一种基于并行协作的分布式多信道多址接入方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术领域，尤其是一种多信道环境下的多址接入方法。
【背景技术】
[0002] 目前，在IEEE 802.11标准中已经提供了多个可用的频率信道资源，比如，2.4GHz 频段上有3个20MHz的非重叠信道，而在5GHz频段上有20多个20MHz的非重叠可用信道，并且 随着移动用户数量的持续增长以及用户对大带宽业务需求的不断增加，如视频会议等业 务，使得信道资源变得愈发紧张。因此，如何设计高效的多信道多址接入(Multi-channel MAC，McMAC)协议，最大程度地利用目前有限的信道资源，已经成为了人们关注的研究热点 问题。然而由于无线信道的衰落特性，当收发节点之间的距离较远时，必须降低数据传输速 率来保证收发节点之间通信的可靠性，这将对多信道系统的吞吐量性能大打折扣。因此，人 们通过使用协作传输技术来解决长距离传输链路的低速率传输问题。在McMAC的协议设计 中，一种典型的方法是将原先一条低速率传输链路分割为两条在不同信道上的高速传输链 路，即在第一个时隙内，源节点先以高速率将要发送的数据分组发送给协作节点，再由协作 节点在第二个时隙内以高速率转发给目的节点，这样的协作方式称为"串行协作"（Serial-C 〇〇p，SC)。但是在串行协作的方法中，每个数据分组的协作转发均需要消耗两个时隙，这大 大增加了分组时延。为了克服串行协作方法中的问题，Shila D Μ等人提出了一种基于"并 行协作"（Parallel-Coop)的McMAC协议，称为CoopMC，即通过在两个不同的数据信道上并行 发起协作传输过程。虽然并行协作方法可以有效提升数据传输速率并减小分组时延，但该 协议中也存在诸多问题:其一，该协议是基于时间同步的，实现难度较大，复杂度高；其二， CoopMC假设网络中的收发节点已经提前获知了最佳的协作节点信息，这与实际情况不符； 其三，该协议无法适应网络中可用信道个数的动态变化。
[0003] 因此，针对以上【背景技术】中所存在的弊端，本发明提出了一种基于并行协作的分 布式多信道多址接入方法。在该方法中，收发节点在控制信道上采用标准协议IEEE802.il 分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)进行竞争接入，并完成：1)数 据信道的协商;2)最优协作节点的选取;3)协作策略的选择；以及4)数据信道使用情况信息 的共享。进而，收发双方在所协商的数据信道上发起协作传输过程。另外，本技术发明不需 要时间同步，分布式实现容易，并且本发明技术与传统的IEEE 802.11标准协议相兼容。仿 真结果表明，本发明大幅度提升了网络性能。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的不足，本发明在不需要网络时间同步的前提下，在多信道网 络中根据网络中可用的数据信道个数来动态构建协作传输，从而提升系统性能。
[0005] 本发明主要包括两大部分:控制握手过程和数据传输过程。
[0006] 1.控制握手过程
[0007] 当节点在公共控制信道上按照传统的IEEE 802. 1 1分布式协调功能DCF (Distributed Coordination Function)机制竞争成功后，源节点与目的节点在控制信道 交互控制信息，完成对数据信道的协商、最佳协作节点的竞争、协作传输策略的选择以及数 据信道使用信息的共享。
[0008] 2.数据传输过程
[0009] 在完成控制握手过程后，收发节点对及其相应的协作节点在所协商好的数据信道 上，根据所选择的协作策略完成数据分组的传输。
[0010] 在本发明的技术方案中，一方面，收发节点通过分布式地在不同信道上构建并行 协作传输，从而大幅度提升协作传输速率;另一方面，收发节点根据网络中可用的数据信道 个数来动态选择协作传输策略，从而保证了当可用数据信道个数较少时的系统性能。
[0011] 本发明提出的多信道多址接入方法考虑在网络中有K+1个可用信道，其中1个为控 制信道CH(Control Channel)，其余K个为等带宽的数据信道，分别表示为DHi，i = 1，. . .，K。 网络中有Ν个节点，且额外布置Μ个协作节点，每个节点均配备两副半双工收发信机。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案步骤如下：
