CN113115470B - 一种无线组播网络分布式信道机会接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线组播网络分布式信道机会接入方法。该方法如下：构建组播通信系统，确定优化模型并离线计算系统最大吞吐量λ^*；各组播组中信源节点按照竞争方式感知和接入信道；获胜信源节点所在组播组内所有信宿节点，通过接收到的RTS数据包内携带的训练符号序列，获得直连信道状态，并得到对应的可达信息传输速率；各信宿节点择退避时间向获胜信源节点发送CTS包；获胜信源节点在γ时刻收到CTS包或检测到信道中发生冲突，则根据γ获得获胜信源节点所在组播组内用户最小信息传输速率R_i,min；若R_i,min≥λ^*，则获胜信源节点按照R_i,min进行组播，否则，所有组播组信源节点开始新一轮信道竞争。本发明在减少信令开销的条件下，保证了网络平均吞吐率全局最优。

Description

一种无线组播网络分布式信道机会接入方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是一种无线组播网络分布式信道机会接入方法。

背景技术

现有的基于IEEE802.11无线传输协议的网络中主要包括单播、组播和广播三种通讯模式，其中已有研究和协议对分布式单播通讯模式下的信道机会接入方法的研究已经较为充分。在分布式单播通讯模式下，多个信源-信宿通信对(也称用户)以分布式方式共享信道进行业务传输，多用户通过竞争的方式接入信道，并根据其直连信道状态和最优接入方法确定其是否利用此次机会，若竞争成功的用户放弃此次传输机会，所有用户再次通过竞争信道的方式进行数据传输，若竞争成功的用户选择利用此次机会进行传输，则等待此用户通信完毕后，所有用户再次通过竞争信道的方式进行数据传输。在用户密集的场景下，单播技术因接入方式和传输时延的原因无法满足用户的传输需求，会极大的影响用户服务质量。

相比之下，只向多个组内用户发送一次数据的组播通讯模式有着比单独向每个用户发送同一数据的单播效率更高的优点，同时避免了由广播通讯模式下带来的无法针对用户需求为其提供个性化服务等问题，分布式组播网络得到了广泛的关注。在目前的组播通讯机制下，对于给定的传输速率的组播通信机制，组播组内的一些用户可能因为信道条件较差而无法正确接收数据包；按照所有组内用户信道条件最差的用户的可达速率进行传输的机制又会导致系统吞吐量较低。同时，这种机制下由于信源节点需要获知组内信道状态最差的用户的可达传输速率，这一过程需要较大的信令开销，严重浪费了网络信道资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线组播网络分布式信道机会接入方法，以最大化无线组播网络吞吐量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无线组播网络分布式信道机会接入方法，步骤如下：

步骤1、构建组播通信系统，定义信道接入的工作机制、网络基本参数，确定优化模型并离线计算系统最大吞吐量λ^*；

步骤2、组播通信系统中各组播组中信源节点按照竞争方式感知和接入信道，若竞争成功则进入步骤3，否则重复步骤2；

步骤3、获胜信源节点所在组播组内所有信宿节点，通过接收到的RTS数据包内携带的训练符号序列，获得直连信道状态，并得到对应的可达信息传输速率；

步骤4、各信宿节点择退避时间向获胜信源节点发送CTS包；

步骤5、获胜信源节点在γ时刻收到CTS包或检测到信道中发生冲突，则根据γ获得获胜信源节点所在组播组内用户最小信息传输速率，然后进入步骤6；

步骤6、获胜信源节点根据所在组播组内用户最小信息传输速率R_i,min，与λ^*进行比较，若R_i,min≥λ^*，则获胜信源节点按照R_i,min进行组播，否则，信源节点放弃此次传输机会，所有组播组信源节点开始新一轮信道竞争，返回步骤2。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)设计了组播网络分布式信道机会接入机制，在减少信令开销的条件下保证网络平均吞吐率达到全局最优；(2)机会信道的接入通过全局最优阈值进行判定，过程简单、逻辑清晰、易于实现；(3)能够使分布式组播网络场景下网络吞吐率达到全局最优，在多个用户需要同一数据的场景下有着广泛的应用，具有实际意义。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明信道接入的工作机制示意图。

