CN111065168B

CN111065168B - 一种基于同频同时全双工的无线接入方法

Info

Publication number: CN111065168B
Application number: CN201911321309.XA
Authority: CN
Inventors: 魏长虎; 张小海; 刘菊田; 吴彬彬; 吴黄楠
Original assignee: Nanjing 6902 Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing 6902 Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: CN111065168A

Abstract

本发明公开了一种基于同频同时全双工的无线接入方法。本发明涉及无线通信领域，包括以下步骤：载波侦听、冲突检测及冲突处理：如果是非碰撞冲突，则随机退避一段时间后重新侦听信道，如果是碰撞冲突，则发出特殊的冲突帧，用作冲突增强。本发明以无线同频同时全双工为基础，利用无线接收机实时监听信道状态，发射机根据监听结果决定是否发送以及退避。相比较传统的CSMA/CA接入算法，本发明方法可节省大量的控制帧，提高了发送过程中数据帧的占比，从而进一步提高了频谱的真实利用率。

Description

一种基于同频同时全双工的无线接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种基于同频同时全双工的无线接入方法。

背景技术

无线通信目前只能采用CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access Protocol/Collision Avoid)接入算法，与高效的CSMA/CD(带冲突检测的载波侦听多路访问)相比，CSMA/CA原理和实现比较复杂，通信过程需要使用大量控制帧来提前预留信道资源，因此频谱利用率低。

无线发射机和接收机在同一频段上同时收发信号将会使得本地发射信号通过电磁耦合进入接收机，造成接收机前端严重的自干扰，导致接收机解调性能的恶化，这是无线不能采用全双工的原因。目前业界广泛研究的无线同频同时全双工技术，主要是通过在解调之前充分地抑制自干扰，来实现全双工。同频同时全双工可以让发射机和接收机同时工作，使频谱利用率理论上翻倍，由于发送机发送数据的同时，接收机可以实时“检测”电磁波，实际上已经具备了CSMA/CD算法中“冲突检测”的基本条件。但是低效的CSMA/CA接入算法使得大量宝贵的频谱资源用在了不产生数据传输的控制帧上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于同频同时全双工的接入方法。本发明在同频同时全双工基础上，提供一种带无线冲突检测的载波侦听多路访问方法。无线设备发送前先用接收机侦听信道，若无冲突则发送；发射机发送过程中，接收机持续监听，无冲突则持续发送，有冲突则停止，如果是碰撞冲突，则发出特殊的冲突帧，用做冲突增强；随机退避一段时间后，重新监听信道。相较于传统的CSMA/CA接入方法，节省了大量的控制帧，提高了发送过程中数据帧的占比，从而提高了频谱的真实利用率。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于同频同时全双工的无线接入方法，包括以下步骤：

1.1、载波侦听：在同频同时全双工模式下，使用无线接收机做载波侦听，当无线接收机检测到信道空闲时，则无线发射机发送数据；

1.2、冲突检测：在无线发射机发送数据过程中，无线接收机持续监听信道空闲；无线接收机在监听过程中检测到两种冲突：(1)、无线接收机收到的信号空闲无法正确解码，节点B同时收到节点A和节点C的帧，则解码错误；此冲突为碰撞冲突；(2)、解码后目的地址非本节点目的地址，即节点B接收到节点A的帧，但其目的地址在节点C，则此时至少有3个节点在通信，此冲突为非碰撞冲突；

1.3、冲突处理：当出现碰撞冲突时，则解码错误，节点发送强化冲突帧，结束冲突，进入退避流程；

当出现非碰撞冲突时，本节点直接进入退避流程，其它节点正常收发；其中所述的本节点是实施该方法的无线设备，所述的其它节点是与本节点竞争无线信道资源的其他无线设备。

进一步的，步骤1.1中，利用无线接收机做载波侦听。

进一步的，所述步骤1.1中，当无线接收机无法接收到信号，或收到目的地址为本机的信号时，则属于无冲突发生状态。

进一步的，所述步骤1.2中，无线接收机持续监听的时长是争用期2τ；

无线接收机检测到的冲突分为碰撞冲突和非碰撞冲突。

进一步的，所述步骤1.3中，发生碰撞冲突时发送强化冲突帧并进入退避流程；发生非碰撞冲突时直接进入退避流程以保证其余节点的正常通信；

所述的退避流程：无线接收机在检测到冲突后，当冲突的两个节点退避相同的时间再次发送，则会产生第二次、第三次冲突；故各个节点的退避间隔时间具有差异性；这就通过退避算法来实现。目前使用比较多的退避算法是截断二进制指数退避算法；其过程在于：

