CN106850587A

CN106850587A - 基于ieee 802.11的分布式天线系统mac协议改进方法

Info

Publication number: CN106850587A
Application number: CN201710014212.9A
Authority: CN
Inventors: 黄圣春; 陈玓玏; 赵海涛; 魏急波; 周力; 马东堂
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2017-06-13
Anticipated expiration: 2037-01-09
Also published as: CN106850587B

Abstract

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种基于IEEE 802.11的分布式天线系统MAC协议改进方法，在点协调功能PCF机制下，减少各RAU覆盖区域间的冲突。包括以下步骤，第一步：建立网络拓扑结构图；第二步：划分基本服务集的优先级和节点类型，BSS的优先级分为高优先级BSS和低优先级BSS；高优先级BSS的内部节点划分为边缘节点及非边缘节点；低优先级BSS的内部节点划分为不冲突节点及冲突节点；第三步：根据网络拓扑结构图建立轮询列表并标记轮询列表中的各节点，高优先级BSS根据轮询列表进行常规轮询；第四步：低优先级BSS根据高优先级BSS的轮询过程调整自己的轮询过程；本发明在较低程度地牺牲时延性能的情况下，降低了系统总体的重传性能，提升边缘节点吞吐量。

Description

基于IEEE 802.11的分布式天线系统MAC协议改进方法

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，涉及一种分布式天线系统(分布式天线系统，简称DAS)中避免远程天线单元(远程天线单元，简称RAU)间相互干扰的IEEE 802.11中点协调功能(点协调功能，简称PCF)MAC协议的改进方法。

背景技术

MAC协议为系统调度无线资源提供了解决方案，使得尽可能多的用户在相对较短的时间内获得系统服务。在DAS中，RAU的使用在很大程度上提升了网络的频谱效率及能量效率，同时也提升了系统MAC协议设计的难度。根据已发表的相关文献，国内外对DAS进行了大量的研究，但其中绝大部分研究工作是针对物理层的优化以及光纤引入的传输时延对系统吞吐量的影响，缺乏针对MAC协议的具体改进方案，其原因就在于DAS中MAC协议设计的复杂性。

DAS通常应用于用户较多的场景，且本身具有控制中心，使用PCF可实现方便的信道资源管理。PCF协议由多个超帧周期构成，每个超帧周期又分为免竞争阶段(免竞争阶段，简称CFP)和竞争阶段(竞争阶段，简称CP)两个部分。各节点在免竞争阶段内不使用CSMA机制(Carrier Sense Multiple Access，缩写为CSMA)进行发送，每个数据的发送都必须等待中心处理单元的轮询，并与其持续进行交互。在单个RAU场景下，网络能够正常运行。但是当网络中存在多个RAU时，RAU间将出现重叠区域。重叠区域节点的发送及接收将始终受到中心处理单元上下行数据的干扰，且暂时没有解决方案。因此有必要设计一种改进方法，使得网络在不过多损失处于非重叠区域的节点的性能的条件下保证处于重叠区域的用户能够获得较好的吞吐量性能。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是：从协议角度解决DAS中RAU间相互干扰的问题，提供一种提升边缘节点的吞吐量的PCF改进方法。使用该方法可灵活地根据边缘节点业务需求量以及可复用时间的多少调整时间配置方案，具有灵活有效的特点。

本发明的技术方案的思路是：通过在单个完整的CFP阶段内插入部分无冲突节点的仅有上行的CP阶段来避免重叠区域频繁发生冲突，从而提升边缘节点所获得的吞吐量性能。即对于每个节点而言，在一个超帧周期内不再是简单的CFP后跟随一个CP阶段，而是根据拓扑信息、所在BSS(基本服务集，简称BSS)的优先级以及相邻RAU内通信情况引入部分节点的CP阶段进行调整。

本发明的技术方案是基于IEEE 802.11PCF的分布式天线系统MAC协议改进方法，在点协调功能PCF机制下，减少各RAU覆盖区域间的冲突，提升了边缘节点的吞吐量性能。具体技术方案包括以下步骤：

第一步：建立网络拓扑结构图；

第二步：划分基本服务集的优先级和节点类型，目的是为了将网络中冲突的情况分解开来，具体过程为：

BSS的优先级分为高低两种，根据连接到同一中心处理单元的各RAU的相对位置进行确定；首先设置某一RAU所覆盖的BSS优先级为高，记为高优先级BSS(简称H-BSS)，则与其地理位置相邻的RAU覆盖的BSS优先级为低，记为低优先级BSS(简称L-BSS)；所有BSS将以高、低组成一对为单位进行处理，如果BSS总数为单数，则单独剩余的一个BSS不进行优化处理；