图3为本发明中无线组播网络分布式信道机会接入方法流程图。

图4为本发明中系统最大吞吐量λ^*迭代方法的计算流程图。

图5为本发明实施例中理论和实际网络平均吞吐量随信噪比变化的仿真结果曲线图。

图6为本发明实施例中采取最优停止方法与采取非停止接入方法，网络平均吞吐量随信噪比变化的仿真结果曲线图。

具体实施方式

首先为了便于理解，对文中用到的技术术语做出如下解释：

RTS：request-to-send，请求发送包，是信道感知接入协议里常用的数据包。

CTS：clear-to-send，清除发送包，是信道感知接入协议里常用的数据包，被接受节点用于对发送节点做出回应。

信道机会接入：多用户共享信道，利用信道空闲动态接入信道。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。

本发明一种无线组播网络分布式信道机会接入方法，步骤如下：

步骤1、构建组播通信系统，定义信道接入的工作机制、网络基本参数，确定优化模型并离线计算系统最大吞吐量λ^*；

步骤2、组播通信系统中各组播组中信源节点按照竞争方式感知和接入信道，若竞争成功则进入步骤3，否则重复步骤2；

步骤3、获胜信源节点所在组播组内所有信宿节点，通过接收到的RTS数据包内携带的训练符号序列，获得直连信道状态，并得到对应的可达信息传输速率；

步骤4、各信宿节点择退避时间向获胜信源节点发送CTS包；

步骤5、获胜信源节点在γ时刻收到CTS包或检测到信道中发生冲突，则根据γ获得获胜信源节点所在组播组内用户最小信息传输速率，然后进入步骤6；

步骤6、获胜信源节点根据所在组播组内用户最小信息传输速率R_i,min，与λ^*进行比较，若R_i,min≥λ^*，则获胜信源节点按照R_i,min进行组播，否则，信源节点放弃此次传输机会，所有组播组信源节点开始新一轮信道竞争，返回步骤2。

进一步地，作为一种具体实施例，由组播通信系统来实现：结合图1，该系统包括K个组播组，每一个组播组包含一个信源节点S_k和M个信宿节点

系统中K个组播组以分布方式共享信道进行业务传输，各组播组之间以竞争方式感知和接入信道，竞争成功的组播组中的信源节点要根据信道接入方法N，利用其感知到的状态信息决定是否利用此次机会进行业务传输，若获胜信源节点放弃此次传输机会，所有信源节点重新开始新一轮的竞争；

通过优化信道接入方法N，来最大化组播通信系统时间平均下的吞吐量，该方法的具体步骤如下：

1)定义信道接入的工作机制

各组播组按照竞争方式感知和接入信道，各组播组中信源节点从一个持续时间长度为δ的时隙开始，以概率p_k向所有组内信宿节点发送RTS信令包，独立竞争共享信道；如果在该时隙中无信源节点发送RTS包，所有信源节点继续在下一个时隙中竞争；如果有两个或两个以上的信源节点发送RTS包，则发生冲突，没有信源节点成功感知接入信道，所有信源节点在下个时隙继续竞争；如果仅有一个信源节点

发送RTS包，该信源节点S_i获得信道接入机会，并称为获胜信源节点S_i，获胜信源节点S_i所在组播组内所有信宿节点

接收到来自信源节点的RTS包后，利用RTS包内携带的训练序列获得直连信道状态h_i,j，并按如下映射关系得到对应的可达信息传输速率为：

即各信宿节点根据直连信道状态，获得离散的对应的可达信息速率R_v＝v·R₀,v∈{1,2,...V}，其中R₀为基本可达信息速率，v表示量化区间阶数，α和V均为正整数，分别表示直连信道状态对应的量化区间宽度和总阶数；

