一种实现单播及广播的mimo mac协议方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现单播及广播的MIMO?MAC协议方法。实现过程包括中心节点分配时隙；发送节点时隙判断；发送节点业务判断；目的节点回复策略选择；发送节点发送数据流数目选择；目的节点确认完成一次完整传输。本发明采用了非预约的时隙分配，利用节点当前状态的跨层信息分配时隙；结合单播及广播的业务特点；引入MIMO技术，实现了基于STDMA，无需获取网络拓扑，时隙分配算法简单且合理，有节点业务QoS保证，网络吞吐量大的一种实现单播及广播的MIMO?MAC协议方法。用于业务类型多样化的动态Ad?hoc网络中节点的时隙分配和业务传输。
【专利说明】—种实现单播及广播的MIMO MAC协议方法
[0001 ] 缩略语和关键术语定义
[0002]STDMA Space Time Division Multiple Access 空间时分多址接入
[0003]MIMO Multiple Input Multiple Output 多输入多输出
[0004]MAC Medium Access Control 媒质接入控制
[0005]QoS Quality of Service 服务质量
[0006]CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection载波感知冲突检测
[0007]RTS Request To Send 请求发送
[0008]CTS Clear To Send 确认发送
[0009]ACK Acknowledge 确认
【技术领域】
[0010]本发明属于无线网络通信【技术领域】，结合单播及广播业务特点，主要涉及多输入多输出(MIMO)技术和无线多跳移动自组织网络多址接入及传输领域。具体是基于STDMA提出一种实现单播及广播的MMO MAC协议方法，用于业务类型多样化的动态Ad hoc网络中节点的时隙分配和业务传输。
【背景技术】
[0011]Ad hoc网络不依赖于固定的通信基础设施，各节点施行分布式操作，网络拓扑具有任意性的特点。随着无线通信技术的飞速发展，移动ad hoc网络(Mobile Ad hocNETwork, MANET)被认为是最关键的技术之一，在军事、抢险、救灾及应急通信领域有着广泛的应用前景。目前的Ad hoc网络主要采用基于CSMA/CA的802.1lx系列或802.15.4作为MAC协议，但作为一种竞争型的多址接入协议，当节点数较多或业务量较大时，CSMA/CA协议无法保证节点业务的QoS。为了实现具有QoS保证的大规模Ad hoc网络，可以采用TDMA机制来减少碰撞，提高网络吞吐量。
[0012]目前针对Ad hoc网络的TDMA机制的多址接入方法有许多，不过这些方法大多引入预约机制来分配时隙，会造成网络负担，另外还有一些协议采用分配型方法，分配型方法则需要得到全网的拓扑结构，会造成较大的网络开销。此外，单纯的TDMA多址接入方法无法形成对信道的充分复用，信道利用率比较低。因此现有的一些协议引入了空间时分多址接入(STDMA)机制，通过复用来充分利用Ad hoc网络的信道。但这些协议都是基于单天线，且时隙划分的依据没有同时兼顾单播及广播业务的QoS，不能很好的满足同时具有单播及广播业务需求的节点在网络中进行通信。
[0013]多天线MIMO技术，可以在不增加系统带宽和传输功率的前提下，成倍地提高无线信道的信道容量。如果不同发射一接收天线对之间的信道衰落相互独立，在相同的发射功率和带宽下，一个拥有M个发射天线和N个接收天线的MIMO系统能达到的信道容量为现有的单天线系统的min (M, N)倍，从而提供了当前其它技术无可比拟的容量提升潜力。[0014]综上所述，现有的针对Ad hoc网络的STDMA时隙分配方法中存在以下缺陷:
[0015]1.时隙申请过程大多引入预约，且没有利用节点当前状态信息，在现实应用中具有局限性；
[0016]2.时隙分配过程中需要得到全网的拓扑结构，会造成较大的网络开销；
[0017]3.单输入单输出模式不能很好地提高网络吞吐量；
[0018]4.时隙分配的方法过程复杂，开销大；
[0019]5.没有同时兼顾单播及广播业务的QoS。
[0020]本发明项目组对国内外专利文献和公开发表的期刊论文检索，尚未发现与本发明密切相关或者一样的报道和文献。
