基于网络分配向量的移动自组织网络多用户协同发送方法与流程

本发明涉及一种基于网络分配向量的移动自组织网络多用户协同发送方法，属于移动自组织网络技术领域。

背景技术：

移动自组织网络(mobileadhocnetwork,manet)是一种分布式的无线网络，又被称为无线自组织网络(wirelessadhocnetwork,wanet)，具备去中心化、点对点、自组织、自愈等特征。它不需要预先建设基站或无线接入点等基础设施，而是由网络中每个节点自发地组织起来，其路由算法会根据链路状况动态确定由哪些节点中转数据。这种方式避免了复杂的基础设施建设和管理，使移动设备可以随时随地创建和加入网络。

多天线mimo技术不但能够提高点对点通信的传输效率，而且能在无线网络通信场景中实现空分多址，并发传输多路数据流，提高网络吞吐效率。将mimo技术应用于移动自组织网络中，可以获得通信性能的显著提升。但mimo作为一种物理层技术，当它被整合到移动自组织网络中时，影响到的不仅是物理层，还包括媒体接入控制层(mac)。

mac层常用的分布式接入方法为载波侦听多路访问及冲突避免协议，即csma/ca，通过发送数据包前的随机回退降低冲突概率，并通过二进制指数退避算法保证了协议在复杂情况下的鲁棒性。为解决隐藏终端问题所引入的rts/cts机制，通过发送节点广播rts控制帧，接收节点广播cts控制帧，告知无关节点即将进行的数据传输，协调无关节点进入虚拟载波监听状态主动静默以降低干扰。

考虑到多天线mimo系统通过波束赋形编码技术可实现并发传输多路数据流，且仅允许单一用户发送信号，回退时间和rts/cts等控制信息的开销很大。而rts/cts机制具备的良好的可扩展性，能够在保证向后兼容性的同时，通过使用预留字段、扩充功能等方式，使用户具备知晓复杂网络情况的潜力，实现联合物理层和mac层的自适应速率选择和功率控制，并有效发挥出mimo技术具备的同时建立多条链路的能力，实现多用户同时传输的功能。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于网络分配向量的移动自组织网络多用户协同发送方法，充分发挥出mimo技术同时建立多条链路的能力，实现多用户同时传输的功能，以提升移动自组织网络的吞吐量等性能。

为解决上述技术问题，本发明基于网络分配向量的移动自组织网络多用户协同发送方法：

第一部分：

本发明的第一部分，支持多用户同时传输的mac层接入算法，通过对nav机制和csma/ca回避算法的改进得来。传统csma/ca协议，节点i记录通过rts/cts获知的网络中其它节点请求的会话时间，将其设置为虚拟载波侦听状态的结束时间。为了保留更多信息，本发明记录即将或正在进行会话的节点对数量nav，以及所有预计其它节点成功收到ack后结束会话的时间tend。具体步骤如下：

第一步，在有rts/cts机制的csma/ca协议基础上，发送节点先发送rts,告知其他节点它自己需要发送的数据比特数，即其包含请求传输的比特数信息brequest。接收节点收到rts后，回复cts时，为了进一步优化多对用户同时通信时的系统性能，正在通信的节点可依照周边信道环境告知发送节点做出适当的速率选择和功率控制，按照本发明的第二部分，进行物理层和mac层的联合自适应速率选择和功率控制，即按照第二部分进行物理层和mac层的联合自适应速率选择和功率控制，并由速率选择和rts中请求的数据比特数得到数据包的时间长度tdata。

当发送速率需要依据接收节点信道状态调整时，传输rts中请求的待传输数据所需时长需相应调整；可采取如下方案适应速率调整：

令需要静默的无关节点在收到rts后先记录会话结束时间tend＝tcurrent+tcts；在此期间若收到回复此rts的cts帧，再根据cts包中指示的数据包时长tdata更新记录tend＝tcurrent+sifs+tdata+sifs+tack。

第二步，每个节点都记录并维护一个计数器nav，当网络中的某个节点收到发给其他节点的rts，将修改计数器nav＝nav+1并相应地记录会话结束时间tend＝tcurrent+tcts，直至经过时刻tend后计数器nav减去1并删除对应记录tend；tcurrent为当前时刻，tcts为cts包的时间长度。

第三步，其他节点(第三方节点)侦听节点b(即接收节点)在反馈给节点a(即发送节点)的cts包中指示数据包时长为tdata，将预计的会话结束时间记录为tend＝tcurrent+sifs+tdata+sifs+tack；这里sifs为短帧间间隔，tack代表传输完一个ack或nack包所需的时长。若此节点(即第三方节点)在第二步中已侦听过对应该cts的rts包，并记录过tend，则此过时的tend应被新的tend所替换。

