CN109246789A - 一种基于辅助节点的多跳无线自组织网络mac层协议 - Google Patents

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杨欣
谢坚
张兆林
粟嘉
刘峰
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Abstract

本发明提供了一种基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议，发送节点分配自身节点时隙，包括控制时隙和传输时隙；以发送节点和目的节点传输范围重合区域内的各个节点作为备选辅助节点；在备选辅助节点中依次选择传输序列为空的默认中继节点、传输序列为空的其他节点或传输序列最短的节点作为辅助节点进行中继传输，直至传输成功。本发明能够在维持网络稳定性的基础上，降低传输延迟，提高网络吞吐量和传输效率。

Description

一种基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议
技术领域
本发明涉及一种无线网络的MAC层协议。
背景技术
无线自组织网络是移动无线通信中一项关键的技术，与传统的无线通信技术不同，无线自组织网络的数据传输、用户服务控制等不需要固定的网络设备(如基站)的支持，而是以各个用户终端为节点，自行组网并进行数据传输和用户服务控制。无线自组织网络突破了传统无线蜂窝网络的局限性和低应变性，具有便捷、快速部署、应急能力强等优点。但是，正是因为无线自组织网络是由许多不依靠固定网络设备的节点组成的，导致信息传输过程中的信息碰撞、损耗严重。特别是无线自组织网络中的节点的传输距离有限，在极大多数情况下，发送节点与接收节点无法直接进行数据传输，需要利用中继节点进行多跳传输。而数据链路层之中的MAC(Media Access Control)子层是控制信息接入、减少传输碰撞的关键，所以研究无线自组织网络的MAC层协议迫在眉睫。
目前常用的MAC层无线网络协议主要分为竞争类、分配类和混合类三种。
竞争类MAC协议：各节点以竞争的方式来获取信道的接入权，具有适应突发业务的特点，但是存在着时延大、效率低、不稳定以及吞吐量较低等缺点。
分配类MAC协议：各节点具有固定分配的专用信道资源，公平性好，但是在负载较小的情况下时延大，浪费网络资源，并且拓展性能较差。
混合类MAC协议：该类协议结合了两种或者两种以上的MAC协议，具有所结合协议的各个优点，但是适用范围局限性较大。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种针对极大多数无线自组织网络中的节点间传输信息并不是只用一跳就能完成的情况，本发明提出了一种基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议(命名为ANTDMA协议)，能够在维持网络稳定性的基础上，降低传输延迟，提高网络吞吐量和传输效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)发送节点初始化设置，并分配自身节点时隙，包括控制时隙和传输时隙；
(2)在控制时隙，发送节点向传输范围内所有节点发送带有自身接口频率值的消息，并且询问对方节点的传输序列是否为空；所有接收到信息的节点向发送节点回复信息，包括其自身接口的频率、传输序列状态以及距目的节点的距离；以发送节点和目的节点传输范围重合区域内的各个节点作为备选辅助节点，其中包括默认中继节点；
(3)在传输时隙，若默认中继节点的传输序列为空，则使用默认中继节点传输信息；若默认中继节点传输序列不为空，则在备选辅助节点中选择一个传输序列为空的节点作为辅助节点，若备选辅助节点的传输序列都不为空，则选择一个传输序列最短的节点作为辅助节点代替默认中继节点进行中继传输；
(4)当辅助节点发送信息完毕时，向周围节点广播完毕信息，所有备选辅助节点将发送节点发送的信息删除，发送节点准备下一次信息传输；若发送节点与辅助节点之间的传输失败，则在备选辅助节点中选择另一个传输序列为空的节点作为辅助节点，若备选辅助节点的传输序列都不为空，则选择一个传输序列次短的节点对发送节点的数据进行接收，若成功传输，则广播通知，否则继续选择下一个辅助节点，直至传输成功。
所述的每个节点装备两个频率不同的接口，高频率接口用于发送信息，低频率接口用于接收信息；两个节点进行传输时，发送节点的发送接口将频率切换至接收节点的接收接口所在频率，信息由发送节点的发送接口发送至接收节点的接收接口；若发送节点和接收节点的接收接口处于同一频率，则由发送节点的接收接口直接发送至接收节点的接收接口。
所述的传输时隙，采用RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制进行数据传输。
对于多跳传输，将所述步骤(2)中的目的节点作为发送节点，循环执行步骤(2)至(4)，直至信息到达最终目的节点。
