专利名称：ad hoc网络中支持MIMO的拓扑未知广播传输多址接入方法
技术领域：
本发明涉及多输入多输出(MMO)技术和无线多跳自组织网络广播传输领域，具体地 说是一种ad hoc网络中支持MMO的拓扑未知广播传输多址接入方法。该方法用于在无需全 网拓扑信息的情景下实现广播业务的成功发送，提高网络的容量，同时实现网络的性能不随 网络的变化而发生很大的降低。
背彔技术
Ad hoc超3G的一个主要特性，是一种不需要固定基础设施支撑的、由若干地理上分散 的移动节点组成的自组织无线网络，这些节点可以自由地进入和离开网络，也可以在网络中 自由移动。MIMO系统可以看作发送端和接收端均配备了多夭线的系统，其核心思想是发送 天线阵列和接收天线阵列联合以降低误码率或提高数据传输速率。近来，多输入多输出技术 (MIMO)已经得到快速地发展，也越来越受到人们重视，并且已经应用到ad hoc网络中。 MMO系统己经在物理层被广泛的研究，然而，它的有效性和性能加强只有通过合理的设计 高层，如MAC层，才能有效地得到加强。
基于当前支持MMO的多址协议需要知道全网拓扑，现有技术MIMO-TTR是一种适合 多跳adhoc网络的支持MIMO的拓扑未知预约时分多址接入协议。该协议基于时分多址的 帧结构，每个时隙分为预约阶段和数据传输阶段。通过预约，每个节点在其分配的无冲突时 隙并行发送最大数据流，并以一定概率利用其分配时隙中的冲突时隙和未分配时隙中的空闲 时隙而发送一部分数据流。该协议不需知道全网的拓扑结构，因而便于实现和适合于分布式 应用。利用文献Ju J H and Victor O K Li. An Optimal Topology-Transparent Scheduling Method in Multihop Packet Radio Networks [J].正EE/ACM Transactions on Networking, 1998， 6(3):298-306. 提供的GRAND算法为网络中的每个节点分配若干个时隙，每时隙分RTS, CTS， DATA和 ACK阶段，该技术的帧结构和时隙结构如图l所示。虽然该技术是拓扑未知的，但是其主要 是针对单播业务进行设计，并不适用于广播业务。
针对当前支持MIMO的多址协议仅支持点对点传输，现有技术"多跳ad Hoc网络中 支持MMO的广播传输时分多址接入协议"可以有效支持广播传输。其核心算法是保证每个节点无冲突传输广播业务且保证最小帧长的时隙调度算法。该技术的主要方案如下时隙调 度分两个阶段第一阶段，每个节点在一帧中只分配一个时隙，从而获得最小帧长；第二阶 段，尽量分配给每个节点更多的时隙。由于有更大度的节点的干扰节点会更多，从而在选择 时隙上有更多的限制，因此应当首先为这些节点分配时隙，以提高它们获得更多时隙的机会。 因此，为了获得公平调度，每个节点以节点度按降幂分配，在每轮分配中，每个节点仅分配 一个时隙。在分配时隙过程中，采用剩余时隙自由度来衡量选择时隙的优先权。具体算法执 行步骤和举例分析见"多跳ad hoc网络中支持MIMO的广播传输调度算法"，李建东， 张光辉，陈艳羽，李长乐，张文柱.《西电学报》，33(4): 580-583 ，2006年8月。该技术虽然 可以支持广播业务，但是它却需要知道网络的拓扑信息，不适合在adhoc网络中使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术"MIMO-TTR"不能有效支持广播，而现有 技术"多跳ad Hoc网络中支持MIMO的广播传输时分多址接入协议"虽然支持广播业务但 却需要全网拓扑信息的不足之处，提出一种无需全网拓扑信息的支持广播业务的多址接入协 议。
