CN114364054B - 一种基于分离式rts帧的非对等全双工媒体访问控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，包括：S1，各个节点进行上行信道竞争，赢得上行信道竞争的上行节点向AP发送导频信号和分离式RTS帧；S2，AP接收到分离式RTS帧前的导频信号后发送导频信号和下行候选节点帧；S3，各个节点接收来自AP的下行候选节点帧；S4，AP通过发送CTS帧进行上行信道竞争反馈；S5，步骤S3中成功接收来自AP的下行候选节点帧的节点进行下行信道竞争，选出下行节点；S6，AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输。本发明可应用于各种星状拓扑的无线自组网、无线网状网、无线局域网以及蜂窝微小区中，实现分布式的节点间配对、多用户资源竞争以及非对等全双工双向传输。

Description

一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法。
背景技术
长期以来，半双工通信是无线网络中的主流通信方式。所谓半双工通信，即通信节点信号的发射和接收必须占用两个不同的无线信道。根据收发信道的不同配置方法，无线通信网络可相应地分为时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两类。TDD系统的收发信道分别位于同一载波的不同时隙，而FDD系统的收发信道则被分离在两段不连续的对称频谱上。在TDD系统中，收发状态的转换会降低资源利用率，固定的上下行时隙配置会导致传输时延变长；对于FDD系统而言，随着频谱资源的日益稀缺与宽带无线应用的发展，利用两端对称频谱进行无线通信的成本会越来越高。
全双工无线通信(即同时同频全双工)，是一项运用多重干扰抑制方法而实现节点间同时同频双向信息传输的物理层技术，该技术可以成倍地提升现有的半双工双向传输效率。全双工无线通信面临的主要技术难点是“自干扰问题”，即：本地发射信号对本地接收信号所形成的大功率干扰。近年来，许多研究已经证明了在通信系统中进行全双工无线通信的可行性。通过综合运用波束成形、模拟域干扰抵消、数字域干扰抵消、射频域干扰抵消方法，现有主流全双工试验系统可将自干扰信号强度有效衰减110dB。典型的点对点全双工无线通信系统如图1所示，经过在空间域、射频域和基带域的分阶段多步骤干扰消除和抑制，从而实现在特定功率范围与通信距离内可靠的点对点同信道双向传输。
全双工无线通信系统中的全双工射频电路设计复杂，设备体积较大、成本较高。可以采用非对等全双工无线网络，在中心控制节点(接入点，即Access Point，AP)上实现全双工通信，能够在提升网络吞吐量的同时减少全双工系统部署成本。所谓非对等全双工无线网络，如图2所示，特指由一个全双工接入点和多个半双工终端节点所组成的多用户通信系统，是全双工蜂窝小区、全双工局域网、全双工自组网等诸多星状拓扑无线网络的抽象模型。基本假设如下：
(1)全双工中心控制节点(如：蜂窝基站、无线接入点、网络簇头等)可以进行自干扰消除，能够在同一个信道同时进行无线信号的发送和接收(即：工作在全双工模式下)；
(2)半双工终端节点不具备自干扰消除能力，在同一时间和频率上只能发送或者接收无线信号；
(3)中心控制节点，可以根据网络运行状况而自适应地选择其双工模式(全双工模式或半双工模式)；
(4)非对等全双工无线网络具有星状拓扑结构，中心控制节点能与所有终端节点直接通信，而终端节点之间则可能相互隐藏(即无法直接通信)。
但实现非对等全双工无线网络还具有如下问题：
1、终端间干扰问题
在星状拓扑的非对等全双工网络中，具有自干扰消除能力的中心控制节点，可以在相同的频率资源(或信道)上同时与两个半双工终端节点(一收一发)进行单向通信。此时，上行终端节点(向AP发送上行数据的节点)发射的信号会在一定程度上干扰下行终端节点(从AP接收下行数据的节点)接收来自AP的信号，这种干扰被称为终端间干扰。如果两个终端节点距离较近，那么它们之间路径损耗较小，终端间干扰强度会很强，从而影响下行节点接收来自AP的数据。全双工通信的双向和速率(sum-rate)很大程度上取决于两个终端节点之间的同信道干扰强度。为了提升全双工网络的吞吐量，需要在接入网络的节点中选出一对具有较弱终端间干扰的上行和下行终端节点。解决终端间干扰问题，不仅需要测量各对可能的收发终端节点之间的无线信道状况，评估终端间干扰强度，还必须确保在节点配对过程中不会产生过多的信令开销。
