CN106455106B - 一种基于信道状况感知的主导权可切换的随机接入方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于信道状况感知的主导权可切换的随机接入方法，涉及通信技术领域，主要包括发送端主导的随机接入过程、收发端主导互换过程和接收端主导的随机接入过程，本发明由于采用了发送端退避是根据预测接收端信道干扰状况而进行退避的方案，所以其退避过程高度反映了接收端的信道干扰状况，从而使得随机接入更加精细；由于采用了将发送端主导的随机接入过程与接收端主导的随机接入过程相结合的方案，所以提升了退避效率，进而大幅度提高了网络吞吐率及提升了系统性能。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及无线局域网和随机接入机制。
背景技术
近年来随着智能终端的日益繁荣、设备能力的持续增强、移动服务和应用的不断丰富多样，人们对移动数据的需求呈现爆炸式增长的趋势。为此，学术界和产业界均在紧锣密鼓地展开下一代WLAN的研究。值得一提的是，IEEE 802.11工作组在2014年正式成立下一代WLAN标准802.11ax工作组。与此同时，需求的急剧增加使得高密集特性将成为未来无线网络的趋势，目前已受到学者的重视。高密集特性为下一代WLAN带来了极大的挑战：干扰将更为复杂多变，因此，对干扰状况认知的准确性将直接影响到随机接入方法的性能。
目前，传统802.11的随机接入过程，是由发送端感知自身的信道状况来执行退避。其退避过程是：站点有数据发送，则在[0～CW]中随机选取一个整数作为退避计时器的值，CW为竞争窗。站点进行物理载波侦听，在每个时隙侦听信道判断信道忙闲状态，若信道“空闲”，则在该时隙退避计数器减1；若信道“忙”，则在该时隙保持该退避计数器的值。直至退避计数器值减为0，则可以发送。站点是通过能量检测来判断信道“忙/闲”状态的。具体而言，站点在每个时隙获取信道上的能量，当检测信道上的能量<-82dBm，则认为信道“空闲”；否则，即检测信道上的能量>＝-82dBm，则认为信道“忙”。
然而，由于发送端和接收端受到的干扰程度往往并不一致，这使得载波侦听的结果也往往并不一致，导致发送端自身感知的干扰状况并不能客观真实反映接收端的实际干扰状况，因此由发送端主导的退避过程将可能导致接入和传输性能的下降。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于信道状况感知的主导权可切换的随机接入方法，该方法使得发送端能够更加准确地感知和反映接收端的信道状况，从而有利于更精细地接入。同时，该方法引入发送端主导的随机接入过程与接收端主导的随机接入过程有机结合，可有效提升网络吞吐量，降低链路间相互冲突的概率。
本发明包括三个过程：发送端主导的随机接入过程、收发端主导互换过程和接收端主导的随机接入过程。
本发明认为每一个节点包括热点AP(access point)和站点STA(station)，均不断更新自身在[t-Twin,t]内的平均干扰状况I，Twin为时间窗，可以固定，由协议规定。技术方案的详细实施步骤如下，其中步骤1—步骤5为发送端主导的随机接入过程，步骤6—步骤7为收发双方主导互换过程，步骤8为接收端主导的随机接入过程：
步骤1：发送节点S有数据发送时，首先执行如下的退避过程：在整个信道上，每一个时隙slot 9微秒执行一次能量检测，即节点通过物理载波侦听，检测整个信道上的信号功率，检测在该时隙的信道能量瞬时值Isi，然后根据存储器保存的接收端平均干扰值，获知接收端的平均干扰值ID，平均干扰值ID根据平均干扰统计方法获得，即可计算出发送端和接收端平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况干扰状况根据预估接收节点干扰状况的方法获得，若预估接收节点的干扰状况门限，CCA门限取-82dbm，则退避计数器的值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器值减为0，即退避完成，转入步骤2；否则停留在步骤1中继续退避；
步骤2：当发送节点S退避完成后，发送请求帧RTS(Request to Send)，并在RTS中携带发送节点S的平均干扰值IS，平均干扰值IS根据平均干扰统计方法获得，之后转入步骤3；
步骤3：当接收节点D接收到RTS后，回复清除发送帧CTS(Clear To Send)，其中CTS中携带接收端的平均干扰值ID，平均干扰值ID根据平均干扰统计方法获得，同时更新接收端与发送端的干扰差ΔID-S＝ID-IS，用于后续D→S传输，并设置接收端更新干扰差值的定时器TD，之后转入步骤4；
步骤4：当S接收到CTS后，更新发送端与接收端的干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，并设置发送端更新干扰差值的定时器Ts，用于后续S→D传输，之后转入步骤5；