本发明的ad hoc网络中支持MIMO的拓扑未知广播传输多址接入方法对MMO-TTR进 行修改，修改了时隙结构和信号流程，使其支持广播业务。本发明保留了MIMO-TTR的预约 机制，利用预约多址接入的方式使得发送节点在进行广播数据分组发送之前就对信道进行了 预约，在成功进行预约以后，发送节点就可以无冲突的发送广播数据分组，从而减^了冲突 对于广播传输的影响，提高了网络的通过量。假设冲突是广播失败的唯一原因。针对广播业 务，首先，利用GRAND算法为网络中的所有节点事先进行时隙分配，每个时隙分成请求发 送"RTS"，不发送"NTS"，数据传输"DATA"和否定应答"NAK"四个阶段，本发明的 帧结构和时隙结构如图2所示；其交换过程要根据时隙状态在不同阶段使用不同的MIMO数 据流数目，每个发送节点和接收节点仅以一个数据流交换RTS/NTS分组，以利于接收节点冲 突分解；如果发送节点要发送广播业务，仅能在其所分配的时隙发送RTS分组给所有邻节点 用于预约，如果接收节点没有正确接收到RTS分组，将立即给发送节点回复NTS分组，如 果发送节点接收到NTS分组，即得知当前时隙不能发送广播业务，进而到下一个所分配的时 隙预约；如果没有接收到NTS分组，则发送节点认为预约成功，便用全部的数据流发送广播 分组。
本发明的广播传输信号流程分为两个阶段在第一个阶段中，发送节点进行信道的预约；一旦预约成功后，发送节点就可以在第二个阶段中发送广播分组。信号流程图如图3所示
(1) 发送节点U如果有广播业务需要发送，它只能在其所分配的时隙中进行广播分组发 送，发送节点u首先在其所分配的时隙中的RTS阶段广播发送RTS分组进行信道的预约，等 待接收节点的反馈；
为了减少冲突的发生，此时利用RTS分组进行信道的预约，提高网络的通过率。
(2) 若发送节点u的任意一邻节点v在当前时隙的RTS阶段没有成功接收到该RTS分 组，则在该时隙的NTS阶段向节点u回复一个NTS分组，表明当前时隙不适合发送广播业 务；
(3) 若发送节点u的任意一邻节点v在当前时隙的RTS阶段成功接收到该RTS分组， 则节点v就不再给发送节点u反馈任何信息；
(4) 如果发送节点u在该时隙的NTS阶段接收到NTS分组，则表明在当前时隙至少有 一个邻节点不能成功接收到发送节点u的广播业务，因此，节点u应在下一个分配时隙从步 骤(1)重新开始；
(5) 如果发送节点u在该时隙的NTS阶段接收到冲突的NTS分组，表明在当前时隙有 超过A/个邻节点不能成功接收到节点u的广播业务，"M是MIMO系统中收发端的天线数目" 因此，发送节点u应在下一个分配时隙从步骤(1)重新开始；
步骤(1) ~ (5)为第一个阶段，每个发送节点和接收节点仅以一个数据流交换RTS/NTS 分组进行信道预约，以利于接收节点冲突分解；步骤(4)和(5)说明发送节点在其所分配 的时隙中的NTS阶段无论接收到无冲突的NTS分组或者冲突的NTS分组，这两种情况都表 明此时不适合进行广播传输，发送节点都将停止广播保持安静，直到下一个发送节点所分配 的时隙时再从步骤(1)重新开始；
(6) 如果发送节点u在该时隙的NTS阶段没有收到NTS分组，表明在当前时隙所有邻 节点都成功接收到节点u的广播分组，此时预约成功，发送节点u便在该时隙的DATA阶段 用全部的数据流发送广播分组；
(7) 如果至少一个邻节点没有成功接收到广播分组，便在该时隙NAK阶段向发送节点 u回复NAK分组；否则，邻节点全部保持安静，不回复任何分组；
步骤(6) ~ (7)为第二阶段，发送节点进行广播；
