一种基于双收单发的多通道无线Mesh网络资源协商方法与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种基于双收单发的多通道无线Mesh网络资源协商方法。

背景技术：

无线Mesh网是一种分布式、自组织的多跳无线网络，其最大的优势在于它天生的网络容错能力、易于架设，以及较高的带宽。传统的无线Mesh网络中，若有一对通信节点通信，在处于同一信道的一跳通信范围内的所有的邻居节点都要静默，这样就会使信道的利用率大幅度降低。

多通道技术是一种可以使网络具备多个物理通道，节点可以进行多信道通信的技术。相比于传统的单信道技术来说，克服了只能使用单一信道进行通信，所有节点的数据和信令都通过一条物理通道进行传输的瓶颈，大大提升了网络带宽和系统容量，但给每个节点配置多个物理通道又会给节点带来价格、体积、移动性和耗能等方面的问题。

现有技术中公开了一种采用基于载波侦听/冲突避免(CSMA/CA)的接入机制。多用户情况下，控制信令与用户数据在发送前需要对信道进行侦听，若空闲可竞争发送，若信道忙碌，则等待一段时间直至信道中的数据信息传输结束后再发起。若数据产生冲突了还需要进行回退尝试，进行相关数据信息的重传。在该机制下，节点需要发送的数据信息必须通过竞争等待的信令协商过程，且在节点密度较大时将产生严重的冲突，导致系统性能急剧下降。不太适合高带宽需求的通信场合，且一些无反馈的信令帧一旦冲突后只能丢失；另外，隐藏终端的问题，也会造成带宽的大幅度降低。

现有技术中还公开了一种CSMA/CS机制，节点设备有数据帧待传送时，会发起RTS-CTS帧协商过程。RTS帧本身带有两个目的：预约无线链路的使用权，并要求接收到这一消息的其他工作节点保持沉默。一旦收到RTS帧，接收端会以CTS帧应答。和RTS帧一样，CTS帧也会令附近的工作节点保持沉默。等到RTS/CTS完成交互过程，发送节点即可传送上面要传送的帧，无需担心来自其他隐藏节点的干扰。在CSMA/CS机制下，节点设备有数据需要传输时，发起RTS帧，对方节点必须回复CTS帧以确定信道可用。在此期间，其他邻居节点设备处于侦听状态。若发送节点有多个邻居，其邻居节点的静默时间则为该发送节点设备与其最远距离邻居节点的消息帧交互时延。这种机制为了减少控制信道的冲突率而牺牲了其带宽利用率。当邻居节点个数增多时，系统的网络收敛时间将恶化。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于双收单发的多通道无线Mesh网络资源协商方法。

技术方案：本发明所述的基于双收单发的多通道无线Mesh网络资源协商方法，每个节点都具备主通道和感知通道，主通道能够发送或者接收，感知通道只能接收，主通道处于接收状态时感知通道也处于接收状态，主通道处于发送状态时感知通道处于IDEL状态；当有数据包需要发送时，发送节点将主通道切换至发送状态并将主通道的工作信道调整为控制信道，发送RTS帧，RTS帧中携带的信息包括推荐的数据信道，然后发送节点将主通道切换至接收状态并将主通道的工作信道调整为推荐的数据信道，接收节点侦听到RTS帧后，如果接收节点正处于与其他节点通信的过程中则不作响应，否则接收节点将主通道切换至发送状态并将主通道的工作信道调整为推荐的数据信道，发送CTS帧，CTS帧中携带确认信息。

进一步，所述主通道的工作信道可在控制信道与多个数据信道之间切换，感知通道的工作信道固定为控制信道。这样将感知通道的工作信道固定为控制信道，大大降低了双通道的硬件成本。

进一步，接收节点发送CTS帧之前，先判断当前的信道占用率是否低于待发送CTS帧的优先级发送阈值：如果低于，则发送CTS帧；否则，则等待较高优先级的数据包发送完毕后再检测新的信道占用率，直至信道占用率低于待发送CTS帧的优先级发送阈值时才发送CTS帧。这样有效省去了CTS帧发送前的载波侦听和竞争发送的等待时间，降低了CTS帧发送的碰撞率，提升了系统带宽，相比传统的CSMA机制更适用于远距离通信场景。

