CN1889561B

CN1889561B - 分布式网络中同步与异步mac协议的平滑过渡方法

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Publication number: CN1889561B
Application number: CN2005100797611A
Authority: CN
Inventors: 李青; 于宏毅; 张效义; 张大龙
Original assignee: PLA Information Engineering University
Current assignee: PLA Information Engineering University
Priority date: 2005-06-28
Filing date: 2005-06-28
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-06-28
Also published as: CN1889561A

Abstract

本发明涉及一种分布式网络中同步与异步MAC协议的平滑过渡方法。具体为：1)节点维护并发布同步协议的信道分配信息以及异步协议的信道分配信息；2)根据所述信道分配信息判断邻节点为同步节点或为异步节点；3)同步节点根据所述信道分配信息，选取空闲时隙发送数据；以及异步节点根据所述信道分配信息，在信道的空闲期内完成数据发送。综上所述，本发明中同步MAC协议和异步MAC协议可共同使用网络中的信道资源完成同步节点间、异步节点间及同步与异步节点间的通信，与现有技术相比，本发明避免了人为造成节点在同步和异步状态的切换所带来的资源开销；并且，降低了节点间通信的复杂度。

Description

分布式网络中同步与异步MAC协议的平滑过渡方法

技术领域

本发明涉及分布式网络中同步与异步MAC协议的平滑过渡方法，尤其是一种适用于移动自组网内分别使用同步与异步MAC协议的节点间实现平滑通信的方法。

背景技术

移动自组网是一种通用的移动通信方式。所述移动自组网是一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个多跳的临时性自治系统。该通信系统是一种无中心的分布式控制网络，不需要网络基础设施的支撑，可以根据需要随时随地组成网络实现多跳移动通信。

移动自组网的节点兼备路由器和主机两种功能，节点作为主机时，运行面向用户的应用程序，节点作为路由器时，运行相应的路由协议，根据路由策略和路由表参与数据分组转发工作和路由维护工作；移动自组网环境中，各节点的无线通信覆盖范围有限，两个无法直接通信的节点借助其他节点的分组转发进行数据通信。

通常认为移动自组网节点处于某种时间基准设施，比如全球定位系统(GPS，Global Position System)覆盖范围之内，所以节点间的同步是容易实现的。而在实际中，部分移动自组网节点会处于室内或丛林等有遮蔽的环境中，造成无法收到GPS信号，如图1所示，节点4和节点5处于室内，因而无法实现与其它节点的同步；甚至，若在办公室或家庭内组建移动自组网，网络中的所有节点都无法与GPS实现同步，则该网络为一纯粹的异步网络。

为解决上述问题，目前较常见的方法是采用分布式同步算法让整个网络在时间上取得同步。所谓分布式同步算法是相对于有中心的网络而言，有中心控制式的网络可以由中心节点负责网络的同步，在移动自组网中各节点的地位平等，没有中心节点，所以要实现异步网络变为同步网络要用分布式同步算法。

以BR-TDMA协议为例，处于同步状态的节点发送BR-TDMA协议中所设计的信标，其它与同步节点相邻的异步状态的节点获取该信标，进而与发送信标的节点取得同步，成为同步节点。进而与该节点相邻的异步节点通过同样的方法取得同步；在节点取得同步后，还需要定期发信标，以维持所有节点的同步状态。通过上述多级进行的同步，最终实现全网的同步，使网络可运行在同步协议下。

该方法的缺陷在于：一方面，需要额外的开销实现节点间的同步，且对同步算法的收敛速度要求较高；另一方面，判断网络是否已完全同步也是一个难点；而且即使已经实现同步，网络中的节点也会在同步状态与异步状态间不断切换，此外该方法的同步精度也受一定限制；

综上所述，现有算法通常带来大量的开销，并且需要周期维护节点间的同步，同步的精确程度也受到限制。

发明内容

本发明要解决的问题是提供分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，该方法能够实现网内同步节点和异步节点使用不同的MAC协议进行通信。