(8) —旦发送节点u在该时隙NAK阶段接收到NAK分组，表明至少有一个邻节点没 有成功接收广播分组，则发送节点u就在下一个分配时隙从步骤(1)重新开始；否则，发送节点u认为广播分组发送成功；
至此， 一个节点的广播过程全部结束。通过以上信号流程，本发明不仅能够有效支持 广播传输，并且不需要知道全网具体的拓扑信息。
本发明的工作原理假设网络处于理想情况下，冲突是广播分组(RTS等)传输失败的 唯一原因。当网络中A/<A "M是MMO系统中收发端的天线数目，￡>为网络中节点最大度"， 现有技术"MIMO-TTR"发送节点的所有邻节点在成功接收到RTS分组后，若这些节点都向 发送节点回复CTS分组，则这些分组会在发送节点处发生冲突，使得发送节点没有成功接收 到邻节点的确定发送CTS分组，而错误地认为预约失败，停止广播传输。而此时信道是空闲 的，可以进行广播，从而造成资源的浪费，不能有效地支持广播传输，而在本发明中，将CTS 阶段修改为NTS阶段，接收节点只有在没有成功接收到RTS分组以后才向发送节点回复 NTS，表明此时发送节点发送的RTS分组失败，当接收节点成功接收到RTS分组以后保持安 静不回复任何信息；这样可以提高发送节点对信道预约成功率，从而有效支持广播传输。同 理本发明将ACK阶段修改为NAK阶段，接收节点只有在没有成功接收到DATA分组以后才 向发送节点回复NAK，表明此时发送节点广播的DATA分组失败，当接收节点成功接收到 DATA分组以后保持安静不回复任何信息，这样可以避免确认分组在接收节点处发生冲突，避 免了发送节点由于没有正确接收到邻节点回复的确认信息而错误的认为广播分组传输失败， 减少了发送节点进行不必要重传的次数，从而提高网络的通过量，使得本发明有效支持广播。 另外，当网络中M>"，由于网络中采用了 MIMO技术可以使得该网络在广播传输中发生冲突的 概率大大降低，分组成功传输的概率提高；接收节点只有在没有成功接收到RTSXDATA分组 以后才向发送节点回复NTSXNAK，表明此时发送节点发送RTSXDATA分组失败，当接收节 点成功接收到RTS\DATA分组以后保持安静不回复任何信息；这样接收节点就不用在每次成 功接收以后对发送节点进行回复，则可以大大减少网络在广播过程中的开销。 本发明与现有技术对比所具有的特点
1、 adhoc网络中的节点数量是变化的，在一段时间内有大量的节点进入或者离开网络； 同时网络中的节点位置也是移动的，网络的拓扑结构在一段时间内发生很大的变化。大多数 传统的多址接入协议是基于网络拓扑结构的，当网络的拓扑结构发生变化时，这些多址接入 协议为了能继续正确工作，需要根据网络的拓扑结构变化进行重新计算。当网络的拓扑结构 变化的速度很快时，多址接入协议重新计算的速度跟不上网络拓扑结构变化的速度，此时会 使得网络性能在很大程度上受到影响，情况严重的时候甚至会导致网络瘫痪，不能工作。现有技术"多跳adHoc网络中支持MIMO的广播传输时分多址接入协议"虽然支持广播业务 但需要全网拓扑信息，而本发明是基于拓扑未知的，采用了 GRAND算法对网络中的节点进 行时隙分配，不需要知道网络的具体拓扑结构，只要知道网络的节点数目JV和节点最大度" 即可正确工作，比较适合工作于adhoc网络。现有技术"MMO-TTR"虽然是拓扑未知的， 但是只能实现点对点的传输，不能有效支持广播。本发明仍然采用MIMO-TTR的帧结构，修 改了时隙结构和信号流程，取上述两现有技术之长而避其短，实现了无需知晓全网拓扑信息 且能有效支持广播业务。
