基于信道争用与集中调度的全双工mac的数据交换方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种无线通信技术领域，尤其是设及一种基于信道争用与集中调度的 全双工MC的数据交换方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线通信中同时同频全双工技术的深入研究，基于全双工的物理层链路设计 可使系统的频谱资源利用率翻倍，也必将能利用全双工带来的反向链路带来系统级的网络 吞吐量的提升。全双工技术不仅可W通过减少信道检测时间、降低每次回退的时间长度，从 而提高系统的吞吐量性能；而且还将对MC层及高层协议产生重大影响，能够带来系统级 的巨大性能增益，比如能够解决分布式网络中的隐藏终端问题、多跳网络中端到端大时延 问题等。
[0003] 目前针对全双工MC协议的研究还不是很深入，大多研究是在CSMA/CA协议的基 础上加W简单的推广，通过最大化利用全双工收发调度实现吞吐量性能提升，实际上对全 双工信道的利用率还是很低下。现有文献考虑了节点要么完全隐藏、要么完全碰撞等情况， 却没有考虑各节点出现的干扰量，当出现一定的干扰时会降低信道容量，实际仍然可通过 降低传输速率实现可靠传输。考虑了干扰水平并调整全双工传输速率的全双工MAC协议， 但由于采用集中式轮询，当接入用户较多时网络时延相对较长。此外考虑到全双工系统仍 然存在部分自干扰信号残余，实际全双工最大传输速率相比半双工会有一定下降。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于信道争用 与集中调度的全双工MC的数据交换方法。 阳0化]本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0006] 一种基于信道争用与集中调度的全双工MC的数据交换方法，其特征在于，该方 法将全双工信道争用与全双工集中调度有机结合，包括：
[0007] 全双工信道争用与信息收集；
[0008] 全双工集中调度与数据交换；
[0009] 多数据包集中确认。
[0010] 所述的全双工信道争用与信息收集为：
[00川 1)信道争用模块通过AP发送一个争用开始数据包，告知AP覆盖范围内的所有节 点，在接下来的争用窗口，发送信道争用请求，内容包括开启的争用窗口时隙长度；
[0012] 2)各节点发送信道争用请求，AP则立刻进行全双工发送请求回复数据包，并完成 相关业务数据和干扰矩阵信息收集。
[0013] 所述的争用窗口期间各节点不发送业务数据，仅发送全双工调度所需的业务发送 请求与干扰水平信息。
[0014] 所述的AP不仅需要节点所要发送的业务数据信息；还需要收集当前节点与其他 非AP节点的干扰信息，AP将收集到的干扰水平信息形成一个干扰水平值矩阵。
[0015] 所述的干扰水平值矩阵G= [G,,k]，
I:其中令节点N，处接收 来自AP的信号强度Pj与来自节点Nk的干扰信号强度Ik,i。
[0016] 所述的AP在接收到数据包的头部皿R并识别出其源节点地址后，利用全双工技术 快速地启动发送进程进行全双工争用回复，记为FDCTS，使得信道处于忙状态，从而有效地 减少其它隐藏节点的碰撞。
[0017] 此时，对于隐藏节点N2来讲，只有在Nl发射皿R期间信道处于空闲，由于皿R部 分非常短，大大降低了碰撞的概率。由于采用了全双工发送，相比半双工RTS-CTS模式，一 是减少了控制信令开销，RTS-CTS发送时间减少至原来的一半，直接提升了MC信道争用效 率；二是减少了隐藏终端的碰撞问题，减少了因为碰撞引起的额外回退与等待开销，间接地 提升MAC效率。=是一次信道争用，可W包含该节点发送队列中多个数据包，可W大幅提高 MAC效率。
[0018] 所述的争用窗口时隙长度根据网络中在AP注册的节点数目进行计算得到。