BSS内的节点类型根据网络拓扑结构进行确定，具体为：高优先级BSS(简称H-BSS)的内部节点划分为边缘节点(简称B-Node)及非边缘节点(简称NB-Node)；高优先级BSS中处于重叠区域的节点为边缘节点，其余节点为非边缘节点；

低优先级BSS(简称L-BSS)的内部节点划分为不冲突节点(简称NC-Node)及冲突节点(简称C-Node)。将处于边缘节点通信范围内的节点标记为冲突节点，其余节点标记为不冲突节点。

每一个BSS在网络运行过程中，根据BSS优先级及节点类型设计轮询列表，将同类型的节点放置在列表中相邻的位置；

第三步：根据网络拓扑结构图建立轮询列表并标记轮询列表中的各节点，高优先级BSS根据轮询列表进行常规轮询；在明确各BSS内的节点类型后，高优先级BSS的轮询过程与传统的PCF机制一致，不需要进行调整。

第四步：低优先级BSS(L-BSS)根据高优先级BSS(H-BSS)的轮询过程调整自己的轮询过程；具体为：当高优先级BSS轮询边缘节点时，低优先级BSS将引入不冲突节点NC-Node的仅有上行的CP阶段；当高优先级BSS轮询非边缘节点时，低优先级BSS将轮询冲突节点；当网络中没有与边缘节点B-Node进行时间复用的不冲突节点NC-Node时，低优先级BSS(L-BSS)将进行常规的轮询。

采用本发明的有益效果：本发明方法从MAC协议设计的角度为CFP阶段分布式天线系统中RAU间的冲突问题提供了新的思路。该方法打破了现有MAC协议中所有节点统一采用CFP阶段与CP阶段交替执行的规则，在CFP阶段引入NC-Node的无中心处理单元参与的CP阶段。该方法在避免BSS间冲突的同时复用了尽可能多的时隙，即在提升边缘节点吞吐量的同时保证了整个系统的性能，无法进行时隙复用的条件下使用该方法的效果将与直接使用PCF协议一致，本发明在以较低程度的时延性能代价下有效提升边缘节点吞吐量并降低网络重传性能。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明提供MAC协议的优先级及节点类型划分结果图；

图3是本发明提供MAC协议的各用户与中心处理单元的交互过程示意图；

图4是本发明方法与传统方法的性能测试结果图，其中图(a)表示本发明(改进PCF协议)与传统方法(传统PCF协议)的网络重传性能对比图，图(b)本发明与传统方法的边缘节点吞吐量对比图，图(c)本发明与传统方法的时延性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示为本发明的流程示意图，基于IEEE 802.11的分布式天线系统MAC协议改进方法，包括以下步骤：

第一步：建立网络拓扑结构图；

第二步：划分基本服务集(基本服务集，简称BSS)的优先级和节点类型；BSS的优先级分为高低两种，根据连接到同一中心处理单元的各RAU(远程天线单元，简称RAU)的相对位置进行确定；首先设置某一RAU所覆盖的BSS优先级为高，记为高优先级BSS，则与其地理位置相邻的RAU覆盖的BSS优先级为低，记为低优先级BSS；所有BSS将以高、低组成一对为单位进行处理，如果BSS总数为单数，则单独剩余的一个BSS不进行处理。

BSS内的节点类型根据网络拓扑结构进行确定，始终遵循处于一对相邻的BSS重叠区域的边缘节点全部加入高优先级BSS(以下简称H-BSS)的原则。具体为：高优先级BSS(H-BSS)的内部节点划分为边缘节点及非边缘节点；高优先级BSS中处于与低优先级BSS重叠区域的节点为边缘节点，其余节点为非边缘节点；