为解决上述技术问题，本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

1)同步节点发布同步协议中定义的信道分配信息以及异步节点发布异步协议定义的信道预约信息，同步节点和异步节点通过侦听，获取并维护邻节点的信道分配信息或信道预约信息；2)根据所述信道分配信息或信道预约信息判断邻节点为同步节点或为异步节点；3)同步节点根据所述信道分配信息，选取空闲时隙发送数据；异步节点根据所述信道预约信息，在信道的空闲期内完成数据发送；同步节点与异步节点之间选择所述信道分配信息或信道预约信息中不影响正在进行的同步节点及异步节点通信的可用信道进行数据发送。

上述方法中，节点通过监听邻节点发送的数据分组或通过监听邻节点的控制信息获取所述信道分配信息或信道预约信息。进一步，节点还可通过广播询问分组的方式，请求发送信道分配信息或信道预约信息，被请求节点发送所述同步节点信道分配信息或异步节点的信道预约信息。节点保存所获取的邻节点信道分配信息或信道预约信息；以及通过上述方法获取、更新以及删除信道分配信息或信道预约信息。

在上述方法基础上，2)具体为：发起呼叫的节点查找所述同步协议信道分配信息，若包含呼叫目的节点信息，则呼叫发起节点获知所述呼叫目的节点为同步节点；否则，发起呼叫的节点查找所述异步协议的信道预约信息，若包含呼叫目的节点信息，则发起呼叫的节点获知所述呼叫目的节点为异步节点。

上述方法基础上，3)中还包括：同步节点与异步节点间通信时，数据发送节点为接收节点选择并告知接收节点返回数据时可占用的信道。

本发明中，在1)之前还包括预置超帧结构，可实现的方法包括：将所述超帧结构划分为同步通信期和异步通信期；则在上述方法的3)中进一步包括同步节点发送信息说明异步通信期的起始位置信息，使异步节点获知所述异步通信期的起始位置。

以上技术方案可以看出，在本发明中，为网络分别设计同步MAC协议和异步MAC协议；同步MAC协议和异步MAC协议分别定义、使用自己的信道分配信息；节点通过侦听获得并同时维护同步邻节点和异步邻节点的信道分配信息；节点根据当前所运行的协议发布自己的信道分配情况。同步节点间通信时采用同步MAC协议，异步节点间通信时采用异步MAC协议。同步与异步节点间的通信根据侦听到的信道使用情况选择相应的可用信道，采用适当的协议流程进行通信。因而，本发明能够避免对相邻节点的通信造成干扰，又能够实现不同状态节点间的通信。综上所述，本发明中同步MAC协议和异步MAC协议可共同使用网络中的信道资源完成同步节点间、异步节点间及同步与异步节点间的通信。与现有技术相比，本发明避免了人为造成节点在同步和异步状态的切换所带来的资源开销；并且，本发明中避免使用现有技术中的分布式同步算法，因而降低了节点间通信的复杂度，例如不存在难以确定网络是否处于同步状态、同步不够精确的问题，及周期维护网络同步的需求。

进一步，本发明的方法使用灵活，不受具体MAC协议的限制，并且，由于同步节点与异步节点根据网络环境的改变而改变所采用的MAC协议，因而本发明能够适应实际应用中网络环境及通信场景的多样性。

附图说明

图1为移动自组网结构示意图；

图2为本发明中第一种信道使用示意图；

图3为本发明中第二种信道使用示意图；

图4为预约表所描述的信道使用状况示意图；

图5为移动自组网通信示意图。

具体实施方式

本发明的目的是通过为移动自组网分别设计同步MAC协议和异步MAC协议，针对节点所处状态的不同采用不同的MAC协议，最终实现网络在不同状态间的平滑过渡。本发明中所述同步节点指节点间能够通过某种网络时钟基准实现严格的时间同步，因而在通信中采用同步MAC协议；所述异步节点是指节点无法与所述的网络中的时间基准形成严格的时间同步，因而通常在通信中采用异步MAC协议。

