CN107040962A - 一种自适应无线信道协商方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应无线信道协商方法，源节点收到CTS帧后可以选择是否回复确认消息，也即能够自适应选择握手次数，有效减少了特定场景下的协商次数，降低了端到端的通信时延，降低了公共协商信道的负担。目标节点有数据需要发给源节点时，不需要再次竞争协商信道，有效降低了无线通信网络参与竞争信道的总次数，降低了公共协商信道上的冲突概率。此外，目标节点还可以根据自身获取的数据信道信息对数据信道进行选择，这样能更合理的选择数据信道，降低数据信道上的冲突概率，提高无线通信网络的吞吐量。

Description

一种自适应无线信道协商方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种自适应无线信道协商方法。
背景技术
无线自组织网络是一种无中心，自组织的无线通信网络，相比较传统的无线通信网络，具有可快速组网、对基础设施要求低和抗毁灭性强的特征，被广泛应用于军事通信、救援抗灾、智能交通等领域。
类似于TCP/IP协议栈的OSI模型，无线自组织网络的底层协议栈也可以分为物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)和网络层(NET)，其中MAC层负责接入控制及无线资源分配。MAC层的协议会直接影响着网络的时延、吞吐量、信道利用率等性能指标，因此选择合适的无线信道资源分配方法对网络的整体性能至关重要。
无线通信网络的介质访问控制(MAC)协议主要解决节点的接入控制和无线资源分配两个问题，而解决这两个问题都需要通信双发节点通过协商机制来实现。因而，选择一种高效合理的协商方法对无线通信网络来说非常重要。
IEEE 802.11协议中的协商过程采用RTS/CTS的两次握手机制。在这种机制中，源通信节点在进行数据发送前首先发送RTS帧申请占用无线信道资源，目标通信节点在收到RTS帧后，回复一个CTS帧来确认源通信节点的RTS请求。在RTS/CTS帧中，包含了NAV信息，源通信节点及目标通信节点的邻居节点在接收到RTS/CTS帧后，会在NAV信息中指定的数据信道上，指定的时间段内保持静默以避免冲突。这种RTS/CTS两次握手机制可以在一定程度上解决无线自组织网络中的隐藏终端问题，缺点是无线通信节点每次发送数据前都需进行协商，从而每次都需要去监听并竞争无线信道，通信效率不高。特别是对于目标通信节点在收到源通信节点的RTS帧后恰好也有数据要发送给源通信节点的场景，目标通信节点也需要再重新发起一次协商过程。
针对IEEE 802.11协议的RTS/CTS两次握手机制，现有文献提出来一些改进技术，例如RTS/CTS/BCTS的三次握手机制。在这种机制中前两次握手过程同IEEE802.11协议类似，不同的是源通信节点的RTS帧中携带了一个可用信道列表，目标通信节点会基于此列表及自身获取到的时间信道相关信息确定一个选定的数据信道并通过CTS帧通信源通信节点及目标通信节点的邻居的节点。源通信节点在收到CTS帧后回复一个BCTS帧，用以通知其邻居节点选定的数据信道。这种RTS/CTS/BCTS的三次握手机制，相比IEEE 802.11协议的两次握手机制所做的改进是通过增加一次握手来改善数据信道选择的合理性，但无线通信节点每次发送数据前仍都需要重复这个三次握手的协商过程，所以也存在通信效率不高的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够自适应选择握手次数、有效提高通信效率的自适应无线信道协商方法。
技术方案：本发明所述的自适应无线信道协商方法，包括以下步骤：
S1：发送数据前，源节点在竞争得到的协商信道上发送RTS帧给目标节点，RTS帧中携带源节点待发送数据符号数以及候选数据信道列表；
S2：目标节点判断是否从候选数据信道列表中选择数据信道：如果是，则在协商信道上回复CTS帧，CTS帧中携带源节点待发送数据符号数和目标节点选定的数据信道；否则，则直接进行步骤S7；
S3：源节点收到CTS帧后，判断是否需要回复确认消息：如果需要回复，则进行步骤S4；否则，直接进行步骤S5；
S4：源节点回复确认消息，确认消息中携带源节点待发送数据符号数和目标节点选定的数据信道；
S5：源节点在选定的数据信道上将待发送的数据发送给目标节点；
S6：目标节点在选定的数据信道上回复消息给源节点；
S7：结束。
进一步，所述步骤S6中，目标节点判断自身是否需要发送数据给源节点：如果需要，则目标节点将待发送的数据和ACK信息一起组包并发送给源节点，否则，则直接将ACK信息发送给源节点。这样目标节点有数据需要发给源节点时，就不需要再次竞争协商信道，有效降低了无线通信网络参与竞争信道的总次数，降低了公共协商信道上的冲突概率。