第四步，采用波束赋形技术的mimo系统允许一跳范围内的m对用户同时传输，任何节点当其计数器nav≥m时，认为信道繁忙，节点进入虚拟载波侦听状态，停止检测物理信道并暂停回退进程，不会发起数据传输，直至计数器满足条件nav<m后继续通信或恢复回退进程；m为可设置参数，是一跳范围内同时传输的链路数的上限，为实现多用户同时传输的能力，m可设为大于等于2的整数。

第二部分：

第二部分是联合物理层和mac层的自适应速率选择和功率控制算法。在以往的mac层自适应速率控制中，mac层依据每次发送数据帧后是否接收到确认帧来估计链路状况，滞后地调整发送速率。本发明通过节点的物理层对rts/cts的信道估计并反馈给mac层，将信道状态信息加入控制帧发送给目的节点，使mac层具备实时获知信道信息并做出发射速率和功率调整的能力。在多对用户同时通信时的复杂信道情况下，发送节点可以依照接收节点所处的信道情况调整发送参数。具体步骤如下：

第一步，发送节点以信噪比要求最低的调制编码方案和最大发射功率pmax广播rts，以此尽最大能力通知信道占用，保证建立起信噪比要求最低的连接；

第二步，接收节点收到rts帧后，接收节点依据收到rts帧的信干噪比sinrrts，可依据各调制编码方案(mcs)的信噪比要求，寻找该信干噪比能够支持的最高速率所对应的调制编码方案mcsopt，以及为匹配该调制编码方案可从最大发射功率pmax下调的功率δdb。

第三步，将第二步所选择的mcsopt和δdb写入cts反馈给发送节点，使得发送节点能够选择优化的mcs方案和发送功率进行数据帧的发送。

接收节点根据调制编码方案mcsopt和所需传输比特数brequest计算发送数据包实际所需的时间长度tdata。

移动自组织网络需要保证与以太网及ieee802.11等经典无线接入网络的兼容，一种移动自组织网络结构如图1所示。因此本发明通过在ieee802.11规定的无线接入协议基础上，增加rts/cts的信道估计、控制信息广播等功能，使节点获得信道状态、其它节点发送状态等信息，实现联合物理层和mac层的自适应速率选择和功率控制方案，重新设计退避算法，节点根据信道状态判断进入虚拟载波监听状态的时机，控制同时传输的数量不超过上限。

首先简要说明传统csma/ca协议。当节点有数据帧要发送时，先进行信道空闲评估(clearchannelassessment,cca)，包括载波侦听(carriersense,cs)和能量检测(energydetection,ed)。若判断信道空闲，则在等待分布式帧间间隔(distributedinter-framespacing,difs)后开始随机回退过程。如图2所示，节点首先在竞争窗口(contentionwindow,cw)中按照均匀分布选择一个随机整数，设置为回退计数器的计数值，每经过一个时隙，节点进行信道空闲评估，若信道空闲则将回退计数器的计数值减1，直至计数器减至0后，节点立即开始发送数据过程，接收节点若成功接收数据，则回复ack帧确认成功。

启用rts/cts机制的发送节点先广播rts帧，包括欲发送数据的目的节点和时长等信息，接收节点若判断可以接收，则回复cts帧，包括即将接收的时长等信息。若节点获取到其他节点发送数据帧的目的节点和时长等信息，则节点自行判断是否进入接收状态或虚拟载波侦听状态，保留回退状态并暂停回退进程。虚拟载波侦听是指节点通过控制信息判定无需接收接下来的数据帧时，将预计信道持续忙的时间记录在网络分配向量(networkallocationvector,nav)中，在此之前主动关闭物理载波侦听，以停止不必要的接收和信道空闲评估，减少信道中可能存在的干扰。

本发明通过rts/cts获得信道状态信息，以完成自适应速率选择和功率控制，并基于更新网络分配向量(networkallocationvector，nav)的回避算法维护多对节点间的同时同频通信链路。通过设计与其相配适的媒体接入控制层协议，在一跳范围内允许多个节点同时传输。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为一种移动自组织网络的结构示意图。

图2为csma/ca协议的争用信道过程。

图3为一种多用户同时通信的场景。

图4为依据本发明方法给出的基于网络分配向量的多用户协同算法流程图。

图5为仿真实验中三种系统在不同流量模型下的吞吐量对比图。

具体实施方式

基于网络分配向量的移动自组织网络多用户协同发送方法：

第一部分：

第一步，在有rts/cts机制的csma/ca协议基础上，发送节点先发送rts,告知其他节点请求传输的比特数信息brequest。接收节点收到rts后，按照本发明的第二部分，计算速率选择和功率调整，并将此速率和功率信息写入cts包中回复；接收节点还根据调制编码方案和所需传输比特数计算发送数据包实际所需的时间长度tdata，并将其写入cts包中。

第二步，当网络中的某个节点收到发给其他节点的rts，将修改计数器nav＝nav+1并相应地记录会话结束时间tend＝tcurrent+sifs+tcts，其中sifs为短帧间间隔，tcts为预估cts帧回应所需时间，直至经过时刻tend后计数器nav减去1并删除对应记录tend。