步骤5：在传输机会TXOP(Transmission Opportunity)内，S发送数据DATA，D回复确认帧ACK(Acknowledgement)，并在整个TXOP时长之内重复该过程，在后续时间t内，其中t>TXOP，收发双方不断更新各自的平均干扰差值，即更新发送端至接收端的平均干扰差ΔIS-D和接收端至发送端的平均干扰差ΔID-S，其具体过程详见步骤5.1，之后转入步骤6；
步骤5.1：在后续T时间内，但凡S→D，且采用发送端主导的随机接入，则S使用ΔIS-D预估D的信道干扰状况，其预估过程同步骤1所述，进行退避；但凡D→S，且采用接收端主导的随机接入，则使用ΔID-S预估S的信道干扰状况，信道干扰状况根据预估发送节点干扰状况的方法获得，进行退避，发送端根据自己的数据量确认采用何种传输模式，若发送端数据量<＝RTS帧的数据长度，则采用DATA/ACK传输模式，否则，采用RTS/CTS模式，即若在TD和Ts时间内有RTS/CTS交互，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.1，若在TD和Ts时间内采用DATA/ACK(Acknowledgement)传输模式，即发送端发送数据，接收端正确接收到数据后，回复确认正确接收的传输模式，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.2；
步骤5.1.1：如果T时间内仍有RTS/CTS交互，则接收端D更新ΔID-S＝ID-IS并重置TD为初始值，其更新过程同步骤3所述；发送端S更新ΔIS-D＝IS-ID并重置Ts为初始值，其更新过程同步骤4所述；若Ts和TD只要超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0，之后转入步骤6；
步骤5.1.2：如果T时间内采用DATA/ACK传输模式下，则发送端S在DATA中携带发送端的平均干扰值IS，接收端D收到DATA后，更新接收端与发送端平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS并重置TD为初始值；并且在回复至S的ACK中携带接收端的平均干扰值ID，用于发送端S更新发送端与接收端平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID并重置Ts为初始值；若T超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0，之后转入步骤6；
步骤6：在当前TXOP时长内，发送端S将要发出的最后一个数据包之前，若发送端S根据待传至D的剩余数据量，判断还需竞争后续TXOP，以完成对接收端D剩余数据的传输，即发送端S待传至接收端D的剩余数据的数据量大于等于Ls，则S在当前TXOP所发出的最后一个数据包的帧控制域中，使用预留位1bit作为标志位，其中Ls为判断发送端S待传至接收端D剩余数据多少的门限值，设置标志位Rq＝1，表示向D请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式，之后转入步骤7；否则，即发送端S根据待传至D的剩余数据量，判断不需要竞争后续TXOP，转入步骤9；
步骤7：接收端D收到S的Rq＝1数据包后，如果接收端D中的待传至S的剩余数据量小于等于Lr，Lr为判断接收端D中的待传至S剩余数据多少的门限值，则D在其回复的ACK帧的帧控制域中，使用预留位1bit作为标志位，设置标志位Rs＝1，表示确认接下来的退避模式将切换至接收端发起的退避模式，之后转入步骤8；否则，设置Rs＝0，表示拒绝S发出的切换退避模式的请求，之后转入步骤9；
步骤8：接收端D执行退避过程：接收端D在整个信道上，每一个时隙slot 9微秒执行一次能量检测，即节点通过物理载波侦听，检测整个信道上的信号功率，检测在该时隙的信道能量瞬时值Idi，然后根据存储器保存的S端平均干扰值，获知接收端的平均干扰值IS，平均干扰值IS根据平均干扰统计方法获得，即可计算出接收端和发送端平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS，预估出此时S在该时隙的干扰状况干扰状况根据预估接收节点干扰状况的方法获得，若预估接收节点的干扰状况门限，CCA门限取-82dbm，则退避计数器的值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器减为0，即退避完成，接收端D将向发送端S发送CTS分组以启动新一轮TXOP传输，在CTS中携带接收端D的平均干扰值ID，以便发送端更新ΔIS-D＝IS-ID，之后转入步骤5；
