专利名称：一种用于短程无线网络的介质访问控制方法
技术领域：
本发明涉及一种用于短程无线网络的介质访问控制方法，属于无线通信技术领域。
背景技术：
无线通信网络系统使用电磁波传输数据。由于无线介质的开放性，网络中各个节点共享无线信道传输数据。此时，不同节点所同时传输的数据就有可能互相干扰，最终导致传输失败。为了避免这种情况出现，计算机网络协议栈中的介质访问控制协议负责控制节点对无线信道的访问，即规定节点何时可以向信道中发射信号，何时需要接收信道中的信息等，以达到避免或减少节点间互相干扰的目的。
不同类型的无线网络所使用的介质访问控制协议也有所不同。在存在基站或中心节点的网络中，通常采用固定分配式或者中心分配式的介质访问控制协议。这些协议将无线信道划分为子信道并让不同的节点在不同的子信道中工作。如电信网中常用的时分多址、码分多址等。
由于没有基站或者中心控制节点，包括短程无线网络在内的各种计算机网络通常使用基于随机访问的介质访问控制协议。其中基于载波侦听技术的介质访问控制协议被广泛应用于无线网络中。这一类协议利用节点探测信道状态的能力，根据节点探测信道的结果来决定何时向信道中传输数据帧。短程无线网络领域中的IEEE802.15.4标准便采用了一种基于载波侦听技术的介质访问控制协议。
在没有中心节点的条件下，IEEE 802.15.4协议使用非时隙的带有冲突避免的载波侦听多址访问协议。该协议的流程图如图1所示。
在收到来自上层的数据传输请求时，节点首先初始化方法所需的变量包括NB和BE两个变量，然后根据BE的值产生一个随机退避时间，该随机退避时间在0至(2BE-1)范围内均匀分布。节点等待该随机退避时间探测信道，如果信道状态为空闲，则传输数据；如果信道状态为忙碌，则将BE和NB的值加1后重新进行随机退避。当NB的值大于某个给定值时，则放弃传输。节点在完成传输数据后，会等待数据帧目的节点的确认帧，如果在给定时间内收到该确认帧则认为传输成功；否则，重新执行上述过程。如果在重复执行了给定次数后仍未收到确认帧则放弃传输。
通过研究和仿真实验分析，发现该介质访问控制协议在某些特定情况下会导致节点进入一种死锁状态，进而导致一个或多个数据帧无法正确传输，从而降低网络的吞吐量和能量有效性。
IEEE 802.15.4标准介质访问控制协议导致节点进入死锁状态的过程为当两个节点都有数据要发送给对方时，其分别进入退避状态。先结束退避的那个节点(以下设为节点1)将探测到信道空闲并开始传输数据，而此时另一个节点(以下设为节点2)正在进行退避，无法对接收数据并回应一个确认帧。节点1在没有等到确认帧的情况下会重新开始退避过程，而此时节点2可能结束了退避过程，并在探测信道后传输数据。同样地，此时节点1也没有办法接收并处理数据。如此，两个节点重复上述过程，进入死锁，直至某个节点放弃传输为止。在此过程中，两个节点都多次试图传输数据，但都为成功。一方面，降低了信道的使用效率，进而降低了网络的吞吐量；另一方面，多次重新试图传输会消耗能量，降低节点的能量有效性。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于短程无线网络的介质访问控制方法，对IEEE802.15.4标准中的介质访问控制协议进行改进，以避免死锁现象，提高网络吞吐量和能量有效性，延长节点的工作时间。