终端间干扰问题在全双工无线网络环境下出现的新问题，无法通过现有的算法和协议来解决。主要困难来自于两个方面：
(1)在理想情况下，与中心控制节点一起建立全双工通信的两个终端节点应该是互相隐藏(hidden)的，彼此之间无法直接交互信息。因此，如果采用分布式的节点自主配对方式，当上行终端节点进行信道接入竞争和上行传输时，下行终端节点很难及时地获得相关信息，从而无法实施有效的信道测量和干扰评估。
(2)如果采用基于中心控制节点调度的集中式节点配对方式，则需要在全双工通信建立之前，对网络中可能的节点配对组合分别进行信道测量，并反馈相应的干扰评估结果；此时，信令开销会随着网络中节点数的增加而指数增长，难以支持网络拓扑快速变化的应用场景。
2、全双工信道竞争接入问题
当前的全双工无线通信，由于受到节点自干扰消除能力的制约，不适用于长距离、高功率传输场景。因此，同时同频全双工技术将主要应用于各种小规模的无线网络。值得注意的是，小规模无线网络环境中的主流媒介访问控制机制是以CSMA、MACA、IEEE 802.11DCF为代表的资源竞争型MAC；虽然此类协议可以通过“节点自主竞争”实现多路并发通信对系统资源的共享，但绝大多数是针对半双工通信而设计的，本质上无法有效地支持全双工通信。
原因在于全双工无线通信中有上行传输需求的节点是自主竞争信道的，而下行数据是通过AP发送的，接入网络的节点不知道自己是否需要接收下行数据。如果AP随机从需要接受下行数据的节点中选择一个节点发送数据，那么这个节点有可能距离上行节点很近，会导致强烈的终端间干扰，造成通信失败。因此，在不增加额外控制信道(用来交互各节点的实时通信需求)的情况下，网络中的节点无法判断自己是否可以参与全双工通信，从而很难通过现有MAC机制建立非对等全双工通信。
发明内容
本发明旨在提供一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，以解决星状拓扑中非对等全双工网络存在终端间干扰以及全双工信道竞争接入的问题。
本发明提供的一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，包括如下步骤：
S1，各个节点进行上行信道竞争，赢得上行信道竞争的上行节点向AP发送导频信号和分离式RTS帧；所述分离式RTS帧包括RTS-1帧和RTS-2帧，在RTS-1帧前有导频信号；上行节点向AP发送分离式RTS帧时，先发送RTS-1帧前的导频信号，再用T(RTS-1)时间发送RTS-1帧，在间隔ts时间后再用T(RTS-2)时间发送RTS-2帧；
S2，AP接收到分离式RTS帧前的导频信号后，经过T(RTS-1)时间后以广播的方式发送导频信号和下行候选节点帧；其中，发送导频信号的时间为ts，发送下行候选节点帧的时间为T(RTS-2)；
S3，各个节点接收来自AP的下行候选节点帧；
S4，AP通过发送CTS帧进行上行信道竞争反馈；
S5，步骤S3中成功接收来自AP的下行候选节点帧的节点判断自己是否需要接收下行数据，将需要接收下行数据的这部分节点作为下行候选节点；下行候选节点在收到CTS帧后向AP发送FD-RTS帧；AP以第一个成功发送FD-RTS帧的下行候选节点为下行信道竞争的获胜者，即下行节点；
S6，AP向各个下行候选节点发送FD-CTS帧通知各个下行候选节点下行信道竞争结果；各个下行候选节点在收到来自AP的FD-CTS帧之后停止下行信道竞争，AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输。
进一步的，步骤S1中各个节点进行上行信道竞争的方法为：
如果信道空闲时间超过一段固定的时间td，需要发送上行数据的各个节点通过指数随机退避的方式进行上行信道竞争：即，各个节点根据竞争窗口的大小设置随机退避计时器的退避时间；设置随机退避计时器的退避时间后，各个节点监测信道是否空闲，如果信道空闲时间超过一段固定的时间td，则各个节点的随机退避计时器根据退避时间开始倒数，否则继续监听信道；随机退避计时器首先倒数至0的节点赢得上行信道竞争，即为上行节点；
