专利名称：基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控制协议装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种基于邻近觉察的同时传输(Neighbor-Aware ConcurrentTransmission, NACT)的媒介存取控制(Medium Access Control, MAC)协议装
置与方法。
背景技术：
随着无线区域网络使用需求的快速增加，有越来越多的存取点被布建。然而，这 些相邻的存取点彼此间会互相干扰，进而造成网络吞吐量的降低。感知无线电(cognitive radio)技术于是被发展来解决在多存取点(Multi-AP)无线区域网络环境下，吞吐量衰减 (Throughput Degradation)的问题。为了提高吞吐量，感知无线区域网络能够辨认在无干 扰的两连结(link)间同时传输的机会。根据感测的环境信息，感知无线区域网络上的节点 能够动态自我调适(self-adapt)它的传输参数，来达成同时传输。例如在图1与图2的多 存取点网络中，建立同时传输的范例所示。图1的范例中，由于功率的限制，存取点101不能服务节点122与123，所以 使用两个新存取点(new AP) 102与103作为存取点101与节点122和123的数据流通 (data traffic)的中继站(relay)，来涵盖无线区域网络的完整服务区(complete target area) 1400如果存取点102与节点122的副传输连线(slave link) 132以及存取点103 与节点123的副传输连线133能够在同一通道上，与节点121与存取点101的主传输连线 (master link) 131同时传输的话，就能改善网络的吞吐量。图2的范例中，由于地理的障碍(geographic obstacle)，存取点201的信号不 能到达节点224，所以总共使用两个存取点201与202，来涵盖无线区域网络的完整服务区 240 (此区内包含四个节点221-224)。如果存取点202与节点224的连线232能够在同一 通道上与存取点201与节点221的连线231同时传输的话，就能改善网络的吞吐量。同时传输的应用场景(scenario)可以分成同时向内传输(ingoingconcurrent transmission)的情景与同时向夕卜传输(outgoing concurrenttransmission)的情景，分 别如图3A与图3B的范例所示。图3A与图3B的范例中各有四个节点A至D，每一节点只可 以与身旁节点(neighbor)直接通讯。图3A的同时向内传输的范例中，当主传输连线A — B 被建立时，副传输连线D —C可以同时被建立。而图3B的同时向外传输的范例中，当主传 输连线B — A被建立时，副传输连线C — D可以同时被建立。无线区域网络的基于载波感测多重存取(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)的MAC协议中，载波感测技术，包括实体载波感测(physical carriersensing)、虚拟 载波感测(virtual carrier sensing)、联合实体/虚拟载波感测，会衍生出不同类型的隐 藏节点(hidden node)与暴露节点(exposed node)，而无法让MAC协议来支持同时传输。图 4是针对能否克服或没有考量衍生节点的问题，比较不同的基于载波感测多重存取的MAC 协议。其中，符号。、X、以及-分别代表相对应的协议能够克服、不能克服、以及没有考量 此衍生节点的问题。例如，多重存取免碰撞(Multiple Access and CollisionAvoidance，