步骤9：本次数据传输结束。
所述的平均干扰统计方法如下：
假设发送端为S，接收端为D，对于任意一个时刻t，本发明认为每一个节点包括热点AP(access point)和站点STA(station)，均不断更新自身在[t-Twin,t]内的平均干扰值I，Twin由无线协议标准规定，设在Twin时间内，有n个时隙[δ1,δ2,...δn]分别对应时隙1，时隙2......时隙n，S和D均在每个时隙[δ1,δ2,...δn]检测信道上的能量，发送端S检测的能量值分别为[Is1,Is2,...Isn]，接收端D检测的能量值为[Id1,Id2,...Idn]，则发送端平均干扰值IS为接收端平均干扰值ID为
其中变量定义如下：
δ：表示时隙；
Isi：发送端S在第i个时隙检测的信道上的能量值；
Idi：接收端D在第i个时隙检测的信道上的能量值；
所述的预估接收节点干扰状况的方法如下：
设发送端为S，接收端为D，定义如下变量：
1)IS：用于存储发送端平均干扰值；
2)ID：用于存储接收端平均干扰值；
3)ΔIS-D：该变量用于存储发送端平均干扰值与接收端平均干扰值之差，ΔIS-D＝IS-ID；
4)发送端预估接收端干扰状况值，
发送节点S执行退避过程，在每一个时隙执行能量检测，若在一个时隙检测到的信道能量为Isi，则预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况值为发送端S退避完成后，发送RTS，携带发送端平均干扰值IS，接收端D收到RTS后，回复CTS，携带接收端检测的平均干扰值ID，则发送端收到CTS后，计算并更新ΔIS-D＝IS-ID，并将该值作为下次S→D传输，进行退避，发送端S预估接收端D干扰状况的依据；
所述的预估发送节点干扰状况的方法如下：
设发送端为S，接收端为D，由于收发双方是可以互换的，不断更新接收端D至发送端S的平均干扰差ΔID-S，用于当D→S传输时，接收端D预估发送端S的信道状况；
定义以下几个变量：
1)IS：该变量用于存储发送端平均干扰值；
2)ID：该变量用于存储接收端平均干扰值；
3)ΔID-S：该变量用于存储接收端平均干扰值与发送端平均干扰值之差，ΔID-S＝ID-IS；
4)接收端预估发送端干扰状况值，
发送节点S退避完成后，发送RTS，携带发送端的平均干扰值IS，接收端D收到RTS后，根据自身的平均干扰值ID，计算并更新ΔID-S＝ID-IS并将该值作为下次D→S传输，进行退避，接收端D根据自身检测的信道能量值Idi，预估接收端S干扰状况
本发明的有益效果是由于采用了发送端退避是根据预测接收端信道干扰状况而进行退避的方案，所以其退避过程高度反映了接收端的信道干扰状况，从而使得随机接入更加精细；由于采用了将发送端主导的随机接入过程与接收端主导的随机接入过程相结合的方案，所以提升了退避效率，进而大幅度提高了网络吞吐率及提升了系统性能。
附图说明
图1是本发明发送端主导的随机接入过程示意图。
图2是本发明接收端主导的随机接入过程示意图。
图3是本发明收发双方主导、切换的随机接入过程示意图，其中，TXOP1是由发送端退避完成，竞争到信道，进行数据发送；TXOP2是接收端退避完成，竞争到信道，将信道使用权通过CTS2转让给发送端S进行数据发送。
其中，Isi为能量检测值；RTS为请求发送帧；CTS为清除发送帧；ΔID-S为接收端至发送端的干扰差值；ID为接收端平均干扰值；DATA为数据；ACK为即确认帧；CTS(Clear ToSend)为清除发送帧；ΔIS-D为发送端至接收端的干扰差值；ΔID-S为接收端至发送端的干扰差值；Rq为发送端向接收端请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式标志位；Rs为接收端是否同意将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式标志位。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明可以在无线网卡中通过固件实现，或实现在无线网卡的驱动程序之中。
首先是发送端主导的随机接入过程，该过程可参考图1。发送端S根据上一次双方通信交换信息获取的接收端D反馈的平均干扰值ID，从而可知发送端S与接收端D的平均干扰差ΔIS-D＝IS-ID。发送端S有数据需要发送时，首先要执行退避，在每个时隙进行能量检测IS，并预估此时接收端D的干扰状况发送端S用该值作为本次随机接入在该时隙的信道状况干扰值，若则退避计数器的值是减1；否则，维持退避计数器的值。直至退避计数器的值减为0，即发送方S退避完成，发送RTS(Request to Send)并在RTS中携带发送方S的平均干扰值IS；接收方D收到S的RTS后，则更新接收端D与发送方S的平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS，并将该值作为后续D→S传输使用；然后接收端D回复CTS(Clear toSend)并在CTS中携带接收端的平均干扰值ID。发送端S收到CTS后，更新发送端S与接收方D的平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，用于后续S→D传输。