本发明的有益效果是：能够在维持网络稳定性的基础上，降低传输延迟，提高网络吞吐量和传输效率。图3、图4、图5所示为本发明中的协议(ANTDMA)与已存在的协议(DC-TDMA)的仿真实验性能对比。证明本协议在吞吐量、丢包率以及时延等重要性能方面优于已有协议，也改善了已有多跳无线自组织网络中MAC层协议在网络吞吐量、传输效率、及时性等方面的不足。
附图说明
图1是传输时隙架构图；
图2是协议实现情景图；
图3是本发明与其他协议的吞吐量仿真实验图；
图4是本发明与其他协议的丢包率仿真实验图；
图5是本发明与其他协议的时延仿真实验图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明应用场景是在移动无线自组织网络中，尤其是发送节点与接收节点不能通过单跳形式直接传输的情况。ANTDMA协议是基于RTS/CTS/DATA/ACK四步握手机制，每个节点装备两个频率不相同的接口，高频率接口用来发送数据，低频率接口用来接收数据。该协议具体包括以下步骤：
1、准备阶段：传输开始前，节点进行初始化以及进行时隙结构分配。
2、传输阶段：
(1)传输阶段接口频率选择：每个节点装备两个频率不同的接口，通常情况下，高频率接口用来发送，低频率接口用来接收。两个节点进行传输时，设定由发送节点的发送接口跳到接收节点的接收接口频率上。特殊情况下，若发送节点和接收节点的接收接口处于同一频率，则由发送节点的接收接口直接发送至接收节点，不用进行频率切换，从而节省了时间。
(2)控制时隙：在控制时隙，发送节点用其发送接口向传输范围内所有节点(包括其默认中继节点)发送带有自身两个接口频率值的消息，并且询问对方节点的传输序列是否为空。所有接收到其信息的节点向发送节点回复信息，包括其自身两个接口的频率、传输序列状态以及距目的节点的距离。
(3)传输时隙：以两跳传输为例，多跳传输循环该方法即可。传输信息时，选择RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制。若默认中继节点的传输序列为空，则使用默认中继节点传输。若默认中继节点传输序列不为空，则在发送节点和目的节点的共同传输范围内选择一个传输序列为空的节点作为辅助节点，若符合条件的所有节点都不为空，则选择一个传输序列最短，即等待时间最短的节点作为辅助节点代替默认中继节点进行中继传输。
3、完成阶段
当首选最优辅助节点发送信息完毕时，向周围节点以及发送节点广播完毕信息，所有备选辅助节点将发送节点发过来的信息从序列中删除，发送节点将准备下一次信息传输。若发送节点与首选最优辅助节点之间的传输失败，则不会向周围广播发送成功的信息，那么第二最优节点(即拟发送信息等待时间第二短的节点)将对发送节点的数据进行接收，若成功传输，则广播通知，否则继续选择下一个最优节点，直至传输成功。若需继续进行下一跳传输，重复以上步骤即可。
本发明的实施例提出一种基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议，每个节点的时隙架构如图1所示，分为控制时隙和传输时隙。以图2中的情景为例，具体介绍本协议的详细步骤。
步骤一：发送节点S初始化设置，并分配自身节点时隙。
步骤二：控制时隙阶段，发送节点S向其传输范围内所有节点发送消息，包括自身两个接口频率值，并且向各节点询问其传输序列的状态以及到第二跳目的节点N的距离。
步骤三：通过各节点反馈的距离信息，确定备选辅助节点群，图2中为两个圆形交汇区域内的所有节点。
步骤四：在辅助节点群中选择是否采用默认节点传输，或者采用最优辅助节点进行传输。本实施例中，如图2所示节，默认节点M已有非空传输序列，则选择节点A为最优节点，即传输序列等待时间最短的节点。
步骤五：由于在控制时隙，发送节点已经获得传输范围内所有节点的接口频率值，在数据传输前，发送节点将选择传输方法：若发送节点的接收接口频率与接收节点的接收接口频率一致，则直接用接收接口进行数据发送，否则，发送节点的发送接口将切换至接收节点的接收接口所在频率进行数据传输。
步骤六：在选择好发送方式之后，发送节点S与辅助节点A之间进行基于RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制的方法进行数据传输，将数据信息I发送至节点A。
步骤七：节点S与节点A之间的传输完毕后，节点A向周围备选辅助节点群节点广播发送成功的信息，所有节点将信息I从传输序列中删除。若节点S与节点A之间的传输失败，节点A没有广播发送成功的信息，则由第二最优节点继续进行传输，成功后广播发送成功的信息，若失败，继续以此类推，直至发送成功。
步骤八：图2所示，本应为发送节点通过默认中继节点M发送至第二跳目的节点N的顺序S-M-N，在本协议中变为了S-A-N传输。
步骤九：若该信息需要继续向节点D及以后更多节点传输，则重复以上步骤即可。
图3、图4、图5所示为本发明中的协议(ANTDMA)与已存在的协议(DC-TDMA)的仿真实验性能对比。证明本协议在吞吐量、丢包率以及时延等重要性能方面优于已有协议，也改善了已有多跳无线自组织网络中MAC层协议在网络吞吐量、传输效率、及时性等方面的不足。