4MACA)类型的MAC协议只能克服实体载波感测衍生出隐藏节点的问题。在CSMA的MAC协议中，每一节点感测通道后，再传输数据。经由实体载波感测，如 果此通道是闲置中(idle)，则此节点可以传输数据。图5A与图5B说明CSMA的实体载波感 测不能克服衍生隐藏节点的问题。图5A中，假设A-F是一无线区域网络上的节点，其中每 一节点仅能与身旁节点直接通讯。图5B中，假设连线A — B已经建立，而C节点是在A节 点的传输范围(transmission range)510之外。因为C节点感测到一条闲置中的通道，所 以可以传输数据至B节点，并且可能与从A节点至B节点的数据传输发生碰撞(collide)。 因而可能衍生隐藏节点的问题。图6说明CSMA的实体载波感测不能克服衍生暴露节点的问题。图6的范例中，假 设图5A的节点中，连线B — A已经建立，而B节点正在传输数据至A节点。但C节点却避 免传输数据，因为C节点暴露在B节点的传输范围610内，而感测到B节点正在传输数据。 然而，因为D节点在B节点的传输范围610夕卜，且A节点在C节点的传输范围外，所以连线 B —A与连线C —D的同时传输的机会就被浪费掉。因而衍生暴露节点的问题。所以，因为 通道感测结果而禁止C节点的数据传输的确是不需要的。特别是，C节点暴露在B节点的 传输范围内，但C节点的接收端(D节点)是在B节点的干扰区域(interference region) 外。MACA协议引进虚拟载波感测技术。此技术是传输数据之前，节点先广播一个要求 发送(Request-To-Send, RTS)帧(frame)，目标接收端(targetreceiver)收到此 RTS 帧 后，回复一个清空发送(Clear-To-SencbCTS)帧。传送端收到此CTS帧后，开始传输一数据 (DATA)帧，而相对应的接收端则回复一确认(acknowledgement，ACK)帧。虚拟载波感测技术是在CTS帧里嵌入网络分配向量(NetworkAllocation Vector,NAV)。除了先前传送此RTS帧的目标使用者外，所有收到此CTS帧的其他节点都将 延缓它们的传输，直到定义于网络分配向量内的期限到期为止。通过采用网络分配向量来 指出RTS帧与CTS帧里保留的通道使用期。MACA协议里的RTS/CTS的握手(handshaking) 机制没有考虑CTS帧与数据帧之间的碰撞，因此还是不能完全克服实体载波感测衍生暴露 节点的问题。图7说明MACA协议不能克服虚拟载波感测衍生隐藏节点的问题。图7的范例中， 假设连线B — A已经建立，且成功完成RTS/CTS的握手(handshaking)程序后，当C节点尝 试与D节点连线时，B节点正在传输数据至A节点。根据MACA协议，只要节点没有听到来 自其他节点的CTS帧，此节点则被允许传送RTS帧。此情况下，当D节点回复一 CTS帧给C 节点时，就会发生碰撞，因为B节点传输的数据帧也会到达C节点。碰撞结果的发生是因为 D节点被隐藏在B节点的范围外，与实体载波感测衍生隐藏节点的问题非常雷同，只是碰撞 710发生在CTS帧与数据帧间，而非单纯数据帧之间。所以，虚拟载波感测衍生隐藏节点的 问题使得连线B — A与连线C — D不能同时传输。图8说明MACA协议不能克服虚拟载波感测衍生暴露节点的问题。图8的范例中， 假设连线A —B已经建立。所以，节点只要听到一 CTS帧，就不准传输任何帧以避免衍生隐 藏节点的问题。因为C节点暴露在B节点的CTS帧下，因此C节点不能回复CTS帧给D节 点，如标号810所示。结果，连线A —B与连线D —C的同时传输的机会就被浪费掉。所以， 虚拟载波感测衍生暴露节点的问题使得从A节点至B节点与从D节点至C节点不能同时传
5
IEEE 802. IlMAC协议中的分散式协调功能(Distributed CoordinationFunction, DCF)机制提出联合载波/虚拟载波感测技术，来减轻实体与虚拟 载波感测衍生隐藏节点的问题。在IEEE 802. IlMAC协议中，IEEE 802. 11无线区域网络 同时采用实体与虚拟载波感测。当节点收到RTS/CTS帧时，如果该节点不是指定使用者 (designated user)，则此节点被禁止去存取通道。根据此原则，此协议能够克服实体载波 感测衍生隐藏节点的问题，然而还不能完全克服虚拟载波感测衍生隐藏节点的问题(等同 于实体载波感测衍生暴露节点的问题)，特别是，前述禁止节点去存取此通道的原则会限制 图6的范例中的C节点发送输另一个RTS帧，以使D节点的CTS帧与B节点的数据帧不会 在C节点上发生碰撞。