低优先级BSS(L-BSS)的内部节点划分为不冲突节点及冲突节点；将处于边缘节点通信范围内的节点标记为冲突节点，其余节点标记为不冲突节点。

第三步：根据网络拓扑结构图建立轮询列表并标记轮询列表中的各节点，高优先级BSS根据轮询列表进行常规轮询；

第四步：低优先级BSS(L-BSS)根据高优先级BSS(H-BSS)的轮询过程调整自己的轮询过程；L-BSS的轮询过程将受到H-BSS中轮询过程的影响。具体为：当高优先级BSS轮询边缘节点时，低优先级BSS将引入不冲突节点NC-Node的仅有上行的CP阶段；当高优先级BSS轮询非边缘节点时，低优先级BSS将轮询冲突节点；当网络中没有与边缘节点B-Node进行时间复用的不冲突节点NC-Node时，低优先级BSS(L-BSS)将进行常规的轮询。

图2是本发明提供MAC协议的优先级及节点类型划分结果图，图中从左至右的三个圆分别表示H-BSS内RAU的通信范围、重叠区域内位于最上方的工作节点的通信范围以及L-BSS内RAU的通信范围。实施例中，将低优先级BSS的中心处理单元和高优先级BSS的处理单元集成为一个中心处理单元，如图2中所给出的中心处理单元。根据相对位置确定了一对BSS间的高低优先级后，即可根据优先级确定覆盖节点的分类。在处于RAU重叠区域的节点统一加入H-BSS的前提条件下，L-BSS内的节点中不包含处于重叠范围内的节点。首先确定H-BSS内各节点的类型。对于H-BSS而言，在列表中将处于重叠区域的节点标记为边缘节点，其余节点标记为非边缘节点。对于L-BSS而言，将处于边缘节点通信范围内的节点标记为冲突节点，其余节点标记为不冲突节点。

图3是本发明提供MAC协议的各用户与中心处理单元的交互过程示意图。图3(a)表示传统的PCF工作机制。在PCF中有两个关键参数：CFPPeriod(无竞争周期重复间隙)和CFPMaxDuration(无竞争周期)。CFPPeriod是一个超帧的长度，CFPMaxDuration是PCF中一个超帧内免竞争阶段的最大时间长度。PCF模式下的每个超帧周期从发送信标帧(Beacon)开始，由无竞争阶段和竞争阶段两部分组成。用户节点收到Beacon帧之后更新网络分配矢量的值为CFP阶段的长度值，网络进入CFP阶段，中心处理单元获得信道的控制权。在随后的CFP阶段中，中心处理单元通过轮询调度各用户节点进行数据的收发，用户节点仅在接收到轮询时可占用信道发送数据，否则保持静默。CFP阶段以中心处理单元发送CF-END帧结束，随后进入CP阶段；在CP阶段所有的用户节点平等地竞争信道，只有用户节点发送数据包，而中心处理单元在此阶段仅回复ACK帧。

图3(b)为本发明提供MAC协议的改进部分的交互过程。首先两个BSS内的中心处理单元(H-BSS内中心处理单元与L-BSS内中心处理单元)同时发送Beacon帧，标志着一个超帧周期的开始。随后两个中心处理单元分别发送CF-POLL帧对非边缘节点及冲突节点进行轮询，两个节点在接收到轮询信息后分别向中心处理单元发送数据帧D1及D2。此时由于非边缘节点数目较少，H-BSS开始了对边缘节点的轮询，发送CF-POLL+CF-ACK帧，其中CF-POLL部分的信息为对边缘节点进行轮询，而CF-ACK信息为针对D1的接收确认信息。此时L-BSS发出了CF-POLL+CF-ACK+Re信息，其中CF-POLL+Re信息预示着L-BSS内调整阶段的开始，由不冲突节点竞争发送上行数据包D5及D7。当H-BSS再次转向非边缘节点的轮询时，L-BSS在对D5及D7进行回复后重新进入整体的CFP阶段，直到中心处理单元发送预示CFP阶段结束的CF-END帧。上述描述中：CF-ACK表示无竞争周期的确认，CF-POLL表示无竞争周期轮询，CF-END表示无竞争周期结束。

在交互过程中主要会发生三种切换情况：

1)当H-BSS由轮询非边缘节点切换到轮询边缘节点时，L-BSS将发生工作模式切换。H-BSS轮询非边缘节点时，L-BSS可以依照传统的轮询方式轮询冲突节点及不冲突节点，每一次的轮询都会有中心处理单元及一个工作节点参与其中。当H-BSS的轮询列表即将进行到边缘节点区域时，中心处理单元内的H-BSS控制模块发送一个控制信息给L-BSS的控制模块，L-BSS将在下一次发送轮询信息时携带一个提醒信息Re，通知被标记为不冲突节点的工作节点准备进入CP阶段，并将自身等待回应信息的时限值修改到CFP阶段结束的位置。即在H-BSS轮询边缘节点的过程中，L-BSS中仅存在不冲突节点的竞争上行，中心处理单元将该时间段内收到的数据包都存入调整期缓存区，在边缘节点轮询结束后才对缓存包进行回复。