其次是收发端主导互换过程，在当前S→D传输过程的TXOP即将结束之前，若发送端S判断还需竞争后续TXOP以完成对接收端D的剩余数据的传输，且待传至D的剩余数据量≥数据量多少门限值Ls，其中Ls为判断发送端S待传至接收端D剩余数据多少的门限值，则S在当前TXOP所发出的最后一个数据包的帧控制域中设置的标志位Rq置1，从帧中预留位选取1bit作为Rq标志位，表示向D请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式，接收端D接收到Rq＝1的来自S的数据包后，如果接收端D待传至S剩余数据量小于数据量多少门限值Lr，Lr为判断接收端D中的待传至S剩余数据量多少的门限值，则D在其回复的ACK(Acknowledgement)的帧控制域中设置标志位Rs＝1(从帧中预留位选取1bit作为Rs标志位)，表示确认接下来的退避模式将切换至接收端发起的退避模式；否则，设置Rs＝0，表示拒绝S发出的切换退避模式的请求。
最后，通过收发双方进行主导互换协商成功后，转入接收端主导的随机接入过程，该过程可参考图2。接收端D执行退避，接收端D根据自身干扰状况，在每个时隙进行能量检测ID，若ID<CCA，则退避计数器的值减1；否则，维持退避计数器的值。直至退避计数器的值减为0，退避完成后，D将直接向发送端S发送CTS分组以启动新一轮TXOP传输。
本发明具体实施步骤如下：
步骤1：发送节点S有数据发送时，首先执行如下的退避过程：在整个信道上，每一个时隙slot为9微秒执行能量检测，即节点通过物理载波侦听，检测整个信道上的信号功率，若检测在该时隙的信道能量为IS，根据接收端干扰值的历史信息获知接收端的平均干扰值ID，平均干扰值ID根据平均干扰统计方法获得，即可计算出发送端和接收端平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，最后预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况：干扰状况根据预估接收节点干扰状况的方法获得，若预估接收节点的干扰状况门限，则退避计数器的值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器值减为0，即退避完成，转入步骤2；否则停留在步骤1中继续退避；
步骤2：当S退避完成后，发送RTS发送请求帧，并在RTS中携带自己的平均干扰值Is，平均干扰值Is根据根据平均干扰统计方法获得，之后转入步骤3；
步骤3：当D接收到RTS后，回复清除发送帧CTS，其中CTS中需要携带接收端的平均干扰值ID，同时更新接收端与发送端的干扰差值ΔID-S＝ID-IS，用于后续D→S传输，并设置定时器T，之后转入步骤4；
步骤4：当S接收到CTS后，更新发送端与接收端的干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，并设置定时器T，用于后续S→D传输，之后转入步骤5；
步骤5：在传输机会TXOP内，S发送数据DATA，D回复确认帧ACK，并在整个TXOP时长之内持续该过程，在后续时间T时间内，其中T>TXOP，收发双方不断更新双方平均干扰差，包含更新发送端至接收端的平均干扰差ΔIS-D和接收端至发送端的平均干扰差ΔID-S，其具体过程详见以下步骤5.1，之后转入步骤6；
步骤5.1：在后续T时间内，但凡S→D，且采用发送端主导的随机接入，则S使用ΔIS-D预估D的信道干扰状况，其预估过程同步骤1所述，进行退避；但凡D→S，且采用接收端主导的随机接入，则使用ΔID-S预估S的信道干扰状况，信道干扰状况根据预估发送节点干扰状况的方法获得，进行退避，若在T时间内有RTS/CTS交互，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.1；若在T时间内采用DATA/ACK传输模式，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.2；
步骤5.1.1：如果T时间内仍有RTS/CTS交互，则接收端D要更新ΔID-S＝ID-IS并重置T，其更新过程同步骤3所述；发送端S要更新ΔIS-D＝IS-ID并重置T，其更新过程同步骤4所述；若T超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0；之后转入步骤6；