IEEE 802. IlMAC协议也会衍生一种假阻塞(false blocking)节点的问题，此问 题是指节点被一不存在的传输所阻挡，其产生的原因是根据IEEE802. IlMAC协议，每一节 点如果收到任一 RTS帧，就要延缓它的传输。在图5的范例中，假设从E节点至F节点的连 线已经建立，而C节点正在传输一 RTS帧至D节点。因为D节点已经被来自E节点和F节 点的RTS帧与CTS帧阻挡，所以不能回复一 CTS帧给C节点。因此，C节点再次送出一 RTS 帧，结果B节点被不存在的连结(C节点至D节点)所阻挡。此B节点就是假阻塞节点。假 阻塞节点的问题会扩散(propagate)至其他节点。例如，如果A节点送出一 RTS帧给B节 点，而B节点因已被阻挡而不能回复一 CTS帧给A节点，所以，从E节点至F节点与从A节 点至B节点的同时传输的机会不能发挥利用。类似C节点的情形，A节点送出的RTS帧也 会阻挡身旁邻居节点，导致更多的假阻塞节点产生。解决同时向外传输的相关技术，例如S. Bansal等人提出的MACA-P (MACA with Enhanced Parallelism)协议，此协议在RTS/CTS帧与接续的数据帧之间引入一额外空隙 (gap)。利用此空隙让全部的身旁节点可以趁机交换RTS/CTS帧，以建立副传输连线。然 而，此技术没有完全解决同时向内传输的问题，例如，当一节点在此空隙快结束时才要求建 立同时传输，此时，该同时传输连线无法被建立。另外如D. Shukla等人与D. Kim等人提出 的技术使用RTS帧/CTS帧/数据帧/确认帧来传输长分组，以及使用数据/确认帧来传输 短分组。其技术考虑同时向外传输但没有考虑同时向内传输。H. W. A. Velayutham等人利用分割帧的技术来达到同时传输。当主传输连线正在传 送数据帧/确认帧时，副传输连线可以传送同时传输要求帧。因此，可以达到同时传输。因 为最后一个子帧的长度是一个变数，所以副传输连线的传送端必须观察主传输连线的最后 一个子帧的长度才能保证副传输连线不会干扰到主传输连线。因此，副传输连线的传送端 必须拥有两套无线模块以提供同时传送与接收的能力。并且副传输连线的接收端必须等到 主传输连线送完数据后才能够回应，如此副传输连线的传送端会误以为重传时间到期而进 行重送。N. Santhapuri等人使用RTS帧/CTS帧/数据帧来完成数据的交换。每一节点在 每一个帧的标头档(header)中新增一个回应栏位，可以用来告知其它节点，本节点已经成 功收到哪些帧。由于未使用确认帧来完成数据的交换，所以可避免主传输连线的确认帧与 副传输连线的数据帧互相干扰的可能性。因此，可以达到同时传输。此技术的收端需要通 过间接的回应来通知接收端是否成功收到分组，所以没有考虑到任意的数据流量模型。
Li-Chun Wang等人提出一种同时传输的媒介存取控制协议 (ConcurrentTransmission MAC Protocol,CT MAC),CT MAC是在一个无碰撞的网络环境下， 能够确认同时传输的可能性并智慧地利用这种可能性。此协议通过一种二跳同时传输邻居 探索程序来确认网络拓朴环境，并以一整合的观察机制来确认是否多条通讯连线可以建立 同时传输，此多条通讯连线同时传输但不互相干扰。然而在实际的网络环境下，信息传输时 经常会发生碰撞，所以会造成CT MAC对同时传输可能性的误判。
发明内容
本公开的实施范例中，可提供一种基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控制协议 装置与方法，用于确认在一无线网络上是否有多条通讯连线可以同时被建立。在一实施范例中，所公开者是关于一种基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控制 协议装置，此装置包含一一邻居探索模块，使得此无线网络上的每一节点取得它的多跳邻 居的范围内的拓朴信息；以及一跨阶层观察模块，整合实体与虚拟载波感测并观察此无线 网络下的一媒介存取控制层里的一控制帧的地址栏位，并且比较此控制帧的地址栏位里的 信息与通过此邻居探索模块取得的拓朴信息，来确认此多条通讯连线是否可以被建立同时 传输。