一种基于可靠多步信道预约机制的多信道多址接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及通信技术领域，尤其是一种多信道多址接入协议。
【背景技术】
[0002] 在无线通信系统（比如无线局域网WLAN、蜂窝网等）中，通常存在多个可用的无线 信道。比如，在非授权频段2. 4GHz上有3个非重叠信道，而在5GHz频段上有12个非重叠 的信道。移动用户数量的持续增长W及用户对大带宽业务需求的不断增加，如视频会议等 业务，对无线通信系统吞吐量的提升提出了新的要求。因此，如何设计高效的多信道多址接 入（Multi-channelMC，McMAC)协议，从而充分利用多个无线信道并提升无线网络的吞吐 量，成为一个非常亟待解决的问题。
[0003] 在设计McMC协议中所面临一个难题就是多信道隐藏终端问题。导致多信道隐藏 终端问题的主要原因是；由于节点丢失了其邻节点的控制握手信息，致使节点对目前信道 的使用信息掌握有误，从而选择了当前并不可用的信道来进行数据传输，最终导致了在数 据传输过程中与邻节点发生冲突。为了解决多信道隐藏终端问题，目前已有的McMC协议 可大体归纳为两类；（1)基于时间同步的McMC协议；（2)基于公共控制信道的McMC协议。
[0004] 在基于时间同步的McMC协议中，其代表性协议是化ngminSo等人提出的基于时 间段划分的McMC协议（简称为；MMAC)。在MMAC协议中，每个节点仅需一套收发机，并且 时间被划分为若干个时间间隔，每个时间间隔内包含一个控制阶段和一个数据传输阶段。 所有节点在控制阶段内通过一个公共信道进行竞争并完成控制握手，进而在接下来的数据 传输阶段完成数据分组的传输。但是，MMAC协议存在两个主要问题；其一，需要实现全网时 间同步，该大大增加了实现的开销与复杂度；其二，由于所有节点在控制阶段内通过一个 公共信道进行接入，而其余的信道此时被闲置，从而导致了信道资源的浪费问题。
[0005] 在基于公共控制信道的McMC协议中，所有节点是分布式实现的，不需要全网时 间同步。但是，每个节点往往需要配备多套独立的收发机，W化ih-Lin和化inh-化等人提 出的动态信道分配（简称；Dynamic化annelAssignment,DCA)协议为代表。在DCA协议 中，每个节点配备两套独立的收发机，其中一套收发机持续侦听一个公共控制信道并在该 信道上进行控制信息的交互，另一套收发机则专口用于数据传输。该种基于公共控制信道 的McMAC协议存在两个主要问题；其一，由于每个节点需要配备两套收发机，该增加了节点 的硬件开销；其二，由于所有节点均通过同一个公共控制信道进行接入W及控制信息握手， 因此当节点和可用信道个数较多时，随着网络负载的增大，该控制信道将变得非常拥塞并 迅速达到饱和，进而成为性能的瓶颈所在。
[0006] 因此，针对W上两类【背景技术】中各自存在的弊端，本发明提出了一个基于信道预 约机制的多信道多址接入方法。该方法解决了多信道的隐藏终端问题，并兼备W下几个特 点；（1)所有节点仅需要一套收发机，硬件开销很小；（2)所有节点不需要时间同步，分布式 实现容易；（3)该方法有效缓解了控制信道的拥塞。仿真结果表明，本发明大幅度提升了网 络性能。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有技术的不足，本发明在不需要网络时间同步并且不引入额外开销的 前提下，即网络中每个节点仅需要一套收发机的前提下，解决多信道隐藏终端问题，从而提 升系统性能。
[0008] 本发明主要包括两部分：控制信道预约和数据信道预约。当节点在公共控制信道 上按照IE邸802. 11DCF值istributedCoordinationF^mction，分布式协调功能）机制竞 争成功后，发送节点与接收节点在控制信道上交互请求发送RTS(RequesttoSend)、允许 发送CTS(ClearToSend)和预留RES(Reservation)信息，完成对数据信道的选择、控制信 道上的预约W及数据信道上的预约。首先，在控制信道的预约过程中，发送节点根据控制信 道上的预约周期T。设置定时器，当定时器超时后，发送节点在控制信道上发送预约的RES 信息，该RES信息中包含了收发双方的数据信道选择信息W及预约等相关信息，而接收节 点在收到该预约RES信息后，间隔SIFS后再次在控制信道上发送预约的RES信息；其次， 在数据信道的预约过程中，发送节点与接收节点根据数据信道上的预约周期Td设置定时 器，每当定时器超时后，收发双方就在所协商好的数据信道上周期性地传输预约数据分组， 当发送节点与接收节点完成最后一个预约数据分组的传输后，发送节点需要等待一段时间 后，才能开始在控制信道上开始新一轮的竞争，该主要为了避免发送节点发起新的控制握 手与邻节点的预约RES分组发生冲突。