Claims (4)

1.一种基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议，其特征在于包括下述步骤：
(1)发送节点初始化设置，并分配自身节点时隙，包括控制时隙和传输时隙；
(2)在控制时隙，发送节点向传输范围内所有节点发送带有自身接口频率值的消息，并且询问对方节点的传输序列是否为空；所有接收到信息的节点向发送节点回复信息，包括其自身接口的频率、传输序列状态以及距目的节点的距离；以发送节点和目的节点传输范围重合区域内的各个节点作为备选辅助节点，其中包括默认中继节点；
(3)在传输时隙，若默认中继节点的传输序列为空，则使用默认中继节点传输信息；若默认中继节点传输序列不为空，则在备选辅助节点中选择一个传输序列为空的节点作为辅助节点，若备选辅助节点的传输序列都不为空，则选择一个传输序列最短的节点作为辅助节点代替默认中继节点进行中继传输；
(4)当辅助节点发送信息完毕时，向周围节点广播完毕信息，所有备选辅助节点将发送节点发送的信息删除，发送节点准备下一次信息传输；若发送节点与辅助节点之间的传输失败，则在备选辅助节点中选择另一个传输序列为空的节点作为辅助节点，若备选辅助节点的传输序列都不为空，则选择一个传输序列次短的节点对发送节点的数据进行接收，若成功传输，则广播通知，否则继续选择下一个辅助节点，直至传输成功。
2.根据权利要求1所述的基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议，其特征在于：所述的每个节点装备两个频率不同的接口，高频率接口用于发送信息，低频率接口用于接收信息；两个节点进行传输时，发送节点的发送接口将频率切换至接收节点的接收接口所在频率，信息由发送节点的发送接口发送至接收节点的接收接口；若发送节点和接收节点的接收接口处于同一频率，则由发送节点的接收接口直接发送至接收节点的接收接口。
3.根据权利要求1所述的基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议，其特征在于：所述的传输时隙，采用RTS/CTS/DATA/ACK四次握手机制进行数据传输。
4.根据权利要求1所述的基于辅助节点的多跳无线自组织网络MAC层协议，其特征在于：对于多跳传输，将所述步骤(2)中的目的节点作为发送节点，循环执行步骤(2)至(4)，直至信息到达最终目的节点。
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