一種分布式媒體接入協議的製作方法

2023-05-25 17:07:31 2

專利名稱：一種分布式媒體接入協議的製作方法
技術領域：
本發明涉及無線區域網(WLAN)中的媒體接入控制(MAC)協議， 具體涉及一種分布式媒體接入協議。
背景技術：
分布式無線網絡近來受到越來越多的關注，在這類網絡中，媒體介入 協議起到了協調各節點接入的重要作用。目前在無線區域網中用得最多的 是802.11協議，
802.11標準的基本媒介訪問控制(Medium Access Control, MAC)方法是 基於二進位指數退避策略的載波偵聽多址訪問/碰接迴避(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)機制，也就是分布式協 調功能(Distributed Coordination Function, DCF)。站點在發送數據前，應檢 測媒介上是否有其它的站點正在發送數據。如果媒介空閒，則站點就可以 發送數據。CSMA/CA分布式算法強制規定在連續2次幀發送之間，媒介 上必須要有一段間隔。將要發送數據的站點必須在發送數據前確保在它請 求使用媒介的時間期間內媒介空閒。如果媒介檢測表明處於忙狀態時，站 點將推遲其數據發送，直至當前幀發送完畢。在推遲發送後，或者在成功 發送後，如果需要立即再次發送時，站點將選擇一個隨機退避間隔。
802.11e標準作為802.11的擴展，在MAC層採取多種優先級區分策略 支持帶服務質量要求的業務。S02.11e在802.11中DCF機制的基礎上，提 出了增強的分布協調接入(Enhanced Distributed Coordination Access, EDCA)。
然而這類分布式的媒體接入協議的效率受到兩個因素的制約， 一個是衝突，另一個是兩個連續數據包發送之間空閒的時隙，這兩個因素又是相
互矛盾的。在802.11和802.11e協議中，增加站點的退避窗口大小雖然可 以降低衝突發生的概率，卻會增加兩個連續數據包發送之間信道空閒的時 間；相反，減小站點的退避窗口雖然可以減少兩個連續數據包發送之間信 道空閒的時間，卻會增加衝突發生的概率。綜上所述，在802.11或802.11e 協議下，信道的利用率會有一個上限，而這個上限達不到理論下極限的信 道利用率。

發明內容
本發明的目的是提供一種分布式媒體接入協議，該協議在將兩個連續 數據包發送之間空閒的時隙數降到最低(不超過1)的同時，降低了衝突 發生的概率，提高了分布式網絡的媒體接入效率。
本發明提供的分布式媒體接入協議，步驟包括-
(1) 當站點進入網絡後，應調用載波偵聽機制確定當前媒介狀態，若 站點有數據包要發送，則同時監聽主信道和忙音信道，若忙音信道忙，則 站點將推遲其發送，直至忙音信道空閒時間為忙音間間隔IBS,跳到步驟
(2);若在主信道上正確接收到了發給自己的準備發送包，則回復清除發 送包，跳到步驟(9);其中，IBS定義為
ms = z)/i^+"個時隙 w > 3
n表示為業務的優先級序號，優先級越高，序號越低；
(2) 在忙音信道空閒IBS後，如果站點的退避時間為零，則站點生成 一個新的隨機退避時間，跳到步驟(3)，如果其退避時間為非零值，則使 用當前的退避時間，跳到步驟(3);
(3) 當忙音信道持續空閒了 1個時隙，站點的隨機退避時間減去1個時隙，跳到步驟(4);相反，若忙音信道在這個時隙內變忙，則回到步驟 (1);