各信宿节点D_i,j根据可达信息传输速率R_v和一个预先设定的函数g(r)＝v·δ选择退避时间τ_b,j向信源节点S_i发送CTS包，其中δ为一个时隙；获胜信源节点S_i在竞争成功后持续监听信道，获胜信源节点S_i在γ时刻检测到信道忙或发生冲突，则根据γ与下式获得获胜信源节点S_i所在组播组内用户最小信息传输速率

而后获胜信源节点S_i根据组内用户最小信息传输速率R_i,min决策是否要利用此次机会进行业务传输；

根据最优停止理论，最优信道接入方法N^*为纯阈值形式：若R_i,min＞λ，获胜信源节点S_i按照R_i,min进行组播接入信道，传输时间为τ_d；否则，信源节点放弃此次传输机会，所有组播组信源节点开始新一轮信道竞争；每次成功传输后，所有组播组开始新的信道竞争接入过程；上述信道接入工作机制如图2所示。

2)定义网络基本参数

组播通信系统中包含K个组播组，用

索引，每一个组播组包含一个信源节点S_k和M个信宿节点

网络中所有节点时间同步，各组播组中信源节点与信宿节点之间均按照直连方式接入信道；对于获胜信源节点S_i、获胜信源节点所在组播组内信宿节点D_i,j和信道感知次数n＝1,2,...,∞，信宿节点D_i,j通过由信源节点S_i所发送的RTS包内携带的训练序列，计算自身到信源节点S_i的信道质量信道增益h_i,j(n)，满足概率分布函数F_H(h)，对应的可达信息传输速率R_i,j(n)根据式(1)获得，满足概率分布函数F_R(r)＝P(r≤R_v)＝F_H(v·α)；考虑无线信道服从方差为

的瑞利衰落模型且具有块衰落特性，速率R_i,j(n)在传输时间τ_d内维持不变，τ_d不大于信道相关时间；同一组播组内用户最小信息传输速率为

则R_i,min(n)满足概率分布函数：

3)确定优化问题

根据1)中介绍的信道接入工作机制，组播组以分布方式成功完成t次数据传输，用{N₁,N₂,...N_t}表示多次传输对应的停止时间，

表示第l次接入信道的信息速率，τ_d表示单次接入信道的时间，

表示第l次接入信道花费的时间；根据Renewal定理和大数定理，时间平均下的系统吞吐量收敛于系统吞吐量的统计均值：

寻找最优信道接入方法N^*，最大化无线组播网络平均下的吞吐量的问题描述为：

其中Q为最优信道接入方法的可行集，满足

λ^*为使用最优信道接入方法N^*组播通信系统时间平均下可达的最大吞吐量；

4)问题分析

根据最优停止理论，使得系统吞吐量最大的最优停止方法存在，具体结构为：

N^*＝min{n≥1:R_min,N≥λ^*} (6)

作为最优方法的阈值，最大吞吐量期望λ^*存在且唯一。

结合图3，进一步地，作为一种具体实施例，步骤1所述离线计算系统最大吞吐量λ^*，具体如下：

迭代计算公式为：

λ_q+1＝φ(λ_q) (7)

其中，q＝1,2,3,...表示迭代次数，λ_q表示第q次迭代的系统吞吐量，λ_q+1表示第q+1次迭代的系统吞吐量；

其中，R_β+1表示第β+1阶量化区间对应的可达信息速率，β表示λ_q大于等于的最小的对应可达信息速率所对应的量化区间阶数减一；

其中τ₁为单次信道感知时间的期望，表示为：

τ_RTS表示传输RTS包的时间，τ_CTS表示传输CTS包的时间，

表示退避时间的期望，其中

表示组播网络中存在竞争成功的信源节点的概率，

表示组播网络空闲的概率，

表示组播网络竞争冲突出现的概率，其中p_i、p_l分别为信源i、l向组内信宿节点发送RTS信令包的概率；

迭代方法的计算流程图如图4所示，设置一个非负的初始值λ₀，如λ₀＝1，根据式(7)进行迭代计算，直至收敛至最大吞吐量期望λ^*，λ^*≤R_V。迭代算法按系数q进行更新，当满足|λ_q+1-λ_q|＜ε时，完成迭代过程。其中ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要动态调整，通常取值为10^-3。