进一步，所述信道占用率通过式(1)进行计算：

式(1)中，v为信道占用率，T为统计时长，t如式(2)所示；

式(2)中，L_r为接收节点在控制信道侦听到的所有RTS帧所指示的数据字节数之和，l_r为接收节点接收数据所使用调制编码模式下每个符号所承载的字节数，l_t为接收节点发送数据所使用调制编码模式下每个符号所承载的字节数为待发送的CTS帧所使用的调制编码模式下的字节或者符号，t₁为每个符号在空口占用的时间，L_t为接收节点发送的所有数据字节数之和，n为接收节点发送和接收的数据帧的总数，t₀为传输时延。

进一步，所述待发送CTS帧的优先级发送阈值在接收节点未上电时通过配置文件导入到接收节点中。

进一步，所述待发送CTS帧的优先级发送阈值根据CTS帧所处的业务优先级、Q0S信息以及CTS帧所能容忍的数据冲突概率得到；所述业务优先级按照语音、视频以及尽力而为业务分为高、中、低三个优先级。

进一步，发送节点如果在预设时间内未收到CTS帧，则将主通道切换至发送状态并将主通道的工作信道调整为控制信道，然后重新发送RTS帧，再将主通道切换至接收状态并将主通道的工作信道调整为推荐的数据信道。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)本发明中每个节点都具备主通道和感知通道，大大减轻了单信道模式下信令、数据共享同一个信道对信令负荷带来的巨大压力，通过提高空间复用度的方法增加了网络同时通信的节点对，减少了信道的干扰，提高了信道的利用率，显著提高了网络容量；

2)本发明中，节点发送的任何信令帧都是单向的，其响应帧都在协商好的数据信道上传输，邻居节点侦听到信令帧后无需保持静默，大大提高了控制信道的信道利用率。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的无线通信多通道网络的拓扑结构；

图2为本发明具体实施方式中的多信道控制信令工作机制；

图3为本发明具体实施方式中的基于信道占用率的数据发送判决的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本具体实施方式公开了一种基于双收单发的多通道无线Mesh网络资源协商方法，每个节点都具备主通道和感知通道，主通道能够发送或者接收，感知通道只能接收，主通道处于接收状态时感知通道也处于接收状态，主通道处于发送状态时感知通道处于IDEL状态，主通道的工作信道可在控制信道与多个数据信道之间切换，感知通道的工作信道固定为控制信道。当有数据包需要发送时，发送节点将主通道切换至发送状态并将主通道的工作信道调整为控制信道，发送RTS帧，RTS帧中携带的信息包括推荐的数据信道，然后发送节点将主通道切换至接收状态并将主通道的工作信道调整为推荐的数据信道。接收节点侦听到RTS帧后，如果检测到RTS帧的帧头中的目的节点ID号是本节点，则进行如下判断：如果接收节点正处于与其他节点通信的过程中则不作响应；否则接收节点将主通道切换至发送状态并将主通道的工作信道调整为推荐的数据信道，发送CTS帧，CTS帧中携带确认信息。

其中，节点ID号是指示节点的逻辑编号，节点未上电时通过配置文件导入节点中，在同一个Mesh网络中编号唯一。

接收节点发送CTS帧之前，还可以设置一个判决机制，也即判断当前的信道占用率是否低于待发送CTS帧的优先级发送阈值：如果低于，则发送CTS帧；否则，则等待较高优先级的数据包发送完毕后再检测新的信道占用率，直至信道占用率低于待发送CTS帧的优先级发送阈值时才发送CTS帧。这样有效省去了CTS帧发送前的载波侦听和竞争发送的等待时间，降低了CTS帧发送的碰撞率，提升了系统带宽，相比传统的CSMA机制更适用于远距离通信场景。

其中，信道占用率通过式(1)进行计算：

式(1)中，v为信道占用率，T为统计时长，t如式(2)所示；

式(2)中，L_r为接收节点在控制信道侦听到的所有RTS帧所指示的数据字节数之和，l_r为接收节点接收数据所使用调制编码模式下每个符号所承载的字节数，l_t为接收节点发送数据所使用调制编码模式下每个符号所承载的字节数为待发送的CTS帧所使用的调制编码模式下的字节或者符号，t₁为每个符号在空口占用的时间，L_t为接收节点发送的所有数据字节数之和，n为接收节点发送和接收的数据帧的总数，t₀为传输时延。

待发送CTS帧的优先级发送阈值在接收节点未上电时通过配置文件导入到接收节点中，根据CTS帧所处的业务优先级、Q0S信息以及CTS帧所能容忍的数据冲突概率得到；所述业务优先级按照语音、视频以及尽力而为业务分为高、中、低三个优先级。

