基于即时转发的mac协议的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于即时转发的MAC协议，该协议通过如下步骤实现：自组路由步骤，节点根据ROUT_REQ帧、响应帧ROUT_ACK和确认帧ROUT_CNFM生成自组路由；以及传输步骤，对节点进行分类，分类后的节点根据自组路由获得目标地址，并根据目标地址将数据包进行发送或接收。根据本发明实施例的即时转发的MAC协议，通过自组路由以及对握手机制的改进，使得在转发过程中利用所转发的信号进行同步校验，同时支持双向对传、单向即时转发，还可以解决隐藏节点问题，降低端到端延迟，提升吞吐率和全双工网络性能。
【专利说明】基于即时转发的MAC协议
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信【技术领域】，特别涉及一种基于即时转发的MAC协议。
【背景技术】
[0002] 无线半双工通信在同一频率同一时隙只能进行发送或者接收，二者取其一；而无 线全双工通信能实现同一频率同一时隙的同时收发，从而获得双倍吞吐率。由于过去几十 年中自干扰抵消技术并不成熟，使得无线通信受到严重的自干扰影响，无线通信系统基本 上都是采用半双工模式。
[0003] 近年来自干扰抵消领域有了突破性研究，可以达到良好的抵消效果，为全双工模 式的实现提供了可能性。自干扰抵消包含了射频域、模拟域以及数字域三部分的工作。在 射频域通过半波长反相抵消等措施避免射频接收信号被淹没；在模拟域利用去噪芯片基于 自发送信号进行自干扰滤除，减少模数转换器输入端处的自干扰；在数字域则进一步滤除 由射频、模拟电路的非线性以及振荡器的相位噪声所产生的残余自干扰。
[0004] 为了应用无线全双工通信技术，除了以上提到的实用硬件电路自干扰抵消技术， 还需要特殊的介质访问控制（MAC)全双工协议对通信进行控制，以实现系统吞吐率的实际 提升。
[0005] 虽然有一些全双工MAC协议，但是在数据包多跳转发场景中并非基于即时转发的 工作机制，导致中转数据包的端到端延迟较高，此外，在传输数据之前进行了三次握手，存 在次数偏多等问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。
[0007] 为此，本发明需要提供一种基于即时转发的MAC协议。
[0008] 有鉴于此，本发明的实施例提出一种基于即时转发的MAC协议，该协议通过如下 步骤实现：自组路由步骤，节点根据R〇UT_REQ帧、响应帧R0UT_ACK和确认帧R0UT_CNFM生 成自组路由；以及输步骤，对节点进行分类，分类后的所述节点根据所述自组路由获得目标 地址，并根据所述目标地址以及SEND_REQ帧和SEND_RESP0NSE帧完成握手将数据包进行发 送或接收。
[0009] 根据本发明实施例的即时转发的MAC协议，通过自组路由以及对握手机制的改 进，使得在转发过程中利用所转发的信号进行同步校验，同时支持双向对传、单向即时转 发，还可以解决隐藏节点问题，降低端到端延迟，提升吞吐率和全双工网络性能。
[0010] 在本发明的一个实施例中，所述自组路由步骤具体包括：所述节点发送所述 R0UT_REQ帧进行路由请求，并等待来自终端节点的所述响应帧R0UT_ACK ;所述终端节点接 收到所述R〇UT_REQ帧后提取节点地址，并随机退避后发送所述相应帧R0UT_ACK，等待所述 确认帧R〇UT_CNFM ;所述节点接收所述确认帧R0UT_ACK后，提取所述源地址加入到路由表 中，等待一个SIFS时隙后发送一个所述确认帧R0UT_CNFM ;以及所述终端节点接收到所述 确认帧R〇UT_CNFM以完成所述自组路由的生成。
[0011] 在本发明的一个实施例中，所述自组路由步骤具体还包括：当所述终端节点等 待10个所述确认帧R〇UT_CNFM时隙仍未收到目标地址为自节点地址的所述确认帧R0UT_ CNFM，则根据CSMA/CA发送一个所述相应帧R0UT_ACK，继续等待所述确认帧R0UT_CNFM。
[0012] 在本发明的一个实施例中，对所述节点进行分类包括：将以发送一个所述SEND_ REQ帧为开始的节点定义为第一类节点；将以接收到一个所述SEND_REQ帧为开始的节点 定义为第二类节点；以及将以接收到一个SEND_RESP0NSE帧为开始的节点定义为第三类节 点。