第三步，待收到接收节点反馈的cts后将修改计数器nav＝nav+1，再从此时记录时间tend＝tcurrent+sifs+tdata+sifs+tack，其中tdata为依据接收节点指定速率计算出的数据包发送间期，tack为ack发送间期。经过时刻tend后计数器nav减去1并删除对应记录tend。

第四步，采用了波束赋形技术的mimo系统允许多达mr对用户同时传输，判定信道忙的条件，navi≥mr时方认为信道繁忙，节点进入虚拟载波侦听状态，停止检测物理信道并暂停回退进程，直至计数器满足条件navi＜mr后继续通信或恢复回退进程。

第二部分：

第一步，发送节点以信噪比要求最低的调制编码方案(modulationandcodingscheme，mcs)和最大功率广播rts，以此尽最大能力通知信道占用，保证建立起信噪比要求最低的连接。

第二步，接收节点收到rts帧后，接收节点依据收到rts帧的信干噪比sinrrtsdb，可依据协议规定的调制编码方案的信噪比和误包率性能，寻找该信干噪比能够支持的最高调制编码方案mcsopt，以及支持该速率所需的信噪比ρrcmddb。

第三步，接收节点将mcsopt，以及为支持该编码调制方案所需从最大发射功率下调值δdb写入cts反馈给发送节点，实现发送节点依据接收节点信道状态的自适应速率选择和功率控制。

第四步，发送节点根据cts反馈的mcsopt和δdb选择最优的mcs方案和发送功率进行数据帧的发送。

以移动自组织网络中的某一节点i为例，图4描述了所提出的基于mimo的物理层和mac层联合控制算法如何维护多对节点同时通信。其中cei为节点i发送信号前进行信道检测估计的信道能量，edthreshold为信道评估(clearchannelassessment，cca)的阈值。

应用matlab实现的对无线自组织网络物理层和mac层的离散事件模拟器进行了仿真实验。仿真中设置mimo节点有mr＝4个天线，siso节点有mr＝1个天线，带宽均为20mhz，默认发射功率为20dbm，接收机热噪声为pn＝-101dbm，天线增益为ga＝2dbi，1m参考路损为l0＝-40db，路损指数为k＝3，即10m处的路损为-40db-30＝-70db。考虑接收机底噪后得到归一化路损模型为l＝2ga+l0-10klog10z-pn。其中ga是天线增益，pn为热噪声功率，z为两节点间的距离。

在表1中给出了仿真时默认设置的系统参数。表中pmax为最大发射功率，b为带宽，ldata、lrts、lcts和lack分别为数据帧、rts帧、cts帧和ack帧的长度，tslot、tsifs和tdifs分别为单位时隙、短帧间间隔和分布式帧间间隔的时长。

表1系统参数表

仿真场景如图3所示，在边长为d＝50m的正方形区域内，有n个移动自组织网络节点，节点的位置均匀随机分布，由于所有节点都在其他节点的通信范围内，因此场景1是一个单跳移动自组织网络。仿真中令节点两两成对产生数据流量，发送节点每经过指数分布的随机时间产生一个固定长度的数据包，每对节点产生两个数据包的时间间隔期望μ取值为1ms和10ms，分别对应饱和流量模型和非饱和流量模型。

实验结果为多次仿真结果的平均值，一次仿真总时间为150ms，其中前50ms为预留给系统进入稳态的时间，各项性能指标在50ms后开始统计，以使其能准确刻画出系统进入稳态后的性能。

仿真实验对比了传统siso系统、仅物理层采用mimo技术不改变mac层的mimo-su系统、采用本方法实现的mimo-mu系统的性能，三种模式在不同流量模型下的吞吐量如图5所示。各系统的吞吐量对比中可见，在饱和流量模型下mimo系统的吞吐量远高于siso系统，mimo-su可认为是仅在物理层改进的siso系统，其吞吐量是siso的2倍到4倍，总体趋势与siso相同。每对节点产生两个数据包的时间间隔期望μ为10ms时，siso和mimo-su在节点数低于10对的吞吐量低于期望μ为1ms的吞吐量，网络中的流量均未达到饱和；在节点数多于10对后，各节点的数据包不能及时发送，网络中的流量开始饱和。对于mimo-mu，节点数多于25对后，吞吐量期望μ为10ms的吞吐量曲线开始趋于平缓，与期望μ为1ms的吞吐量曲线仍有10mbps左右的差距。

为了更好地说明基于本方法实现的通信系统运行时的特征，在上述仿真场景下，以共有10对节点的饱和流量网络为例，获取其中10ms的链路状态，记录每条链路传输数据帧的开始、结束时间以及该数据帧的接收信干噪比。可见基于本法实现的mimo-mu系统能够有效运行，多用户同时传输的设计使得相同时间段内可发送的数据包数量是siso的3倍左右，提升了整个网络的吞吐量。

上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。