本发明提出的用于短程无线网络的介质访问控制方法，包括以下各步骤(1)节点收到一个来自网络上层的数据传输请求，产生一个随机数，并用该随机数对节点中的退避时间标志进行初始化；(2)上述节点按固定时间周期探测信道，若信道忙碌，则保持退避时间标志的值不变，若信道空闲，则对退避时间标志减去一个单位时间，当退避时间标志被减至零时，节点通过网络介质向目的节点发送数据；(3)上述节点等待目的节点的确认帧，若在设定时间内接收到确认帧，则数据传输完成，若在设定时间内没有接收到确认帧，则重新产生一个随机数，并用该随机数重新对退避时间标志进行初始化，重复步骤(2)和(3)；(4)若上述节点接收到数据帧，则停止信道探测，并根据该数据帧中的控制信息，向该数据帧的源节点传输确认帧，完成确认帧的传输后恢复信道探测。
本发明所提出的用于短程无线网络的介质访问控制方法，具有以下优点(1)本发明方法提高了网络的归一化吞吐量，即单位时间内网络所能够传输的数据量。
(2)本发明方法通过提高数据帧的成功传输概率，避免死锁，提高了节点的能量有效性。
(3)本发明方法简化了介质访问控制协议实现的复杂度，有利于降低单个节点的成本和体积。
图1是已有的IEEE 802.15.4标准中介质访问控制协议的流程图。
图2是本发明方法的流程框图。
图3是IEEE 802.15.4标准中介质访问控制方法和本发明方法的吞吐量对比曲线。
图4是IEEE 802.15.4标准中介质访问控制方法和本发明方法成功传输单位比特能耗的对比曲线。
具体实施例方式
本发明提出的用于短程无线网络的介质访问控制方法，其流程框图如图2所示，首先节点收到一个来自网络上层的数据传输请求，产生一个随机数，并用该随机数对节点中的退避时间标志进行初始化；节点按固定时间周期探测信道，若信道忙碌，则保持退避时间标志的值不变，若信道空闲，则对退避时间标志减去一个单位时间，当退避时间标志被减至零时，节点通过网络介质向目的节点发送数据；节点等待目的节点的确认帧，若在设定时间内接收到确认帧，则数据传输完成，若在设定时间内没有接收到确认帧，则重新产生一个随机数，并用该随机数重新对退避时间标志进行初始化，重复上述步骤；若节点接收到数据帧，则停止信道探测，并根据该数据帧中的控制信息，向该数据帧的源节点传输确认帧，完成确认帧的传输后恢复信道探测。
可以采用处理器来实现本发明方法所需的操作。当节点收到来自上层的数据传输请求时，首先设置重试次数为0，然后节点可以使用任意一种随机数产生算法产生一个随机整数，将该数值赋给退避时间标志。该随机整数应当在0至(2BE-1)范围内均匀分布。BE为事先设定值。
此后，节点按照设定的周期不断的探测信道，即进行载波侦听。其具体方式是指令物理层的处理器打开接收机，并进行载波侦听操作。节点可以选择以下几种方法来判断当前时间信道是否出于空闲状态，给出探测信道的结果(1)根据节点接收机估计出的接收信号能量来进行判断。如果接收机发现当前接收到的信号能量强度大于设定的门限，则认为信道忙；否则则认为信道空闲。
(2)根据载波检测的结果来进行判断。节点的接收机判断当前信道中是否存在具有给定特点的信号。如在扩频通信系统中，节点使用本地扩频码与接收信号进行数学相关操作。如相关操作的结果大于某个给定门限，则认为信道忙；否则认为信道空闲。
(3)上文(1)、(2)中结果的逻辑组合。例如只有当(1)和(2)的结果都为信道空闲时，才认为信道空闲。
如果节点载波侦听的结果为信道空闲，则节点对退避时间标志进行减1操作；否则保持退避时间标志不变。如果在进行了上述操作后，退避时间标志大于零，则节点继续按照固定周期进行信道探测工作；否则节点认为当前信道可以使用，通过指令打开物理层的发射机，并发送指令给物理层，将来自上层的数据通过发射机传输出去。当数据传输完成后，节点指令物理层关闭发射机并打开接收机，等待目的节点的确认帧。