为达到上述目的，本发明的核心思想是：节点根据所运行的协议发布同步协议的信道分配信息或异步协议的信道分配信息，并且通过侦听，获取并维护邻节点的信道分配信息；根据所述信道分配信息判断邻节点为同步节点或为异步节点；同步节点间根据所述信道分配信息，在空闲时隙发送数据；以及异步节点间根据所述信道分配信息，在信道的空闲期内完成数据发送；同步与异步节点间的通信根据侦听到的信道使用情况选择不影响正在进行的同步节点及异步节点的通信的可用信道，采用适当的协议流程进行通信。

根据以上核心思想，下面具体说明本发明的实现方式。

在为网络分别设计了同步MAC协议和异步MAC协议之后，本发明中提供了两种信道使用方式，使得所述同步和异步MAC协议可以使用相同的物理信道。

1)定义一个超帧结构，超帧的一部分给同步协议使用、一部分给异步协议使用，如图2所示。

在这种信道使用方式中，同步节点间的通信使用同步MAC协议，仍以时隙为单位使用信道，可以定义自己的帧结构，作为超帧结构的一部分，即同步期；异步节点间的通信使用异步MAC协议在超帧中的其余部分完成，即异步期。同步节点与异步节点间的通信可以根据网络中同步业务量与异步业务量的多少灵活选择，比如，同步期中的信道繁忙，同步节点可以在异步期中与异步节点通信，反之异步期中信道繁忙，同步节点可以通知异步节点在什么时间开始及结束业务的发送，这样让异步节点在同步期中完成通信。这种做法的实质就是让同步MAC协议和异步MAC协议分时段来工作。

超帧中两部分的比例可以为固定长度，也可以根据具体的应用场景进行动态配置，即如果同步协议的业务量较大可以扩大同步部分的信道比例，反之可以扩大异步部分的信道比例。

在实现上述的信道使用方式时，具体应包括：

11)同步节点在发送信息时说明当前时隙号、或是在同步期结束时发送信标，这样让异步节点知道异步期的开始；异步节点知道预定的帧长，即知道异步期到什么时间结束；

12)节点在无业务时侦听信道，获得邻节点的信道使用情况，包括同步邻节点及异步邻节点分别发布的信道使用情况，根据这些记录判定邻节点中同步节点与异步节点的多少，从而调整两部分信道的比例，具体的调整步长及调整算法可以灵活定义；

13)当节点的周围全是同步节点时，可以把同步期扩展到整个超帧长；当节点的周围全是异步节点时，则整个超帧都为异步期，不存在帧的概念。

2)参照图3，说明本发明的另一种信道使用方式，该方式中同步协议仍以时隙为单位使用信道，定义用自己的帧结构，异步协议不使用帧结构。这种信道使用方式使同步协议和异步协议在空间上分别运行，所使用的信道在时间上重叠，即实现信道(时隙)的空间复用。这种方式要求MAC协议中有较完善的信道资源的管理与分配机制，该方式对具体的网络环境没有要求，适应性要好，无论网络中是同步节点占多数还是异步节点占多数，这种信道使用方式都能较好的工作。

基于上述信道使用方式，为了实现同步节点使用同步MAC协议而异步节点使用异步MAC协议的功能，节点应从网络中获取以下两个数据结构：

1)同步MAC协议要保存信道分配列表(即时隙使用列表CUL)，其作用是记录本节点或是邻节点在某个时隙的状态，如：接收数据、发送数据或空闲等状态。下表为本实施例所举一常用结构。

表1

业务信道节点ID	信道1	信道2	信道3	信道4	信道...
						本节点ID	发送	发送
邻节点1	接收
						邻节点2		发送
邻节点3				发送

