CN107666489A - 一种全双工无线网络中基于两阶段竞争的媒体接入控制协议的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络中基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法，提出基于两阶段竞争的TF‑MAC协议以优化全双工无线网络的吞吐量，此控制协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法两部分组成，不仅解决了全双工网络中的隐藏节点问题也减少了第一阶段传输和第二节点传输中的数据帧碰撞，同时适用于两节点对称全双工链路和三节点非对称全双工链路，通过三种类型竞争节点传输概率的选择，可以得到全双工无线网络的最优吞吐量，考虑级联的二维马尔科夫链模型以分析采用TF‑MAC协议的全双工无线网络的性能，得到全双工无线网络吞吐量的闭式表达式，仿真结果验证了所提出的TF‑MAC协议的有效性。

Description

一种全双工无线网络中基于两阶段竞争的媒体接入控制协议 的方法

技术领域

本发明属于无线网络通讯技术领域，具体涉及一种全双工无线网络中基于两阶段竞争的媒体接入控制协议的方法。

背景技术

全双工无线通信技术相较于半双工无线通信技术，有双倍频谱效率的潜能，可以使物理层速率提高一倍，因而得到了广泛的关注。全双工无线通信技术应用的一个关键挑战是如何抑制同一节点收发天线之间的自干扰，而目前自干扰消除技术的不断提高可以显著的减少全双工无线通信收发天线的自干扰。由于数据链路层亟需提高吞吐量，因此，全双工无线网络中，有效的全双工MAC协议是十分必要的。这些全双工MAC协议被分为两大类：集中式全双工MAC协议和分布式全双工MAC协议。对于集中式全双工传输场景，文献[Jain M,Choi J I, Kim T, et al, "Practical, real-time, full duplex wireless," inProceedings of the 17th annual international conference on Mobile computingand networking. ACM, 2011, pp. 301-312]提出了支持非对称数据通信的全双工MAC协议，此协议中的节点可以传输长度不同的数据帧，利用忙音解决隐藏终端问题。文献[TangA, Wang X, “A-duplex: Medium access control for efficient coexistence betweenfull-duplex and half-duplex communications,” in IEEE Transactions on WirelessCommunications, 2015, 14(10), pp.5871-5885]提出了一种非对称双工(A-Duplex) MAC协议以有效支持共存的半双工用户和全双工用户接入网络。此协议利用基于包队列的捕获效应建立非对称双链路以优化无线网络的吞吐量。文献[Choi W, Lim H, Sabharwal A,“Power-controlled medium access control protocol for full-duplex WiFinetworks,” in IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14(7),pp.3601-3613]提出了一种基于功率控制的MAC协议，用以协调上行链路和下行链路的数据传输。此协议采用短附加控制帧以选择接收端，并利用确认帧以完成全双工传输。对于分布式全双工传输场景，文献[Goyal S, Liu P, Gurbuz O, et al, “A distributed MACprotocol for full duplex radio, ” in Signals, Systems and Computers, 2013Asilomar Conference on IEEE, 2013, pp.788-792]考虑全双工第一阶段传输的干扰和信道竞争问题，提出了局域网的全双工MAC协议。文献[Zhou W, Srinivasan K, Sinha P,“RCTC: Rapid concurrent transmission coordination in full DuplexWirelessnetworks,” in Network Protocols (ICNP), 2013 21st IEEE InternationalConference on IEEE, 2013, pp.1-10]提出一种基于伪随机噪声序列的全双工MAC协议，此协议采用无线链路多模式操作可满足相邻节点之间的并发传输。