(4) 若站點的隨機退避時間不為O，則回到步驟(3);若站點的退避 時間為0，則開始在忙音信道上發送忙音信號，忙音信號發送完後跳到步
驟(5);
(5) 停止發送忙音信號1到2個時隙，同時監聽忙音信道和主信道； 若在其間忙音信道變忙，表明有其它站點也在競爭主信道，則回到步驟(l); 若其間忙音信道一直空閒而主信道在某時刻為忙，則再次發送忙音信號， 持續一個時隙，重複步驟(5);若其間忙音信道和主信道都一直空閒，則 不再發送忙音信道，跳到步驟(6);
(6) 若主信道持續空閒了 DIFS，且忙音信道一直空閒，則在主信道 上向目標站點發送準備發送清除發送包，同時在忙音信道上持續發送忙音 信號直道準備發送包發送完畢，跳到步驟(7);若主信道在DIFS時間到達
之前變忙而忙音信道一直空閒，則表示主信道正在被使用，再次發送忙音
信號，持續一個時隙，回到步驟(5);若忙音信道在DIFS時間到達之前變 忙而主信道一直空閒，則回到步驟(1);
(7) 若站點正確接收到來自目標站點的清除發送包，則向目標站點發 送數據包，跳到步驟(8);若在超時時間內沒有正確接收到來自目標站點 的清除發送包，則表明發生衝突，此次傳輸失敗，若站點的窗口大小已經 到達最大窗口大小，則站點的窗口大小保持不變，否則站點的窗口大小翻 倍，回到步驟(1);
(8) 若站點正確接收到來自目標站點的確認包，則表明此次傳輸成功， 回到步驟(1);若在超時時間內沒有正確接收到來自目標站點的清除發送 包，則表明發生衝突，此次傳輸失敗，回到步驟(1);
(9) 若站點正確接收到了發給自己的數據包，則回復ACK確認包， 轉入步驟(1);否則直接轉入步驟(1)。本發明採用的是添加一個窄帶的忙音信道的方法，雖然國內外採用添 加忙音信道的方法有很多，但是其目的都是為了解決在無線自組織網絡中 的隱藏節點和暴露節點的問題，而不是用來提高無線信道的接入效率，並 且這些方法要增加額外的無線收發機來支持忙音信道，也提高了無線節點 的成本。本發明雖然添加了忙音信道，卻不需要增加額外的無線收發機來 支持忙音信道。本發明協議在將兩個連續數據包發送之間空閒的時隙數降 到最低(不超過1)的同時，儘可能地降低衝突發生的概率，從而提高分布式網絡的接入效率。本發明可以從根本上解決基於802.11的多點接入協 議的效率低下的問題。


圖l(a)為主信號和忙音信號的頻譜示意圖，圖l(b)為站點收發機的結構示意圖；圖2為本發明分布式媒體接入協議的流程示意圖；圖3為性能仿真中系統吞吐量的對比示意圖；圖4為性能仿真中語音站點衝突概率的對比示意圖；圖5為性能仿真中視頻站點衝突概率的對比示意圖；圖6為性能仿真中盡力而為的站點衝突概率的對比示意圖。
具體實施方式
如圖1 (a)、 (b)所示，在無線網絡的頻帶中加入一個忙音信道，此信 道是一個極窄帶的信道，甚至可以是一個單頻信道，因此不會影響無線信 道的帶寬。由於本發明不需要在一個信道發送信號的同時另一個信道接收 信號，因此只需要一個收發機，在接收方向上採用帶通濾波器或相干檢測 的方法來分離兩種信號。採用了這種方法後，在某個節點正在佔用信道發送數據包的同時，其它節點可以利用忙音信道來競爭信道，從而使兩個發送的數據包之間的空 閒時隙數達到最低(最多不超過l個)。本發明在衝突避免方面也提出了新的退避算法，由於本發明是分布式的媒體接入協議，因此每個站點都遵循同樣的退避過程。圖2示意出本發 明協議的過程。下面具體說明本發明協議的過程(1) 當站點進入網絡後，應調用載波偵聽機制確定當前媒介狀態。