上表所示数据结构包含以下信息：

子信道号：可以是时隙也可以是码道也可以是二维的某个时隙的某个码道；

本节点ID：本节点的MAC地址；

本节点在确定信道的状态：发送状态、接收状态、或是空闲状态；

邻节点的ID；可以是一跳邻节点也可以包括到两跳邻节点；

邻节点在确定信道的状态：发送状态、接收状态、或是空闲状态。

上述数据结构中也可不包括邻节点的信息。

2)异步MAC协议要求保存预约表，用于记录异步节点的通信状态。这种记录可以用网络分配向量来表示，即将进行或是正在进行的业务将持续的时长；也可以是异步分组预约机制，只记录周期业务的使用信道的情况；或是其它的算法或是机制。

以网络分配向量(802.11的一种机制)为例，在控制信息(RTS、CTS)中包括了本节点通信预计的时长信息。

以异步分组预约机制为例，在控制信息中包括了本节点隔多少时间将再次占用信道，以及下次占用信道的时长信息。

上述无论哪种具体形式都是为了记录节点将要占用信道的信息，所以被称为预约表(RT)。由于RT表的可能形式是多样的，因而本领域技术人员可根据具体表结构设定具体的查表算法，本发明中并不做限定。下表为本实施例所举一常用结构。

表2

占用信道描述本节点 ID

占用信道的时间起点

占用信道的时间终点

占用信道的状态(收、发)

是否同时期占用

占用信道的时间起点

占用信道的时间终点

占用信道的状态(收、发)

是否同时期占用

本节点

10:01

10:08

发

是

邻节点1

10:20

10:26

收

否

11:08

11:15

发

否

邻节点2

12:30

收

否

本发明中不限定CUL中的时间单位(时隙和帧)的特点，也不限定RT 中记录的时间单位，可以是定长的时间单位，也可以是随时变长的时间单位。表中所体现的信道使用方式可为上文所述两种信道使用方式之一或其他方式。

参照图4，进一步说明异步协议中预约表所描述的信道使用状况。如图所示，上表中异步状态下的本节点对信道为周期占用，即在异步状态下，所述本节点每次以固定间隔占用固定长度的时间发送数据；同样，上表中异步状态下的邻节点1与邻节点2以非周期的方式占用信道，如图所示，邻节点1占用两段分散的时间用于发送数据，邻节点2占用一段较长的时间用于发送数据。

综上所述，所述预约表应该能描述出如图4所示的节点对信道的使用情况，具体实现时可以定义异步节点中占用信道的最小单位、最大单位等参量，而不必用上文表2中所示的具体时间表示。

如果是第一种信道使用方式，则预约表所描述的是超帧中异步期节点对信道的占用。如果是第二种信道使用方式则是异步节点对整个信道的占用情况。

以上两个表所示的数据结构是节点在没有业务时对信道的侦听获得的。由于某个节点周围可能同时存在同步节点与异步节点，所以即使只有同步协议在运行，节点也会同时维护上文所述的两个数据结构。

以上两个表的内容可以是在节点的控制信道中向邻节点发布，也可以是在业务分组中发送。节点可以只发布自己的信道使用情况，也可以传播其邻节点的信道使用情况。

节点在侦听获取所述表1及表2信息时，可以通过侦听邻节点的具体发送的数据分组而得知本次通信的相关信息；或者，也可以侦听邻节点控制信息中所携带的本次通信的相关信息。例如：在异步协议中采用了网络分配向量的做法，即在请求发送(RTS)-清除发送(CTS)-(发送数据)DATA分组的握手机制的过程中携带本次通信将持续的时长信息，进而，无论接收节点的邻节点，或是发节点的邻节点都能知道本次通信的相关信息。

节点为了获得邻节点最新的信道分配信息，需要根据协议的具体设计在发送之前在一段时间内侦听信道，这段时间可以根据具体的协议确定。

在上述的获取所述两表信息的方法基础上，节点在不断地侦听信道时会更新同一邻节点的相关记录，并且，如果长时间没有侦听到某个节点的信息，可以删除该项记录。

综上所述，本发明中所述CUL和RT表体现了同步节点与异步节点的信道使用状况。节点在获取上述信道分配列表信息以及预约表信息后，即可通过查表等过程获知如何分配信道资源实现同步节点与同步节点、异步节点与异步节点以及同步节点与异步节点间的通信。在第一种信道使用方式下节点间的通信过程较简单，同步节点间以同步协议在同步期完成通信，异步节点间以异步协议在异步期完成通信，同步节点与异步节点间的通信需选择同步节点没有业务的同步期或是异步节点没有业务的异步期进行的通信。这里不再详述。以下以第二种信道使用方式为例具体介绍该方法的实施方式。