【发明内容】
[0021]本发明所要解决的技术问题
[0022]为了克服目前针对Ad hoc网络的STDMA时隙分配方法缺陷，利用跨层设计的理念，结合单播及广播的业务特点，并引入MMO关键技术，本发明提出一种基于STDMA，无需获取网络拓扑，时隙分配算法简单且合理，有节点业务QoS保证，网络吞吐量大的一种实现单播及广播的MIMO MAC协议方法。
[0023]本发明的时隙分配初始化无需得到全网的拓扑结构，具体协议执行过程包括有以下步骤:
[0024]步骤1，网络中各竞争区域的中心节点分配时隙
[0025]Ia)每个时隙周期的开始阶段，网络中所有节点发送Hello分组，每个节点根据收到的Hello分组个数统计其邻节点密度信息。
[0026]Ib)针对每个节点i，将其邻节点密度信息以及本节点即将发送分组的优先级信息分别加权后求和，利用跨层的方法得到Qi值，即时隙因子。本节点即将发送分组的优先级信息是节点自带的，无需统计，可直接使用。
[0027]Ic)各节点将各自的时隙因子发送给节点所处竞争区域的中心服务节点。
[0028]Id)中心服务节点根据收到的各节点发送的时隙因子来给竞争区域内所有节点分配时隙，时隙因子越大，则对应的节点时隙分配顺序越靠前。
[0029]Ie)时隙分配过程结束后，进入业务分组传输阶段。
[0030]步骤2，节点进行时隙判断，当节点有分组发送需求时，首先判断当前时隙是否是分配给自己的时隙
[0031]如果当前时隙是分配给自己的时隙，则节点不侦听，直接发送。
[0032]如果当前时隙不是分配给自己的时隙，则节点侦听信道，若信道空闲，则发送；若信道忙，则延迟发送至下一个时隙转至步骤2开始执行。
[0033]步骤3，节点进行业务判断
[0034]如果节点有单播分组需要发送，则向目的节点发送RTS分组。
[0035]如果节点有广播分组需要发送，则向目的节点发送DATA分组，此时如果在分配给节点的时隙上，节点用全天线发送数据流，若不是分配给节点的时隙，节点用单天线发送数据流。
[0036]步骤4，目的节点接收到RTS分组后，回复CTS分组的策略[0037]当目的节点只接收或侦听到了 RTS分组，则目的节点有三种不同的CTS分组回复策略；其中，当目的节点只收到一个发送给它的RTS分组并且没有侦听到其它分组传输，目的节点给发送节点回复一个CTS1分组；当目的节点收到了 I个发给它的RTS分组并且没有侦听到其它分组传输，目的节点回复CTS2分组给所有目的地址是本节点的发送节点；当目的节点收到了 I个发给它的RTS分组并且侦听到其它分组传输，目的节点回复CTS3分组给所有目的地址是本节点的发送节点。
[0038]当目的节点不仅收到了 RTS分组还收到广播的DATA分组，则该目的节点放弃CTS分组回复。
[0039]如果目的节点只收到了广播的DATA分组，则转步骤6。
[0040]步骤5，发送节点利用MMO多天线抑制干扰的特性进行发送数据流数目选择，对有可能的冲突分解
[0041]如果是单播业务，发送节点根据收到的CTS分组类型来控制自己发送数据流的数目；其中，若发送节点收到目的节点回复的CTS1分组，则发送节点传输M个DATA流；若发送节点收到目的节点回复的CTS2分组，则发送节点传输U///」个DATA流；若发送节点收到了目的节点回复的CTS3分组，则发送节点传输I个DATA流；若发送节点没有接收到目的节点回复的CTS分组或接收CTS分组超时，认为本次传输失败，等到下一时隙，转步骤2。
[0042]如果是广播业务，在分配给节点的时隙上，节点用全天线发送数据流；若不是分配给节点的时隙，节点用单天线发送数据流。
[0043]步骤6，目的节点发送 确认分组的策略
[0044]如果是单播业务，数据流被目的节点成功接收后，则目的节点回复ACK分组给发送节点，确认本次传输成功；否则认为本次传输失败，发送节点等到下一个时隙从步骤2开始执行。
[0045]如果是广播业务，则目的节点不进行确认，发送节点默认本次传输成功。
[0046]上述过程中，每个发送节点或目的节点仅以一个数据流交换RTS/CTS/ACK分组，这样有利于接收节点冲突分解。
[0047]为了克服目前基于STDMA机制的Ad hoc网络时隙分配方法缺陷，本发明结合单播及广播业务特点，并引入MMO关键技术，提出非预约的，基于STDMA的一种实现单播及广播的MMO MAC协议方法，主要实现节点的时隙分配及业务传输。