[0019] 全双工集中调度中，通过AP半双工与全双工发送，对称与非对称全双工发送，最 大程度利用全双工发送机会。本发明中充分考虑了两大因素。一是考虑了节点除完全隐藏、 完全碰撞等情况外，还考虑了各节点出现干扰中间情况。通过降低传输速率，仍然可W实 现有干扰情况下的可靠传输。二是考虑了全双工系统仍然存在部分自干扰信号残余，实际 全双工最大传输速率相比半双工会有一定下降，运也是影响物理层吞吐量性能的一个重要 因素。
[0020] 所述的全双工集中调度与数据交换为：
[0021] 首先将从各节点收集到的数据发送请求组成AP接收队列，并将要发给各节点的 数据组成AP发送队列；
[0022] 然后根据收集到的干扰矩阵和速率矩阵，决定哪些数据包将要全双工发送W及每 个数据包发送顺序和采用的传输速率；
[0023] 最后将调度情况分发给所有注册节点并开始数据交换。
[0024] 所述的全双工调度问题转化为一个查找最短完成时间T_C的NP最优化问题，全双 工调度目标是通过使AP接收队列和AP发送队列形成最好的全双工匹配，使数据包交换的 完成时间最少；
[0025] 共有W下两条约束：约束条件1:节点N发送给AP的传输速率是固定的，为最大可 利用带宽，由于能够抵消自身发射信号，AP总能正确接收该节点信号；
[0026] 约束条件2 :AP发送给其他节点的传输速率需要作调整，根据节点N引起的最高干 扰水平值确定。
[0027]与现有技术相比，本发明综合考虑网络拓扑中的干扰情况W及全双工系统中自干 扰信号残余等对系统的影响，提出一种基于AP网络的全双工MC协议，通过全双工信道争 用和全双工集中调度等机制，进一步提升系统吞吐量性能。一方面通过随机信道争用，来保 证各用户节点信道接入的公平性；同时AP能够利用全双工技术快速地启动一个发送进程 进行争用回复，使得信道处于忙状态，从而有效地减少其它隐藏节点的碰撞。另一方面，除 考虑节点要么完全隐藏、要么完全碰撞外，还考虑节点间存在干扰情况，通过全双工集中调 度调整节点发送顺序和AP全双工发送速率，来最大化利用全双工发送机会，提升系统的吞 吐量性能。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明基于信道争用与集中调度的全双工MC协议的数据交换流程图；
[0029] 图2是本发明的全双工信道争用示意图；
[0030] 图3是本发明的全双工集中调度流程图；
[0031] 图4是本发明的全双工MAC协议与现有方案的吞吐量性能对比图。
【具体实施方式】
[0032] W下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，W 充分地了解本发明的目的、特征和效果，但本发明并不局限于下述实施例。
[0033] 图1为本发明的无线网络中基于信道争用与集中调度的全双工MC协议的数据包 交换总流程，具体步骤如下。
[0034] 步骤一：信道争用模块通过AP发送一个争用开始数据包，告知AP覆盖范围内的所 有节点，可W在接下来的争用窗口，发送信道争用请求，内容包括开启的争用窗口时隙长度 Lm。、。各节点发送信道争用请求，AP则立刻全双工发送请求回复数据包避免隐藏节点碰撞， 并完成相关业务数据和干扰矩阵信息收集。
[0035] 步骤二：调度模块根据收集到相关信息，决定哪些数据包将要全双工发送W及每 个数据包发送顺序和采用的传输速率等，并通过将调度情况通过调度数据包分发给所有注 册节点并开始数据交换。
[0036] 步骤=:进行数据包集中确认，完成一轮数据包交换。
[0037] 本发明作为一种争用型的全双工MC协议，AP通过开放一段窗口时间用于信道争 用，期间各节点不发送业务数据，仅发送全双工调度所需的业务发送请求与干扰水平信息。 为了获得最大化的全双工发送，调度模块不仅需要节点所要发送的业务数据信息，将多个 数据发送请求集中在一起进行全双工调度发送；还需要收集当前节点与其他非AP节点的 干扰信息，AP将收集到的干扰水平信息形成一个干扰水平值矩阵。
[0038] 图2为节点Nl发起的一次类似RTS的全双工信道接入请求，记为抑RTS。AP在接 收到该数据包的头部皿R并识别出其源节点地址后，利用全双工技术快速地启动一个类似 CTS的发送进程进行全双工争用回复，记