进一步地，作为一种具体实施例，步骤2所述组播通信系统中各组播组中信源节点按照竞争方式感知和接入信道，若竞争成功则进入步骤3，否则重复步骤2，具体如下：

各组播组按照竞争方式感知和接入信道，各组播组中信源在一个持续时间长度为δ的微小时隙开始，以概率p_k向所有组内信宿节点发送RTS信令包独立竞争信道，如果在该时隙中无信源发送RTS包，所有信源继续在下一个时隙中竞争；如果有两个或两个以上的信源发送RTS包，则发生冲突，没有信源成功感知接入信道，所有信源在下一个时隙继续竞争；如果仅有一个信源i发送RTS包，该信源获得信道接入机会，并称其为获胜信源i，然后进入步骤3。

进一步地，作为一种具体实施例，步骤3所述获胜信源节点所在组播组内所有信宿节点，通过接收到的RTS数据包内携带的训练符号序列，获得直连信道状态，并得到对应的可达信息传输速率，具体如下：

获胜信源节点S_i所在组播组内所有信宿节点D_i,j通过接收到的RTS数据包内的训练符号序列，估计信源节点S_i与其自身之间的信道增益h_i,j，并按式(1)关系量化得到D_i,j对应的可达信息传输速率R_i,j。

进一步地，作为一种具体实施例，步骤4所述各信宿节点择退避时间向获胜信源节点发送CTS包，具体如下：

各信宿节点D_i,j根据可达信息传输速率R_v和一个预先设定的函数g(r)＝v·δ，选择退避时间τ_b,j向获胜信源节点S_i发送CTS包；获胜信源节点S_i在竞争成功后持续监听信道，然后进入步骤5。

实施例1

本实施例采用3个组播组，每个组播组内包含一个信源节点和5个信宿节点组成的无线分布式组播网络，网络中所有信道服从独立同分布的瑞丽衰落。其中，信源节点的信道竞争参数每次在0到1之间随机生成、δ＝25μs和τ_RTS＝τ_CTS＝50μs，量化区间宽度α＝0.1，量化区间数V＝100，基本可达信息速率R₀＝1bit/ms，直连信道信噪比为

信道相干时间为τ_d。

首先考虑信道接入时间τ_d为1ms、5ms和10ms的情况下，不同直连信道信噪比下最优信道接入方法的吞吐量性能。当

从1dB到10dB变化时，图5给出了最优接入方法的吞吐量曲线。性能曲线包括模拟和数值两种形式。从图中可以看出，不同信道接入时间τ_d和信噪比

条件下，两类吞吐量结果相互吻合，验证了信道接入方法理论分析结果的准确性。

其次，本实施例考虑了最优接入方法与无等待直接信道接入方法间的性能比较。考虑信道接入时间τ_d为1ms、5ms，

从1dB到10dB变化时，图6给出了最优接入方法与无等待直接信道接入方法的吞吐量曲线。从图中可以看出，最优接入方法可大幅提升系统吞吐量性能。

Claims (5)

1.一种无线组播网络分布式信道机会接入方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1、构建组播通信系统，定义信道接入的工作机制、网络基本参数，确定优化模型并离线计算系统最大吞吐量λ^*；

步骤2、组播通信系统中各组播组中信源节点按照竞争方式感知和接入信道，若竞争成功则进入步骤3，否则重复步骤2；

步骤3、获胜信源节点所在组播组内所有信宿节点，通过接收到的RTS数据包内携带的训练符号序列，获得直连信道状态，并得到对应的可达信息传输速率；

步骤4、各信宿节点择退避时间向获胜信源节点发送CTS包；

步骤5、获胜信源节点在γ时刻收到CTS包或检测到信道中发生冲突，则根据γ获得获胜信源节点所在组播组内用户最小信息传输速率，然后进入步骤6；

步骤6、获胜信源节点根据所在组播组内用户最小信息传输速率R_i,min，与λ^*进行比较，若R_i,min≥λ^*，则获胜信源节点按照R_i,min进行组播，否则，信源节点放弃此次传输机会，所有组播组信源节点开始新一轮信道竞争，返回步骤2；