2、本发明中每个时隙仍分成四个阶段，但为了使得其能够克服现有技术MIMO-TTR只 能实现点对点的传输，不能有效支持广播的缺点，将MIMO-TTR时隙的确认发送"CTS"阶 段改为不发送"NTS"阶段，将肯定应答"ACK"阶段改为否定应答"NAK"阶段，可 以避免确认分组在接收节点处发生冲突，避免了发送节点由于没有正确接收到邻节点回复的 确认信息而错误的认为广播分组传输失败，减少了发送节点进行不必要重传的次数，从而大 大减少网络在广播过程中的开销，提高网络的通过量，有效地支持广播。
图1现有技术MIMO-TTR的帧结构和时隙结构 图2本发明的帧结构和时隙结构 图3本发明的广播传输信号流程图 图4本发明实施例的网络拓扑结构 图5实施例网络的时隙分配结果 图6实施例的网络的广播过程
具体实施例方式
本发明的优选实施例通过如图4所示的网络拓扑结构来说明该发明的具体过程。首先， 利用GRAND算法得出该网络中所有节点的时隙分配结果，如图5所示。该算法无需知道网 络的具体拓扑结构，只需要知道网络的节点数目W和节点最大度Z)即可正确工作，在本实施 例中，W=5， D=3。
假设该网络处于重业务负荷的情况下，即网络中的所有节点在其所分配的时隙均有广播 业务要发送。由该时隙分配结果图可以得出，第0个子帧的第0个时隙分配给了网络中的节 点A、 C，第0个子帧的第1个时隙分配给了网络中的节点B、 E，第0个子帧的第2个时隙 分配给了网络中的节点D,网络中的所有节点只能在其分配的时隙中才能进行广播业务的发送。
图6 (a)显示了该网络在第O个子帧的第O个时隙中的广播过程。节点A、 C在第0个 子帧的第0个时隙的RTS阶段同时向它们各自的所有邻节点发送一个RTS分组进行预约，由 该网络的拓扑结构可知此时节点A、 C的所有邻节点不会收到冲突的RTS预约分组，所以这 些邻节点在第O个子帧的第O个时隙保持安静而不会向节点A、 C回复NTS分组。由于在该 时隙的NTS阶段节点A、 C都没有收到其邻节点回复的NTS分组，则节点A、 C认为预约成 功，在该时隙的DATA阶段可以进行无冲突的广播传输，则节点A、 C在DATA阶段分别进 行广播传输。由于节点A、 C所发送的广播业务是无冲突的，在理想情况下它们各自的所有 邻节点都能正确的接收到广播分组，所以这些邻节点在该时隙的NAK阶段保持安静，并不 会向节点A、 C回复NAK分组。至此，该网络在第O个子帧的第O个时隙的所有四个阶段的 广播过程已经完成。类似的，图6(b)、 (c)显示了该网络在第O个子帧的所有时隙l、 2中的广 播过程，通过本发明可以得出该网络在其他时隙的广播过程。
由以上分析可以得出，由于网络的节点采用MMO技术并修改了节点时隙结构和信号流 程，可以在很大程度上减少广播冲突，从而提高网络的广播传输正确性，进而提高网络的通 过量。
权利要求
1、一种ad hoc网络中支持MIMO的拓扑未知广播传输多址接入方法，在多跳ad hoc网络中支持MIMO的时分多址接入协议基础上，修改了时隙结构和信号流程，使其在拓扑未知网络中有效支持广播传输，首先，利用GRAND算法为网络中的所有节点事先进行时隙分配，每个时隙分成请求发送“RTS”，不发送“NTS”，数据传输“DATA”和否定应答“NAK”四个阶段，交换过程要根据时隙状态在时隙的四个阶段使用不同的MIMO数据流数目广播传输业务；每个发送节点和接收节点仅以一个数据流交换RTS/NTS分组，以利于接收节点冲突分解；如果发送节点要发送广播业务，只能在其所分配的时隙发送RTS分组给所有邻节点用于预约，如果接收节点没有正确接收到RTS分组，将立即给发送节点回复NTS分组，如果发送节点接收到NTS分组，即得知当前时隙不能发送广播业务，进而到下一个所分配的时隙预约；如果没有接收到NTS分组，则发送节点认为预约成功，便用全部的数据流发送广播分组。
