CN113395148B - 一种基于非对称全双工无线电网络的mac层通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于非对称全双工无线电网络的MAC层通信方法，传输链路通过两种自适应方式建立。一种是上行初始化链路，一种是下行初始化链路，由节点1或节点2首先向接入节点AP发送数据而建立的链路称为上行初始化链路，由接入节点AP首先向节点1或节点2发送数据而建立的链路称为下行初始化链路。本发明有效避免节点间干扰，提高信道利用率与网络吞吐量，传输链路可以通过两种自适应方式建立，针对不同的链路建立方式，采用上/下行区分的链路传输协议。另外，传输功率值由MAC层传输，支持物理层对节点间干扰参数进行估计，为非对称全双工链路有效避免节点间干扰提供了思路。

Description

一种基于非对称全双工无线电网络的MAC层通信方法
技术领域
本发明涉及无线通信MAC层领域，还涉及无线网络的MAC层通信方法，具体为一种上/下行链路发起的基于非对称全双工无线电网络的MAC层协议。
背景技术
全双工无线电在未来的无线网络中扮演着重要的角色，因为它可以在同一信道上同时传输和接收数据。然而，针对非对称全双工无线网络设计的MAC(medium accesscontrol)协议很少，现有协议大多只适用于固定的上行和下行节点，造成了信道资源的浪费，网络吞吐率低。同时，在密集的网络中，节点之间部署得很近，上行链路的信息发送会影响下行链路中信息的接收。因此基于以上问题，研究全双工无线网络特别是非对称全双工网络的MAC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，但是当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，本发明提供一种基于非对称全双工无线电网络的MAC层通信方法,命名为Asymmetric Full Duplex Links-MAC协议(简称为ASF-MAC协议)，可以有效避免节点间干扰，提高信道利用率与网络吞吐量。
在ASF-MAC协议中，传输链路通过两种自适应方式建立。一种是上行初始化链路，一种是下行初始化链路。如图1所示，由节点1或节点2首先向接入节点AP发送数据而建立的链路称为上行初始化链路，由接入节点AP首先向节点1或节点2发送数据而建立的链路称为下行初始化链路。在无线网络系统中，假设所有节点都能感知信道状态信息以及在其传输范围内的相邻节点的状态。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤一、判断阶段；
根据数据传输需求主体自适应建立传输链路，选择对应的基于ASF-MAC协议的上行/下行链路传输协议；如果为上行初始化链路信息传输，采用步骤2.1中基于ASF-MAC的上行链路传输协议，如果为下行初始化链路信息传输，采用步骤2.2中基于ASF-MAC的下行链路传输协议；
步骤二、传输阶段
2.1基于ASF-MAC的上行链路传输协议
如图2所示，在该协议的初始阶段，节点1向接入节点AP发送一个上行链路请求发送信号U-RTS，上行链路请求发送信号U-RTS包含节点1所要发送的数据长度；当接入节点AP收到节点1发送的上行链路请求发送信号U-RTS后，为了充分利用传输资源，接入节点AP将传输时隙划分为多个子时隙，按照数据帧与控制帧的长度具体划分；相邻两个子时隙之间包含一个短的帧间间隔SIFS；然后，接入节点AP向下行链路传输范围内的所有节点广播下行链路允许接收信号D-CTS，所有处于睡眠状态的节点被下行链路允许接收信号D-CTS唤醒，下行链路允许接收信号D-CTS包含已分配的子时隙信息，所有节点在自身的子时隙醒来接收接入节点AP发送的信息；接入节点AP的下行链路基于时分多址机制(TDMA)，因此，所有下行链路节点只在其自身的时隙中被唤醒以节约资源；在每个子时隙中，接收节点发送确认信号ACK信号以确保传输成功；此外，当接入节点AP完成下行传输但上行传输未完成时，发送忙音信号(Busy Tone)，最后，接入节点AP通过广播结束信号通知所有节点传输时隙结束；
2.2采用基于ASF-MAC的下行链路传输协议