节点等待设定的一段时间，如果在这段时间内，节点接收到了来自目的节点的确认帧。则节点认为数据帧传输成功；否则，在将重试次数变量加1后重新使用随机数发生器产生新的退避时间标志，重新进行探测信道和传输数据的操作。如果重试次数变量超过设定值，则放弃传输。
节点在周期地探测信道的过程中始终保持接收机为打开状态。此时，接收机可能收到来自其它节点的数据帧。节点的介质访问控制协议会收到来自物理层的数据报告，此时节点要解析数据帧的内容。在数据帧当中，有一个特定的域来指示该数据帧是否需要目的节点传输确认帧。节点读取这个域的内容，如果发现该数据帧需要节点传输确认帧，则节点暂停探测信道的操作，指令物理层打开发射机，传输确认帧。当确认帧传输完成后，重新打开接收机，恢复进行探测信道的操作。
图3是IEEE 802.15.4标准中介质访问控制协议和本发明的吞吐量对比曲线。图3中横坐标为网络负载，即单位时间内提供给网络节点的数据量，纵坐标为归一化吞吐量，即信道的利用率。图中分别包括1跳、4跳两种不同的网络拓扑结构条件下的曲线，即数据经过一个节点就到达了目的节点和数据经过四个节点的转发才到达目的节点。从图中可以看出，本发明方法的吞吐量较IEEE 802.15.4标准有较大的提高。其原因是本发明方法避免了死锁现象的出现，提高了数据帧正确传输的概率，从而提高了吞吐量。
图4是IEEE 802.15.4标准中介质访问控制协议和本发明成功传输单位比特能耗的对比曲线。图4中横坐标为归一化吞吐量，纵坐标为成功传输单位比特的能耗。图中分别包括1跳和4跳两种不同的网络拓扑结构条件下的曲线。从图中可以看出，在同等条件下，本发明方法成功传输单位比特所需要的能量要小于IEEE 802.15.4中的方法。
权利要求
1.一种用于短程无线网络的介质访问控制方法，其特征在于该方法包括以下各步骤(1)节点收到一个来自网络上层的数据传输请求，产生一个随机数，并用该随机数对节点中的退避时间标志进行初始化；(2)上述节点按固定时间周期探测信道，若信道忙碌，则保持退避时间标志的值不变，若信道空闲，则对退避时间标志减去一个单位时间，当退避时间标志被减至零时，节点通过网络介质向目的节点发送数据；(3)上述节点等待目的节点的确认帧，若在设定时间内接收到确认帧，则数据传输完成，若在设定时间内没有接收到确认帧，则重新产生一个随机数，并用该随机数重新对退避时间标志进行初始化，重复步骤(2)和(3)；(4)若上述节点接收到数据帧，则停止信道探测，并根据该数据帧中的控制信息，向该数据帧的源节点传输确认帧，完成确认帧的传输后恢复信道探测。
全文摘要
本发明涉及一种用于短程无线网络的介质访问控制方法，属于无线通信技术领域。节点收到来自网络上层的数据传输请求，产生一个随机数，对节点中的退避时间标志初始化；节点探测信道，若信道忙碌，则保持退避时间标志的值不变，否则对退避时间标志减去一个单位时间，当退避时间标志被减至零时，节点向目的节点发送数据；节点等待目的节点的确认帧，若在设定时间内接收到确认帧，则数据传输完成，否则重新产生一个随机数，对退避时间标志进行初始化；若节点接收到数据帧，则停止信道探测，向该数据帧的源节点传输确认帧，恢复信道探测。本方法提高了网络的吞吐量，避免死锁，提高了节点的能量有效性，简化了介质访问控制协议实现的复杂度。
文档编号H04L12/413GK1697414SQ200510071938
公开日2005年11月16日 申请日期2005年5月26日 优先权日2005年5月26日
发明者王新, 杨晨阳, 杨晖, 郦亮 申请人:北京航空航天大学, 北京威讯紫晶科技有限公司