CN108809905A

CN108809905A - 一种多接口协作的高吞吐多信道mac协议

Info

Publication number: CN108809905A
Application number: CN201710303924.2A
Authority: CN
Inventors: 邓清勇; 秦井霞; 裴延睿; 邓亚风; 李哲涛; 曹家盛
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明提出一种多接口协作的高吞吐多信道MAC协议。首先在多接口节点模型中增加虚拟MAC层，并在MAC层中设计新的握手机制和多信道分配方法，利用单接口的成功握手信息建立源‑目标节点之间所有接口同步传输的关系，以此来提高吞吐量和控制帧效率。

Description

一种多接口协作的高吞吐多信道MAC协议

技术领域

本发明主要涉及到无线通信领域，特别涉及到Ad-Hoc自组织网络的MAC协议。

背景技术

单接口单信道通信的链路容量已经难以满足无线Ad-Hoc网络中多媒体设备的高吞吐量需求，如IEEE 802.11协议。采用多接口多信道(MIMC)通信方式能大幅提高吞吐量和改善延时性能，是当前无线Ad-Hoc网络提高吞吐量的主要技术手段。传统的单接口单信道协议应用于多信道网络中会出现隐藏终端等问题。

通过增加同步机制可以有效解决多接口多信道网路的隐藏终端问题。在多接口通信中，接口的利用效率会影响网络的性能，通过单个接口为多个接口竞争信道，而完成一次成功的信道竞争仅能建立一对接口间的传输关系，其效率与单接口一致。因此，为了提高接口效率和网络吐吞量，本发明提出了一种适用于多接口多信道网络中的多接口协作MAC协议。

发明内容

本发明提出了一种高吞吐量的多接口协作MAC协议，包含多接口节点虚拟MAC层功能设计、握手机制设计和多信道分配三个部分。在多接口节点模型中增加虚拟MAC层，通过将各个接口的MAC层子队列统一移至虚拟MAC层后，依据长度最长优先原则在各接口均匀分配数据包，改善负载不均衡现象；在虚拟MAC层中设计新的握手机制：通过任意一个接口成功与目标节点握手即可建立该节点与目标节点所有接口的数据传输，提高控制帧握手效率；针对多信道网络提出一种基于组策略的信道分配方法，同时优先考虑源节点上一次成功传输的信道为决策信道，降低多信道网络中隐藏终端的影响。

本发明主要分为以下四个步骤：

步骤1、建立多接口节点模型，其特征描述的方法至少包括以下步骤：

1）每个网络节点拥有k个接口，且按编号排序，即nic1,nic2,…nick；

2）在普通网络节点模型的网络层与MAC层中间增加虚拟MAC层实现多接口和多信道的统一管理。

步骤2、在虚拟MAC层中实现包队列处理功能，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

1）在一个模型中将原属于该模型的各个接口的MAC队列统一移至虚拟MAC层合并为一个队列；

2）MAC队列分为多个MAC子队列，每个子队列中存储着对应不同的目标节点的数据包，不同流的负载情况对应不同的队列长度；

3）在MAC层竞争信道过程中优先考虑将队列长度最长的子队列所对应的节点作为目标节点，以达到缓解网络拥塞和网络层优先处理密集流的目的。

步骤3、在虚拟MAC层中实现多接口协作的握手机制，用一次握手来建立源节点与目标节点之间多个接口的传输关系，提高握手效率，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

1）各个接口按编号对应信道索引号的规则切换至预分配的默认信道，同时启动退避计时器开始竞争信道。当某个接口退避计时为0时，其它接口暂停退避计时；

2）节点选取最长MAC子队列对应的节点作为目标节点，并根据信道决策算法得到决策信道，开始发送附带有决策信道信息的RTS。若没有可用决策信道，则等待到至少有一个可用信道后再次开始竞争；

3）目标节点收到RTS后，当前接口在扫描信道SIFS空闲之后发送附有决策信道的CTS。此时，目标节点中的剩余接口暂停退避计时。在CTS发送完毕后，目标节点的所有接口切换至各自预定的决策信道，等待接收数据；

4）源节点接收到CTS后，各接口按式 (1)计算并设置数据超时计时器，在切换到各自的决策信道扫描SIFS后，每个接口发送一次数据。其它节点接收到CTS后，记录CTS中对应信道的NAV时间，在扫描当前信道持续DIFS空闲后继续退避计时；

5）目标节点成功接收到数据包的接口回复ACK，发送完ACK后各接口切换回对应的默认信道。没有成功接收数据包的接口会在数据超时计时器为0时再切换回默认信道，然后接口重新开始退避计时来竞争信道；