如图3所示，该协议的第一步是接入节点AP向节点1发送一个下行链路请求发送信号D-RTS建立下行链路传输，下行链路请求发送信号D-RTS包含接入节点AP所要传输的数据长度；接着，接入节点1向接入节点AP发送一个上行链路允许发送信号U-CTS，允许发送信号U-CTS包含节点1的位置，该位置信息可以帮助接入节点AP自适应调整发送功率，位置信息与接入节点AP的发射功率成正比，即当节点1的位置距离接入节点AP较远时，接入节点AP将增大发射功率，当节点1的位置距离接入节点AP较近时，接入节点AP将减小发射功率，从而可以有效避免节点之间的干扰且节省资源。各个接入节点AP一旦接收到上行链路允许发送信号U-CTS，便广播传输唤醒信号WFT到传输范围内的所有节点，当上行链路节点接收到传输唤醒信号WFT后，根据载波侦听、多点接入、冲突避免机制(CSMA/CA)在每个子时隙中进行竞争将数据传输给接入节点AP，在每个子时隙中，接收节点发送确认信号ACK信号以确保传输成功；由于传输冲突造成在竞争中失败的节点将在这个子时隙中转入睡眠模式，而在下一个子时隙中，如果有数据要传输，各节点将苏醒并再次竞争；最后，当下行链路传输完成时，接入节点AP将广播一个结束(END)信号给所有的节点以停止上行传输，同时在一个分布式帧间间隔(DIFS)后结束该时隙。
本发明的有益效果在于为了提高密集无线网络的吞吐量，本发明提出了一种新的非对称全双工链路MAC协议(ASF-MAC)。在ASF-MAC协议中，传输链路可以通过两种自适应方式建立，针对不同的链路建立方式，采用上/下行区分的链路传输协议。另外，传输功率值由MAC层传输，支持物理层对节点间干扰参数进行估计，为非对称全双工链路有效避免节点间干扰提供了思路。
附图说明
图1是本发明非对称全双工示意图。
图2是本发明基于ASF-MAC的上行链路协议实现情景示意图。
图3是本发明基于ASF-MAC的下行链路协议实现情景示意图。
图4是本发明与其他协议的吞吐量仿真实验图。
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。
本发明提出一种基于非对称全双工无线电网络的MAC层协议。通过对协议中的参数进行具体化，其中载波频率为2.4GHz，带宽为100MHz，数据包有效负荷为1200Bytes，为下面介绍本协议的详细步骤。
步骤一：判断阶段
根据数据传输需求主体自适应建立传输链路，选择相应的传输协议。如果为上行链路信息传输，采用基于ASF-MAC的上行链路协议，如果为下行链路信息传输，采用基于ASF-MAC的下行链路协议。假设第一个时隙为上行链路的信息传输，后面的信息传输方式根据数据传输需求主体自适应建立链路。
步骤二：传输数据
根据步骤一选择相应的链路协议，进行信息传输。在该无线网络系统中，假设所有节点都能感知信道状态信息以及在其传输范围内的相邻节点的状态。下面为对应的两种链路协议介绍：
2.1.基于ASF-MAC的上行链路协议
如图2所示，在该协议的初始阶段，节点1向接入节点AP发送一个上行链路请求发送信号(U-RTS)，长度为32Bytes。上行链路请求发送信号(U-RTS)包含节点1所要发送的数据长度。当接入节点AP收到节点1发送的上行链路请求发送信号(U-RTS)后，为了充分利用传输资源，接入节点AP会将传输时隙划(200us)分为多个子时隙，相邻两个子时隙之间包含一个短的帧间间隔(SIFS)，时长为28us。然后，接入节点AP向下行链路传输范围内的所有节点广播下行链路允许接收信号(D-CTS)，长度为32Bytes，下行链路允许接收信号(D-CTS)唤醒所有的处于睡眠状态的节点，同时下行链路允许接收信号(D-CTS)包含已分配的子时隙信息用于通知接收节点需要接收信息的时隙。接入节点AP的下行链路基于时分多址机制(TDMA)，因此，所有下行链路节点只在其自身的时隙中被唤醒以节约资源。在每个子时隙中，接收节点发送确认信号(ACK)信号(长度为16Bytes)以确保传输成功。此外，当接入节点AP完成下行传输但上行传输未完成时，会发送忙音信号(Busy Tone)，最后，接入节点AP通过广播结束信号通知所有节点传输时隙结束。
2.2基于ASF-MAC的下行链路协议