其中，当有两个或两个以上节点设置了同样的退避时间，则在同一时刻发送RTS-1帧会发生碰撞，此时发生碰撞的节点将自己的竞争窗口扩大后重新进行上行信道竞争。
进一步的，步骤S2中所述下行候选节点帧的总长度与RTS-2帧相同，包括下行候选节点位图和FCS结构；所述下行候选节点位图包含K个bit，每一个bit对应一个节点。如果下行候选节点位图中的第k个bit被置为1，则表示节点k有下行数据需要接收，否则表示节点k没有下行数据需要接收；其中，节点的编号在节点接入网络时由AP分配。
进一步的，步骤S3中各个节点接收来自AP的下行候选节点帧的方法包括：
S31，计算各个节点处的信干噪比；
S32，比较各个节点处的信干噪比与信干噪比门限值：
(1)当节点处的信干噪比低于信干噪比门限值，则节点不能正确接收下行候选节点帧；
(2)当节点处的信干噪比高于信干噪比门限值，则节点能够成功接收下行候选节点帧，能够能够成功接收下行候选节点帧的节点参与下行信道竞争。
进一步的，步骤S31中计算各个节点处的信干噪比的方法为：
其中，ξk表示第k个节点处的信干噪比，P0表示AP的发射功率，Pi为上行节点的发射功率，N表示高斯白噪声的方差，dik表示上行节点与第k个节点的距离，L(d)～d-α为路径损耗，α为衰减因子。
进一步的，步骤S4中AP通过发送CTS帧进行上行信道竞争反馈的方法为：
判断AP是否成功接收分离式RTS帧：
(1)当AP成功接收分离式RTS帧时，表明没有发生碰撞，此时经过ts时间后，AP发送CTS帧；所述CTS帧包括帧控制结构、源地址、目的地址、竞争窗口大小和帧校验字段；
(2)当AP未成功接收分离式RTS帧时，表明有发生碰撞，AP不发送CTS帧；此时，当步骤S1中上行节点发送完分离式RTS帧的节点在经过ts时间后，如果没有收到CTS帧，则重新执行步骤S1。
进一步的，步骤S5中下行候选节点在收到CTS帧后向AP发送FD-RTS帧的方法为：
下行候选节点依据CTS帧中的竞争窗口大小独立地设置各自的随机退避计时器，经过ts时间，下行候选节点的随机退避计时器开始倒计时，当这些下行候选节点的随机退避计时器倒计时至0时，它们独立地向AP发送FD-RTS帧；所述FD-RTS帧包括下行候选节点的地址和FCS结构；其中，当有两个或两个以上下行候选节点设置了同样的退避时间，则这些下行候选节点在同一时刻发送了FD-RTS帧会发生碰撞，发生碰撞的FD-RTS帧无法被AP成功接收；此外，如果FD-RTS帧在传输过程中发生了错误，则该FD-RTS帧也无法被AP成功接收，对应的下行候选节点被认为竞争失败。
进一步的，步骤S5中如果在一次下行信道竞争中没有下行候选节点赢得下行信道竞争，则AP不发送FD-CTS帧，当节点在竞争窗口结束后，经过TimeOut时间没有收到FD-CTS帧，则再次以同样的竞争窗口大小进行下行信道竞争。
进一步的，设置下行信道竞争次数最大为N次，如果经过N次下行信道竞争仍然没有下行候选节点赢得下行信道竞争，那么AP将与上行节点进行半双工传输。
进一步的，步骤S6中，当AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输时，如果下行数据传输过程先于上行数据传输结束，则AP继续发送忙音以避免由于隐藏终端问题引发的碰撞。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明解决了星状拓扑中非对等全双工网络存在终端间干扰以及全双工信道竞争接入的问题，可应用于各种星状拓扑的无线自组网、无线网状网、无线局域网以及蜂窝微小区中，实现分布式的节点间配对、多用户资源竞争以及非对等全双工双向传输。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为点对点全双工无线通信原理示意图。
图2为非对等全双工无线网络示意图。
图3a为本发明实施例中基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法的流程图。