6）源节点在接收到ACK后，各个接口选取当前信道作为下次决策信道，然后切换回默认信道重新开始退避计时。若未能正确接收ACK，各个接口在数据超时计时器为0后再切换回默认信道并继续退避计时来竞争信道。

步骤4、在虚拟MAC层中实现基于组策略的多信道分配方法，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

1）将网络中节点感知到的可用信道划分为n/k组，若n/k不为整数，则剩余的信道划分为一组；

2）任意选择其中一组作为默认信道组，网络初始化阶段预设后，网络中所有节点均能利用它进行控制帧交换；将除默认信道组以外的信道组集合称为数据信道组，各节点利用它们进行数据包交换；

3）依据步骤3，当节点中某一个接口竞争到决策信道后，其它接口可以根据接口编号的关系选取到该决策信道所在的数据信道组中对应的信道。

与现有技术相比，本方法的优点在于：

1、增加虚拟MAC层的多接口节点模型，通过将各个接口的MAC层子队列统一移至虚拟MAC层后依据长度最长优先原则在各接口均匀分配数据包，缓解负载不均衡的现象。

2、在虚拟MAC层中设计了多接口协作的握手机制，提高了控制帧握手效率。

3、针对多信道网络，提出基于组策略的信道分配方法，同时优先考虑源节点上一次成功传输的信道为决策信道，降低多信道网络中隐藏终端的影响。

附图说明

图1是多接口多信道无线Ad hoc网络模型；

图2是基于MIC协议的通信模型；

图3是信道决策算法的流程图；

图4是吞吐量的比较图；

图5是延时比较图。

具体实施方式

本发明技术方案的具体步骤为：

步骤1、如图1所示，建立多接口多信道无线Ad hoc网络模型，其中，节点A、B、C、D、E、F均有3接口。整个网络中信道数目为12，分成4组，其中(1，2，3)为默认信道组，其它组为数据信道组。

步骤2、如图2所示，建立基于多接口协作的多信道MAC协议的通信模型，实现多接口节点的信道竞争和数据交换，节点接口分别为Nic1,Nic2和Nic3，节点接口的工作方式包括以下步骤：

1）网络中所有节点Nic1,Nic2和Nic3按信道协议规则切换至预分配的默认信道(1，2，3)，同时启动退避计时器开始竞争信道；

2）当节点A的Nic1接口退避计时为0，nic2和nic3接口暂停退避计时，选取最长MAC子队列对应的节点B作为目标节点，并根据信道决策算法得到决策信道，开始发送附带有决策信道信息的RTS。若没有可用决策信道，则等待到至少有一个可用信道后再次开始竞争；

3）节点B收到RTS后，当前接口在扫描信道SIFS空闲之后发送附有决策信道的CTS。此时，B中的Nic2和Nic3接口暂停退避计时。在CTS发送完毕后，B的所有接口切换至各自预定的决策信道，等待接收数据，同时依据式(1)计算并设置数据超时计时器。若节点B中Nic1、Nic2和Nic3接口同时应答或者发送RTS，则处理接口编号最小的接口。非目标节点收到RTS后，在NAV列表中记录RTS中决策信道信息；

4）节点A接收到CTS后，Nic1、Nic2和Nic3接口按式(1)计算并设置数据超时计时器，在切换到各自的决策信道扫描SIFS后，每个接口发送一次数据。其它节点接收到CTS后，记录CTS中对应信道的NAV时间，在扫描当前信道持续DIFS空闲后继续退避计时；

5）节点B成功接收到数据包的接口并回复ACK，发送完ACK后各接口切换回对应的默认信道。没有成功接收数据包的接口会在数据超时计时器为0时再切换回默认信道，然后接口重新开始退避计时来竞争信道；

6）节点A在接收到ACK后，各个接口选取当前信道作为下次决策信道，然后切换回默认信道重新开始退避计时。若未能正确接收ACK，各个接口在数据超时计时器为0后再切换回默认信道并继续退避计时来竞争信道。

步骤3、基于组策略的多信道分配方法，其流程图如图3所示，其特征在于所述的多信道分配方法至少还包括以下步骤：

1）节点A中Nic1接口根据信道决策算法竞争到决策信道后，Nic2和Nic3接口可以根据接口编号的关系选取到该决策信道所在的数据信道组中对应的信道。因为接口编号唯一且接口数目与信道组的信道数目一致，可确保每个接口选取到一一对应的信道，从而避免节点内各个接口间冲突；

