CN113490235B - 一种面向毫米波自组网的mac层低时延快速重连方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线网络技术领域，具体涉及一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法。本发明与传统的CSMA/CA协议中只要通信失败即进入二进制指数退避过程不同的是，本发明会在通信失败时，由失败甄别机制进行失败原因判别，进一步退避机制根据失败原因的不同，设置不同的初始竞争窗口(CW)并进行相应的退避竞争。由于毫米波波长短、绕射能力差，在网络中通信链路易被遮挡，本发明在链路遮挡导致通信失败的情况下，使节点更易重新竞争获得信道，实现MAC层的中断快速重连，从而最低限度降低遮挡对整个毫米波无线自组织网络性能的影响，充分发挥出毫米波无线自组网的技术优势。

Description

一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法
技术领域
本发明属于无线网络技术领域，具体涉及一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法。
背景技术
随着计算机通信技术的发展，越来越多的新兴应用如虚拟现实、增强现实、3D媒体等走进了人们的生活，与此同时带来的是人们对通信速率越来越高的要求。毫米波凭借其带宽大，传输速率高(速率可高达吉比特每秒)，波束较窄，具有很好的方向性和保密性，同时还具有极强的抗干扰能力等众多优点，成为了国内外研究学者关注的热点。然而，由于毫米波信号波长短、绕射能力差，加之波束较窄、方向性较好，在利用毫米波无线自组网的过程中，很容易被移动的人体或其他障碍物遮挡住造成链路中断，通信失败。因此提出的一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连算法，使得在发生遮挡导致链路中断后，MAC层可以实现快速重连，最低限度降低遮挡对整个毫米波无线自组织网络性能的影响，充分发挥出毫米波通信以及无线自组网的两大技术优势。
发明内容
本发明针对毫米波自组网中由于毫米波波长短、易被遮挡，导致组网中的通信链路易中断、不稳定的问题，提出一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连算法，当通信由于遮挡造成链路暂时中断时，可以在MAC层实现快速重连，从而最大程度降低遮挡对整个毫米波自组网的影响，充分发挥毫米波无线自组网的优势。
本发明的技术方案如下：
一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法，包括以下步骤：
S1、源节点在发送数据前，先侦听信道是否空闲，若是，则进入步骤S2，否则重复步骤S1；
S2、信道保持空闲状态至少一个IFS间隔后，源节点以广播形式发送RTS控制帧；
S3、目的节点接收到RTS帧后，在信道空闲的前提下以广播形式向源节点回复一个允许发送CTS帧；
S4、判断源节点是否收到CTS帧，若是，则表示信道预约成功，再等待一个SIFS间隔就开始发送数据DATA帧，进入步骤S6，否则通信失败并进入步骤S5；
S5、判断通信节点发送了碰撞，通信失败是由于碰撞导致，为通信失败的节点设置不同的初始竞争窗口CW，并进行以下步骤：
S51、如果是初次碰撞，令通信失败的节点j在其竞争窗口CW＝2*CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程；如果是第i+1次碰撞，令通信失败的节点j在其竞争窗口CW＝2i+1*CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程，其中CWmin是最小竞争窗口；
S52、经过一个空闲时隙slot并且信道处于空闲，节点j的回退计数值-1；
S53、如果某个时隙信道不再空闲，节点j的退避过程暂时挂起，直到信道再次持续保持IFS空闲后继续参与退避竞争；
S54、重复步骤S52和步骤S53直到节点j的回退计数值＝0并且信道处于空闲，则节点j通过退避获取到信道，回到步骤S2；
S6、目的节点收到DATA帧后，再向源节点回复一个ACK帧，告知源节点数据已被接收；
S7、若源节点接收到ACK帧，则本次通信成功，否则通信失败并进入步骤S8；