[0013] 在本发明的一个实施例中，当所述节点为所述第一类节点时，所述传输步骤具体 包括：步骤S101，所述第一类节点发送所述SEND_REQ帧为Framel时，等待来自所述节点的 所述响应帧SEND_RESP0NSE转到步骤S102 ;步骤S102,接收SEND_RESP0NSE帧并提取目标 地址，当所述目标地址与所述Framel中的目标地址一致时，转到步骤S103,当所述目标地 址与自节点地址一致时，转到步骤S104,否则根据所述SEND_RESP0NSE帧中的数据长度保 持相应时长的静默区间并结束；步骤S103,等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，同 时监听路由中转节点所即时转发的数据包，并进行校验，发送完毕后保持一个DATA_ACK时 隙的静默；以及步骤S104,等待一个所述SIFS时隙后开始传输所述数据包队列，同时接收 目标节点发送给自节点的数据包，在发送完毕且完成接收后，发送ACK。
[0014] 在本发明的一个实施例中，在所述步骤S103中，自节点队列存在已校验正确的数 据包时删除所述已校验正确的数据包。
[0015] 在本发明的一个实施例中，当所述路由节点为所述第二类节点时，所述传输步 骤具体包括：步骤S111，若节点为路由节点时，转到步骤S112,否则转到步骤S114 ;步骤 5112, 若接收到的所述SEND_REQ帧中的目标地址为路由表中的节点，则等待一个所述SIFS 时隙后发送一个SEND_RESP0NSE帧，等待接收数据队列，再转到步骤S113,否则结束；步骤 5113, 接收数据包队列并即时转发，转发完毕后等待接收DATA_ACK帧；步骤S114,若接收 到SEND_REQ帧中的目标地址为自节点地址，则等待一个所述SIFS时隙后发送一个SEND_ RESPONSE帧，等待一个所述SIFS时隙后开始发送数据包队列，同时接收数据包，发送和接 收完毕后，发送ACK。
[0016] 在本发明的一个实施例中，当所述路由节点为所述第三类节点时，所述传输步骤 具体包括：步骤S111，若接收到的SEND_RESP0NSE帧中的目标地址等于自节点地址，则转步 骤S112,否则保持与该帧中的数据包队列长度等时长的静默；步骤S112,等待接收数据包 队列，接收完毕后等待一个所述SIFS时隙后发送ACK。
[0017] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变 得明显和容易理解，其中，
[0019] 图1为根据本发明一个实施例的基于即时转发的MAC协议的实现流程图；
[0020] 图2为根据本发明一个实施例的MAC协议的流程示意图；
[0021] 图3为根据本发明一个实施例的双向对传和单向即时转发的示意图；以及
[0022] 图4为根据本发明另一个实施例的三点单向即时转发的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同 或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描 述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0024] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、"前"、 "后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为基于 附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所 指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发 明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要 性。