参照图5，处于室外环境的节点认为都可以收到GPS，即图中节点1、2、3、5、6处于同步状态。在室内环境的节点都为异步节点，即图中节点4、7、8、9为异步节点，以下将分两类情况说明节点间的通信方法。

这里的信道使用情况以时间轴为描述对象，即信道使用情况描述的节点占用信道的某段时间。实际中不局限于时间，信道也可以是一个时隙中的某几个码道或是频点。

1)设图5中的节点5发起呼叫，依据本发明的核心思想，节点5中运行的是同步MAC协议。

节点5在发起通信时，首先查找自己维护的同步协议使用的信道分配列表(CUL)，如果该表中有目的节点的记录，则该目的节点为一个同步节点，节点5和这样的节点进行通信时就采用同步协议；

举例：如图中所示的节点5与节点6的通信，两节点间的通信过程及所选用的时隙遵循具体的同步MAC协议的规则；在本发明中，节点5中会存有节点9的预约表，因而，若节点9没有进行呼叫业务，则节点5查找自己的CUL，并选择任意空闲信道即可与节点6进行通信；如果节点9的预约表不为空，即节点9正在进行呼叫业务，则节点5应在自己的可选用的发送信道集合中去除节点9所使用的信道，即，节点5应从上述两个表可用信道的交集选取信道进行与节点6的通信。本例中重点说明的是信道的选择，具体的消息流程由具体的MAC协议确定。如果同步MAC协议与异步MAC协议定义的消息流程相同，则只需按流程发起呼叫。如果定义了完全不同的消息流程，则需要选择采用同步的消息流程或是异步的消息的流程。

如果上述节点5的CUL中没有当前呼叫目的节点的信息，则节点5应进一步查找预约表，如果预约表RT中包含所述目的节点的信息，则节点5可获知该目的节点处于异步状态，进而选择可用的信道发起呼叫；

举例：设图中同步节点5将呼叫异步节点9，经过查找，节点5没有在自己的CUL中获取节点9的信息，则节点5继续查找RT表，并在RT表中获取了节点9的信息，则节点5获知节点9处于异步状态；进而，节点5根据RT表和CUL表选择节点5可以发送，目的节点9可以接收的信道(即不与其他邻节点使用信道相冲突)进行通信；进一步，如果节点5与节点9之间将进行双向业务，即目的节点9需要返回发送数据，则节点5还应告知目的节点9 发送数据所可以选用的时隙。上述方法可以保证节点5与节点9之间的通信不会破坏周围同步节点的通信。本例中重点说明的是信道的选择，具体的消息流程由具体的MAC协议确定。如果同步MAC协议与异步MAC协议定义的消息流程相同，则只需按流程发起呼叫。如果定义了完全不同的消息流程，则需要选择采用同步的消息流程或是异步的消息的流程。

在上述方法基础上，如果节点5要通信的目的节点在RT表中和CUL中都没有，则节点5按同步协议发送询问分组，目的节点收到询问分组后回复自己的状态，即只要发回信道分配列表CUL或是预约表RT即可。

2)设图5中的节点4发起呼叫，依据本发明的核心思想，节点4中运行的是异步MAC协议。

节点4在发起通信前，首先查自己的RT表，若有目的节点的记录，则该目的节点为异步节点，并且节点4和该节点进行通信时采用异步协议；

举例：如图中所示的节点4与节点7的通信，两节点间的通信过程遵循具体的异步MAC协议的规则；在本发明中，节点4中会存有节点3的CUL表，节点4根据该CUL，选与表中的同步及异步节点不冲突的时间进行通信，所述选取的通信时间以同步协议中的时隙为基本时间单位，其对时隙占用的方式参照上文对图4的说明。