图3b本发明实施例中基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法中节点的交互流程图。
图3c本发明实施例中基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法中AP的交互流程图。
图4为本发明实施例中分离式RTS帧的结构图。
图5为本发明实施例中发送分离式RTS帧时的示意图。
图6为本发明实施例中传统的RTS帧的结构图。
图7为本发明实施例中下行候选节点帧的结构图。
图8为本发明实施例中CTS帧的结构图。
图9为本发明实施例中FD-RTS帧的结构图。
图10为本发明实施例中FD-CTS帧的结构图。
图11为本发明实施例中基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法的一个示例。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图3a、3b、3c所示，本实施例提出一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，包括如下步骤：
S1，各个节点进行上行信道竞争，赢得上行信道竞争的上行节点向AP发送导频信号(Preamble)和分离式RTS帧；如图4所示，所述分离式RTS帧包括RTS-1帧和RTS-2帧，在RTS-1帧前有导频信号；如图5所示，上行节点向AP发送分离式RTS帧时，先发送RTS-1帧前的导频信号，再用T(RTS-1)时间发送RTS-1帧，在间隔ts时间后再用T(RTS-2)时间发送RTS-2帧；由于RTS-1帧与RTS-2帧之间的间隔是固定的，通过RTS-1帧之前的导频信号即可实现信号同步，所以RTS-2之前不需要导频信号。且这两个部分独立进行信道编码，可以令AP分别接收RTS-1帧和RTS-2帧。
在传统的RTS/CTS握手机制中，节点发送的RTS帧结构如图6所示。之所以设计分离式RTS帧，是因为如果采用传统的RTS帧结构，则AP需要将RTS帧接收完整之后才能解码得知有节点发送了RTS帧，无法利用AP的全双工通信能力在接收RTS帧的同时广播下行数据缓存节点信息。通过发送分离式RTS帧，上行信道竞争的获胜者即上行节点发送RTS-1帧，用于告知AP有节点赢得了上行信道竞争。同时，通过RTS-1帧中的目的地址(DestinationAddress)通知AP自己的身份，随后经过ts时间，该节点发送RTS-2帧。此时，AP可以利用其全双工通信能力，在接收RTS-2帧的同时发送有下行数据缓存的节点信息(其作用在步骤S2和步骤S3中详细描述)。RTS-2帧包含要发送的包长度、源地址(该上行节点的地址)、目的地址(AP的地址)、帧校验字段FCS四部分，用于向AP表明上行节点的身份。
步骤S1中各个节点进行上行信道竞争的方法为指数退避的方式，具体如下：
如果信道空闲时间超过一段固定的时间td(这段时间长度可以是分布式帧间间隔Distributed Inter-Frame Space,DIFS)，需要发送上行数据的各个节点通过指数随机退避的方式进行上行信道竞争：即，各个节点根据竞争窗口的大小设置随机退避计时器的退避时间；设置随机退避计时器的退避时间后，各个节点监测信道是否空闲，如果信道空闲时间超过一段固定的时间td，则各个节点的随机退避计时器根据退避时间开始倒数，否则继续监听信道；随机退避计时器首先倒数至0的节点赢得上行信道竞争，即为上行节点；
其中，当有两个或两个以上节点设置了同样的退避时间，则在同一时刻发送RTS-1帧会发生碰撞，此时发生碰撞的节点将自己的竞争窗口扩大(一般扩大至原来的两倍，竞争窗口大小的上限可以设置为32个时隙，也可以设置为其他数值)后重新进行上行信道竞争。
S2，AP接收到分离式RTS帧前的导频信号(Preamble)后，经过T(RTS-1)时间后以广播的方式发送导频信号和下行候选节点帧；其中，发送导频信号的时间为ts，发送下行候选节点帧的时间为T(RTS-2)；
如图7所示，所述下行候选节点帧的总长度与RTS-2帧相同，包括下行候选节点位图和FCS结构；所述下行候选节点位图包含K个bit，每一个bit对应一个节点。如果下行候选节点位图中的第k个bit被置为1，则表示节点k有下行数据需要接收，否则表示节点k没有下行数据需要接收；其中，节点的编号在节点接入网络时由AP分配。