[0025] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可 以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0026] 图1为根据本发明一个实施例的基于即时转发的MAC协议的实现流程图。如图1 所示，根据本发明实施例的基于即时转发的MAC协议的实现过程如下：节点根据R0UT_REQ 帧、响应帧R〇UT_ACK和确认帧R0UT_CNFM生成自组路由（步骤101)。对节点进行分类，分类 后的节点根据自组路由获得目标地址，并根据目标地址以及SEND_REQ帧和SEND_RESP0NSE 帧完成握手将数据包进行发送或接收（步骤102)。
[0027] 在本发明的一个实施例中，MAC协议使用R0UT_REQ、R0UT_ACK和R0UT_CNFM帧完 成自组路由过程。其中，R〇UT_REQ帧包含源地址以及跳数；R0UT_ACK帧包含源地址、目标 地址、源节点类型以及跳数；R〇UT_CNFM帧包含源地址、目标地址以及跳数。使用SEND_REQ、 SEND_RESP0NSE帧完成握手过程；SEND_REQ帧包含源地址、目标地址以及数据长度；SEND_ RESPONSE帧包含源地址、目标地址、申请发起地址以及数据长度。
[0028] 在本发明的一个实施例中，SEND_REQ帧包含源地址、目标地址以及数据长度， SEND_RESP0NSE帧包含源地址、目标地址、申请发起地址以及数据长度。R0UT_REQ帧包含源 地址以及跳数；R〇UT_ACK帧包含源地址、目标地址、源节点类型以及跳数，R0UT_CNFM帧包 含源地址、目标地址以及跳数
[0029] 通过如下方式将节点分为三类。
[0030] 第一类节点：将以发送一个SEND_REQ帧定义为开始的节点。
[0031] 第二类节点：将以接收到一个SEND_REQ帧定义为开始的节点。
[0032] 第三类节点：将以接收到一个SEND_RESP0NSE帧定义为开始的节点。
[0033] 将第一类、第二类、第三类节点分别表示为X、Y和Z，短帧间隔（SIFS)的定义与 IEEE802. 11的定义相同。
[0034] 具体MAC协议描述如下：
[0035] 步骤S101具体如下：
[0036] A、路由节点发送R0UT_REQ帧进行路由请求，等待来自终端节点的响应帧R0UT_ ACK。
[0037] B、终端节点接收R0UT_REQ帧后提取路由节点地址，随机退避后发送R0UT_ACK，等 待来自路由节点的路由确认帧R〇UT_CNFM。
[0038] C、路由节点接收R0UT_ACK帧后，提取源地址加入路由表中，等待一个SIFS时隙后 基于CSMA/CA发送一个确认帧R0UT_CNFM。
[0039] D、终端节点若等待10个R0UT_CNFM时隙仍未收到目标地址为自节点地址的R0UT_ CNFM，则再次基于CSMA/CA发送一个R0UT_ACK，继续等待R0UT_CNFM帧。
[0040] E、判断结束。
[0041] 步骤S102具体如下：
[0042] A、第一类节点的数据包收发过程具体为：
[0043] a)、X发送SEND_REQ帧Framel，等待来自路由节点的响应帧SEND_RESP0NSE，转到 b〇
[0044] b)、接收到SEND_RESP0NSE帧并进行目标地址提取，若目标地址与Framel中一致， 则转c ;若目标地址与自节点地址一致，则转d，否则根据所述SEND_RESP0NSE帧中的数据长 度保持相应时长的静默区间并结束。
[0045] c)、等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，发送过程中同时监听路由中转节 点所即时转发的数据包并校验，从自节点队列中删除已校验正确的数据包，发送完毕后保 持一个DATA_ACK时隙的静默，结束。
[0046] d)、等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，发送过程中同时接收目标节点发 送给自节点的数据包，在发送完毕且完成接收后，发送ACK，结束。
[0047] B、第二类节点的数据包收发过程具体为：
[0048] a)、若该节点为路由节点，转b，否则转到d。
[0049] b)、若接收到的SEND_REQ帧中的目标地址为路由表中的节点，则等待一个SIFS时 隙后发送一个SEND_RESP0NSE帧，其中的目标地址、申请发起地址、数据包队列长度和源地 址分别等于SEND_REQ帧中的目标地址、源地址、数据包队列长度和自节点地址，等待接收 数据队列，转到c，否则结束。