步骤5.1.2：如果T时间内采用DATA/ACK传输模式下，则发送端S在DATA中携带发送端的平均干扰值IS，接收端D收到DATA后，更新接收端与发送端平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS并重置T；并且在回复至S的ACK中携带接收端的平均干扰值ID，用于发送端S更新发送端与接收端平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID并重置T；若T超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0；之后转入步骤6；
步骤6：在当前TXOP时长内，发送端S将要发出的最后一个数据包之前，若发送端S根据待传至D的剩余数据的数据量判断还需竞争后续TXOP以完成对接收端D剩余数据的传输，即发送端S待传至接收端D的剩余数据的数据量>＝Ls，Ls为判断发送端S待传至接收端D剩余数据多/少的门限值，则S在当前TXOP所发出的最后一个数据包的帧控制域中，使用预留位1bit作为标志位，设置标志位Rq＝1，表示向D请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式，之后转入步骤7；否则，之后转入步骤9；
步骤7：接收端D收到S的Rq＝1数据包后，如果接收端D中的待传至S的剩余数据量<＝Lr，Lr为判断接收端D中的待传至S剩余数据量多/少的门限值，则D在其回复的ACK帧的帧控制域中，使用预留位1bit作为标志位，设置标志位Rs＝1，表示确认接下来的退避模式将切换至接收端发起的退避模式，之后转入步骤8；否则，设置Rs＝0，表示拒绝S发出的切换退避模式的请求，之后转入步骤9；
步骤8：接收端D执行退避过程：接收端D在每一个时隙进行能量检测，从而获知当前干扰状况ID，若能量检测值ID<CCA门限，则退避计数值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器减为0，即退避完成，接收端D将向发送端S发送CTS分组以启动新一轮TXOP传输，在CTS中携带接收端D的平均干扰值ID，以便发送端更新ΔIS-D＝IS-ID；之后转入步骤5；
步骤9：本次数据传输结束。
所述的平均干扰统计方法如下：
假设发送端为S，接收端为D，对于任意一个时刻t，本发明认为每一个节点包括AP和STA，均不断更新自身在[t-Twin,t]内的平均干扰状况I，Twin由协议规定，设在Twin时间内，有N个时隙[δ1δ2...δn](δ1δ2...δn分别对应时隙1，时隙2......时隙n)，S和D均在每个时隙[δ1δ2...δn]检测信道上的能量，发送端S检测的能量值分别为[Is1Is2...Isn]，接收端D检测的能量值为[Id1Id2...Idn]；
变量定义如下：
δ：表示时隙；
Isi：发送端S在某个时隙检测的信道上的能量；
Idi：接收端D在某个时隙检测的信道上的能量；
1)发送端平均干扰值IS：
2)接收端平均干扰值ID：
所述的预估接收节点干扰状况的方法如下：
使用本发明接入方法的需要预估接收端的干扰状态，为了表述方便，这里假设发送端为S，接收端为D。
需要定义以下几个变量：
1)IS：该变量用于存储发送端平均干扰值；
2)ID：该变量用于存储接收端平均干扰值；
3)ΔIS-D：该变量用于存储发送端平均干扰值与接收端平均干扰值之差ΔIS-D＝IS-ID；
4)发送端预估接收端信道状况值
其预估接收节点干扰状况的方法是：发送节点S执行退避过程，在每一个时隙执行能量检测，若在一个时隙检测到的信道能量为Isi，则预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况为其中ΔIS-D是根据历史信息获得。发送端S退避完成后，发送RTS，携带发送端检测的能量值IS，接收端D收到RTS后，回复CTS，携带接收端检测的信道能量值ID。则发送端收到CTS后，计算并更新ΔIS-D＝IS-ID，并将该值作为下次S→D传输，进行退避，发送端S预估接收端D干扰状况的依据。
所述的预估发送节点干扰状况的方法如下：
为了表述方便，这里假设发送端为S，接收端为D。由于收发双方是可以互换的，因此使用本发明的接入方法，可以不断更新接收端D至发送端S的平均干扰差ΔID-S。用于当D→S传输时，接收端D预估发送端S的信道状况。
需要定义以下几个变量：
1)IS：该变量用于存储发送端平均干扰值；
2)ID：该变量用于存储接收端平均干扰值；
3)ΔID-S：该变量用于存储接收端平均干扰值与发送端平均干扰值之差ΔID-S＝ID-IS；
4)接收端预估发送端信道状况值
发送节点S退避完成后，发送RTS，携带发送端检测的能量值IS，接收端D收到RTS后，根据自身检测的信道能量值ID，计算并更新ΔID-S＝ID-IS并将该值作为下次D→S传输，进行退避，接收端D预估接收端S干扰状况