S8、判断节点链路产生中断，通信失败是由于遮挡导致，为通信失败的节点设置不同的初始竞争窗口CW，并进行以下步骤：
S81、令通信失败的节点j在其竞争窗口CW＝2*CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程，其中CWmin是最小竞争窗口；
S82、经过一个空闲时隙slot并且信道处于空闲，节点j的回退计数值-1；
S83、如果某个时隙信道不再空闲，节点j的退避过程暂时挂起，直到信道再次持续保持IFS空闲后继续参与退避竞争；
S84、重复步骤S82和步骤S83直到节点j的回退计数值＝0并且信道处于空闲，则节点j通过退避获取到信道，回到步骤S2。
本发明的有益效果为，与传统的接入方法不同，传统的CSMA/CA算法在通信失败时，直接进入二进制指数退避阶段，即使是由于链路中断重新参与信道竞争，每次竞争的竞争窗口都需要翻倍，这大大增加了该节点获取竞争成功的时间开销，与链路发生中断时可以快速实现重连的期盼不符。本发明的方法在节点与节点之间通信失败时，会进行失败原因判断。若是由于发生冲突导致，则发生一次冲突，竞争窗口就会翻倍一次进入退避竞争阶段，尽可能减少下一次继续冲突的概率；若是由于遮挡，则竞争窗口维持不变进入退避竞争阶段，由于竞争窗口始终维持在最小窗口，所以在此窗口中随机出的回退计数值也较小，在接下来的退避竞争阶段将更有机会优先于其他节点竞争获得信道，实现该链路的快速重连，将遮挡对网络的影响降到最低。
附图说明
图1是本发明一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法的流程示意图。
图2是本发明一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法的接入机制流程示意图。
图3是本发明一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法的失败甄别机制流程示意图。
图4是本发明一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法的退避机制流程示意图。
图5是本发明一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法的具体某场景结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，从原理上，本发明的方法包括接入机制(Access mechanism)、失败甄别机制(Failure screening mechanism)、退避机制(Backoff mechanism)三个部分，可分别具体描述为：
接入机制用于节点申请接入信道，如图2所示，具体如下：
步骤1：节点在发送数据之前，先侦听信道是否空闲；
步骤2：监测信道保持空闲状态至少一个IFS间隔后，节点以广播形式发送一个请求发送RTS控制帧；
步骤3：目的节点接收到此RTS帧，如果信道空闲，以广播形式向源节点回复一个允许发送CTS帧；
步骤4：源节点正确收到此CTS帧，表示信道预约成功，再等待一个SIFS间隔就开始发送数据DATA帧；
步骤5：目的节点收到DATA帧后，再向源节点回复一个ACK帧，告知源节点数据已被接收。
步骤6：源节点正确接收到ACK帧，本次通信成功，否则通信失败。
失败甄别机制用于判断通信失败的原因，一是不同节点同时发送数据产生了碰撞导致的通信失败，二是由于链路上的遮挡造成传输中断导致的通信失败，如图3所示，具体如下：
判决1：通信失败时，如果源节点没有收到CTS帧，判断节点发生了碰撞，通信失败是由于碰撞导致；
判决2：通信失败时，如果源节点收到了CTS帧，判断节点链路产生中断，通信失败是由于遮挡导致；
退避机制用于在失败甄别机制判别结果的基础上，设置不同的初始竞争窗口CW，让通信失败的节点重新参与竞争信道，如图4所示，具体如下：
当发生节点碰撞引发通信失败时：
步骤1：节点首先在其竞争窗口CW＝2*CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程：
步骤2：经过一个空闲时隙slot并且信道处于空闲，节点的回退计数值-1；
步骤3：如果某个时隙信道不再空闲，其它节点的退避过程暂时挂起，直到信道再次持续保持IFS空闲后继续参与退避竞争；
步骤4：重复步骤2、步骤3直到节点的回退计数值＝0并且信道处于空闲，则该节点通过退避获取到信道，可以传输数据；