[0050] c)、接收数据队列并即时转发，转发完毕后等待接收DATA_ACK。
[0051] d)、若接收到SEND_REQ帧中的目标地址为自节点地址，则等待一个SIFS时隙后 发送一个SEND_RESP0NSE帧，其中的目标地址、申请发起地址、数据包队列长度和源地址分 别等于SEND_REQ帧中的源地址、源地址、自节点待发送给该节点的数据包长度和自节点地 址，等待一个SIFS时隙后开始发送数据包队列，同时接收数据包，发送和接收完毕后，发送 ACK，结束。
[0052] C、第三类节点的数据包收发过程具体为：
[0053] a)、若接收到的SEND_RESP0NSE帧中的目标地址等于自节点地址，则转到b，否则 保持与该巾贞中的数据包队列长度等时长的静默，结束；
[0054] b)、等待接收数据包队列，接收完毕后等待一个SIFS时隙后发送ACK，结束。
[0055] 图2为根据本发明一个实施例的MAC协议的流程示意图。如图2所示，节点b作 为路由节点，在自组路由阶段发起路由请求，发送R〇UT_REQUEST帧，终端节点a和c各自随 机退避一段时间后发送R〇UT_ACK进行回应，节点b等待一个SIFS时隙后基于CSMA/CA发 送ROUT_CNFM进行确认，完成一个三次握手的自组路由过程。
[0056] 图3为根据本发明一个实施例的双向对传和单向即时转发的示意图。如图3所 示，节点a有数据发送给节点b，检测到信道空闲且计数器为零时，发起连接请求，发送一个 SEND_REQUEST帧，a的邻节点根据该帧信息保持相应时长的静默，节点b收到该帧后等待一 个SIFS后发送一个SEND_RESP0NSE帧进行回应，若此时节点b也有数据包需要发送给a，则 该SEND_RESP0NSE帧包含b将发给a的数据包数。节点b的邻节点监听到该帧后自动保持 静默，静默时长等于b发给a的总包长。节点a成功接收到来自b的SEND_RESP0NSE帧即 为握手成功，a和b等待一个SIFS后开始互传数据。节点a和b双方发送完毕后等待一个 SIFS 后互发 DATA_ACK。
[0057] 图4为根据本发明另一个实施例的三点单向即时转发的示意图。如图4所示，节 点a需要发送数据包给c，基于CSMA/CA发起一个连接请求，发送一个SEND_REQUEST帧，目 标地址为c。b节点在接收到该帧后，检查到c为其路由表中的节点，因为等待一个SIFS后 发送一个SEND_RESP0NSE进行回应，该帧包含源地址b，目标地址c，申请发起地址a和数据 包数等信息。节点c收到该帧后保持相应时长的静默。此后a等待一个SIFS时隙，开始发 送数据包序列，b接收到数据包并在成功解析包头后进行即时转发。节点a在发送数据的 同时监听b所转发的数据包，据此对a - b段的通信进行校验，并从待发送队列中删除已成 功发送的数据包。节点c在b发送完所有数据包后，等待一个SIFS时隙后发送DATA_ACK。
[0058] 根据本发明实施例的即时转发的MAC协议，通过自组路由以及对握手机制的改 进，使得在转发过程中利用所转发的信号进行同步校验，同时支持双向对传、单向即时转 发，还可以解决隐藏节点问题，降低端到端延迟，提升吞吐率和全双工网络性能。
[0059] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例 性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1. 一种基于即时转发的MAC协议，其特征在于，所述协议通过如下步骤实现： 自组路由步骤，节点根据R〇UT_REQ帧、响应帧ROUT_ACK和确认帧ROUT_CNFM生成自组 路由；以及 传输步骤，对节点进行分类，分类后的所述节点根据所述自组路由获得目标地址，并根 据所述目标地址以及SEND_REQ帧和SEND_RESPONSE帧完成握手将数据包进行发送或接收。