预估发送节点干扰状况的方法是本发明中，当发送端S与接收端D互换后(即当前发送端为D，接收端为S)，当前发送端D预估接收端S干扰状况的一种方法，其思想与预估接收节点干扰状况的方法一样。
本发明方案具体的实施过程可参考图1、图2和图3。
步骤1：发送节点S执行退避过程。在每一个时隙执行能量检测，若在任何一个时隙检测到的信道能量为Isi，则预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况为其ΔIS-D的值是根据接收端反馈的平均干扰值ID的历史信息计算ΔIS-D＝IS-ID。若则退避计数器减1；否则，退避挂起。直至退避完成，转入步骤2；否则停留在步骤1中继续退避；
步骤2：当S退避结束后，发送RTS，并在RTS中携带其最新的IS，之后转入步骤3；
步骤3：当D接收到RTS后，回复CTS，其中CTS中需要携带其最新的ID。同时更新ΔID-S＝ID-IS，用于后续D→S传输，之后转入步骤4；
步骤4：当S接收到CTS后，更新ΔIS-D＝IS-ID，用于后续S→D传输，之后转入步骤5；
步骤5：在TXOP内，S发送DATA，D回复ACK，并持续该过程，在后续剩余时间t(t>TXOP)时间内，收发双方不断更新双方平均干扰差，其具体过程详见以下步骤5.1，之后转入步骤6；
步骤5.1：在后续剩余时间t内，但凡S→D，且采用发送端主导的随机接入，则S使用ΔIS-D预估D的信道干扰状况(其预估过程同步骤1所述)，进行退避；但凡D→S，且采用发送端主导的随机接入(此时发送端是D)，则使用ΔID-S预估S的信道干扰状况(其预估过程同步骤3所述)，进行退避。若在TS和TD时间内有RTS/CTS交互，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.1；若在TS和TD时间内采用DATA/ACK传输模式，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.2；
步骤5.1.1：如果TD时间内仍有RTS/CTS交互，则接收端D要更新ΔID-S＝ID-IS并重置TD(其更新过程同步骤3所述)；如果TS时间内仍有RTS/CTS交互，发送端S要更新ΔIS-D＝IS-ID并重置TS(其更新过程同步骤4所述)。若TS超时，则重置ΔIS-D；若TD超时，则重置ΔID-S＝0；之后转入步骤6；
步骤5.1.2：如果T时间内采用DATA/ACK传输模式下，则发送端S在DATA中可以携带IS，接收端D收到DATA后，更新ΔID-S＝ID-IS并重置T；并且在回复至S的ACK中携带ID，用于发送端S更新ΔIS-D＝IS-ID并重置T。若T超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0；之后转入步骤6；
步骤6：在当前TXOP即将结束之前，发送端S根据剩余数据量，判断是否需要请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式，当S待传至D的剩余数据量大于等于Ls时，转入步骤6.1，其中，Ls为判断发送端S剩余的数据多少的门限值；否则，转入步骤6.2；
步骤6.1：S在当前TXOP所发出的最后一个数据包的帧控制域中设置标志位Rq＝1，Rq为发送端向接收端请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式标志位，从预留位选取1bit作为Rq标志位，表示向D请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式，之后转入步骤7；
步骤6.2：发送端S至接收端D的待传数据小于Ls时，转入步骤9；
步骤7：接收端D收到S的Rq＝1数据包后，根据自己待传至S的数据量判断是否同意切换至接收端主导的退避模式，如果接收端D中的待传至S剩余数据的数据量不大于Lr，Lr为接收端D代传至S剩余数据量多少的门限值，转入步骤7.1，否则转入步骤7.2；
步骤7.1：接收端D在其回复的ACK帧(或包含确认信息的其他类型的帧)的帧控制域中设置标志位Rs＝1，Rs为接收端是否同意将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式标志位，从帧中预留位选取1bit作为Rs标志位，表示确认接下来的退避模式将切换至接收端发起的退避模式，之后转入步骤8；
步骤7.2：接收端D在其回复的ACK帧中设置标志位Rs＝0，从目前预留位中取出1bit作为Rs标志位，表示拒绝S发出的切换退避模式的请求，之后转入步骤9；
