CN113395720A - 一种中继节点引导的多跳移动自组网mac层通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种中继节点引导的多跳移动自组网MAC层通信方法,中继节点是整个协议程序的引导者,协议由中继节点发起,任何节点都可以成为其他节点询问由传输路径中的中继节点,在中继节点收集到所需传输的信息之后,选择两节点间满足交换传输条件的优先传输,之后按照先进先出原则进行传输;完成发送之后,将广播通知相邻节点将所成功传输的信息从向相邻节点传输序列中删除。本发明通过改变原有中继节点仅承担辅助或者合作的功能,而将中继节点设置为整个协议程序的引导者,解决了原有的以发送节点为主导的单向发送模式高时延、低吞吐量的问题,尤其在节点数量较多的情况下,能够维持网络稳定性,降低传输延迟、提高网络吞吐量和传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信MAC层领域,尤其是一种无线网络的MAC层通信方法,具体为一种由中继节点引导的多跳移动自组网MAC层通信方法。
背景技术
随着当今移动装置体积的便携化、价格的低廉化、功能的强大化以及移动的随机化,加之军用方面上通信不能完全依靠固定的设施来进行传输,传统无线技术已经显现出一些问题。比如:移动问题、无基础设施问题、网络动态化不足、网络自组织能力差等。为此、研究人员提出了通过自动配置使移动装置相互连接,建立既灵活功能又强的移动Ad Hoc网络。但是,正是因为移动Ad Hoc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。特别是移动Ad Hoc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,所以研究移动Ad Hoc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,本发明提供一种中继节点引导的多跳移动自组网MAC层通信方法,针对极大多数移动Ad Hoc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移动Ad Hoc网络MAC层通信方法,命名为Relay Node Driving-MAC协议(RND-MAC协议),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。
本发明应用场景是在移动Ad Hoc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。RND-MAC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,定义高频率接口用来发送数据,低频率接口用来接收数据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
步骤一、中继节点询问阶段
与现有的中继节点承担辅助或者合作功能的MAC层协议不同,本发明中的中继节点是整个协议程序的引导者,RND-MAC协议由中继节点发起,任何节点都可以成为其他节点询问由传输路径中的中继节点;
一旦某一中继节点的传输序列为空时,该中继节点将自己的传输信息广播至传输范围内的所有节点,并且通过其他节点的回复收集传输范围内的除自己之外的所有节点的状态信息;如果传输范围内的他节点有需要通过该节点中继发送信息,则传输范围内的其他节点在该中继节点按照先进先出原则对所需传输信息进行排序;传输时序架构如图1所示,由于中继节点获得了其他所需传输信息节点的传输信息状态(包括上一跳节点地址、下一跳节点地址),若出现某条传输信息的上一跳节点与下一跳节点分别是另一条传输信息的下一跳节点和上一跳节点,即在两个节点之间传输的两条传输信息的传输方向的方向相反,则满足交换传输的条件,优先对这两条信息在这两个节点间进行交换传输,交换传输指在中继节点按照相反的方向同时对这两条信息进行传输。这样可以缩短传输时间并且减少传输序列排队时间,特别适合在大吞吐量的情况下使用,因为需要进行交换传输的概率会大大增加;
步骤二、传输阶段
在中继节点收集到所需传输的信息之后,选择两节点间满足交换传输条件的优先传输,之后按照先进先出原则进行传输;若有传输范围内的其他节点有新的信息需要通过该中继节点传输进入传输队列,使得与之前队列中已有的传输配对成交换传输,则将该配对而成的交换传输提前至交换传输队列的末尾,且在传输队列的队首;