步骤5(可选)：在退避竞争过程中，若再发生i次碰撞，则每次对应节点的竞争窗口CW＝2i+1*CWmin。
当发生链路遮挡引发通信失败时：
步骤1：节点首先在其竞争窗口CW＝CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程；
后续步骤：同上述步骤2～4。
不同之处在于，在退避竞争过程中，不论失败重试几次，步骤1中竞争窗口CW始终等于最小竞争窗口CWmin，不成倍增长。
由于本方法特别针对链路遮挡问题所提，因此就如图5所示的发生链路遮挡的特定工作场景做施例说明，算法的具体工作步骤如下：
步骤1：源节点在发送数据之前，先侦听信道是否空闲；
步骤2：信道至少保持空闲状态一个IFS间隔后，源节点以广播形式发送一个请求发送RTS控制帧，否则一直等待信道空闲；
步骤3：目的节点收到RTS帧后，同样在信道空闲的前提下给源节点回复一个允许发送CTS帧；
步骤4：源节点成功收到CTS帧，开始发送数据DATA帧；
步骤5：在DATA帧传播过程中，由于行人的短暂遮挡导致传输链路中断、传输失败，失败甄别机制收到通信失败的信号，判别通信失败原因。
步骤6：由于收到CTS帧但并未收到ACK帧，失败甄别机制判别失败原因为链路遮挡，并将判别结果传递给退避机制。
步骤7：退避机制根据失败判别的结果，设置初始的竞争窗口大小，源节点进行退避竞争信道。
步骤8：重复步骤7退避过程直到源节点再次获得信道的使用权，准备传输RTS、CTS握手帧。
步骤9：执行步骤2、步骤3的信道接入过程，预约成功后进行数据传输；
步骤10：源节点以收到ACK确认帧表明传输完成，本次通信成功，传输结束。
由上述内容可得，本发明方法具有以下优点：
1)由于毫米波信号波长短、绕射能力差，加之波束较窄、方向性较好，在利用毫米波无线自组网的过程中，很容易被移动的人体或其他障碍物遮挡住造成链路中断，通信失败。而传统的CSMA/CA算法不识别是由于链路遮挡导致的通信失败，还是由于节点碰撞导致的通信失败，统一使用二进制指数退避进行退避竞争，带来的后果就是一旦是由遮挡导致的通信失败，链路重新恢复的时间可能需要很久，从而给整个毫米波网络的工作带来影响。
2)本实施例中提出的一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法，使得当毫米波网络通信链路由于遮挡造成传输中断时，通过设置恒定的最小竞争窗口，使得节点在链路中断、重新竞争信道时可以大概率获胜，从而实现通信链路的低时延快速重连，最大程度降低遮挡对毫米波无线网络的影响。

Claims (1)

1.一种面向毫米波自组网的MAC层低时延快速重连方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、源节点在发送数据前，先侦听信道是否空闲，若是，则进入步骤S2，否则重复步骤S1；
S2、信道保持空闲状态至少一个IFS间隔后，源节点以广播形式发送RTS控制帧；
S3、目的节点接收到RTS帧后，在信道空闲的前提下以广播形式向源节点回复一个允许发送CTS帧；
S4、判断源节点是否收到CTS帧，若是，则表示信道预约成功，再等待一个SIFS间隔就开始发送数据DATA帧，进入步骤S6，否则通信失败并进入步骤S5；
S5、判断通信节点发送了碰撞，通信失败是由于碰撞导致，为通信失败的节点设置不同的初始竞争窗口CW，并进行以下步骤：
S51、如果是初次碰撞，令通信失败的节点j在其竞争窗口CW＝2*CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程；如果是第i+1次碰撞，令通信失败的节点j在其竞争窗口CW＝2i+1*CWmin内随机选择一个数值作为其回退计数值，进入退避过程，其中CWmin是最小竞争窗口；
S52、经过一个空闲时隙slot并且信道处于空闲，节点j的回退计数值-1；
S53、如果某个时隙信道不再空闲，节点j的退避过程暂时挂起，直到信道再次持续保持IFS空闲后继续参与退避竞争；
S54、重复步骤S52和步骤S53直到节点j的回退计数值＝0并且信道处于空闲，则节点j通过退避获取到信道，回到步骤S2；
S6、目的节点收到DATA帧后，再向源节点回复一个ACK帧，告知源节点数据已被接收；
S7、若源节点接收到ACK帧，则本次通信成功，否则通信失败并进入步骤S8；
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