此外，下行候选节点帧还能够防止上行节点的隐藏节点通过发送RTS帧来进行上行信道竞争。这是因为，当上行节点在发送RTS帧时，其隐藏节点无法监听到来自它的信号。那么，这些隐藏节点会认为信道空闲，如果隐藏节点在这一时间段内也发送RTS帧，则会发生碰撞。如果AP通过广播的方式发送下行候选节点帧，则可以让这些隐藏节点监测到信道忙碌，避免上述情况的发生。
S3，各个节点接收来自AP的下行候选节点帧：
S31，计算各个节点处的信干噪比，计算公式如下：
其中，ξk表示第k个节点处的信干噪比，P0表示AP的发射功率，Pi为上行节点的发射功率，N表示高斯白噪声的方差，dik表示上行节点与第k个节点的距离，L(d)～d-α为路径损耗，α为衰减因子。
S32，比较各个节点处的信干噪比与信干噪比门限值：
由于下行候选节点帧与分离式RTS-2帧是在同一时间同一信道中发送的，根据上述计算公式可知，距离上行节点较近的节点与上行节点之间的终端间干扰Pi·L(dik)强度较大，从而导致这些节点处的信干噪比ξk降低；距离上行节点较远的节点与上行节点之间受到的终端间干扰较弱，这些节点处的信干噪比ξk较高，可以成功接收下行候选节点帧。因此：
(1)当节点处的信干噪比低于信干噪比门限值，则节点不能正确接收下行候选节点帧，从而无法参与下行信道竞争；
(2)当节点处的信干噪比高于信干噪比门限值，则节点能够成功接收下行候选节点帧，能够能够成功接收下行候选节点帧的节点参与下行信道竞争。
其中，信干噪比门限值可以根据调制方式和误码率的要求来确定。例如，PHS系统中使用QPSK调制方式，一般要求误码率在1％以内，则信干噪比的比值需要大于18dB。
S4，AP通过发送CTS帧进行上行信道竞争反馈；具体地，判断AP是否成功接收分离式RTS帧：
(1)当AP成功接收分离式RTS帧时，表明没有发生碰撞，此时经过ts时间后，AP发送CTS帧；如图8所示，所述CTS帧包括帧控制结构、原地址(AP的地址)、目的地址(上行节点的地址)、竞争窗口大小CW2和帧校验字段FCS；该CTS帧用于通知上行节点成功收到了分离式RTS帧，同时通知其他节点可以开始下行信道竞争以及设置下行信道竞争窗口的大小。这里，竞争窗口的大小可以设置为与接入网络的节点个数成正比，也可以设置为其他数值。当CTS帧发送完毕，则执行步骤S5。
(2)当AP未成功接收分离式RTS帧时，表明有发生碰撞，AP不发送CTS帧；此时，当步骤S1中上行节点发送完分离式RTS帧的节点在经过ts时间后，如果没有收到CTS帧，则重新执行步骤S1。
S5，步骤S3中成功接收来自AP的下行候选节点帧的节点判断自己是否需要接收下行数据，将需要接收下行数据的这部分节点作为下行候选节点；下行候选节点在收到CTS帧后向AP发送FD-RTS帧；AP以第一个成功发送FD-RTS帧的下行候选节点为下行信道竞争的获胜者，即下行节点；
其中，下行候选节点在收到CTS帧后向AP发送FD-RTS帧的方法为：
下行候选节点依据CTS帧中的竞争窗口大小CW2独立地设置各自的随机退避计时器，经过ts时间，下行候选节点的随机退避计时器开始倒计时，当这些下行候选节点的随机退避计时器倒计时至0时，它们独立地向AP发送FD-RTS帧；如图9所示，所述FD-RTS帧包括下行候选节点的地址(下行候选节点的地址)和FCS结构，用于表明参与下行信道竞争的下行候选节点的身份；其中，当有两个或两个以上下行候选节点设置了同样的退避时间，则这些下行候选节点在同一时刻发送了FD-RTS帧会发生碰撞，发生碰撞的FD-RTS帧无法被AP成功接收；此外，如果FD-RTS帧在传输过程中发生了错误，则该FD-RTS帧也无法被AP成功接收，对应的下行候选节点被认为竞争失败。
进一步，如果在一次下行信道竞争中没有下行候选节点赢得下行信道竞争，则AP不发送FD-CTS帧，当节点在竞争窗口结束后，经过TimeOut时间(一般将TimeOut时间设置为2ts)没有收到FD-CTS帧，则再次以同样的竞争窗口大小进行下行信道竞争。设置下行信道竞争次数最大为N次，如果经过N次下行信道竞争仍然没有下行候选节点赢得下行信道竞争(即AP没有成功接收到来自任何节点的FD-RTS帧)，那么AP将与上行节点进行半双工传输。如果有下行候选节点赢得下行信道竞争，即AP将发送者和接收者的地址分别设置为上行节点和下行节点的地址，由此AP与上行节点和下行节点准备参与非对等全双工下行传输。