步骤8：接收端D根据自身干扰状况，在[0～CW]中随机选取一个整数作为退避计数器的值，执行退避过程，其中，CW是竞争窗。在每一个时隙进行能量检测ID，若在任何一个时隙检测到的信道能量ID<CCA门限，则退避计数值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器的值减为0，即退避完成，则接收端D向发送端S发送CTS分组以启动新一轮TXOP传输，返回步骤5。其中CTS可以携带ID，以便发送端S更新ΔIS-D；后续TXOP的DATA/ACK依然可以携带IS/ID。否则停留在步骤8中继续退避；
步骤9：本次数据传输结束。
Claims (1)
1.一种基于信道状况感知的主导权可切换的随机接入的方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤1：发送节点S有数据发送时，首先执行如下的退避过程：在整个信道上，每一个时隙slot9微秒执行一次能量检测，即节点通过物理载波侦听，检测整个信道上的信号功率，检测在该时隙的信道能量瞬时值Isi，然后根据存储器保存的接收端平均干扰值，获知接收端的平均干扰值ID，平均干扰值ID根据平均干扰统计方法获得，即可计算出发送端和接收端平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况干扰状况根据预估接收节点干扰状况的方法获得，若预估接收节点的干扰状况门限，CCA门限取-82dbm，则退避计数器的值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器值减为0，即退避完成，转入步骤2；否则停留在步骤1中继续退避；
步骤2：当发送节点S退避完成后，发送请求帧RTS(Request to Send)，并在RTS中携带发送节点S的平均干扰值IS，平均干扰值IS根据平均干扰统计方法获得，之后转入步骤3；
步骤3：当接收节点D接收到RTS后，回复清除发送帧CTS(Clear To Send)，其中CTS中携带接收端的平均干扰值ID，平均干扰值ID根据平均干扰统计方法获得，同时更新接收端与发送端的平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS，用于后续D→S传输，并设置接收端更新平均干扰差值的定时器TD，之后转入步骤4；
步骤4：当发送节点S接收到CTS后，更新发送端与接收端的平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID，并设置发送端更新平均干扰差值的定时器Ts，用于后续S→D传输，之后转入步骤5；
步骤5：在传输机会TXOP(Transmission Opportunity)内，发送节点S发送数据DATA，接收节点D回复确认帧ACK(Acknowledgement)，并在整个TXOP时长之内重复该过程，在后续时间T内，其中T>TXOP，收发双方不断更新各自的平均干扰差值，即更新发送端至接收端的平均干扰差值ΔIS-D和接收端至发送端的平均干扰差值ΔID-S，其具体过程详见步骤5.1，之后转入步骤6；
步骤5.1：在后续T时间内，但凡S→D，且采用发送端主导的随机接入，则发送节点S使用ΔIS-D预估接收节点D的信道干扰状况，其预估过程同步骤1所述，进行退避；但凡D→S，且采用接收端主导的随机接入，则使用ΔID-S预估发送节点S的信道干扰状况，信道干扰状况根据预估发送节点干扰状况的方法获得，进行退避，发送端根据自己的数据量确认采用何种传输模式，若发送端数据量<＝RTS帧的数据长度，则采用DATA/ACK传输模式，否则，采用RTS/CTS模式，即若在TD和Ts时间内有RTS/CTS交互，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.1，若在TD和Ts时间内采用DATA/ACK(Acknowledgement)传输模式，即发送端发送数据，接收端正确接收到数据后，回复确认正确接收的传输模式，其更新ΔIS-D和ΔID-S过程详见步骤5.1.2；
步骤5.1.1：如果T时间内仍有RTS/CTS交互，则接收节点D更新ΔID-S＝ID-IS并重置TD为初始值，其更新过程同步骤3所述；发送节点S更新ΔIS-D＝IS-ID并重置Ts为初始值，其更新过程同步骤4所述；若Ts和TD只要超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0，之后转入步骤6；
步骤5.1.2：如果T时间内采用DATA/ACK传输模式下，则发送节点S在DATA中携带发送端的平均干扰值IS，接收节点D收到DATA后，更新接收端与发送端平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS并重置TD为初始值；并且在回复至发送节点S的ACK中携带接收端的平均干扰值ID，用于发送节点S更新发送端与接收端平均干扰差值ΔIS-D＝IS-ID并重置Ts为初始值；若T超时，则重置ΔIS-D＝ΔID-S＝0，之后转入步骤6；