在另一实施范例中，所公开的是关于一种基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控 制协议方法，此方法包含通过一邻居探索模块，执行一邻居探索程序，使得该此线网络上 的每一节点取得它的多跳邻居的范围内的拓朴信息；通过一跨阶层观察模块，整合实体与 虚拟载波感测并观察此无线网络下的一媒介存取控制层里的一控制帧的地址栏位；以及比 较此控制帧的地址栏位里的信息与通过此邻居探索程序取得的拓朴信息，来确认此多条通 讯连线是否可以被建立同时传输。现在配合下列图示、实施范例的详细说明，将上述及本发明的其他目的与优点详 述于后。
图1是一种使用多存取点来同时传输的一个范例示意图。图2是另一种使用多存取点来同时传输的一个范例示意图。图3A与图3B分别说明同时向内传输的情景与同时向外传输的情景。图4是针对能否克服或没有考量衍生节点的问题，比较不同的基于载波多重存取 的MAC协议。图5A与图5B说明CSMA的实体载波感测不能克服衍生隐藏节点的问题。图6说明CSMA的实体载波感测不能克服衍生暴露节点的问题。图7说明MACA协议不能克服虚拟载波感测衍生隐藏节点的问题。图8说明MACA协议不能克服虚拟载波感测衍生暴露节点的问题。图9是NACT MAC装置的一个范例示意图，与本公开的某些实施范例一致。图10是邻居探索程序的一个范例流程图，与本公开的某些实施范例一致。图11是一网络拓朴的一个范例示意图，与本公开的某些实施范例一致。图12是以图11的网络拓朴为范例来说明节点如何探索它的感知邻居，与本公开
7的某些实施范例一致。图13说明NACT MAC协议如何能够解决图8的虚拟载波感测衍生暴露节点的问题， 与本公开的某些实施范例一致。图14说明一些符号的定义，与本公开的某些实施范例一致。图15说明此NACT MAC协议如何能够解决图7的虚拟载波感测衍生隐藏节点的问 题，与本公开的某些实施范例一致。图16是NACT MAC协议技术的同时向内传输的一个范例流程图，与本公开的某些
实施范例一致。图17是NACT MAC协议技术的同时向外传输的一个范例流程图，与本公开的某些
实施范例一致。图18进一步说明NACT MAC协议技术对一主传输连线的传送端或接收端的观察流 程，与本公开的某些实施范例一致。图19A至图19D是以图11的网络拓朴为例，说明在跨阶层观察结果下，决定是否 同时传输可以被建立的几个范例结果，与本公开的某些实施范例一致。主要元件符号说明
权利要求
1 一种基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控制协议装置，用于确认在一无线网络上 是否多条通讯连线可以同时被建立，该装置包含一邻居探索模块，使得该无线网络上的每一节点取得它的多跳邻居的范围内的拓朴信 息；以及一跨阶层观察模块，整合实体与虚拟载波感测并观察该无线网络下的一媒介存取控制 层里的一控制帧的地址栏位，并且比较该控制帧的地址栏位里的信息与通过该邻居探索程 序取得的拓朴信息，来确认该多条通讯连线是否可以被建立同时传输。
2.如权利要求1所述的媒介存取控制协议装置，其中该跨阶层观察模块从该控制帧的 地址栏位里的信息，来判别该无线网络上的一主传输连线的传送端或接收端是该无线网络 上的哪一节点且其是否有支持同时传输的能力。
3.如权利要求2所述的媒介存取控制协议装置，其中该无线网络上的每一节点所建立 的同时传输为同时向内传输与同时向外传输的前述传输的其中一种同时传输。
4.如权利要求1所述的媒介存取控制协议装置，其中该跨阶层观察模块通过该控制帧 来达到虚拟无线频道的感测。
5.如权利要求4所述的媒介存取控制协议装置，其中该跨阶层观察模块通过实体无线 频道的感测与该虚拟无线频道的感测，来整合该实体与虚拟载波感测。
6.如权利要求1所述的媒介存取控制协议装置，其中该多条通讯连线的同时传输的建 立是遵循一种不互相干扰的传输协议。
7.如权利要求1所述的媒介存取控制协议装置，该装置是一种无线网络的传送与接收ο
8.如权利要求1所述的媒介存取控制协议装置，该装置是一种无线网络卡。