[0048]本发明在步骤Ia)中所述的基于Hello分组统计邻节点密度信息为每个节点的邻节点个数。时隙分配初始化无需得到全网的拓扑结构，减少了网络开销。
[0049]本发明在步骤Ib)中所述的将各节点统计的邻节点密度信息与本节点即将发送分组的优先级信息分别加权后求和的算法如下:
【权利要求】
1.一种实现单播及广播的MMO MAC协议方法，其特征在于:时隙分配初始化无需得到全网的拓扑结构，具体协议执行过程包括有以下步骤: 步骤1，网络中各竞争区域的中心节点分配时隙； Ia)每个时隙周期的开始阶段，网络中所有节点发送Hello分组，每个节点根据收到的Hello分组个数统计其邻节点密度信息； Ib)针对每个节点i，将其邻节点密度信息以及本节点即将发送分组的优先级信息分别加权后求和，利用跨层的方法得到Qi值，即时隙因子； Ic)各节点将各自的时隙因子发送给节点所处竞争区域的中心服务节点； Id)中心服务节点根据收到的各节点发送的时隙因子来给竞争区域内所有节点分配时隙，时隙因子越大，则对应的节点时隙分配顺序越靠前； Ie)时隙分配过程结束后，进入业务分组传输阶段； 步骤2，节点进行时隙判断，当节点有分组发送需求时，首先判断当前时隙是否是分配给自己的时隙； 如果当前时隙是分配给自己的时隙，则节点不侦听，直接发送分组； 如果当前时隙不是分配给自己的时隙，则节点侦听信道，若信道空闲，则发送分组；若信道忙，则延迟发送至下一个时隙从步骤2开始执行； 步骤3，节点进行业务判断 如果节点有单播分组需要发送，则向目的节点发送RTS分组； 如果节点有广播分组需要发送，则向目的节点发送DATA分组，此时，若是在分配给节点的时隙上，节点用全天线发送数据流；若不是分配给节点的时隙，节点用单天线发送数据流； 步骤4，目的节点接收到RTS分组或广播分组后，回复CTS分组的策略当目的节点只接收或侦听到了 RTS分组，则目的节点有三种不同的CTS分组回复策略；其中，当目的节点只收到一个发送给它的RTS分组并且没有侦听到其它分组传输，目的节点给发送节点回复一个CTS1分组；当目的节点收到了 I个发给它的RTS分组并且没有侦听到其它分组传输，目的节点回复CTS2分组给所有目的地址是本节点的发送节点；当目的节点收到了 I个发给它的RTS分组并且侦听到其它分组传输，目的节点回复CTS3分组给所有目的地址是本节点的发送节点； 当目的节点不仅收到了 RTS分组还收到广播的DATA分组，则该目的节点放弃CTS分组回复； 如果目的节点只收到了广播的DATA分组，则转步骤6 ； 步骤5，发送节点利用MIMO多天线抑制干扰的特性进行发送数据流数目选择如果是单播业务，发送节点根据收到的CTS分组类型来控制自己发送数据流的数目；其中，若发送节点收到目的节点回复的CTS1分组，则发送节点传输M个DATA流；若发送节点收到目的节点回复的CTs2分组，则发送节点传输Lm//」(Lm/i」指的是小于M/1的最大整数)个DATA流；若发送节点收到了目的节点回复的CTS3分组，则发送节点传输I个DATA流；若发送节点没有接收到目的节点回复的CTS分组或接收CTS分组超时，认为本次传输失败，等到下一时隙，转步骤2;如果是广播业务，在分配给节点的时隙上，节点用全天线发送数据流；若不是分配给节点的时隙，节点用单天线发送数据流； 步骤6，目的节点发送确认分组的策略 如果是单播业务，数据流被目的节点成功接收后，则目的节点回复ACK分组给发送节点，确认本次传输成功；否则认为本次传输失败，发送节点等到下一个时隙从步骤2开始执行； 如果是广播业务，则目的节点不进行确认，发送节点默认本次传输成功； 上述过程中，每个发送节点或目的节点仅以一个数据流交换RTS/CTS/ACK分组。
2.根据权利要求1中所述的一种实现单播及广播的MIMOMAC协议方法，其特征在于，步骤Ia)中所述的基于Hello分组统计邻节点密度信息，该密度信息为每个节点的邻节点个数。
3.根据权利要求2中所述的一种实现单播及广播的MIMOMAC协议方法，其特征在于，步骤Ib)中所述的将各节点统计的邻节点密度信息与本节点即将发送分组的优先级信息分别加权后求和的算法如下:
【文档编号】H04W16/02GK103731835SQ201410012722
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】蔡雪莲, 陈睿, 张瑜, 郭超, 李长乐 申请人:西安电子科技大学