若在一个中继节点A传输的过程中,中继节点A的传输范围内另一个中继节点B传输序列为空,并开始收集所需传输的数据信息,中继节点A将队末的传输发送至中继节点B传输序列,由中继B节点辅助进行中继传输;若中继节点B传输序列不为空,但是中继节点B与中继节点A的传输队列相比较短时,中继节点B广播中继节点B队列中单向传输的上、下一跳节点信息,若中继节点A序列中有传输信息可与中继节点B队列中的传输信息配对为交换传输,则由中继节点A发送至中继节点B,由中继B节点辅助传输;
若在中继节点A的传输距离内,有多个传输序列为空的节点,第一个接收到并完成辅助发送的节点在发送成功之后,应立即广播确认信息ACK,其余节点则立即将该信息从传输序列中删除,以免重复传输引发碰撞。
步骤三、确认完成阶段
无论哪个中继节点成功的,完成发送之后,将广播通知相邻节点将所成功传输的信息从向相邻节点传输序列中删除,以免重复发送或引起不必要的碰撞。
若首先进行发送的中继节点未成功发送信息,在未收到发送成功的确认信息之前,其余辅助中继节点将继续进行发送,直到有节点成功发送之后,广播确认成功发送的消息,剩余节点才将所成功发送信息从传输序列中删除。
步骤二中,以两跳传输为例,多跳传输情况时重复两跳传输即可。
本发明的有益效果在于:
本发明介绍的基于辅助节点的多跳移动Ad Hoc网络MAC层协议通过改变原有中继节点仅承担辅助或者合作的功能,而将中继节点设置为整个协议程序的引导者,解决了原有的以发送节点为主导的单向发送模式高时延、低吞吐量的问题。尤其在节点数量较多的情况下,能够维持网络稳定性,降低传输延迟、提高网络吞吐量和传输效率。
附图说明
图1是本发明传输时隙架构图。
图2是本发明协议实现情景示意图。
图3是本发明中继节点引导询问发起示意图。
图4是本发明与其他协议的吞吐量仿真实验图。
图5是本发明与其他协议的丢包率仿真实验图。
图6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。
本发明应用场景是在移动Ad Hoc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。RND-MAC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,定义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:
步骤一、中继节点询问阶段
与现有的中继节点承担辅助或者合作功能的MAC层协议不同,本发明中的中继节点是整个协议程序的引导者,RND-MAC协议由中继节点发起,任何节点都可以成为其他节点询问由传输路径中的中继节点;
一旦某一中继节点的传输序列为空时,该中继节点将自己的传输信息广播至传输范围内的所有节点,并且通过其他节点的回复收集传输范围内的除自己之外的所有节点的状态信息;如果传输范围内的他节点有需要通过该节点中继发送信息,则传输范围内的其他节点在该中继节点按照先进先出原则对所需传输信息进行排序;传输时序架构如图1所示,由于中继节点获得了其他所需传输信息节点的传输信息状态(包括上一跳节点地址、下一跳节点地址),若出现某条传输信息的上一跳节点与下一跳节点分别是另一条传输信息的下一跳节点和上一跳节点,即在两个节点之间传输的两条传输信息的传输方向的方向相反,则满足交换传输的条件,优先对这两条信息在这两个节点间进行交换传输,交换传输指在中继节点按照相反的方向同时对这两条信息进行传输。这样可以缩短传输时间并且减少传输序列排队时间,特别适合在大吞吐量的情况下使用,因为需要进行交换传输的概率会大大增加;
步骤二、传输阶段
在中继节点收集到所需传输的信息之后,选择两节点间满足交换传输条件的优先传输,之后按照先进先出原则进行传输;若有传输范围内的其他节点有新的信息需要通过该中继节点传输进入传输队列,使得与之前队列中已有的传输配对成交换传输,则将该配对而成的交换传输提前至交换传输队列的末尾,且在传输队列的队首;
若在一个中继节点A传输的过程中,中继节点A的传输范围内另一个中继节点B传输序列为空,并开始收集所需传输的数据信息,中继节点A将队末的传输发送至中继节点B传输序列,由中继B节点辅助进行中继传输;若中继节点B传输序列不为空,但是中继节点B与中继节点A的传输队列相比较短时,中继节点B广播中继节点B队列中单向传输的上、下一跳节点信息,若中继节点A序列中有传输信息可与中继节点B队列中的传输信息配对为交换传输,则由中继节点A发送至中继节点B,由中继B节点辅助传输;
若在中继节点A的传输距离内,有多个传输序列为空的节点,第一个接收到并完成辅助发送的节点在发送成功之后,应立即广播确认信息ACK,其余节点则立即将该信息从传输序列中删除,以免重复传输引发碰撞。以两跳传输为例,多跳传输情况时重复两跳传输即可。
步骤三、确认完成阶段
无论哪个中继节点成功的,完成发送之后,将广播通知相邻节点将所成功传输的信息从向相邻节点传输序列中删除,以免重复发送或引起不必要的碰撞。