步骤1所述构建组播通信系统，定义信道接入的工作机制、网络基本参数，具体如下：

所述组播通信系统包括K个组播组，每一个组播组包含一个信源节点S_k和M个信宿节点

系统中K个组播组以分布方式共享信道进行业务传输，各组播组之间以竞争方式感知和接入信道，竞争成功的组播组中的信源节点根据信道接入方法N，利用感知到的状态信息决定是否利用此次机会进行业务传输，若获胜信源节点放弃此次传输机会，所有信源节点重新开始新一轮的竞争；

通过优化信道接入方法N，来最大化组播通信系统时间平均下的吞吐量，具体步骤如下：

1)定义信道接入的工作机制

各组播组按照竞争方式感知和接入信道，各组播组中信源节点从一个持续时间长度为δ的时隙开始，以概率p_k向所有组内信宿节点发送RTS信令包，独立竞争共享信道；如果在该时隙中无信源节点发送RTS包，所有信源节点继续在下一个时隙中竞争；如果有两个或两个以上的信源节点发送RTS包，则发生冲突，没有信源节点成功感知接入信道，所有信源节点在下个时隙继续竞争；如果仅有一个信源节点

发送RTS包，该信源节点S_i获得信道接入机会，并称为获胜信源节点S_i，获胜信源节点S_i所在组播组内所有信宿节点

接收到来自信源节点的RTS包后，利用RTS包内携带的训练序列获得直连信道状态h_i,j，并按如下映射关系得到对应的可达信息传输速率为：

即各信宿节点根据直连信道状态，获得离散的对应的可达信息速率R_v＝v·R₀,v∈{1,2,...V}，其中R₀为基本可达信息速率，v表示量化区间阶数，α和V均为正整数，分别表示直连信道状态对应的量化区间宽度和总阶数；

各信宿节点D_i,j根据可达信息传输速率R_v和一个预先设定的函数g(r)＝v·δ选择退避时间τ_b,j向信源节点S_i发送CTS包，其中δ为一个时隙；获胜信源节点S_i在竞争成功后持续监听信道，获胜信源节点S_i在γ时刻检测到信道忙或发生冲突，则根据γ与下式获得获胜信源节点S_i所在组播组内用户最小信息传输速率

而后获胜信源节点S_i根据组内用户最小信息传输速率R_i,min决策是否要利用此次机会进行业务传输；

根据最优停止理论，最优信道接入方法N^*为纯阈值形式：若R_i,min＞λ，获胜信源节点S_i按照R_i,min进行组播接入信道，传输时间为τ_d；否则，信源节点放弃此次传输机会，所有组播组信源节点开始新一轮信道竞争；每次成功传输后，所有组播组开始新的信道竞争接入过程；

2)定义网络基本参数

组播通信系统中包含K个组播组，用

索引，每一个组播组包含一个信源节点S_k和M个信宿节点

网络中所有节点时间同步，各组播组中信源节点与信宿节点之间均按照直连方式接入信道；对于获胜信源节点S_i、获胜信源节点所在组播组内信宿节点D_i,j和信道感知次数n＝1,2,...,∞，信宿节点D_i,j通过由信源节点S_i所发送的RTS包内携带的训练序列，计算自身到信源节点S_i的信道质量信道增益h_i,j(n)，满足概率分布函数F_H(h)，对应的可达信息传输速率R_i,j(n)根据式(1)获得，满足概率分布函数F_R(r)＝P(r≤R_v)＝F_H(v·α)；考虑无线信道服从方差为