[0013]步骤1 :当源节点S有数据分组需要发送时，源节点S在控制信道上按照IΕΕΕ 802· 11分布式协调功能DCF(Distributed Coordination Function)进行二进制指数退避， 当退避完成后，源节点在控制信道CH( Control Channel)上发送协作请求发送CRTS (Cooperation-Request-to-Send)帧，其中CRTS帧格式添加2个字节的信道控制字段，用于 指示数据信道1~16的空闲与否的信息，之后转入步骤2,否则停留在步骤1中继续竞争； [0014]步骤2:网络中所有的潜在协作节点ri，（l < i <M)接收到CRTS之后，通过计算收到 CRTS帧的信干噪比SINR(Signal and Interference to Noise Ratio)，进而通过查表获得 自己与源节点之间的无线链路所能使用的最大调制与编码方式(Modulation and Coding Scheme)以及对应的数据传输速率尤·,:，其中数据传输速率足的单位为比特/秒，当 目的节点D收到C R T S之后，计算SINR并获得自己与源节点之间的无线链路所能使用的最大 调制与编码方式MCSd以及对应的数据直传速率Rd，之后转入步骤3;
[0015] 步骤3:在接收到CRTS帧后并间隔时长为短帧间间隔SIFS( Short Inter-frame Space)后，目的节点D回复协作允许发送CCTS(Cooperation-Clear-To-Send)帧，其中CCTS 帧格式添加3个字节的信道控制字段，其中2个字节用于指示公共数据信道字段，即源节点S 和目的节点D之间的两个公共可用数据信道，剩余的1个字节用于指示收发节点之间直传链 路可以使用的最大数据传输速率Rd，当网络中潜在的协作节点ri接收到CCTS之后，根据CCTS 帧的SINR获知协作节点，与目的节点D之间的无线链路所能使用的最大调制与编码方式 以及对应的数据速率，ri根据所得到的和，分别计算采用串行协作与并行 协作情况下的平均数据速率g，可表示为：
1其中谭' 是当采用"串行协作策略SC(Serial-C〇〇p)"所能获得的平均数据传输速率，而及f是当采 用"并行协作策略PCXParallel-Coop)"所能获得的平均数据传输速率，Rsr是源节点与协作 节点之间可获得的最大速率;Rrd是协作节点与目的节点之间可获得的最大速率，潜在的协 作节点ri结合所收到的CRTS和CCTS中的数据信道信息，读取CRTS和CCTS帧中包含的可用数 据信道，根据自己的可用信道列表ACL选公共的可用数据信道，协商出源节点S、目的节点D 以及协作节点η之间的公共可用数据信道，即协作节点结合自己的可用信道列表ACL取交 集，即可得到源节点S、目的节点D和协作节点三者公共的可用数据信道，若源节点S在SIFS 时间内收到CCTS分组，则转入步骤4，否则返回步骤1中重新竞争；
[0016] 步骤4:潜在的协作节点η计算可以获得的等效速率
其中，为采用 平均传输速率及的情况下，在一个ΤΧ0Ρ时间内可以传输的数据分组个数：
Ttxop表示一个传输机会TX0P(Transmission Opportunity)时间的长度，表示通过协作 节点η传输Data分组所需要的时间，SIFS表示短帧间间隔的时长表示通过协作节点Γι 传输ACK分组所需要的时间，％表示单位时间内可以发起的数据传输的平均次数，L[P]表示 平均分组大小，表示一次成功选择出最佳协作节点的控制握手时长，包括CRTS、CCTS和 HTS帧的交互，而< 表示数据传输所需时长且等于一个ΤΧ0Ρ的时长，即潜在的协作 节点根据各自的Rri以及当前的公共可用数据信道个数L来动态地选择协作传输策略：
[0017]
，则所选择的是串行协作SC(Serial-Coop)策略，
则选择的是并行协作PC(Parallel-C〇〇p)策略，其中Rf 指的是采用串行协作策略时的等效速率，指的是不采用协作传输时的等效速率，Rf指 的是采用并行协作策略时的等效速率，L是当前的可用数据信道个数；
[0018] 若潜在的协作节点有机会参与协作传输，即可以选择SC或PC协作策略，则备选的 协作节点^转入步骤5开始竞争，否则协作节点保持侦听，不参与竞争；
[0019] 步骤5:满足步骤4中的条件(i = 丨)门(? >或(z. > 1)厂> if)的协作节 点为备选的协作节点，备选的协作节点^根据步骤4所选择的协作传输策略，计算不同备选 协作节点η的退避值^3'，进而在时段W内依据退避值进行数值退避，若退避计数器减 为0,则备选的协作节点rj发送协作准备发送HTS(Helper-ready-To-Send)帧，HTS帧格式添 加发送地址域和3个字节的信道控制字段，其中2个字节用于指示公共数据信道字段，即源 节点S和目的节点D之间的两个公共可用数据信道，剩余的1个字节用于指示本次数据传输 过程所采用的协作传输策略一旦其他协作节点检测到W时段内信道变忙，则立即停止退避， 之后转入步骤6;
[0020] 步骤6:若源节点S收到HTS帧，则将发送该HTS帧的协作节点作为本次的协作节点， 并提取出HTS帧中所携带的数据信道编号以及所要使用的协作策略，在SIFS时间间隔之后 转入步骤7;若源节点在W时段内没有收到HTS帧，则根据收到的CCTS帧选取一个公共的数据 信道，并选择