如果节点4所要呼叫的目的节点在CUL中，则节点4获知该目的节点处于同步状态(如图中的节点3)，则节点4应根据自己的RT表和所述的CUL表，选取空闲的时隙进行通信。如上文所述，由于本质上异步节点可选取任意的时间进行通信，因而本发明中异步节点可以以时隙为基本单位，任意占用一个或多个空闲的时隙进行数据发送，其对时隙占用的方式参照上文对图4的说明；

如果在RT表和CUL表中都没有该目的节点的记录，则节点4发送询问分组进行探询，目的节点收到询问分组后回复自己的状态，即只要发回信道分配列表CUL或是预约表RT即可。

上文所举实施例中，发起呼叫的节点先在CUL和RT中查找目的节点的信道(时隙)分配信息，同样，本发明中，呼叫节点也可直接广播询问分组，请求发送时隙分配信息，被请求节点发送所述CUL表信息或RT表信息。

本发明用于实现移动自组网中同步或是异步状态有变化时节点间的通信，如上文所述，本发明所述的同步节点是能够进行时间同步的节点，即该节点处于GPS、或基站、或其他时间基准设施覆盖范围内；所述异步节点是指无法进行时间同步的节点。因此，本发明不仅可应用于无线移动自组网，也可应用于无线局域网的无中心形式或其他分布式网络，如传感器网；并且，本发明并不限定所述同步节点的同步方式，除本文所述的移动自组网内现有的同步方式外，同步节点也是可位于现有移动通信网覆盖范围内，通过基站进行同步。

以上对本发明所提供的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种分布式网络中同步媒体访问控制MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于：

1)同步节点发布同步协议中定义的信道分配信息以及异步节点发布异步协议定义的信道预约信息，同步节点和异步节点通过侦听，获取并维护邻节点的信道分配信息或信道预约信息；

2)根据所述信道分配信息或信道预约信息判断邻节点为同步节点或为异步节点；

3)同步节点根据所述信道分配信息，选取空闲时隙发送数据；异步节点根据所述信道预约信息，在信道的空闲期内完成数据发送；同步节点与异步节点之间选择所述信道分配信息或信道预约信息中不影响正在进行的同步节点及异步节点通信的可用信道进行数据发送。

2.如权利要求1所述的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于，1)中包括：

节点通过监听邻节点发送的数据分组或通过监听邻节点的控制信息获取所述信道分配信息或信道预约信息。

3.如权利要求2所述的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于，2)具体为：

发起呼叫的节点查找所述同步协议信道分配信息，若包含呼叫目的节点信息，则呼叫发起节点获知所述呼叫目的节点为同步节点，否则，

发起呼叫的节点查找所述异步协议的信道预约信息，若包含呼叫目的节点信息，则发起呼叫的节点获知所述呼叫目的节点为异步节点。

4.如权利要求2所述的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于，1)中进一步包括：

节点广播询问分组，请求发送信道分配信息或信道预约信息，被请求节点发送所述同步节点信道分配信息或异步节点的信道预约信息。

5.如权利要求1所述的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于，3)中还包括：

同步节点与异步节点间通信时，数据发送节点为接收节点选择并告知接收节点返回数据时可占用的信道。

6.如权利要求1所述的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于：

1)中进一步包括节点保存所获取的邻节点信道分配信息或信道预约信息；以及更新、删除信道分配信息或信道预约信息。

7.如权利要求1所述的分布式网络中同步MAC协议与异步MAC协议的平滑过渡方法，其特征在于：

1)之前包括：预置超帧结构，所述超帧结构划分为同步通信期和异步通信期；

3)中进一步包括：同步节点发送信息说明异步通信期的起始位置信息，使异步节点获知所述异步通信期的起始位置。