进一步，步骤S6和步骤S7之间还包括步骤S6.5：源节点判断是否只收到了ACK信息：如果是，则直接进行步骤S7；否则，源节点回复ACK信息给目标节点，然后进行步骤S7。
进一步，所述步骤S1中的候选数据信道列表包括一个优选数据信道和多个备选数据信道。备选数据信道使得目标节点有选择的余地，目标节点可以根据自身获取的数据信道信息对数据信道进行选择，而不是非选优选数据信道不可，这样能更合理的选择数据信道，降低数据信道上的冲突概率，提供无线通信网络的吞吐量。
进一步，所述步骤S2中，目标节点通过以下方法判断是否从候选数据信道列表中选择数据信道：
S2.1：目标节点得出自己的候选数据信道列表，其中也包括一个优选数据信道和多个备选数据信道；
S2.2：如果目标节点的候选数据信道列表中与源节点的候选数据信道列表中没有相同的数据信道，则目标节点判定不从源节点的候选数据信道列表中选择数据信道；否则，进行步骤S2.3；
S2.3：判断相同的数据信道是否包括源节点的优选数据信道：如果是，则选择源节点的优选数据信道作为目标节点选定的数据信道；否则，随机选择一个数据信道作为目标节点选定的数据信道。
进一步，所述步骤S2中，CTS帧还携带目标节点是否有数据发送给源节点的标记以及目标节点待发送给源节点的数据符号数；所述步骤S4中，确认消息还携带目标节点是否有数据发送给源节点的标记以及目标节点待发送给源节点的数据符号数。
进一步，下列两个条件只要有一个条件满足，则源节点判定需要回复确认消息；如果两个条件都不满足，则源节点判定不需要回复确认消息，直接进行步骤S5：
(1)CTS帧中携带的选定的数据信道不是源节点候选数据信道列表中的优选数据信道；
(2)CTS帧中携带的目标节点是否有数据发送给源节点的标记显示目标节点有数据发送给源节点。
这样，源节点就可以根据这两个条件来判断是否需要回复确认消息，也即自适应选择是进行两次握手还是三次握手，能够有效降低协商次数、端到端的通信时延以及公共协商信道的负担。
进一步，所述步骤S4中，源节点在协商信道或者选定的数据信道上回复确认消息。
进一步，所述步骤S1中，源节点根据信道质量、信道负载、通信QoS传输特性来选择数据信道作为候选数据信道列表中的元素。
有益效果：本发明公开了一种自适应无线信道协商方法，源节点收到CTS帧后可以选择是否回复确认消息，也即能够自适应选择握手次数，有效减少了特定场景下的协商次数，降低了端到端的通信时延，降低了公共协商信道的负担。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的无线通信网络的拓扑图；
图2为本发明具体实施方式的无线通信节点的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种自适应无线信道协商方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1：发送数据前，源节点监听并竞争协商信道，在竞争得到的协商信道上发送RTS帧给目标节点，RTS帧中携带源节点待发送数据符号数以及候选数据信道列表Lsrc；候选数据信道列表Lsrc包括一个优选数据信道和多个备选数据信道，实际中由于资源有限，备选数据信道的个数最大值限定为7个；源节点根据信道质量、信道负载、通信QoS传输特性来选择数据信道作为候选数据信道列表Lsrc中的元素，如果选不出数据信道作为候选数据信道列表中的元素，即候选数据信道列表Lsrc为空，则直接进行步骤S7；
S2：目标节点判断是否从候选数据信道列表Lsrc中选择数据信道：如果是，则在协商信道上回复CTS帧，CTS帧中携带源节点待发送数据符号数、目标节点选定的数据信道、目标节点是否有数据发送给源节点的标记Fdata以及目标节点待发送给源节点的数据符号数；否则，则直接进行步骤S7；
S3：源节点收到CTS帧后，判断是否需要回复确认消息Confirm：如果需要回复，则进行步骤S4；否则，直接进行步骤S5；
S4：源节点在协商信道或者选定的数据信道上回复确认消息Confirm，确认消息Confirm中携带源节点待发送数据符号数、目标节点选定的数据信道、目标节点是否有数据发送给源节点的标记Fdata以及目标节点待发送给源节点的数据符号数；
S5：源节点在选定的数据信道上将待发送的数据发送给目标节点；
S6：目标节点在选定的数据信道上回复消息给源节点：目标节点判断Fdata是否为1：如果为1，也即目标节点自身需要发送数据给源节点，则目标节点将待发送的数据和ACK信息一起组包并发送给源节点；如果为0，则直接将ACK信息发送给源节点；
S6.5：源节点判断是否只收到了ACK信息：如果是，则直接进行步骤S7；如果除了ACK信息还收到了目标节点发来的数据，则源节点回复ACK信息给目标节点，然后进行步骤S7；
S7：结束。
步骤S2中，如果目标节点有数据要发送给源节点，则Fdata置为1；否则，Fdata置为0。