步骤6：在当前TXOP时长内，发送节点S将要发出的最后一个数据包之前，若发送节点S根据待传至接收节点D的剩余数据量，判断还需竞争后续TXOP，以完成对接收节点D剩余数据的传输，即发送节点S待传至接收节点D的剩余数据的数据量大于等于Ls，则发送节点S在当前TXOP所发出的最后一个数据包的帧控制域中，使用预留位1bit作为标志位，其中Ls为判断发送节点S待传至接收节点D剩余数据多少的门限值，设置标志位Rq＝1，表示向接收节点D请求将接下来的退避模式切换至接收端主导的退避模式，之后转入步骤7；否则，即发送节点S根据待传至接收节点D的剩余数据量，判断不需要竞争后续TXOP，转入步骤9；
步骤7：接收节点D收到发送节点S的Rq＝1数据包后，如果接收节点D中的待传至发送节点S的剩余数据量小于等于Lr，Lr为判断接收节点D中的待传至发送节点S剩余数据多少的门限值，则接收节点D在其回复的ACK帧的帧控制域中，使用预留位1bit作为标志位，设置标志位Rs＝1，表示确认接下来的退避模式将切换至接收端发起的退避模式，之后转入步骤8；否则，设置Rs＝0，表示拒绝发送节点S发出的切换退避模式的请求，之后转入步骤9；
步骤8：接收节点D执行退避过程：接收节点D在整个信道上，每一个时隙slot9微秒执行一次能量检测，即节点通过物理载波侦听，检测整个信道上的信号功率，检测在该时隙的信道能量瞬时值Idi，然后根据存储器保存的发送节点S平均干扰值，获知接收端的平均干扰值IS，平均干扰值IS根据平均干扰统计方法获得，即可计算出接收端和发送端平均干扰差值ΔID-S＝ID-IS，预估出此时发送节点S在该时隙的干扰状况干扰状况根据预估接收节点干扰状况的方法获得，若预估接收节点的干扰状况门限，CCA门限取-82dbm，则退避计数器的值减1；否则，退避挂起，直至退避计数器减为0，即退避完成，接收节点D将向发送节点S发送CTS分组以启动新一轮TXOP传输，在CTS中携带接收节点D的平均干扰值ID，以便发送端更新ΔIS-D＝IS-ID，之后转入步骤5；
步骤9：本次数据传输结束；
所述的平均干扰统计方法如下：
假设发送端为发送节点S，接收端为接收节点D，对于任意一个时刻t，本发明认为每一个节点包括热点AP(access point)和站点STA(station)，均不断更新自身在[t-Twin,t]内的平均干扰值I，Twin由无线协议标准规定，设在Twin时间内，有n个时隙[δ1,δ2,...δn]分别对应时隙1，时隙2......时隙n，发送节点S和接收节点D均在每个时隙[δ1,δ2,...δn]检测信道上的能量，发送节点S检测的能量值分别为[Is1,Is2,...Isn]，接收节点D检测的能量值为[Id1,Id2,...Idn]，则发送端平均干扰差值IS为接收端平均干扰差值ID为
其中变量定义如下：
δ：表示时隙；
Isi：发送节点S在第i个时隙检测的信道上的能量值；
Idi：接收节点D在第i个时隙检测的信道上的能量值；
所述的预估接收节点干扰状况的方法如下：
设发送端为发送节点S，接收端为接收节点D，定义如下变量：
1)IS：用于存储发送端平均干扰值；
2)ID：用于存储接收端平均干扰值；
3)ΔIS-D：该变量用于存储发送端平均干扰值与接收端平均干扰值之差，
ΔIS-D＝IS-ID；
4)发送端预估接收端干扰状况值，
发送节点S执行退避过程，在每一个时隙执行能量检测，若在一个时隙检测到的信道能量为Isi，则预估出此时接收节点D在该时隙的干扰状况值为发送节点S退避完成后，发送RTS，携带发送端平均干扰值IS，接收节点D收到RTS后，回复CTS，携带接收端检测的平均干扰值ID，则发送端收到CTS后，计算并更新ΔIS-D＝IS-ID，并将ΔIS-D作为下次S→D传输，进行退避，发送节点S预估接收节点D干扰状况的依据；
所述的预估发送节点干扰状况的方法如下：
设发送端为发送节点S，接收端为接收节点D，由于收发双方是可以互换的，不断更新接收节点D至发送节点S的平均干扰差值ΔID-S，用于当D→S传输时，接收节点D预估发送节点S的信道状况；
定义以下几个变量：
1)IS：该变量用于存储发送端平均干扰值；
2)ID：该变量用于存储接收端平均干扰值；
3)ΔID-S：该变量用于存储接收端平均干扰值与发送端平均干扰值之差，
ΔID-S＝ID-IS；
4)接收端预估发送端干扰状况值，
发送节点S退避完成后，发送RTS，携带发送端的平均干扰值IS，接收节点D收到RTS后，根据自身的平均干扰值ID，计算并更新ΔID-S＝ID-IS并将ΔID-S作为下次D→S传输，进行退避，接收节点D根据自身检测的信道能量值Idi，预估发送节点S干扰状况
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