S6，AP向各个下行候选节点发送FD-CTS帧通知各个下行候选节点下行信道竞争结果；各个下行候选节点在收到来自AP的FD-CTS帧之后停止下行信道竞争，AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输。所述FD-CTS帧的结构如图10所示，包括发送者的地址、接收者的地址和帧校验字段FCS。当AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输时，如果下行数据传输过程先于上行数据传输结束，则AP继续发送忙音以避免由于隐藏终端问题引发的碰撞。
其中，上述非对等全双工双向传输是指：(1)中心控制节点使用同一个无线信道(或频率)同时向下行节点发送数据并且接收来自上行节点的数据，如图2所示。(2)下行节点与中心控制节点使用同一个无线信道(或频率)同时发送下行确认信号与上行确认信号。
示例：
如图11所示，节点1赢得了上行信道竞争，向AP发送分离式RTS帧。AP在收到分离式RTS帧的导频信号后，经过T(RTS-1)时间发送下行候选节点帧。当AP成功接收分离式RTS帧之后，向节点回复CTS帧。其他节点成功收到了来自AP的下行候选节点帧以及CTS帧，开始下行信道竞争。由于节点2和节点3，以及节点4和节点5设置了相同的退避时间，它们的FD-RTS帧发生了碰撞，AP无法成功接收它们的FD-RTS。在经过TimeOut时间后，节点没有收到FD-CTS帧，得知此次竞争失败，所以开始第二次竞争。在第二次竞争过程中，节点2率先发送了FD-RTS帧，并且被AP成功接收，则AP在此次竞争结束后回复FD-CTS，通知节点2赢得了下行信道的竞争。随后，其他节点停止竞争，AP和上行节点(节点1)、下行节点(节点2)开始非对等全双工双向传输。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，各个节点进行上行信道竞争，赢得上行信道竞争的上行节点向AP发送导频信号和分离式RTS帧；所述分离式RTS帧包括RTS-1帧和RTS-2帧，在RTS-1帧前有导频信号；上行节点向AP发送分离式RTS帧时，先发送RTS-1帧前的导频信号，再用T(RTS-1)时间发送RTS-1帧，在间隔ts时间后再用T(RTS-2)时间发送RTS-2帧；
S2，AP接收到分离式RTS帧前的导频信号后，经过T(RTS-1)时间后以广播的方式发送导频信号和下行候选节点帧；其中，发送导频信号的时间为ts，发送下行候选节点帧的时间为T(RTS-2)；
S3，各个节点接收来自AP的下行候选节点帧；
S4，AP通过发送CTS帧进行上行信道竞争反馈；
S5，步骤S3中成功接收来自AP的下行候选节点帧的节点判断自己是否需要接收下行数据，将需要接收下行数据的这部分节点作为下行候选节点；下行候选节点在收到CTS帧后向AP发送FD-RTS帧；AP以第一个成功发送FD-RTS帧的下行候选节点为下行信道竞争的获胜者，即下行节点；
S6，AP向各个下行候选节点发送FD-CTS帧通知各个下行候选节点下行信道竞争结果；各个下行候选节点在收到来自AP的FD-CTS帧之后停止下行信道竞争，AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输。
2.根据权利要求1所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S1中各个节点进行上行信道竞争的方法为：
如果信道空闲时间超过一段固定的时间td，需要发送上行数据的各个节点通过指数随机退避的方式进行上行信道竞争：即，各个节点根据竞争窗口的大小设置随机退避计时器的退避时间；设置随机退避计时器的退避时间后，各个节点监测信道是否空闲，如果信道空闲时间超过一段固定的时间td，则各个节点的随机退避计时器根据退避时间开始倒数，否则继续监听信道；随机退避计时器首先倒数至0的节点赢得上行信道竞争，即为上行节点；
其中，当有两个或两个以上节点设置了同样的退避时间，则在同一时刻发送RTS-1帧会发生碰撞，此时发生碰撞的节点将自己的竞争窗口扩大后重新进行上行信道竞争。