(1)、确定基本退避时间(基数)，一般定为2τ也就是一个争用期时间(比如以太网就是51.2us)；

(2)、定义一个参数K，为重传次数，则K＝min[重传次数,10],可见K≤10；

(3)、从离散型整数集合,[0,1,2,……，(2^K-1)]中，随机取出一个数记做R，则重传所需要的退避时间为R倍的基本退避时间：即：R*2τ；

(4)、同时，重传也不是无休止的进行，当重传16次不成功，就丢弃该帧，传输失败，报告给高层协议：

如：第一次重传K＝1，R取[0,1]中随机值，M在[0,2τ]中随机选择，

第二次重传K＝2，R取[0,3]中随机值，M在[0,……，6τ]中随机选择，

可见，重传次数越多，退避的时间就越长。

进一步的，所述2τ时长的计算使用时间或字节数衡量。

进一步的，在用退避算法之后，重新利用无线接收机进行侦听。

进一步的，使用无线接收机侦听冲突来解决隐藏终端、暴露终端问题。

本发明具有的有益效果：利用接收机实时检测冲突，将传统的复杂的冲突避免接入算法改为高效的冲突检测算法，避免了无效的控制帧，提高频谱利用率；发射机发送时，接收机仅持续监听较短(2τ)的时长；根据无线通信特点，将冲突分为碰撞冲突和非碰撞冲突，分别采取不同的冲突处理方法，保护节点间的正常通信；在不使用控制帧的情况下，解决隐藏终端和暴露终端问题。

附图说明

图1为本发明中一种基于同频同时全双工的无线接入方法的流程图；

图2为本发明的碰撞冲突示意图；

图3为本发明中的非碰撞冲突示意图；

图4为本发明中无线接收机持续监听时间示意图；

图5为本发明中隐藏终端示意图；

图6为本发明中暴露终端示意图；

图7为本发明的CSMA/CA帧时序示意图；

图8为本发明中的无线CSMA/CD帧时序示意图；

图9为本发明中接入算法的频谱利用率对比示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明方法流程包括侦听、发送、冲突检测、冲突处理。

一种基于同频同时全双工的无线接入方法，包括以下步骤：

1.1、载波侦听：在同频同时全双工模式下，使用无线接收机做载波侦听，当无线接收机检测到信道空闲时，则无线发射机发送检测到的信号；

无线侦听与有线侦听不同，有线侦听只要探测到线缆上有信号，就认为介质被占用；对于无线侦听而言，空气介质被所有节点共用，同频同时全双工模式下，利用无线接收机做载波侦听，无线接收机接收不到信道空闲；或者收到的信道空闲解码正确，并且目的地址是本节点(或者广播)，则认为没有冲突，无线发射机可以发送；

1.2、冲突检测：在无线发射机发送数据过程中，无线接收机持续监听信道空闲(如图4)；无线接收机在监听过程中检测到两种冲突：(1)、无线接收机收到的信号空闲无法正确解码，如图2所示，节点B同时收到节点A和节点C的帧，则解码错误；此冲突为碰撞冲突；(2)、解码后目的地址非本节点目的地址，如图3，即节点B接收到节点A的帧，但其目的地址在节点C，则此时至少有3个节点在通信，此冲突为非碰撞冲突；

当出现非碰撞冲突时，本节点直接进入退避流程，其它节点正常收发；其中所述的本节点是实施该方法的无线设备，所述的其它节点是与本节点竞争无线信道资源的其他无线设备；

发生碰撞冲突，说明会出现解码错误，继续发下去没有意义，所以节点发送强化冲突帧，尽快结束冲突，然后进入退避流程；如果发生非碰撞冲突，则可能有其它节点在正常收发，如图3所示，节点B收到了节点A发给节点C的帧，可以知道A和C正在通信，并且节点A在节点B的覆盖范围内，那么节点B直接进入退避流程；区别于碰撞冲突的是，非碰撞冲突不会发送强化冲突帧，否则会影响节点A、C的正常通信。