若首先进行发送的中继节点未成功发送信息,在未收到发送成功的确认信息之前,其余辅助中继节点将继续进行发送,直到有节点成功发送之后,广播确认成功发送的消息,剩余节点才将所成功发送信息从传输序列中删除。
本发明提出一种由中继节点引导的多跳移动Ad Hoc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:传输节点初始化,分配自身节点时隙。
步骤二:如图3所示,节点R作为中继节点,传输队列为空时,向周围节点广播信息并根据回复收集各节点的传输信息,包括所需传输的信息的上一跳、下一跳节点名称、地址。
步骤三:如图2所示,首选中继节点R1开始依据先进先出原则进行传输。
步骤四:若在R1传输序列中,存在两条所需传输的信息的上一跳、下一跳节点相互对应的情况,即某信息的上一跳节点为M、下一跳节点为N,与此同时,另一条信息的上一跳节点为N,下一跳节点为M时,则利用其节点具有双接口(发送接口、接收接口)的特性,优先对其进行配对后进行交换传输,以节省传输时间,缩短传输队列。
步骤五:若中继节点R1的传输序列不为空,而同时在节点M、N的传输范围内的中继节点R2传输序列为空,将所需在M、N节点中互相传输的数据包P1的信息传输至辅助中继节点R2后进行交换传输。
步骤六:若中继节点R2不为空,传输序列中有需要从节点M向节点N所发送的数据包,而R1中有需要从节点N向节点M所发送的数据包,则由R1将其交至R2,从而由R2进行节点M、N之间进行交换传输。
步骤七:在M、N之间的数据包由R2发送成功之后,节点R2广播发送确认信息,R1在其传输队列中删除M、N传输信息。若未成功,则重复上述步骤继续发送。
图4、图5、图6所示为本发明中的协议(RND-MAC)与已存在的协议(CHA-MAC和CQM)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 (3)
1.一种中继节点引导的多跳移动自组网MAC层通信方法,其特征在于包括下述步骤:
步骤一、中继节点询问阶段
中继节点是整个协议程序的引导者,RND-MAC协议由中继节点发起,任何节点都可以成为其他节点询问由传输路径中的中继节点;
一旦某一中继节点的传输序列为空时,该中继节点将自己的传输信息广播至传输范围内的所有节点,并且通过其他节点的回复收集传输范围内的除自己之外的所有节点的状态信息;如果传输范围内的他节点有需要通过该节点中继发送信息,则传输范围内的其他节点在该中继节点按照先进先出原则对所需传输信息进行排序;由于中继节点获得了其他所需传输信息节点的传输信息状态,若出现某条传输信息的上一跳节点与下一跳节点分别是另一条传输信息的下一跳节点和上一跳节点,即在两个节点之间传输的两条传输信息的传输方向的方向相反,则满足交换传输的条件,优先对这两条信息在这两个节点间进行交换传输,交换传输指在中继节点按照相反的方向同时对这两条信息进行传输;
步骤二、传输阶段
在中继节点收集到所需传输的信息之后,选择两节点间满足交换传输条件的优先传输,之后按照先进先出原则进行传输;若有传输范围内的其他节点有新的信息需要通过该中继节点传输进入传输队列,使得与之前队列中已有的传输配对成交换传输,则将该配对而成的交换传输提前至交换传输队列的末尾,且在传输队列的队首;
若在一个中继节点A传输的过程中,中继节点A的传输范围内另一个中继节点B传输序列为空,并开始收集所需传输的数据信息,中继节点A将队末的传输发送至中继节点B传输序列,由中继B节点辅助进行中继传输;若中继节点B传输序列不为空,但是中继节点B与中继节点A的传输队列相比较短时,中继节点B广播中继节点B队列中单向传输的上、下一跳节点信息,若中继节点A序列中有传输信息可与中继节点B队列中的传输信息配对为交换传输,则由中继节点A发送至中继节点B,由中继B节点辅助传输;
若在中继节点A的传输距离内,有多个传输序列为空的节点,第一个接收到并完成辅助发送的节点在发送成功之后,应立即广播确认信息ACK,其余节点则立即将该信息从传输序列中删除,以免重复传输引发碰撞;
步骤三、确认完成阶段
无论哪个中继节点成功的,完成发送之后,将广播通知相邻节点将所成功传输的信息从向相邻节点传输序列中删除,以免重复发送或引起不必要的碰撞。
2.根据权利要求1所述的一种中继节点引导的多跳移动自组网MAC层通信方法,其特征在于:
若首先进行发送的中继节点未成功发送信息,在未收到发送成功的确认信息之前,其余辅助中继节点将继续进行发送,直到有节点成功发送之后,广播确认成功发送的消息,剩余节点才将所成功发送信息从传输序列中删除。
3.根据权利要求1所述的一种中继节点引导的多跳移动自组网MAC层通信方法,其特征在于:
步骤二中,多跳传输情况时重复两跳传输即可。
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