步骤S2中，目标节点通过以下方法判断是否从候选数据信道列表Lsrc中选择数据信道：
S2.1：目标节点得出自己的候选数据信道列表Ldst，其中也包括一个优选数据信道和多个备选数据信道，备选数据信道的个数最大值也限定为7个；
S2.2：如果目标节点的候选数据信道列表Ldst中与源节点的候选数据信道列表Lsrc中没有相同的数据信道，则目标节点判定不从源节点的候选数据信道列表Lsrc中选择数据信道；否则，进行步骤S2.3；
S2.3：判断相同的数据信道是否包括源节点的优选数据信道：如果是，则选择源节点的优选数据信道作为目标节点选定的数据信道；否则，随机选择一个数据信道作为目标节点选定的数据信道。
步骤S3中，源节点根据以下规则判断是否需要回复确认消息Confirm：下列两个条件只要有一个条件满足，则源节点判定需要回复确认消息Confirm；如果两个条件都不满足，则源节点判定不需要回复确认消息Confirm，直接进行步骤S5：
(1)CST帧中携带的选定的数据信道不是源节点候选数据信道列表Lsrc中的优选数据信道；
(2)CST帧中携带的目标节点是否有数据发送给源节点的标记Fdata＝1，也即表明目标节点有数据发送给源节点。
本具体实施方式中的“节点”是“无线通信节点”的简称，节点包括无线终端、无线中继和基站等无线通信设备，结构上可以是单发双收、双发双收和多发多收等多种形式。
下面以一个实际的无线通信网络为例，对本发明的技术方案作进一步的介绍。
图1是一个无线通信网络，其中有6个节点，分别是节点A、节点B、节点C、节点D、节点E和节点F。图1中相邻两个节点之间的连线表示这两个节点互为邻居节点。每个节点的结构都如图2所示，采用全向天线，可以向任意方向发送以及从任意方向接收无线信号。
下面对三次握手和两次握手各举一实施例进行说明。
实施例1：三次握手
假设某一时刻节点A有10个符号的数据要发给节点B，则按照以下步骤进行自适应无线信道协商：
S11：发送数据前，节点A监听并竞争协商信道，在竞争得到的协商信道上发送RTS帧给节点B申请无线资源，RTS帧中携带节点A待发送数据符号数11以及候选数据信道列表Lsrc；候选数据信道列表Lsrc包括一个优选数据信道fa和两个备选数据信道fb、fc。其中，节点A待发送数据符号数11包含了节点A本身要发送的数据符号数10和ACK信息的符号数1。
S21：节点B通过以下方法判断是否从候选数据信道列表Lsrc中选择数据信道：节点B得出自己的候选数据信道列表Ldst，其中包括一个优选数据信道fa和一个备选数据信道fd；由于节点B的候选数据信道列表Ldst中也包含了节点A的候选数据信道列表Lsrc中的优选数据信道fa，因此节点B判定将优选数据信道fa作为其选定的数据信道。此外，节点B此时有8个符号的数据要发送给节点A，因此Fdata置1。因此，节点B在协商信道上回复CTS帧，CTS帧中携带节点A待发送数据符号数11、节点B选定的数据信道fa、节点B是否有数据发送给节点A的标记Fdata以及节点B待发送给节点A的数据符号数9。其中，节点B待发送数据符号数9包含了节点B本身要发送的数据符号数8和ACK信息的符号数1。
S31：节点A收到CTS帧后，发现Fdata为1，则判定需要回复确认消息Confirm，然后进行步骤S41；
S41：节点A在协商信道或者选定的数据信道上回复确认消息Confirm，确认消息Confirm中携带节点A待发送数据符号数11、节点B选定的数据信道fa、节点B是否有数据发送给节点A的标记Fdata以及节点B待发送给节点A的数据符号数9；
S51：节点A在选定的数据信道fa上将待发送的数据发送给节点B；
S61：节点B在选定的数据信道fa上回复消息给节点A：节点B发现Fdata为1，因此将待发送的数据和ACK信息一起组包并发送给节点A；
S61.5：节点A发现除了ACK信息还收到了节点B发来的数据，因此节点A回复ACK信息给节点B，然后进行步骤S71；
S71：结束。
实施例2：两次握手
假设某一时刻节点C有20个符号的数据要发给节点D，则按照以下步骤进行自适应无线信道协商：
S12：发送数据前，节点C监听并竞争协商信道，在竞争得到的协商信道上发送RTS帧给节点D申请无线资源，RTS帧中携带节点C待发送数据符号数21以及候选数据信道列表Lsrc；候选数据信道列表Lsrc包括一个优选数据信道fd和一个备选数据信道fe。其中，节点C待发送数据符号数21包含了节点C本身要发送的数据符号数20和ACK信息的符号数1。
S22：节点D通过以下方法判断是否从候选数据信道列表Lsrc中选择数据信道：节点D得出自己的候选数据信道列表Ldst，其中包括一个优选数据信道fa和一个备选数据信道fd；由于节点C的候选数据信道列表Lsrc中的优选数据信道是fd，和节点D的候选数据信道列表Ldst中的备选数据信道相同，因此节点D判定将备选数据信道fd作为其选定的数据信道。此外，节点D此时没有数据要发送给节点C，因此Fdata置0。因此，节点D在协商信道上回复CTS帧，CTS帧中携带节点C待发送数据符号数21、节点D选定的数据信道fd以及节点D是否有数据发送给节点C的标记Fdata。