9.如权利要求1所述的媒介存取控制协议装置，其中该跨阶层观察模块进行实体无线 频道的感测、使用该控制帧来达到虚拟无线频道的感测、以及观察该无线网络上的一节点 的该控制帧中的地址栏位，来判别该无线网络上的一主传输连线的传送端或接收端是哪一 节点且其是否可以与自己直接通讯。
10.如权利要求9所述的媒介存取控制协议装置，该装置建立一种对应图表，来决定在 该跨阶层观察模块的每一种观察结果下，是否同时传输可以被建立。
11.一种基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控制协议方法，用于确认在一无线网络 上是否多条通讯连线可以同时被建立，该方法包含执行一邻居探索程序，使得该无线网络上的每一节点取得它的多跳邻居的范围内的拓 朴信息；通过一跨阶层观察模块，整合实体与虚拟载波感测并观察该无线网络下的一媒介存取 控制层里的一控制帧的地址栏位；以及比较该控制帧的地址栏位里的信息与通过该邻居探索程序取得的拓朴信息，来确认该 多条通讯连线是否可以被建立同时传输。
12.如权利要求11所述的媒介存取控制协议方法，该方法还包括从该控制帧的地址栏 位里的信息，来判别一主传输连线的传送端或接收端是该无线网络上的哪一节点且其是否 有支持同时传输的能力。
13.如权利要求12所述的媒介存取控制协议方法，其中该无线网络上的每一节点所建立的同时传输为同时向内传输与同时向外传输的前述传输的其中一种同时传输。
14.如权利要求11所述的媒介存取控制协议方法，该方法还包括实体频道的感测、以 及使用该控制帧来达到虚拟无线频道的感测。
15.如权利要求13所述的媒介存取控制协议方法，其中该同时向内传输至少包括检查一主传输连线的传送端或接收端是否有能力支持同时传输；是的话，该主传输连线等待一延后时间后，再传送数据帧；通过该跨阶层观察模块观察的该地址栏位里的信息，该无线网络上的每一节点确认自 己是否能够成为一副传输连线的接收端；以及同步该主传输连线和该副传输连线之间的回应帧。
16.如权利要求13所述的媒介存取控制协议方法，其中该同时向外传输至少包括检查一主传输连线的传送端或接收端是否有能力支持同时传输；是的话，通过跨阶层观察模块观察的该地址栏位里的信息，无线网络上的每一节点确 认自己是否能够成为一副传输连线的传送端；是的话，该副传输连线的接收端忽略清空发送帧；以及同步该主传输连线和该副传输连线之间的回应帧。
17.如权利要求12所述的媒介存取控制协议方法，其中对该主传输连线的传送端或接 收端的判别，该方法还包括观察该控制帧里的一帧类型栏位里的信息，并决定一节点收到的是何种帧；当收到的是一清空发送帧时，设定一变数值，表示同时传输不能被建立时，该节点所需 等待的时间，并读取该清空发送帧里的一接收端地址后，将该主传输连线的接收端设定为 该接收端地址；以及当收到的是一要求发送帧时，设定一变数值，表示同时传输不能被建立时，该节点所需 等待的时间，并读取该要求发送帧里的一接收地址与一传送端地址后，将该主传输连线的 传送端设定为该传送端地址，且接收端设定为该接收端地址。
18.如权利要求15所述的媒介存取控制协议方法，该方法采用一种双重频道确认，来 防止一种假阻塞节点的问题。
19.如权利要求12所述的媒介存取控制协议方法，其中该无线网络上的每一节点通过 该跨阶层观察模块来观察实体载波感测、要求发送帧/清空发送帧、以及窃听的要求发送 帧/清空发送帧里的地址栏位，来决定其是否可以建立副传输连线。
全文摘要
一种基于邻近觉察的同时传输的媒介存取控制协议装置与方法，用于确认在一无线网络下是否多条通讯连线可以同时被建立，其中一邻居探索模块使得此无线网络上的每一节点能够取得它的多跳邻居的范围内的拓扑信息，一跨阶层观察模块整合实体与虚拟载波感测并观察此无线网络下的一媒介存取控制层里的一控制帧的地址栏位，并且比较此控制帧的地址栏位里的信息与通过此邻居探索模块取得的拓扑信息，来确认此多条通讯连线是否可以被建立以达到同时传输。
文档编号H04L29/06GK102006649SQ200910172840
公开日2011年4月6日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者王中玮, 王蒞君 申请人:财团法人工业技术研究院