进一步的，步骤1.1中，利用无线接收机做载波侦听。

无线接收机检测到的冲突分为碰撞冲突和非碰撞冲突。

可见，重传次数越多，退避的时间就越长。

进一步的，所述2τ时长的计算使用时间或字节数衡量。

图4描述的是争用期2τ时长；τ表示网络中最远两个站点的传输线路延迟时间；冲突检测时间必须保证最远站点发出数据产生冲突后被对方感知的最短时间；在2τ时间里没有感知冲突，则保证发出的数据没有产生冲突(只要保证检测2τ时间，没有必要整个发送过程都进行检测)；可以按照如下方法计算争用期：假设信号传播速度为v(m/us)，总线长d(m)，τ＝d/v，则争用期为2τ；例如，信号传播速度v＝200m/us，总线长d＝100m，τ＝d/v＝100/200＝0.5us，2τ＝1us；1us内，有其他站点发送，都可能冲突；若总线长d＝500m，τ＝d/v＝500/200＝2.5us，2τ＝5u，5us内，有其他站点发送，都可能冲突；另外一种方法以传播的字节数来计算争用期；以Wi-Fi 802.11b为例，其最小速率为1Mbps，传播距离为100m，电磁波的传播速度为3*10^8m/s,τ＝d/v＝100/(3*10^8)＝1/3(us)，2τ＝2/3(us)；理论上来讲，只需要监听信道2/3(us)即可确定是否有冲突；以太网选择51.2us作为争用期，为了有一个良好的容错，无线也可以选择51.2us作为争用期，这个是可以根据物理层波形的变化自己定义的，对于Wi-Fi 802.11b的例子，51.2us对应52(bit)；如图4，节点在争用期内可以发送52(bit)，只要监测大约7个字节没有发生冲突，后续数据就不会再冲突。

图5、图6描述的是隐藏终端和暴露终端问题；用本方法后，对于图5的隐藏终端，当AP1和AP3同时向AP2发送帧时，AP2监测到碰撞冲突，则其发送强化冲突帧出来，AP1，AP3收到强化冲突帧后，进入退避流程；假设后面AP1率先侦听到信道空闲，获取到发送权，则其发送数据给AP2，AP2回复ACK出来，AP3在侦听阶段收到AP2->AP1的ACK，此为非碰撞冲突，AP3进入退避流程；暴露终端的问题，在同频同时全双工前提下是不存在的；因为AP1和AP2是全双工同时收发的，AP2始终为收状态，所以AP3此时必须退避，如果AP3发送，则AP2会受到影响。

通过图7与图8中两种接入算法的帧时序对比可知，CSMA/CA应用在单工模式下，在发送数据帧之前有RTS，CTS等控制帧，且不能同时收发，有效频谱使用率很低；而使用本发明方法后，不需要多余的控制帧，发送方和接收方可以同时持续发送数据帧；因此在没有冲突的理想状态下，本发明方法几乎可以达到双工的信道利用率；另一方面，本发明方法实现比较简单，发生冲突时，最多通过两次冲突判断，加一个随机退避就可以再度接入；而CSMA/CA由于引入控制帧，预留信道占用时间等机制，实现较复杂。

图9是根据图7、图8这种帧时序图，通过理论计算，得出的有线全双工、有线半双工CSMA/CD、无线全双工下本发明方法(无线CSMA/CD)、无线CSMA/CA的频谱利用率，无线全双工下的本发明方法(无线CSMA/CD)几乎达到了有线全双工的程度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims

1.一种基于同频同时全双工的无线接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.2、冲突检测：在无线发射机发送数据过程中，无线接收机持续监听信道空闲；无线接收机在监听过程中检测到两种冲突：（1）、无线接收机收到的信号无法正确解码，即节点B同时收到节点A和节点C的帧，则解码错误；此冲突为碰撞冲突；（2）、解码后目的地址非本节点目的地址，即节点B接收到节点A的帧，但其目的地址在节点C，则此时至少有3个节点在通信，此冲突为非碰撞冲突；

2.根据权利要求1所述的一种基于同频同时全双工的无线接入方法，其特征在于，所述步骤1.1中，当无线接收机无法接收到信号，或收到目的地址为本机的信号时，则属于无冲突发生状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于同频同时全双工的无线接入方法，其特征在于，所述步骤1.2中，无线接收机持续监听的时长是争用期2τ。

4.根据权利要求3所述的一种基于同频同时全双工的无线接入方法，其特征在于，所述2τ时长的计算使用时间或字节数衡量。

5.根据权利要求1所述的一种基于同频同时全双工的无线接入方法，其特征在于，在用退避算法之后，重新利用无线接收机进行侦听。

6.根据权利要求1所述的一种基于同频同时全双工的无线接入方法，其特征在于，使用无线接收机侦听冲突来解决隐藏终端、暴露终端问题。