如图3所示，该协议的第一步是接入节点AP向节点1发送一个下行链路请求发送信号(D-RTS)来建立下行链路传输，长度为32Bytes。下行链路请求发送信号(D-RTS)包含接入节点AP所要传输的数据长度。接着，接入节点1向接入节点AP发送一个上行链路允许发送信号(U-CTS)，长度为32Bytes，它包含节点1的位置从而协助接入节点AP灵活调整发射功率以避免节点的之间的相互干扰，同时节约能源。接入节点AP一旦接收到上行链路允许发送信号(U-CTS)，便广播传输唤醒信号(WFT)到传输范围内的所有节点，当上行链路节点接收到传输唤醒信号(WFT)后，根据载波侦听、多点接入、冲突避免机制(CSMA/CA)在每个子时隙中进行竞争将数据传输给接入节点AP，在每个子时隙中，接收节点发送确认信号(ACK)信号(16Bytes)以确保传输成功。在竞争中失败的节点将在这个子时隙中转入睡眠模式，而在下一个子时隙中，如果有数据要传输，它们将苏醒并再次竞争。最后，当下行链路传输完成时，接入节点AP将广播一个结束(END)信号(16Bytes)给所有的节点以停止上行传输，同时以一个分布式帧间间隔(DIFS)(64us)结束该时隙。
步骤三：下一个传输时隙到来，重复步骤一和步骤二。
图4为本发明中的协议(ASF-MAC)与已存在的协议(SFLS和A-Duplex)的仿真实验性能对比。证明本协议当网络中节点数超过50个时，吞吐量明显提高，ASF-MAC的网络吞吐量比SFLS和A-Duplex分别高出12％和35％。

Claims (1)

1.一种基于非对称全双工无线电网络的MAC层通信方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一、判断阶段；
根据数据传输需求主体自适应建立传输链路，选择对应的基于ASF-MAC协议的上行/下行链路传输协议；如果为上行初始化链路信息传输，采用步骤2.1中基于ASF-MAC的上行链路传输协议，如果为下行初始化链路信息传输，采用步骤2.2中基于ASF-MAC的下行链路传输协议；
步骤二、传输阶段
2.1基于ASF-MAC的上行链路传输协议
初始阶段，节点1向接入节点AP发送一个上行链路请求发送信号U-RTS，上行链路请求发送信号U-RTS包含节点1所要发送的数据长度；当接入节点AP收到节点1发送的上行链路请求发送信号U-RTS后，接入节点AP将传输时隙划分为多个子时隙，按照数据帧与控制帧的长度具体划分；相邻两个子时隙之间包含一个短的帧间间隔SIFS；然后，接入节点AP向下行链路传输范围内的所有节点广播下行链路允许接收信号D-CTS，所有处于睡眠状态的节点被下行链路允许接收信号D-CTS唤醒，下行链路允许接收信号D-CTS包含已分配的子时隙信息，所有节点在自身的子时隙醒来接收接入节点AP发送的信息；接入节点AP的下行链路基于时分多址机制，因此，所有下行链路节点只在其自身的时隙中被唤醒以节约资源；在每个子时隙中，接收节点发送确认信号ACK信号以确保传输成功；此外，当接入节点AP完成下行传输但上行传输未完成时，发送忙音信号，最后，接入节点AP通过广播结束信号通知所有节点传输时隙结束；
2.2采用基于ASF-MAC的下行链路传输协议
第一步是接入节点AP向节点1发送一个下行链路请求发送信号D-RTS建立下行链路传输，下行链路请求发送信号D-RTS包含接入节点AP所要传输的数据长度；接着，接入节点1向接入节点AP发送一个上行链路允许发送信号U-CTS，允许发送信号U-CTS包含节点1的位置，位置信息帮助接入节点AP自适应调整发送功率，位置信息与接入节点AP的发射功率成正比，各个接入节点AP一旦接收到上行链路允许发送信号U-CTS，便广播传输唤醒信号WFT到传输范围内的所有节点，当上行链路节点接收到传输唤醒信号WFT后，根据载波侦听、多点接入、冲突避免机制在每个子时隙中进行竞争将数据传输给接入节点AP，在每个子时隙中，接收节点发送确认信号ACK信号以确保传输成功；由于传输冲突造成在竞争中失败的节点将在这个子时隙中转入睡眠模式，而在下一个子时隙中，如果有数据要传输，各节点将苏醒并再次竞争；
最后，当下行链路传输完成时，接入节点AP将广播一个结束信号给所有的节点以停止上行传输，同时在一个分布式帧间间隔后结束该时隙。
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