在无线网络传输中，由于碰撞问题会引起吞吐量的显著下降，如何解决此问题显得十分重要。在半双工无线网络中，碰撞避免系统采用握手机制和退避算法以解决信道竞争中的碰撞问题。而碰撞问题同样也存在于全双无线网络中，由于全双工通信允许同时同频进行数据的发送和接收，故而会产生两个传输阶段的传输碰撞问题。在文献[Cheng W,Zhang X, Zhang H, “RTS/FCTS mechanism based full-duplex MAC protocol forwireless networks,” in Globecom Workshops (GC Wkshps) IEEE, 2013, pp.5017-5022]中，通过竞争获取信道的节点在第一阶段传输时，会在相邻节点中选择一个节点作为第二阶段传输的节点。而被选定的节点根据第一阶段的传输开始它的数据传输。对于全双工MAC协议，不考虑第二阶段传输节点间的竞争，而由赢得第一阶段传输的节点指定其进行全双工传输的节点，这显然是不合理的。因此，设计一个考虑第一阶段和第二阶段传输竞争的全双工MAC协议是十分必要的。在实际传输中，所有的相邻节点都应该有机会竞争第二阶段传输的信道进行数据传输，这样可以实现节点间全双工传输的灵活性。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种全双工无线网络中基于两阶段竞争的媒体接入控制协议的方法，目的在于：由RTS/FCTS/CTS握手机制，显著减少RTS控制帧和FCTS控制帧的碰撞；全双工退避算法可以减少数据传输的碰撞概率并增加第二阶段传输的节点建立全双工链路的机会，增加全双工传输链路建立的传输概率，实现节点间全双工传输的灵活性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案：该无线网络中基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法，其特征在于：该接入控制协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法构成，RTS/FCTS/CTS握手机制显著减少RTS控制帧和FCTS控制帧的碰撞；所述算法可以减少数据传输的碰撞概率并增加第二阶段传输的节点建立全双工链路的机会；

所述 RTS/FCTS/CTS握手机制为五次握手过程的数据传输，同时适用于两节点全双工双向链路、三节点非对称全双工链路和半双工链路；对于两节点全双工双向链路，一旦节点A有数据需要传输给节点B，节点A首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，此时，节点A广播其RTS控制帧以竞争信道1，一旦节点B接收到来自节点A的RTS控制帧，节点B通过发送FCTS开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点A等待一段退避时间后再进行数据传输，当节点A成功接收到FCTS控制帧，并且节点的退避时间小于DIFS时间间隔，节点A等待SIFS时间间隔，并且发送CTS控制帧给节点B；然后，在一个SIFS时间间隔之后，节点A和节点B同时传输各自数据至节点B和节点A，数据传输的时长以节点A和节点B所需传输的数据帧帧长较长者为准；在一个SIFS时间间隔之后，节点A发送ACK确认帧给节点B，同时节点B发送ACK确认帧给节点A，两节点全双工双向链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被节点A接收，节点A接收到节点B的ACK确认帧，节点A等待一个SIFS时间间隔然后传输它的数据帧给节点B，一旦数据传输结束，节点B等待一个SIFS时间间隔并发送ACK确认帧给节点A，两点全双工双向链路退化为半双工模式；

对于三节点非对称全双工链路，节点C有数据需要传输给节点D，与此同时，节点D也有数据需要传送给节点E，节点C首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，则节点C广播其RTS控制帧以竞争信道1，当节点D成功的接收到来自节点C的RTS控制帧，节点D等待一个SIFS时间间隔，然后通过广播FCTS控制帧开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点C推迟它的数据传输；当节点D的退避时间小于DIFS时间间隔且节点C和节点E成功的接收到FCTS控制帧，则节点E等待SIFS时间间隔，然后发送CTS控制帧给节点D；在SIFS时间间隔后，节点C和节点D分别发送各自的数据给节点D和节点E；数据传输时长取节点C和节点D数据帧帧长的较大值；在一个SIFS时间间隔后，节点D和节点E分别发送各自的ACK确认帧给节点C和节点D；此时，三节点非对称全双工链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被接收，假设节点C接收到来自节点D的CTS控制帧节点C等待一个SIFS时间间隔后传输数据给节点D，一旦数据传输完成，节点D等待一个SIFS时间间隔之后发送ACK确认帧给节点C，三节点非对称全双工传输退化为半双工传输模式；全双工数据传输在信道竞争中有两个阶段，两阶段竞争由第一阶段传输的RTS竞争阶段和第二阶段传输的FCTS竞争组成，在RTS竞争阶段，有数据需要在第一阶段传输的节点通过发送RTS控制帧竞争信道1，这些节点被定义为RTS1节点，只有一个RTS1节点可以占据信道1，在FCTS竞争阶段，如果节点有数据发送给已占据信道1的RTS1节点，则这些节点发送FCTS控制帧或是RTS控制帧竞争信道1对应的全双工信道，节点中发送RTS控制帧的称为RTS2节点，发送FCTS控制帧的称为FCTS节点，在所有节点中，只有一个FCTS节点，如果碰撞发生在RTS竞争阶段，可以由FCTS控制帧反馈的缺失及早发现碰撞，在FCTS竞争阶段，可以由CTS控制帧反馈的缺失来发现FCTS竞争阶段的碰撞，在TF-MAC协议中，采用离散整数的时间退避尺度，退避时间的单位为时隙，记为，FCTS竞争阶段竞争节点的退避时间，记为，假定节点只有在每个时隙的开始才可以传输数据。

