出一定的时间余量。