[0009] 在本发明的技术方案中，一方面，收发节点通过控制信道预约来确保自己的信道 使用信息可W被邻节点接收，从而解决多信道隐藏终端问题；另一方面，收发节点通过多步 数据信道预约来提升MAC效率，并能有效缓解控制信道拥塞。
[0010] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0011] 步骤1 ;本发明提出的多信道多址接入方法假设在网络中有K+1个可用信道，其 中1个为公共控制信道CCH(CommonControl化annel)，其余K个为等带宽的数据信道， 分别表示为DH。i= 1，. . .，K，每个节点配备一副半双工天线，并可W在所有信道中任意切 换；
[0012] 节点入网后先进入初始化状态，所有刚入网的节点侦听控制信道T。的时间；当节 点有数据分组需要发送时，首先判断是否满足下面两个条件之一：
[0013]a)发送节点的队列中有待发送的分组个数不低于口限值，该口限值的取值要求在 后续预约发送过程中不会因队列变空而导致无数据包可发即可，即队列中有足够多的数据 分组有待发送；
[0014]b)发送节点的队列中有待发送的数据分组的最大时延不低于口限值，该口限值的 取值要求数据包在队列中不会因存放太久而导致数据过期，即队列中的数据分组应当尽快 被发送，否则可能过期；
[0015] 若满足W上a)和b)两个条件之一，则转入步骤2,否则继续停留在步骤1中等待， 直至满足其中一个条件；
[0016] 步骤2;发送节点在控制信道上按照IE邸802. 11分布式协调功能 DCF值istributedCoordinationF^mction)协议进行二进制指数退避竞争信道，当信道竞 争成功后转入步骤3,否则停留在步骤2中继续竞争；
[0017] 步骤3 ;发送节点在公共控制信道CCH上发送RTS分组，完成与接收节点协商公共 可用的数据信道，并等待接收节点回复CTS分组，若在预定时间内收到CTS分组则转入步骤 4,否则转入步骤2中重新开始竞争；
[0018] 在本发明所采用的RTS帖格式中，添加了 7个字节的"信道控制"字段，其中16比 特用于指示"控制信道预约周期Te"、16比特用于指示"数据信道预约周期Td"、8比特用于 指示"预约步数"、剩余的16比特为"可用数据信道信息"字段，用于指示数据信道1~16 的空闲与否的信息，在本发明采用的CTS帖格式中，添加了 6个字节的"信息控制"字段，其 中16比特用于指示"控制信道预约周期"、16比特用于指示"数据信道预约周期"、8比特用 指示"预约步数"，其余8比特为"选择的数据信道标号"字段，用于指示所协商好的数据信 道标号信息，本发明所支持的帖格式包括但不限于W上的帖格式；
[0019] 步骤4 ;发送节点收到CTS分组后，在公共控制信道上发送RES分组，本发明采用 的RES帖格式与步骤3中描述的CTS帖格式相同，同时，发送节点根据Te的取值设置并启 动控制信道预约定时器Timer。，当RES分组传输完成后，转入步骤5 ;
[0020] 步骤5 ;发送节点在步骤3中协商好的数据信道上预约多个数据传输机会，进而 发送节点与接收节点均将各自的收发天线切换至步骤3协商的数据信道上发送一个预约 的化ta分组并等待ACK(Acknowledgement)分组，若发送节点在802. 11协议中规定的时间 SIFS内没有接收到ACK，则返回步骤2,否则转入步骤6 ;
[0021] 步骤6;发送节点与接收节点均将各自的收发天线切换到控制信道上保持侦听， 发送节点判断步骤5中成功发送的化ta分组是否为数据信道上预约的最后一个化ta分 组；若不是，则发送节点根据Td的取值T 2tD+3tEES+2tsips+tcTS设置并启动数据信道预约 定时器Timer。并转入步骤7,否则表明预约的化ta分组已经全部发送完成，进而转入步骤 9 ；
[0022] 步骤7 ;发送节点判断控制信道预约定时器Timer。是否发生超时，若超时，则收发 双方在控制信道上相继间隔SIFS发送各自的预约RES分组，否则发送节点与接收节点继续 在控制信道上保持侦听，进而转入步骤8 ;
[002引步骤8 ;发送节点判断数据信道预约定时器Timer。是否发生超时，若TimerD没有 超时，则返回步骤7 ;否则收发双方切换至步骤3中协商好的数据信道上，发送一个预约的 Data分组并等待ACK(Acknowledgement)分组，数据传