竞争节点的退避算法：初始竞争窗口大小记为，竞争窗口大小由一个底数为的指数函数表示，退避阶段的竞争窗口大小定义为，竞争节点处于退避阶段时，退避计数器数值大小在中等选择，每个值是等概率选择，每过一个时隙，退避计数器数值减一，一旦退避计数器的数值减小为0，竞争节点发送控制帧给目的节点，如果数据传输发生碰撞，数据传输退避阶段由转移至.如果数据传输成功，状态由退避阶段转移至退避阶段0. 表示退避阶段的最大值，如果大于/小于1，每次数据传输失败，窗口大小乘以直到它等于最大/最小窗口值，若数据传输成功，的值均被重置为，基于竞争接节点传输碰撞的历史，初始窗口的大小及的取值可以动态调整，

全双工退避算法由一系列退避竞争窗口大小表示：

的大小取决于竞争节点的初始窗口，最大的退避阶段及的取值；

竞争节点的退避时间记为是一个服从均匀分布的随机整数，的取值范围为，

。

吞吐量分析

为估计TF-MAC协议的性能，由不同退避策略得到竞争节点在第一传输阶段和第二传输阶段不同竞争节点的数据传输概率，分析了全双工网络的饱和吞吐量。

1 数据传输概率

为了适应全双工网络数据传输，提出级联的二维马尔科夫链以分析全双工饱和吞吐量。竞争节点的退避过程用二维马尔科夫链进行建模。不同于Bianchi所提出的模型，对于全双工链路的建立，级联的二维马尔科夫链被用来刻画不同竞争阶段节点数据传输的退避、碰撞或是成功传输的行为。不论某一数据帧经历了多少次重传，当其进行每次传输尝试时，该数据帧与其他数据帧发生碰撞的概率始终独立，且保持恒定。取离散整数时间点和分别表示两个相邻时隙的起始时刻。表示竞争节点的退避计数器值，是一个离散时间随机过程。在每个时隙的起始时刻，退避计数器减1。表示竞争节点的退避阶段，由于竞争节点数据帧所经历的碰撞次数是随机的，故也是一个随机过程。对于竞争节点，二维随机过程可表示为一个时间离散的马尔科夫链。为表达方便，将简写为。