2、 根据权利要求1所述的ad hoc网络中支持MIMO的拓扑未知广播传输多址接入方法， 其特征在于广播传输信号流程分为两个阶段在第一个阶段，发送节点进行信道的预约， 预约成功，进入第二个阶段，发送节点发送广播分组；具体的信号流程如下(1) 发送节点U如果有广播业务需要发送，它只能在其所分配的时隙中进行广播分组的 发送，发送节点u首先在其所分配的时隙中的RTS阶段广播发送RTS分组进行信道的预约， 等待接收节点的反馈；(2) 若发送节点u的任意一邻节点v在当前时隙的RTS阶段没有成功接收到该RTS分 组，则在该时隙的NTS阶段给节点u回应一个NTS分组，表明当前时隙不适合发送广播业 务；(3) 若发送节点u的任意一邻节点v在当前时隙的RTS阶段成功接收到该RTS分组， 则节点v就不再给发送节点u反馈任何信息；(4) 如果发送节点u在该时隙的NTS阶段接收到NTS分组，则表明在当前时隙至少有 一个邻节点不能成功接收到发送节点u的广播业务，因此，节点u应在下一个分配时隙从步 骤(1)重新开始；(5) 如果发送节点u在该时隙的NTS阶段接收到冲突的NTS分组，表明在当前时隙有 超过M个邻节点不能成功接收到节点u的广播业务，因此，发送节点u应在下一个分配时隙从步骤(1)重新开始；步骤(1) ~ (5)为第一个阶段，每个发送节点和接收节点仅以一个数据流交换RTS/NTS 分组进行信道预约，以利于接收节点冲突分解；(6) 如果发送节点u在该时隙的NTS阶段没有收到NTS分组，表明在当前时隙所有邻 节点都能成功接收节点u的广播分组，发送节点u便在该时隙的DATA阶段发送广播分组；(7) 如果至少一个邻节点没有成功接收到广播分组，便在该时隙NAK阶段给发送节点 u回复NAK分组；否则，邻节点全部保持安静，不回复任何分组；步骤(6) ~ (7)为第二阶段，发送节点进行广播；(8) —旦发送接点u在该时隙NAK阶段接收到NAK分组，表明至少有一个邻节点没 有成功接收广播分组，则发送节点u就在下一个分配时隙从步骤(1)重新开始；否则，发送 节点u认为广播分组发送成功；至此， 一个节点的广播过程全部结束。
3、根据权利要求1所述的adhoc网络中支持MIMO的拓扑未知广播传输多址接入方法， 其特征在于将一个时隙结构修改成请求发送"RTS",不发送"NTS",数据传输"DATA" 和否定应答"NAK"四个阶段，用于有效传输支持广播并减少开销。
全文摘要
本发明涉及ad hoc网络中支持MIMO的拓扑未知广播传输多址接入方法，在MIMO-TTR协议基础上，修改时隙结构和信号流程，使其在拓扑未知网络中有效支持广播传输。首先，利用GRAND算法为网络中的所有节点事先进行时隙分配，每个时隙分成RTS，NTS，DATA和NAK阶段，在时隙的四个阶段使用不同的MIMO数据流数目广播传输业务；在交换过程每个发送节点和接收节点仅以一个数据流交换RTS/NTS分组，若发送节点要发送广播业务，在所分配时隙发送RTS分组给所有邻节点预约，当接收节点没有正确收到RTS分组，即给发送节点回复NTS分组，若发送节点收到NTS分组，即得知当前时隙不能发送广播业务，进而到下一个所分配的时隙预约；若没有收到NTS分组，则发送节点认为预约成功，便用全部数据流发送广播分组。
文档编号H04W4/06GK101621746SQ20091002336
公开日2010年1月6日 申请日期2009年7月17日 优先权日2009年7月17日
发明者阳 张, 李建东, 李长乐, 王夏冰, 蔡雪莲, 丹 陈, 婷 陈 申请人:西安电子科技大学