的瑞利衰落模型且具有块衰落特性，速率R_i,j(n)在传输时间τ_d内维持不变，τ_d不大于信道相关时间；同一组播组内用户最小信息传输速率为

则R_i,min(n)满足概率分布函数：

3)确定优化问题

根据1)中介绍的信道接入工作机制，组播组以分布方式成功完成t次数据传输，用{N₁,N₂,...N_t}表示多次传输对应的停止时间，

表示第l次接入信道的信息速率，τ_d表示单次接入信道的时间，

表示第l次接入信道花费的时间；根据Renewal定理和大数定理，时间平均下的系统吞吐量收敛于系统吞吐量的统计均值：

寻找最优信道接入方法N^*，最大化无线组播网络平均下的吞吐量的问题描述为：

其中Q为最优信道接入方法的可行集，满足

λ^*为使用最优信道接入方法N^*组播通信系统时间平均下可达的最大吞吐量；

4)问题分析

根据最优停止理论，使得系统吞吐量最大的最优停止方法存在，具体结构为：

N^*＝min{n≥1:R_min,N≥λ^*} (6)

作为最优方法的阈值，最大吞吐量期望λ^*存在且唯一。

2.根据权利要求1所述的无线组播网络分布式信道机会接入方法，其特征在于，步骤1中离线计算系统最大吞吐量λ^*，具体如下：

迭代计算公式为：

λ_q+1＝φ(λ_q) (7)

其中，q＝1,2,3,...表示迭代次数，λ_q表示第q次迭代的系统吞吐量，λ_q+1表示第q+1次迭代的系统吞吐量；

其中，R_β+1表示第β+1阶量化区间对应的可达信息速率，β表示λ_q大于等于的最小的对应可达信息速率所对应的量化区间阶数减一；

τ₁为单次信道感知时间的期望，表示为：

τ_RTS表示传输RTS包的时间，τ_CTS表示传输CTS包的时间，

表示退避时间的期望，其中

表示组播网络中存在竞争成功的信源节点的概率，

表示组播网络空闲的概率，

表示组播网络竞争冲突出现的概率，其中p_i、p_l分别为信源i、l向组内信宿节点发送RTS信令包的概率；

迭代方法的计算流程为，设置一个非负的初始值λ₀，根据式(7)进行迭代计算，直至收敛至最大吞吐量期望λ^*，λ^*≤R_V；迭代算法按系数q进行更新，当满足|λ_q+1-λ_q|＜ε时，完成迭代过程；其中ε＞0为收敛算法的迭代精度门限，按精度需要动态调整。

3.根据权利要求2所述的无线组播网络分布式信道机会接入方法，其特征在于，步骤2所述组播通信系统中各组播组中信源节点按照竞争方式感知和接入信道，若竞争成功则进入步骤3，否则重复步骤2，具体如下：

各组播组按照竞争方式感知和接入信道，各组播组中信源节点在一个持续时间长度为δ的时隙开始，以概率p_k向所有组内信宿节点发送RTS信令包独立竞争信道，如果在该时隙中无信源节点发送RTS包，所有信源节点继续在下一个时隙中竞争；如果有两个或两个以上的信源节点发送RTS包，则发生冲突，没有信源节点成功感知接入信道，所有信源节点在下一个时隙继续竞争；如果仅有一个信源节点S_i发送RTS包，该信源节点获得信道接入机会，称为获胜信源节点S_i，然后进入步骤3。

4.根据权利要求2所述的无线组播网络分布式信道机会接入方法，其特征在于，步骤3所述获胜信源节点所在组播组内所有信宿节点，通过接收到的RTS数据包内携带的训练符号序列，获得直连信道状态，并得到对应的可达信息传输速率，具体如下：

获胜信源节点S_i所在组播组内所有信宿节点D_i,j通过接收到的RTS数据包内的训练符号序列，估计信源节点S_i与其自身之间的信道增益h_i,j，并按式(1)关系量化得到D_i,j对应的可达信息传输速率R_i,j。

5.根据权利要求2所述的无线组播网络分布式信道机会接入方法，其特征在于，步骤4所述各信宿节点择退避时间向获胜信源节点发送CTS包，具体如下：

各信宿节点D_i,j根据可达信息传输速率R_v和一个预先设定的函数g(r)＝v·δ，选择退避时间τ_b,j向获胜信源节点S_i发送CTS包；获胜信源节点S_i在竞争成功后持续监听信道，然后进入步骤5。

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