用图4的二维马尔科夫链表示竞争节点的状态转移。

竞争节点非空一步转移概率可以表示如下：

(1) 在每个时隙的开始，竞争节点的退避计数器的数值减1

(2) 竞争节点在退避阶段发送数据失败，则此节点状态转移至退避阶段，新的退避计数器的数值在中以等概率方式选出一个数值

(3) 退避阶段达到最大退避阶段m的竞争节点，即使数据传输失败，则此节点状态继续保持在阶段,新的退避计数器的数值在中以等概率方式选出一个数值

(4) 处于退避阶段的竞争节点在成功传输数据后，此节点状态转移至退避阶段0，新的退避计数器的数值在中以等概率方式选出一个数值

令为Markov链的稳态分布概率。对于可以写为

上式简化为：

通过采用所提出的全双工退避算法，可得为：

在随机选择的时隙，竞争节点的传输概率表示为

传输概率取决于初始窗口的大小和最大退避阶段的值。对固定的碰撞概率值，窗口值越大则传输的尝试次数越少。

竞争节点的平均退避窗口大小可以写为：

竞争节点的平均退避时间可以表示为：

和被用分别表示RTS1节点, RTS2节点和FCTS节点的：

其中，和分别表示RTS1节点，RTS2节点和FCTS节点的初始窗口；和分别表示RTS1节点，RTS2节点和FCTS节点的最大退避阶段。

RTS1节点, RTS2节点和FCTS节点在任意时隙的传输概率表示为和：

竞争节点在不同的传输阶段可以选择不同的全双工退避策略，得到不同的数据传输概率。为了达到系统的最优性能，采用自适应技术以调整初始竞争窗口大小，最大退避阶段，碰撞概率和函数的底数值以得到全双工网络的最大吞吐量。值得一提的是FCTS竞争阶段节点的接入能力对于全双工传输模式的建立是至关重要的。因此为了提升FCTS阶段节点的接入能力，采用不同的退避策略。对于三种竞争节点（RTS1节点, RTS2节点和FCTS节点），通过设置全双工算法的参数值，使它们有不同的传输概率。

2 全双工网络吞吐量

为了分析采用TF-MAC 协议全双工无线网络的饱和吞吐量，扩展了半双工网络的二维马尔科夫链模型。表示全双工无线网络中的全双工节点数，表示两节点全双工双向链路在所有链路中所占的比例。

在第一传输阶段和第二传输阶段，至少有一次传输的概率分别被定义为，可以表示为：

表示信道空闲的概率：；

表示两节点全双工双向链路成功建立的概率：

表示三节点非对称全双工链路成功建立的概率：

；

表示RTS阶段发生碰撞的概率：

表示两节点全双工双向链路FCTS阶段控制帧发生碰撞的概率：

；

表示三节点非对称全双工链路FCTS阶段控制帧发生碰撞的概率：

表示FCTS控制帧由于和退避时长过长未来得及发送的概率：

为保证全双工节点在FCTS竞争阶段可以成功的发送RTS控制帧或是FCTS控制帧,退避时长不能长于DIFS时间间隔 。如果，则节点在FCTS竞争阶段停止等待RTS帧或是FCTS帧的传输，并且立即发送CTS帧给源节点。否则，其它有数据需要传输的节点会认为信道是空闲的。因为，得到FCTS竞争阶段成功发送RTS控制帧或是FCTS控制帧平均退避时间，分别定义为：

分别表示信道空闲时长，全双工传输成功时长（包括两节点双向全双工链路和三节点非对称全双工链路），RTS竞争阶段产生碰撞时长，FCTS竞争阶段产生碰撞时长，表示一个时隙的时长。FCTS竞争阶段产生碰撞时，全双工传输退化为半双工传输。这意味着只有第一阶段的传输可以建立。表示半双工传输时长，它是由于，而由全双工传输退化而来。

其中，RTS，FCTS, H和ACK分别表示RTS控制帧长，FCTS控制帧长, 数据帧头长和ACK确认帧长。SIFS时间间隔和DIFS时间间隔的时长分别用SIFS 和 DIFS表示。FCTS竞争阶段的退避时长需满足表示第一阶段传输和第二阶段传输中数据帧较长者的帧长。是半双工传输的数据帧长。

对于确定网络规模的全双工网络，其吞吐量由全双工传输概率的大小确定。全双工网络归一化吞吐量由表示：

仿真结果

在此章节，用仿真实验来验证所提出的TF-MAC协议性能。考虑单信道全双工无线网络，网络中的所有节点有全双工能力，每个节点一直有有数据需要传输。所有节点有一个固定的数据帧头长和数据帧长度。全双工效率被设置为。为了使结果更具有普遍意义，假设全双工链路混合网络比例。系统参数设置如下表所示：