3.根据权利要求2所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S2中所述下行候选节点帧的总长度与RTS-2帧相同，包括下行候选节点位图和FCS结构；所述下行候选节点位图包含K个bit，每一个bit对应一个节点，如果下行候选节点位图中的第k个bit被置为1，则表示节点k有下行数据需要接收，否则表示节点k没有下行数据需要接收；其中，节点的编号在节点接入网络时由AP分配。
4.根据权利要求3所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S3中各个节点接收来自AP的下行候选节点帧的方法包括：
S31，计算各个节点处的信干噪比；
S32，比较各个节点处的信干噪比与信干噪比门限值：
(1)当节点处的信干噪比低于信干噪比门限值，则节点不能正确接收下行候选节点帧；
(2)当节点处的信干噪比高于信干噪比门限值，则节点能够成功接收下行候选节点帧，能够能够成功接收下行候选节点帧的节点参与下行信道竞争。
5.根据权利要求4所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S31中计算各个节点处的信干噪比的方法为：
其中，ξk表示第k个节点处的信干噪比，P0表示AP的发射功率，Pi为上行节点的发射功率，N表示高斯白噪声的方差，dik表示上行节点与第k个节点的距离，L(d)～d-α为路径损耗，α为衰减因子。
6.根据权利要求4或5所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S4中AP通过发送CTS帧进行上行信道竞争反馈的方法为：
判断AP是否成功接收分离式RTS帧：
(1)当AP成功接收分离式RTS帧时，表明没有发生碰撞，此时经过ts时间后，AP发送CTS帧；所述CTS帧包括帧控制结构、源地址、目的地址、竞争窗口大小和帧校验字段；
(2)当AP未成功接收分离式RTS帧时，表明有发生碰撞，AP不发送CTS帧；此时，当步骤S1中上行节点发送完分离式RTS帧的节点在经过ts时间后，如果没有收到CTS帧，则重新执行步骤S1。
7.根据权利要求6所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S5中下行候选节点在收到CTS帧后向AP发送FD-RTS帧的方法为：
下行候选节点依据CTS帧中的竞争窗口大小独立地设置各自的随机退避计时器，经过ts时间，下行候选节点的随机退避计时器开始倒计时，当这些下行候选节点的随机退避计时器倒计时至0时，它们独立地向AP发送FD-RTS帧；所述FD-RTS帧包括下行候选节点的地址和FCS结构；其中，当有两个或两个以上下行候选节点设置了同样的退避时间，则这些下行候选节点在同一时刻发送了FD-RTS帧会发生碰撞，发生碰撞的FD-RTS帧无法被AP成功接收；此外，如果FD-RTS帧在传输过程中发生了错误，则该FD-RTS帧也无法被AP成功接收，对应的下行候选节点被认为竞争失败。
8.根据权利要求7所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S5中如果在一次下行信道竞争中没有下行候选节点赢得下行信道竞争，则AP不发送FD-CTS帧，当节点在竞争窗口结束后，经过TimeOut时间没有收到FD-CTS帧，则再次以同样的竞争窗口大小进行下行信道竞争。
9.根据权利要求8所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，设置下行信道竞争次数最大为N次，如果经过N次下行信道竞争仍然没有下行候选节点赢得下行信道竞争，那么AP将与上行节点进行半双工传输。
10.根据权利要求8所述的基于分离式RTS帧的非对等全双工媒体访问控制方法，其特征在于，步骤S6中，当AP与上行节点和下行节点进行非对等全双工下行传输时，如果下行数据传输过程先于上行数据传输结束，则AP继续发送忙音以避免由于隐藏终端问题引发的碰撞。
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