此外，还发送节点可以设置超时重传机制：发送节点如果在预设时间内未收到CTS帧，则将主通道切换至发送状态并将主通道的工作信道调整为控制信道，然后重新发送RTS帧，再将主通道切换至接收状态并将主通道的工作信道调整为推荐的数据信道。

图1是一个无线通信多通道网络的拓扑结构，可见，这个无线Mesh网络由A、B、C和D这四个节点组成，其中任一节点都在其他节点的一跳通信干扰范围内。在单信道情况下，在节点A与B进行通信时，节点C、D由于和节点A、B处于同一单信道情况下，依据协议必须保持静默而无法通信，否则会产生信道冲突。

然而，本具体实施方式中的每个节点都具备主通道和感知通道，其中，主通道称为P通道，可以传输数据帧也可以传输信令帧，可工作在不同信道上；感知通道称为S通道，只用来感知信令，工作在控制信道Fc上。

假设节点A和B使用信道Fd1通信时，为了避免同信道的冲突，节点C和D可以使用信道Fd2进行通信，并且不会对节点A和B的链路产生干扰。节点A、B、C和D的S通道共享同一个控制信道Fc，这样当节点A在Fd1上进行数据接收的同时也可以侦听Fc信道上其他节点发送的信令信息，这样大大减轻了单信道模式下信令、数据共享同一个信道对信令负荷带来的巨大压力，利用提高空间复用度的方法，增加网络同时通信的节点对，减少了信道的干扰，提高信道的利用率，显著提高网络容量。同时，S通道的简化设计也大大降低了双通道的硬件成本。

图2描述了多通道架构下的非对称信令交互模式。如图2所示，假设节点A要向节点B发送业务，A必须先发起协商，确定本次业务的流量及工作信道。这个过程是通过RTS帧与CTS帧来完成的，协商过程如下：

1)节点A根据调度器调度的结果将发送数据长度、推荐工作信道、发送数据流量相关信息(这里主要是调制编码模式，但不限于此)组RTS帧在Fc信道上进行发送，并开启重传定时器t1，然后切换至数据信道Fd上进行接收；

2)节点B帧听到RTS帧后，若此时正处于与其邻居节点D通信过程中，则不做响应，丢弃该帧；否则切换至Fd回应CTS帧，帧中携带确认信息。

3)节点A若接收到CTS帧，则停止重传定时器t1，否则切换至Fc信道，重新发送RTS帧。

传统CSMA机制下，节点A发送完RTS帧后需要等待对方的CTS帧，在此期间其他邻居节点接收到该RTS帧后需要保持静默，以避免与节点B发送数据冲突，在远距离通信中(>100km)，空口传输时间>1ms,在此期间不能进行任何信令传输，从而造成控制信道利用率的降低。而在本具体实施方式中，节点发送的任何信令帧都是单向的，其响应帧都在协商好的数据信道上进行传输，邻居节点在侦听到RTS帧后无需保持静默，大大提高了控制信道的信道利用率。

协商完毕后，节点A和B开始在Fd1信道上进行数据传输。节点A上电后即启动信道统计定时器t2，设定时长为T。节点A的本地内存维护一张信道统计列表，列表以信道号为索引，表中记录以下信息：统计时间T内节点A接收与发送数据帧数n、节点A成功发送的数据字节数Lr以及节点A侦听到的其他节点发送的数据字节数Lt。然后根据式(1)和式(2)计算得到每个数据信道的信道占用率。

节点A的MAC层将从网络层来的数据包按照业务优先级进行分类，在本具体实施方式中，将业务按照语音、视频及尽力而为业务分为高、中、低三级并分别入优先级队列。节点A的调度器按照优先级对队列进行调度，然后将所选信道的信道占用统计v与欲发送业务数据包的优先级发送阈值v0进行比较，当v<v0时数据包将被发送，当v>v0时数据包将要在此数据包对应的优先级队列中等待一段时间，直到高优先级的数据包发送完成，该数据包才能再次检测“信道占用统计”v，判断能否发送。

以上过程的流程图如图3所示，由于高优先级数据包的阈值高于低优先级数据包的阈值，在信道统计统计时间段T内，信道占用统计随数据包的发送不断累积，首先达到低优先级业务数据包的阈值，此时低优先级的数据包将停止发送，而高优先级业务的数据包还可以继续发送。在信道统时间段结束时，将产生出新的信道统计窗口并检测得到新的信道占用统计，此时较低业务优先级的数据包可以重新尝试发送。根据该算法可实现对数据流量的控制。