分析全双工网络中三种不同的全双工传输情形：

情形1：RTS1节点在RTS竞争阶段和RTS2节点在FCTS竞争阶段有相同的传输概率。此传输概率和FCTS节点的传输概率是相互独立的

情形2：所有节点在RTS竞争阶段和FCTS竞争阶段有同样的传输概率

情形3：所有的节点在FCTS竞争阶段有相同的传输概率，和RTS1节点的传输概率相互独立

比较三种不同情形下的饱和全双工网络吞吐量和不同全双工退避策略的组合对不同网络规模的全双工网络最优吞吐量的影响。

图5 比较了采用TF-MAC协议的全双工网络吞吐量和采用传统的半双工MAC协议的半双工网络吞吐量。令。全双工网络的吞吐量和半双工网络的吞吐量均随的增加而减小。这是由于RTS竞争阶段的传输碰撞随的增加而增加。对于一个固定值的越大，全双工网络吞吐量越大。当时，得到全双工网络吞吐量的最大值。当网络节点数增加时，全双工网络的吞吐量减小。因此，对于不同网络规模的全双工网络，选择合适的可以得到其吞吐量的最优值。

对于全双工和半双工网络，传输概率对于吞吐量的影响在图6中可以看出。令，则全双工网络和半双工网络的吞吐量在10节点网络的时候减小的要比30节点网络减小的慢。这说明对于情形二的全双工网络，随着传输概率的增加，网络规模大小对系统吞吐量的影响会更大。

在图7中，比较了半双工网络和情形三的全双工网络在不同网络规模（10节点和20节点）下的的吞吐量。令，全双工网络的吞吐量和半双工网络的吞吐量随着的增加而减少。若不变，全双工网络的吞吐量随着的增加，先减小后增大。

结论

在本发明中，考虑级联的二维马尔科夫链模型以分析采用TF-MAC协议的全双工无线网络的性能。所提出的TF-MAC协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法组成。此协议不仅解决了全双工网络中的隐藏节点的问题也减少了第一阶段和第二节点传输中的碰撞。同时适用于两节点对称全双工链路和三节点非对称全双工链路。通过三种类型竞争节点传输概率的选择，可以得到全双工无线网络的最优吞吐量。仿真结果表明，所提出的TF-MAC协议优于传统的MAC协议。

附图说明

图1为全双工无线网络系统模型图；

图2为RTS/FCTS/CTS握手机制示意图；

图3为两阶段竞争机制流程图；

图4为二维马尔科夫链表示竞争节点的状态转移；

图5为采用TF-MAC协议的全双工网络吞吐量和采用传统的半双工MAC协议的半双工网络吞吐量的比较图；

图6全双工和半双工网络传输概率对于吞吐量的影响图；

图7半双工网络和全双工网络在不同网络规模（10节点和20节点）下的的吞吐量示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，有若干全双工无线网络，每个网络都包含N个全双工节点，且所有的全双工节点有同样的全双工效率η，每个全双工节点都配备一个发送天线和一个接收天线，可以实现同时同频的收发数据。信道1和信道1对应的全双工信道是同频的全双工信道。在全双工无线网络中存在两种全双工链路。如果全双无线传输发生在两个节点之间，称此链路为两节点无线全双工双向链路。如果第一个节点有数据要发送给第二个节点，而第二个节点同时有数据要发送给第三个节点，称此链路为三节点无线全双工非对称链路。在所有的全双工链路中均存在两种类型的全双工竞争：由两节点初始得竞争和三节点初始的竞争。对于由两节点初始竞争，在第一阶段数据传输中节点A竞争到信道1以传输数据给节点B，同时在第二阶段数据传输中节点B和其它N-2个节点竞争信道1的反向信道1对应的全双工信道以传输数据给节点A。对于由三节点初始的竞争，在第一阶段传输中节点C和其它N-1个节点竞争信道1以传输数据给节点D，同时节点D和其它N-3个节点竞争信道1对应的全双工信道以传输数据给目的节点E，实现第二阶段传输。节点D和其它N-3个节点的目的节点都是节点E。信道1和信道1对应的全双工信道的自干扰系数分别定义为SI和SI*。