若 站點有數據包要發送，則同時監聽主信道和忙音信道，若忙音信道忙，則 站點將推遲其發送，直至忙音信道空閒時間為忙音間間隔IBS (Inter Busy Space, IBS定義如式(l)所示，其中業務的優先級越高，"值越小)，跳到步 驟(2);若在主信道上正確接收到了發給自己的準備發送(Ready To Send, RTS)包(見802.11標準)，則回復清除發送(Clear To Send, CTS)包(見802.11 標準)，跳到步驟(9)。(2) 在忙音信道空閒IBS後，如果其退避時間為零，則站點生成一個 新的隨機退避，跳到步驟(3)，如果其退避時間為非零值，則使用當前的 退避時間，跳到步驟(3)。退避時間由此定義退避時間=偽隨機整數X 時隙時間，其中偽隨機整數從[O，窗口大小]中均勻選取。在站點第一次試 圖發送該數據包時，窗口大小為初始窗口大小(初始窗口大小為一固定參數, 見802.11標準)。(3) 當忙音信道持續空閒了 1個時隙，站點的隨機退避時間減去1個時隙，跳到步驟(4);相反，若忙音信道在這個時隙內變忙，則回到步驟(1)。(4) 若站點的隨機退避時間不為O,則回到步驟(3);若站點的退避時間為o，則開始在忙音信道上發送忙音信號。發送忙音信號的持續時間 長度根據要發送數據包的優先級來定(例如語音數據包3個時隙，視頻數 據包2個時隙，盡力而為的數據包l個時隙)。忙音信號發送完後跳到步驟8(5)。(5) 停止發送忙音信號1到2個時隙(以等概率選擇是1個時隙還是 2個時隙)，同時監聽忙音信道和主信道。若在其間忙音信道變忙，表明有 其它站點也在競爭主信道，則回到步驟(1);若其間忙音信道一直空閒而 主信道在某時刻為忙，表示沒有發現其它站點也在競爭主信道，但主信道 正在被使用，則再次發送忙音信號，持續一個時隙，重複步驟(5);若其 間忙音信道和主信道都一直空閒，表示沒有發現其它站點也在競爭主信道， 且主信道也沒有被使用，則不再發送忙音信道，跳到步驟(6)。(6) 若主信道持續空閒了 DIFS (DCF幀間間隔，DCF interframe space， 見802.11標準)，且忙音信道一直空閒，則在主信道上向目標站點發送準備 發送RTS包，同時在忙音信道上持續發送忙音信號直道RTS包發送完畢， 跳到步驟(7);若主信道在DIFS時間到達之前變忙而忙音信道一直空閒， 則表示主信道正在被使用，則再次發送忙音信號，持續一個時隙，回到步 驟(5);若忙音信道在DIFS時間到達之前變忙而主信道一直空閒，則表明 有其它站點也在競爭主信道，則回到步驟(1)。(7) 若站點正確接收到來自目標站點的CTS包，則向目標站點發送 數據包，跳到步驟(8);若在超時時間(超時時間見802.11標準)內沒有正 確接收到來自目標站點的CTS包，則表明發生衝突，此次傳輸失敗，若站 點的窗口大小己經到達最大窗口大小(最大窗口大小為一固定參數，見 802.11標準)，則站點的窗口大小保持不變，否則站點的窗口大小翻倍，回 到步驟(1)。(8) 若站點正確接收到來自目標站點的確認(Acknowledgement，ACK) 包(見802.11標準)，則表明此次傳輸成功，回到步驟(l);若在超時時間(超 時時間見802.11標準)內沒有正確接收到來自目標站點的CTS包，則表明 發生衝突，此次傳輸失敗，回到步驟(1)。(9) 若站點正確接收到了發給自己的數據包，則回復ACK包，回到步驟l;否則表明此次傳輸失敗，則直接回到步驟(1)。mS":D7FS + "個時隙 "23 (1)經過大量的仿真，此方法的系統吞吐量大大高於802.11e中的EDCA， 並且接近了理論的最大值(理論的最大值是按照沒有空閒的時隙並且沒有 衝突來計算的)。