2)当H-BSS由轮询边缘节点切换到轮询非边缘节点时，L-BSS将发生工作模式切换。H-BSS的轮询列表即将进行到边缘节点区域时，中心处理单元内的H-BSS控制模块发送一个控制信息给L-BSS的控制模块，L-BSS将在检测到信道空闲后发送下行ACK信息并携带一个Rem提醒信息，表示从现在开始是L-BSS中心处理单元向工作节点回复ACK帧的时间。工作节点在接收到Rem提醒信息后重新进入CFP阶段，在等待轮询的同时接收ACK帧。回复过程分为两种情况：回复期间处于CFP阶段内，则处理单元在回复完调整期缓存区的数据后继续发送轮询帧；调整缓存区内的数据未回复完毕即到了发送CF-END帧退出CFP阶段的时刻，则处理单元推迟CF-END帧的发送直到回复结束。

3)当H-BSS未完成边缘节点的轮询但L-BSS中预测到不冲突节点的流量密度较小，即未在合理时间内接收到足够多的包时，L-BSS的中心处理单元将恢复正常轮询，不再考虑边缘节点的吞吐量性能，而是以整个系统性能为重点。

附图4是本发明方法的在OPNET网络仿真软件中的测试结果。图4中(a)、(b)、(c)图分别表示固定CFPPeriod长度，改变CFPMaxDuration时，改进PCF与传统PCF的网络平均重传次数、边缘节点吞吐量、网络平均时延之间的差异，每幅图中的横轴均表示CFPMaxDuration与CFPPeriod的比值。每个节点都在OPNET中按照本发明提供的方法进行了建模。从三个测试结果图可以看出：相比传统的PCF功能，在DAS中应用本发明提供的方法后，处于两个不同RAU覆盖范围内的重叠区域内节点的吞吐量性能能够得到提升，全网的重传性能也能够得到较大程度的优化，但是这样的提升是以较轻程度地牺牲系统时延性能为代价的。这种牺牲是值得的，并且在不满足低优先级网络中存在不冲突节点的情况下，改进PCF会转变成传统的PCF，不会因此而损失过多低优先级BSS的性能。实验结果表明，本发明中将不同BSS内竞争阶段与部分节点免竞争阶段合理复用的方法，在较低程度地牺牲时延性能的情况下，能够有效地降低系统总体的重传性能，并提升边缘节点的吞吐量。

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、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于IEEE 802.11的分布式天线系统MAC协议改进方法，在点协调功能PCF机制下，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：建立网络拓扑结构图；

第二步：划分基本服务集(基本服务集，简称BSS)的优先级和节点类型，具体过程为：

BSS的优先级分为高低两种，根据连接到同一中心处理单元的各RAU的相对位置进行确定；首先设置某一RAU所覆盖的BSS优先级为高，记为高优先级BSS，则与其地理位置相邻的RAU覆盖的BSS优先级为低，记为低优先级BSS；所有BSS将以高、低一对为单位进行处理，如果BSS总数为单数，则单独剩余的一个BSS不进行优化；

BSS内的节点类型根据网络拓扑结构进行确定，具体为：高优先级BSS的内部节点划分为边缘节点及非边缘节点；高优先级BSS中处于重叠区域的节点为边缘节点，其余节点为非边缘节点；

低优先级BSS的内部节点划分为不冲突节点及冲突节点；

将处于边缘节点通信范围内的节点标记为冲突节点，其余节点标记为不冲突节点；

第三步：根据网络拓扑结构图建立轮询列表，并标记轮询列表中的各节点，高优先级BSS根据轮询列表进行常规轮询；

第四步：低优先级BSS根据高优先级BSS的轮询过程调整自己的轮询过程；具体为：当高优先级BSS轮询边缘节点时，低优先级BSS将引入不冲突节点NC-Node的仅有上行的CP阶段；当高优先级BSS轮询非边缘节点时，低优先级BSS将轮询冲突节点；当网络中没有与边缘节点B-Node进行时间复用的不冲突节点NC-Node时，低优先级BSS将进行常规的轮询。