该无线网络中基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法，其特征在于：该接入控制协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法构成，RTS/FCTS/CTS握手机制显著减少RTS控制帧和FCTS控制帧的碰撞；所述算法可以减少数据传输的碰撞概率并增加第二阶段传输的节点建立全双工链路的机会；

所述 RTS/FCTS/CTS握手机制为五次握手过程的数据传输，同时适用于两节点全双工双向链路、三节点非对称全双工链路和半双工链路；对于两节点全双工双向链路，一旦节点A有数据需要传输给节点B，节点A首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，此时，节点A广播其RTS控制帧以竞争信道1，一旦节点B接收到来自节点A的RTS控制帧，节点B通过发送FCTS开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点A等待一段退避时间后再进行数据传输，当节点A成功接收到FCTS控制帧，并且节点的退避时间小于DIFS时间间隔，节点A等待SIFS时间间隔，并且发送CTS控制帧给节点B；然后，在一个SIFS时间间隔之后，节点A和节点B同时传输各自数据至节点B和节点A，数据传输的时长以节点A和节点B所需传输的数据帧帧长较长者为准；在一个SIFS时间间隔之后，节点A发送ACK确认帧给节点B，同时节点B发送ACK确认帧给节点A，两节点全双工双向链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被节点A接收，节点A接收到节点B的ACK确认帧，节点A等待一个SIFS时间间隔然后传输它的数据帧给节点B，一旦数据传输结束，节点B等待一个SIFS时间间隔并发送ACK确认帧给节点A，两点全双工双向链路退化为半双工模式；

对于三节点非对称全双工链路，节点C有数据需要传输给节点D，与此同时，节点D也有数据需要传送给节点E，节点C首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，则节点C广播其RTS控制帧以竞争信道1，当节点D成功的接收到来自节点C的RTS控制帧，节点D等待一个SIFS时间间隔，然后通过广播FCTS控制帧开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点C推迟它的数据传输；当节点D的退避时间小于DIFS时间间隔且节点C和节点E成功的接收到FCTS控制帧，则节点E等待SIFS时间间隔，然后发送CTS控制帧给节点D；在SIFS时间间隔后，节点C和节点D分别发送各自的数据给节点D和节点E；数据传输时长取节点C和节点D数据帧帧长的较大值；在一个SIFS时间间隔后，节点D和节点E分别发送各自的ACK确认帧给节点C和节点D；此时，三节点非对称全双工链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被接收，假设节点C接收到来自节点D的CTS控制帧节点C等待一个SIFS时间间隔后传输数据给节点D，一旦数据传输完成，节点D等待一个SIFS时间间隔之后发送ACK确认帧给节点C，三节点非对称全双工传输退化为半双工传输模式；

全双工数据传输在信道竞争中有两个阶段，两阶段竞争由第一阶段传输的RTS竞争阶段和第二阶段传输的FCTS竞争组成，在RTS竞争阶段，有数据需要在第一阶段传输的节点通过发送RTS控制帧竞争信道1，这些节点被定义为RTS1节点，只有一个RTS1节点可以占据信道1，在FCTS竞争阶段，如果节点有数据发送给已占据信道1的RTS1节点，则这些节点发送FCTS控制帧或是RTS控制帧竞争信道1对应的全双工信道，节点中发送RTS控制帧的称为RTS2节点，发送FCTS控制帧的称为FCTS节点，在所有节点中，只有一个FCTS节点，如果碰撞发生在RTS竞争阶段，可以由FCTS控制帧反馈的缺失及早发现碰撞，在FCTS竞争阶段，可以由CTS控制帧反馈的缺失来发现FCTS竞争阶段的碰撞，在TF-MAC协议中，采用离散整数的时间退避尺度，退避时间的单位为时隙，记为，FCTS竞争阶段竞争节点的退避时间，记为，假定节点只有在每个时隙的开始才可以传输数据。