S32：节点C收到CTS帧后，发现Fdata为0，并且节点D选定的数据信道fd刚好是节点C候选数据信道列表Lsrc中的优选数据信道，则判定不需要回复确认消息Confirm，然后进行步骤S52；
S52：节点C在选定的数据信道fd上将待发送的数据发送给节点D；
S62：节点D在选定的数据信道fd上回复消息给节点C：节点D发现Fdata为0，因此只将ACK信息发送给节点C；
S72：结束。

Claims (9)

1.一种自适应无线信道协商方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：发送数据前，源节点在竞争得到的协商信道上发送RTS帧给目标节点，RTS帧中携带源节点待发送数据符号数以及候选数据信道列表；
S2：目标节点判断是否从候选数据信道列表中选择数据信道：如果是，则在协商信道上回复CTS帧，CTS帧中携带源节点待发送数据符号数和目标节点选定的数据信道；否则，则直接进行步骤S7；
S3：源节点收到CTS帧后，判断是否需要回复确认消息：如果需要回复，则进行步骤S4；否则，直接进行步骤S5；
S4：源节点回复确认消息，确认消息中携带源节点待发送数据符号数和目标节点选定的数据信道；
S5：源节点在选定的数据信道上将待发送的数据发送给目标节点；
S6：目标节点在选定的数据信道上回复消息给源节点；
S7：结束。
2.根据权利要求1所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：所述步骤S6中，目标节点判断自身是否需要发送数据给源节点：如果需要，则目标节点将待发送的数据和ACK信息一起组包并发送给源节点，否则，则直接将ACK信息发送给源节点。
3.根据权利要求2所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：步骤S6和步骤S7之间还包括步骤S6.5：源节点判断是否只收到了ACK信息：如果是，则直接进行步骤S7；否则，源节点回复ACK信息给目标节点，然后进行步骤S7。
4.根据权利要求1所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：所述步骤S1中的候选数据信道列表包括一个优选数据信道和多个备选数据信道。
5.根据权利要求4所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：所述步骤S2中，目标节点通过以下方法判断是否从候选数据信道列表中选择数据信道：
S2.1：目标节点得出自己的候选数据信道列表，其中也包括一个优选数据信道和多个备选数据信道；
S2.2：如果目标节点的候选数据信道列表中与源节点的候选数据信道列表中没有相同的数据信道，则目标节点判定不从源节点的候选数据信道列表中选择数据信道；否则，进行步骤S2.3；
S2.3：判断相同的数据信道是否包括源节点的优选数据信道：如果是，则选择源节点的优选数据信道作为目标节点选定的数据信道；否则，随机选择一个数据信道作为目标节点选定的数据信道。
6.根据权利要求1所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：所述步骤S2中，CTS帧还携带目标节点是否有数据发送给源节点的标记以及目标节点待发送给源节点的数据符号数；所述步骤S4中，确认消息还携带目标节点是否有数据发送给源节点的标记以及目标节点待发送给源节点的数据符号数。
7.根据权利要求6所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：下列两个条件只要有一个条件满足，则源节点判定需要回复确认消息；如果两个条件都不满足，则源节点判定不需要回复确认消息，直接进行步骤S5：
(1)CTS帧中携带的选定的数据信道不是源节点候选数据信道列表中的优选数据信道；
(2)CTS帧中携带的目标节点是否有数据发送给源节点的标记显示目标节点有数据发送给源节点。
8.根据权利要求1所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：所述步骤S4中，源节点在协商信道或者选定的数据信道上回复确认消息。
9.根据权利要求1所述的自适应无线信道协商方法，其特征在于：所述步骤S1中，源节点根据信道质量、信道负载、通信QoS传输特性来选择数据信道作为候选数据信道列表中的元素。
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