權利要求
1、一種分布式媒體接入協議，包括以下步驟(1)當站點進入網絡後，應調用載波偵聽機制確定當前媒介狀態，若站點有數據包要發送，則同時監聽主信道和忙音信道，若忙音信道忙，則站點將推遲其發送，直至忙音信道空閒時間為忙音間間隔IBS，跳到步驟(2)；若在主信道上正確接收到了發給自己的準備發送包，則回復清除發送包，跳到步驟(9)；其中，IBS定義為IBS＝DIFS+n個時隙 n≥3n表示為業務的優先級序號；(2)在忙音信道空閒IBS後，如果站點的退避時間為零，則站點生成一個新的隨機退避時間，跳到步驟(3)，如果其退避時間為非零值，則使用當前的退避時間，跳到步驟(3)；(3)當忙音信道持續空閒了1個時隙，站點的隨機退避時間減去1個時隙，跳到步驟(4)；相反，若忙音信道在這個時隙內變忙，則回到步驟(1)；(4)若站點的隨機退避時間不為0，則回到步驟(3)；若站點的退避時間為0，則開始在忙音信道上發送忙音信號，忙音信號發送完後跳到步驟(5)；(5)停止發送忙音信號1到2個時隙，同時監聽忙音信道和主信道；若在其間忙音信道變忙，表明有其它站點也在競爭主信道，則回到步驟(1)；若其間忙音信道一直空閒而主信道在某時刻為忙，則再次發送忙音信號，持續一個時隙，重複步驟(5)；若其間忙音信道和主信道都一直空閒，則不再發送忙音信道，跳到步驟(6)；(6)若主信道持續空閒了DIFS，且忙音信道一直空閒，則在主信道上向目標站點發送準備發送清除發送包，同時在忙音信道上持續發送忙音信號直道準備發送包發送完畢，跳到步驟(7)；若主信道在DIFS時間到達之前變忙而忙音信道一直空閒，則表示主信道正在被使用，再次發送忙音信號，持續一個時隙，回到步驟(5)；若忙音信道在DIFS時間到達之前變忙而主信道一直空閒，則回到步驟(1)；(7)若站點正確接收到來自目標站點的清除發送包，則向目標站點發送數據包，跳到步驟(8)；若在超時時間內沒有正確接收到來自目標站點的清除發送包，則表明發生衝突，此次傳輸失敗，若站點的窗口大小已經到達最大窗口大小，則站點的窗口大小保持不變，否則站點的窗口大小翻倍，回到步驟(1)；(8)若站點正確接收到來自目標站點的確認包，則表明此次傳輸成功，回到步驟(1)；若在超時時間內沒有正確接收到來自目標站點的清除發送包，則表明發生衝突，此次傳輸失敗，回到步驟(1)；(9)若站點正確接收到了發給自己的數據包，則回復ACK確認包，轉入步驟(1)；否則直接轉入步驟(1)。
全文摘要
本發明涉及無線區域網和無線自組織網絡的分布式媒體接入協議。在無線網絡的頻帶中加入一個忙音信道，此信道是一個極窄帶的信道，甚至可以是一個單頻信道，因此不會影響無線信道的帶寬。並且由於本發明採用的退避算法不需要在一個信道發送信號的同時另一個信道接收信號或監聽信道，因此移動節點只需要一個收發機，在接收方向上採用帶通濾波器或相干檢測的方法來分離兩種信號，不會增加移動節點的成本和功耗。此外，本發明採用了新的退避算法，一方面減少了兩個發送的數據包之間的空閒時隙數，另一方面降低了衝突發生的概率。
文檔編號H04L12/56GK101321182SQ200810047780
公開日2008年12月10日 申請日期2008年5月19日 優先權日2008年5月19日
發明者幹 劉, 旭 朱, 朱光喜, 阮幼林, 陳明欣, 莉 馬 申請人:華中科技大學