全双工退避算法

在传统的随机接入网络中，退避算法是一个重要的组成部分。全双工无线网络中采用全双工退避算法，可以减少RTS阶段竞争和FCTS阶段竞争的碰撞问题，有利于全双工传输链路的建立。

不同于传统的半双工数据传输，全双工数据传输在信道竞争问题上有两个阶段，因而需要考虑两阶段竞争的退避问题。为了对全双工信道竞争问题进行更好的说明，引入两阶段竞争机制流程图，如图3所示。

全双工数据传输在信道竞争中有两个阶段，两阶段竞争机制流程如下：

在第一阶段传输中，有数据需要发送的节点竞争信道1，信道1有三种状态：

1. 信道1空闲：在同一时隙，没有节点竞争信道1，信道1保持空闲；

2. 碰撞1：在同一时隙，多个节点竞争信道1，碰撞发生；

3. 成功1：在同一时隙，只有一个节点竞争信道1，此节点成功占据信道1；

信道1在成功1的状态下，第二传输阶段传输中，信道1对应的全双工信道有如下四种状态：

a) 信道1对应的全双工信道空闲：在一个DIFS时间间隔，没有节点在同一时隙竞争信道1对应的全双工信道，信道1对应的全双工信道保持空闲；

b) 碰撞2：在同一时隙有多个节点竞争信道1对应的全双工信道以传输数据，碰撞发生；

c) 等待超时：在同一时隙只有一个节点竞争信道以传输数据，但此节点的退避时间长于一个DIFS时间间隔；

d) 成功2：在同一时隙只有一个节点竞争信道以传输数据，全双工传输链路的建立。

在信道1空闲和碰撞1两种状态下，没有节点占据信道1，有数据需要传输的节点继续监听信道直到成功1状态出现，即有一个节点占据信道1，在信道1对应的全双工信道空闲，碰撞2和等待超时三种状态时，传输模式退化为半双工传输。

竞争节点的退避算法：初始竞争窗口大小记为，竞争窗口大小由一个底数为的指数函数表示，退避阶段的竞争窗口大小定义为W_i，竞争节点处于退避阶段时，退避计数器数值大小在中等选择，每个值是等概率选择，每过一个时隙，退避计数器数值减一，一旦退避计数器的数值减小为0，竞争节点发送控制帧给目的节点，如果数据传输发生碰撞，数据传输退避阶段由转移至.如果数据传输成功，状态由退避阶段转移至退避阶段0. 表示退避阶段的最大值，如果大于/小于1，每次数据传输失败，窗口大小乘以直到它等于最大/最小窗口值，若数据传输成功，的值均被重置为，基于竞争接节点传输碰撞的历史，初始窗口的大小及的取值可以动态调整，

全双工退避算法由一系列退避竞争窗口大小表示：

的大小取决于竞争节点的初始窗口，最大的退避阶段及的取值；

竞争节点的退避时间记为是一个服从均匀分布的随机整数，的取值范围为，

Claims (1)

1.一种无线网络中基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法，其特征在于：该接入控制协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法构成，RTS/FCTS/CTS握手机制显著减少RTS控制帧和FCTS控制帧的碰撞；所述算法可以减少数据传输的碰撞概率并增加第二阶段传输的节点建立全双工链路的机会；