2. 如权利要求1所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，所述自组路由步骤具体 包括： 所述节点发送所述R〇UT_REQ帧进行路由请求，并等待来自终端节点的所述响应帧 ROUT_ACK ； 所述终端节点接收到所述R〇UT_REQ帧后提取节点地址，并随机退避后发送所述相应 帧ROUT_ACK，等待所述确认帧ROUT_CNFM ; 所述节点接收所述确认帧R〇UT_ACK后，提取所述源地址加入到路由表中，等待一个 SIFS时隙后发送一个所述确认帧ROUT_CNFM ; 所述终端节点接收到所述确认帧R〇UT_CNFM以完成所述自组路由的生成。
3. 如权利要求2所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，所述自组路由步骤具体 还包括： 当所述终端节点等待10个所述确认帧R〇UT_CNFM时隙仍未收到目标地址为自节点地 址的所述确认帧R〇UT_CNFM，则根据CSMA/CA发送一个所述相应帧ROUT_ACK，继续等待所述 确认帧 R〇UT_CNFM。
4. 如权利要求1所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，对所述节点进行分类包 括： 将以发送一个所述SEND_REQ帧为开始的节点定义为第一类节点； 将以接收到一个所述SEND_REQ帧为开始的节点定义为第二类节点；以及 将以接收到一个SEND_RESPONSE帧为开始的节点定义为第三类节点。
5. 如权利要求4所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，当所述节点为所述第一 类节点时，所述传输步骤具体包括： 步骤S101，所述第一类节点发送所述SEND_REQ帧为Framel时，等待来自所述节点的所 述响应帧SEND_RESPONSE转到步骤S102 ; 步骤S102,接收SEND_RESPONSE帧并提取目标地址，当所述目标地址与所述Framel中 的目标地址一致时，转到步骤S103,当所述目标地址与自节点地址一致时，转到步骤S104， 否则根据所述SEND_RESPONSE帧中的数据长度保持相应时长的静默区间并结束； 步骤S103,等待一个SIFS时隙后开始传输数据包队列，同时监听路由中转节点所即时 转发的数据包，并进行校验，发送完毕后保持一个DATA_ACK时隙的静默；以及 步骤S104,等待一个所述SIFS时隙后开始传输所述数据包队列，同时接收目标节点发 送给自节点的数据包，在发送完毕且完成接收后，发送ACK。
6. 如权利要求5所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，在所述步骤S103中，自 节点队列存在已校验正确的数据包时删除所述已校验正确的数据包。
7. 如权利要求4所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，当所述路由节点为所述 第二类节点时，所述传输步骤具体包括： 步骤S111，若节点为路由节点时，转到步骤S112,否则转到步骤S114 ; 步骤S112,若接收到的所述SEND_REQ帧中的目标地址为路由表中的节点，则等待一个 所述SIFS时隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，等待接收数据队列，再转到步骤S113,否则结 束； 步骤S113,接收数据包队列并即时转发，转发完毕后等待接收DATA_ACK帧； 步骤S114,若接收到SEND_REQ帧中的目标地址为自节点地址，则等待一个所述SIFS时 隙后发送一个SEND_RESPONSE帧，等待一个所述SIFS时隙后开始发送数据包队列，同时接 收数据包，发送和接收完毕后，发送ACK。
8.如权利要求4所述的基于即时转发的MAC协议，其特征在于，当所述路由节点为所述 第三类节点时，所述传输步骤具体包括： 步骤S111，若接收到的SEND_RESPONSE帧中的目标地址等于自节点地址，则转步骤 S112,否则保持与该帧中的数据包队列长度等时长的静默； 步骤S112,等待接收数据包队列，接收完毕后等待一个所述SIFS时隙后发送ACK。
【文档编号】H04L29/08GK104065720SQ201410276298
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】张春, 林进佳, 贾雯, 姜汉钧, 王志华 申请人:清华大学