CN107071925B - 一种csma/ca机制下的广播信道可靠传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，节点收到邻居节点发送的广播帧后，如果经过该邻居节点发送广播帧的周期门限之后仍未收到该邻居节点发送的新的广播帧，则向该邻居节点请求重传新的广播帧。本发明有效解决了广播帧丢失的问题，能够应对当网络容量变大、节点覆盖范围内邻居节点增多的情况下，广播帧丢失给网络快速收敛及路由更新工作带来的压力，尤其是在多信道自组网和Mesh网络中效果更为突出。

Description

一种CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别是涉及一种CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法。

背景技术

在无线通信网络中广播帧是相当重要的维护机制，可以让移动节点知道网络的存在，获取所加入网络的基本参数，向邻居节点广播自己的信息。

在CSMA/CA机制下，当一个节点要发送广播帧的时候，先对信道进行忙闲监听，如果侦听到信道是闲的，然后等待一段时间，如果在这个时间段里，侦听到信道是空闲的话，则从事先规定的一个时间窗口里随机选择一个时间片继续侦听信道的忙闲，如果在这个时间片里，信道一直是空闲的，那么就发送广播帧；如果信道是忙，也就是信道被占用，则利用退避算法，如：二进制指数退避算法，等到退避时间到了，再进行信道监测，重复上述过程，直到信道空闲，开始发送要传输的信息。

而在这个过程中，并没有给出广播帧发生碰撞和丢失后的解决方法。广播帧的发送过程没有RTS/CTS的握手机制，在传输广播帧的时候，会发生如下的几种情况：一是隐藏终端的问题，一个节点会同时收到来自其它节点发送过来的广播帧，导致广播帧的冲突；二是在多信道模式下，一个节点在控制信道上给它的邻居节点发送广播帧，而它的邻居节点可能在数据信道上发送数据帧，由于收发信道不在一个频点上，会导致广播帧的丢失。

上述这些状况会在CSMA/CA机制下发生，但是该机制没有给出解决问题的方法。因此提出CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，可以快速可靠的维护无线通信网络。尤其是在无线自组织和Mesh网络中，由于网络容量变大、节点覆盖范围内邻居节点数增多、拓扑结构变化导致的广播帧丢失时，也能使网络快速收敛和及时更新路由。

现有技术中的广播帧发送采用CSMA/CA机制，在多信道的情况下，1)预先设定N个互不重叠的信道；2)每个节点保持对N个信道的监控；3)在节点准备广播一个信息帧时，检查空闲信道列表；4)对为空的信道进行监听，等待一个长度至少为一个帧间间隔的时段，并检查在这个帧间间隔里RSS(接收信号强度)是否一直低于ST(节点的侦听阈值)；5)在随机接入回退时段里的任一时刻点，检查RSS是否一直低于ST，也就是说在随机退避时间里信道要空闲；6)将使用过的信道标记为“最近一次使用过的信道”；7)如果这个最近一次使用过的信道是空闲的话，就选择在这个信道上发送信息，若这个信道忙，就随机选择一个空闲的信道发送广播帧。可见，用多信道的CSMA/CA机制来发送广播帧，虽然能降低广播帧丢失的概率，提高可靠性，但是这种做法，并没有彻底解决广播帧丢失的问题，只是降低冲突的概率，而对广播帧丢失的问题，并没有给出解决办法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效解决广播帧丢失问题的CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法。

技术方案：本发明所述的CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，节点收到邻居节点发送的广播帧后，如果经过该邻居节点发送广播帧的周期门限之后仍未收到该邻居节点发送的新的广播帧，则向该邻居节点请求重传新的广播帧。

进一步，节点收到邻居节点发送的广播帧后，启动计时器，如果收到了该邻居节点发送的新的广播帧则计时器重置并开始下一次计时，如果计时器的计时达到了该邻居节点发送广播帧的周期门限却仍未收到新的广播帧，则向该邻居节点请求重传新的广播帧。

进一步，所述该邻居节点发送广播帧的周期门限按照式(1)计算：

N＝T+t+Δt (1)

式(1)中，N为周期门限，T为广播帧发送周期，t为该邻居节点的单跳单向空口传输时延，Δt为抖动时延。

进一步，所述抖动时延包括处理时延、信道切换时延以及天线收发切换时延。

进一步，向该邻居节点请求重传新的广播帧的过程为：节点向该邻居节点发送BREQ帧，然后等待该邻居节点重传新的广播帧，如果在预设的等待周期内收到了新的广播帧，则结束请求重传过程；如果等待时间超过预设的等待周期仍未收到新的广播帧，则判定该邻居节点与本节点不在同一个网络中，更改邻居信息表，删除该邻居节点，并向其他邻居节点广播信息。