所述 RTS/FCTS/CTS握手机制为五次握手过程的数据传输，同时适用于两节点全双工双向链路、三节点非对称全双工链路和半双工链路；对于两节点全双工双向链路，一旦节点A有数据需要传输给节点B，节点A首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，此时，节点A广播其RTS控制帧以竞争信道1，一旦节点B接收到来自节点A的RTS控制帧，节点B通过发送FCTS开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点A等待一段退避时间后再进行数据传输，当节点A成功接收到FCTS控制帧，并且节点的退避时间小于DIFS时间间隔，节点A等待SIFS时间间隔，并且发送CTS控制帧给节点B；然后，在一个SIFS时间间隔之后，节点A和节点B同时传输各自数据至节点B和节点A，数据传输的时长以节点A和节点B所需传输的数据帧帧长较长者为准；在一个SIFS时间间隔之后，节点A发送ACK确认帧给节点B，同时节点B发送ACK确认帧给节点A，两节点全双工双向链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被节点A接收，节点A接收到节点B的ACK确认帧，节点A等待一个SIFS时间间隔然后传输它的数据帧给节点B，一旦数据传输结束，节点B等待一个SIFS时间间隔并发送ACK确认帧给节点A，两点全双工双向链路退化为半双工模式；

对于三节点非对称全双工链路，节点C有数据需要传输给节点D，与此同时，节点D也有数据需要传送给节点E，节点C首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，则节点C广播其RTS控制帧以竞争信道1，当节点D成功的接收到来自节点C的RTS控制帧，节点D等待一个SIFS时间间隔，然后通过广播FCTS控制帧开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点C推迟它的数据传输；当节点D的退避时间小于DIFS时间间隔且节点C和节点E成功的接收到FCTS控制帧，则节点E等待SIFS时间间隔，然后发送CTS控制帧给节点D；在SIFS时间间隔后，节点C和节点D分别发送各自的数据给节点D和节点E；数据传输时长取节点C和节点D数据帧帧长的较大值；在一个SIFS时间间隔后，节点D和节点E分别发送各自的ACK确认帧给节点C和节点D；此时，三节点非对称全双工链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被接收，假设节点C接收到来自节点D的CTS控制帧节点C等待一个SIFS时间间隔后传输数据给节点D，一旦数据传输完成，节点D等待一个SIFS时间间隔之后发送ACK确认帧给节点C，三节点非对称全双工传输退化为半双工传输模式；

全双工数据传输在信道竞争中有两个阶段，两阶段竞争由第一阶段传输的RTS竞争阶段和第二阶段传输的FCTS竞争组成，在RTS竞争阶段，有数据需要在第一阶段传输的节点通过发送RTS控制帧竞争信道1，这些节点被定义为RTS1节点，只有一个RTS1节点可以占据信道1，在FCTS竞争阶段，如果节点有数据发送给已占据信道1的RTS1节点，则这些节点发送FCTS控制帧或是RTS控制帧竞争信道1对应的全双工信道，节点中发送RTS控制帧的称为RTS2节点，发送FCTS控制帧的称为FCTS节点，在所有节点中，只有一个FCTS节点，如果碰撞发生在RTS竞争阶段，可以由FCTS控制帧反馈的缺失及早发现碰撞，在FCTS竞争阶段，可以由CTS控制帧反馈的缺失来发现FCTS竞争阶段的碰撞，在TF-MAC协议中，采用离散整数的时间退避尺度，退避时间的单位为时隙，记为，FCTS竞争阶段竞争节点的退避时间，记为，假定节点只有在每个时隙的开始才可以传输数据；

竞争节点的退避算法：初始竞争窗口大小记为，竞争窗口大小由一个底数为的指数函数表示，退避阶段的竞争窗口大小定义为，竞争节点处于退避阶段时，退避计数器数值大小在中等选择，每个值是等概率选择，每过一个时隙，退避计数器数值减一，一旦退避计数器的数值减小为0，竞争节点发送控制帧给目的节点，如果数据传输发生碰撞，数据传输退避阶段由转移至.如果数据传输成功，状态由退避阶段转移至退避阶段0. 表示退避阶段的最大值，如果大于/小于1，每次数据传输失败，窗口大小乘以直到它等于最大/最小窗口值若数据传输成功，的值均被重置为，基于竞争接节点传输碰撞的历史，初始窗口的大小及的取值可以动态调整，

全双工退避算法由一系列退避竞争窗口大小表示：

的大小取决于竞争节点的初始窗口，最大的退避阶段及的取值；

竞争节点的退避时间记为是一个服从均匀分布的随机整数，的取值范围为，

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