2）信道决策算法：节点A随机选取信道组，优先考虑未被占用过的信道组，如果本组中信道数目小于接口数目，则按优先编号较大的接口分配信道，未分配信道的接口处于空闲状态；若所有信道组都被占用过，就选取空闲时间最长的信道组；

3）节点A成功发送数据之后，会一直采用当前信道组作为决策信道组；反之，则再次判断NAV列表重新选取信道组。

为了验证本发明的有效性，通过Omnet++仿真工具与其他文献的MIMC-SMAC和802.11协议进行了性能比较。仿真实验随机部署30个节点在200*200m的二维空间，且设定不同数目的流，每一个流的源节点和目标节点随机选取，每个流均为满载。假设网络中有14个信道，网络初始30秒为建立拓扑的时间，实验数据均取自第30秒至150秒区间。在不同协议下网络的吞吐量情况如图4所示，对比不同协议的吞吐量可知，本协议吞吐量比MIMC-SMAC提升了近一倍，并且远高于802.11。在不同协议下网络的平均时延量情况如图5所示，本协议设计的多接口同时竞争信道机制能有效缩短接口接入信道的时间，从而降低数据包传输平均延时。

Claims

1.在多接口节点模型的网络层与MAC层中间增加虚拟MAC层来实现多信道的统一管理，在虚拟MAC层中实现基于组策略的多信道分配方法，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

步骤1、在整个通信网络中划分信道组，分为默认信道组和数据信道组，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

步骤2、网络中节点采用基于组策略的信道决策算法选取空闲信道组，其特征在于所述的方法至少还应该包括以下步骤：

1）、节点随机选取一个数据信道组，优先考虑未被占用过的数据信道组，若本组中信道数目小于接口数目，则按优先编号较大的接口分配信道，未分配信道的接口则为空闲状态；若所有数据信道组都被占用过，则选取空闲时间最长的数据信道组；

2）、若节点无感知到空闲数据信道组，则选择默认信道组发送数据，但会影响协议性能；

3）、为了解决多信道网络的隐藏终端问题，若节点成功传输一个数据，则一直将当前信道组作为决策信道组；反之，则返回步骤1）重新选取信道组。

2.根据权利要求1所述的信道划分方法以及信道决策算法，在虚拟MAC层中增加包队列处理和接口协同功能，其特征在于所述方法至少包括以下步骤：

步骤1、在虚拟MAC层中实现包队列处理功能，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

1）在一个节点对应的码数据包中将原属于该模型的各个接口的MAC队列统一移至虚拟MAC层合并为一个队列；

3）在MAC层竞争信道过程中优先考虑将队列长度最长的子队列所对应的节点作为目标节点，以达到缓解网络拥塞和网络层优先处理密集流的目的；

步骤2、在虚拟MAC层中实现多接口协作的握手机制，用一次握手来建立源节点与目标节点之间多个接口的传输关系，提高握手效率，其特征在于所述的方法至少还包括以下步骤：

1）各个接口按编号对应信道索引号的规则切换至预分配的默认信道，同时启动退避计时器开始竞争信道，当某个接口退避计时为0时，其它接口暂停退避计时；

2）节点选取最长MAC子队列对应的节点作为目标节点，并根据信道决策算法得到决策信道，开始发送附带有决策信道信息的RTS，若没有可用决策信道，则等待到至少有一个可用信道后再次开始竞争；

3）目标节点收到RTS后，当前接口在扫描信道SIFS空闲之后发送附有决策信道的CTS，此时，目标节点中的剩余接口暂停退避计时，在CTS发送完毕后，目标节点的所有接口切换至各自预定的决策信道，等待接收数据；

4）源节点接收到CTS后，各接口按式计算并设置数据超时计时器，在切换到各自的决策信道扫描SIFS后，每个接口发送一次数据，其它节点接收到CTS后，记录CTS中对应信道的NAV时间，在扫描当前信道持续DIFS空闲后继续退避计时；

5）目标节点成功接收到数据包的接口回复ACK，发送完ACK后各接口切换回对应的默认信道；没有成功接收数据包的接口会在数据超时计时器为0时再切换回默认信道，然后接口重新开始退避计时来竞争信道；

6）源节点在接收到ACK后，各个接口选取当前信道作为下次决策信道，然后切换回默认信道重新开始退避计时，若未能正确接收ACK，各个接口在数据超时计时器为0后再切换回默认信道并继续退避计时来竞争信道；

7）、当节点中某一个接口竞争到决策信道后，其它接口可以根据接口编号的关系选取到该决策信道所在的数据信道组中对应的信道。