进一步，如果节点需要发送数据给该邻居节点，则将BREQ帧连同数据信息一起在数据信道上发送给该邻居节点。

进一步，所述BREQ帧包括子帧类型字段、源节点ID字段和目的节点ID字段。

有益效果：本发明公开了一种CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，有效解决了广播帧丢失的问题，能够应对当网络容量变大、节点覆盖范围内邻居节点增多的情况下，广播帧丢失给网络快速收敛及路由更新工作带来的压力，尤其是在多信道自组网和Mesh网络中效果更为突出。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的自组网的拓扑结构图；

图2为本发明具体实施方式的广播帧发送、广播帧丢帧检测以及广播帧重传协商的过程示意图；

图3为本发明具体实施方式的广播帧发送的流程图；

图4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CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，节点收到邻居节点发送的广播帧后，启动计时器，如果收到了该邻居节点发送的新的广播帧则计时器重置并开始下一次计时，如果计时器的计时达到了该邻居节点发送广播帧的周期门限却仍未收到新的广播帧，则向该邻居节点请求重传新的广播帧。

该邻居节点发送广播帧的周期门限按照式(1)计算：

N＝T+t+Δt (1)

式(1)中，N为周期门限，T为广播帧发送周期，t为该邻居节点的单跳单向空口传输时延，Δt为抖动时延。抖动时延包括处理时延、信道切换时延以及天线收发切换时延。

向该邻居节点请求重传新的广播帧的过程为：节点向该邻居节点发送BREQ帧，然后等待该邻居节点重传新的广播帧，如果在预设的等待周期内收到了新的广播帧，则结束请求重传过程；如果等待时间超过预设的等待周期仍未收到新的广播帧，则判定该邻居节点与本节点不在同一个网络中，更改邻居信息表，删除该邻居节点，并向其他邻居节点广播信息。BREQ帧包括子帧类型字段、源节点ID字段和目的节点ID字段。如果丢失的是多个邻居节点的广播帧，那BREQ帧中的目的节点ID字段就用组播地址替代。如果节点请求重传的时候需要发送数据给该邻居节点，还可以将BREQ帧连同数据信息一起在数据信道上发送给该邻居节点。等待周期的长度可以是多个广播周期的长度之和。

BREQ帧发送信道的选择可以遵从以下原则：对于单播的BREQ帧，选择在空闲的数据信道Fd上发送；如果节点与接收BREQ帧的邻居节点存在数据业务的往来，则可以在两者建立的Fd信道上同时发送BREQ帧和数据信息；如果丢失了多个邻居节点的广播帧，则在控制信道Fc上组播发送BREQ帧。

邻居节点发送广播帧是指邻居节点在上电后通过帧发送起点随机算法选择广播帧发送起点时刻，并以固定周期T周期性的在控制信道Fc上发送广播帧的过程。帧发送起点随机算法，是指在一个规定的时间窗里随机选择一个值，然后将这个时间值和节点ID号进行逻辑运算，得到上电后发起广播帧的起始时间点。

控制信道Fc是指专用来发送广播帧和协商信息的信道。该信道的确定规则可以是节点上电后选用默认配置的信道，也可以是节点上电后经由信道协商出来的。这个控制信道Fc是可以根据信道质量进行动态协商的，但是全网共享一个控制信道，并且广播帧在控制信道上发送。

本具体实施方式中的节点是“网络节点设备”的简称，节点的无线信号覆盖范围内能够互相通信的其他节点称为此节点的相邻节点，节点可以是终端设备、中继设备或基站设备。无线通信网络是一个无中心、分布式的移动网络，网络里的节点与同一个网络里的其他节点是可以互相通信的，支持任意节点的增加和退出。多信道CSMA/CA机制，是指交互信息的发送过程是遵循CSMA/CA的，也就是说开始的时候要先侦查信道的忙闲，等到信道空闲的时候，发送消息；若信道是忙的，则选择退避时间，侦听信道，直到信道空闲下来，有发送消息的资格。

下面以一个实施例对本发明技术方案作进一步的介绍。

本实施例中的无线通信网络如图1所示，网络中存在多个节点，每个节点具有两个通道，一个通道用于接收信号；另一个通道既可以用于发送信号，也可以用于接收信号，但是收发不能同时进行。

下面以节点B作为广播帧的发送节点，节点A作为广播帧的接收节点，节点C作为节点A发送数据的接收节点为例详细说明。

如图2所示，节点A接收到节点B发来的广播帧后，解析广播帧得到B节点的ID号和广播帧发送周期T等信息。然后根据式(1)计算得到节点B发送广播帧的周期门限N，并启动计时器，开始计时。当节点B向节点A发送下一帧广播帧时，节点A正在向节点C发送数据帧，由于节点A在发送信息的时候无法接收信息，所以节点B发送给节点A的下一帧广播帧就接收不到。当节点A针对节点B的计时器达到周期门限N时，节点A向节点B发送BREQ帧，等待节点B重传下一帧广播帧，如果在预设的等待周期内收到了下一帧广播帧，则结束请求重传过程；如果等待时间超过预设的等待周期仍未收到下一帧广播帧，则判定节点B与本节点不在同一个网络中，更改邻居信息表，删除节点B，并向其他邻居节点广播信息。如果节点A请求重传的时候需要发送数据给节点B，还可以将BREQ帧连同数据信息一起发送给节点B。

图3为节点B发送广播帧的过程，当节点B上电后，采用帧发送起点随机算法，为节点B选择广播帧的发起时间点，以广播周期T为间隔周期性地发送广播帧。其中，帧发送起点随机算法是在一个规定的时间窗W里随机选择一个值t，然后将这个时间值t和节点ID号进行逻辑运算，得到上电后发起广播帧的起始时间点。

下面以节点B、C、D、E、F、G作为广播帧的发送节点，节点A作为广播帧的接收节点为例详细说明。

如图4所示，节点A接收到邻居节点B、C、D、E、F、G发来的广播帧后，解析这些广播帧，得到各个邻居节点的ID号，节点A根据邻居节点的ID号在相应邻居节点的信息表里记录下收到广播帧的时刻，然后根据式(1)计算得到各邻居节点发送广播帧的周期门限N，并启动各个计时器，开始计时。如果各个计时器均未达到周期门限N，节点A就已收到了各个邻居节点的广播帧，则无需启动重传机制。如果针对节点E的计时器已达到周期门限N，而节点A仍未收到节点E发来的下一帧广播帧，则节点A向节点E发送BREQ帧，等待节点E重传下一帧广播帧，如果在预设的等待周期内收到了下一帧广播帧，则结束请求重传过程；如果等待时间超过预设的等待周期仍未收到下一帧广播帧，则判定节点E与本节点不在同一个网络中，更改邻居信息表，删除节点E，并向其他邻居节点广播信息。如果针对节点B、C和D的计时器均已达到各自的周期门限N，而节点A仍未收到节点B、C和D发来的下一帧广播帧，则节点A在控制信道上向节点B、C和D组播BREQ帧，等待节点B、C和D重传下一帧广播帧，如果在预设的等待周期内收到了下一帧广播帧，则结束请求重传过程；如果等待时间超过预设的等待周期仍未收到一个或多个节点的下一帧广播帧，则判定相应节点与本节点不在同一个网络中，更改邻居信息表，删除相应节点，并向其他邻居节点广播信息。

Claims (5)

1.一种CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，其特征在于：节点收到邻居节点发送的广播帧后，如果经过该邻居节点发送广播帧的周期门限之后仍未收到该邻居节点发送的新的广播帧，则向该邻居节点请求重传新的广播帧；

向该邻居节点请求重传新的广播帧的过程为：节点向该邻居节点发送BREQ帧，然后等待该邻居节点重传新的广播帧，如果在预设的等待周期内收到了新的广播帧，则结束请求重传过程；如果等待时间超过预设的等待周期仍未收到新的广播帧，则判定该邻居节点与本节点不在同一个网络中，更改邻居信息表，删除该邻居节点，并向其他邻居节点广播信息；

BREQ帧发送信道的选择遵从以下原则：对于单播的BREQ帧，选择在空闲的数据信道Fd上发送；如果节点与接收BREQ帧的邻居节点存在数据业务的往来，则在两者建立的Fd信道上同时发送BREQ帧和数据信息；如果丢失了多个邻居节点的广播帧，则在控制信道Fc上组播发送BREQ帧。

2.根据权利要求1所述的CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，其特征在于：节点收到邻居节点发送的广播帧后，启动计时器，如果收到了该邻居节点发送的新的广播帧则计时器重置并开始下一次计时，如果计时器的计时达到了该邻居节点发送广播帧的周期门限却仍未收到新的广播帧，则向该邻居节点请求重传新的广播帧。

3.根据权利要求1所述的CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，其特征在于：所述该邻居节点发送广播帧的周期门限按照式(1)计算：

N＝T+t+Δt (1)

式(1)中，N为周期门限，T为广播帧发送周期，t为该邻居节点的单跳单向空口传输时延，Δt为抖动时延。

4.根据权利要求3所述的CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，其特征在于：所述抖动时延包括处理时延、信道切换时延以及天线收发切换时延。

5.根据权利要求1所述的CSMA/CA机制下的广播信道可靠传输方法，其特征在于：所述BREQ帧包括子帧类型字段、源节点ID字段和目的节点ID字段。