专利名称：MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法
技术领域：
本发明涉及无线通信网络技术，具体涉及MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法。
背景技术：
Ad Hoc网络是自组织通信系统，节点之间的通信不需要基础设施的帮助，因此它 能在突发事件、灾难救护与军事上快速安装布置。传统上，Ad Hoc网络的MAC协议一般是 基于802. 11的DCF协议，节点在发射RTS信号包时需要监听信道，如果信道忙碌，则选择退 避；如果信道空闲，则发射RTS信号包。当接收节点成功接收RTS信号包后，接收节点发射 CTS信号包进行响应，完成RTS/CTS的握手过程。当发射节点成功接收CTS信号包，表明接 收节点正在等待数据，发射节点开始发送数据包，接收节点对成功检测的数据包以ACK信 号包进行响应。一旦数据包传输完毕，发射节点释放信道的占有权。所有节点进入下一轮 竞争阶段。虽然这种机制很好的解决了信道资源占用问题，但是网络中只允许单个节点发 射数据包，加上无线衰落环境的影响，竞争共享信道产生的碰撞、信道干扰等因素的存在， 很大程度上限制了自组织网络的容量。MIMO技术即多输入多输出技术，不但利用发射(接收)波束成型来获取发射(接收) 功率增益，而且能够产生额外的空间自由度，使得系统中允许多个数据流同时发射，假设每 一个数据流用于发射一个数据包，也就是说网络中允许多个数据包同时发射，从而能够极 大的提高自组织网络容量。值得注意的是，同时发射数据包的数目一定不能大于节点的接 收天线数目，否则不能正确检测。MIMO和MAC最简单的结合是获得信道使用权的节点使用 MIMO技术同时发射多个数据包，但是这种结合未能最大发挥MIMO的特性。因为受制于单 个节点的发射功率，网络容量提升有限。所以现阶段的研究是利用MIMO技术允许多个节点 同时发射数据包，在最大化程度上挖掘MIMO的空间复用特性，避免受制于单个节点发射功 率。然而允许哪些节点同时发射数据包，各节点分别发送多少数据包，如何解决隐藏节点， 这些问题的解决都与MAC层息息相关。而传统上的MAC协议只允许单个节点发射。M. ParkCM. Park, S. -H. Choi, and S. Μ. Nettles. Cross-layer MAC design for wireless networks using MIM0. IEEE Global Telecommunications Conference, St Louis, 28 N0V-02 DEC, 2005，vol. 5:2870 - 2874)提出 了一种 MIMA-MAC (Mitigating Interference using Multiple Antennas MAC)优化方案，其核心思想是每一个MAC层的 数据帧包含协商阶段和无竞争阶段，协商阶段包含两个竞争时隙，在这两个竞争时隙中，各 个节点通过RTS/CTS握手过程获得信道使用权。节点每发射一个RTS，需要接收节点以CTS 响应，发射RTS信号包占用的时间与CTS信号包相同。该方案允许两个节点同时使用一半 天线进行发射，但只是通过提高发射功率来提升遍历容量。P. Casari (P. Casarij M. Levoratoj and Μ. Zorz i· MAC/PHY cross layer design of MIMO ad hoc networks with layered multiuser detection. IEEE Trans, on Wireless Commun. , Nov. 2008，vol. 7:4596 - 4607)提出了一种同步 RTS/CTS 的 MAC层优化方案，其核心思想是RTS/CTS信号包是同时发射的，并且RTS/CTS不再用于控制节点 的接入数量，而是用于业务负载估计，从仿真来看，极大的提高了网络容量。然而MAC层设 计方案要求各个节点安装数量较多的天线，否则节点很难正确检测同时发射的RTS/CTS信 号包。总体而言，现阶段结合MIMO优化MAC层协议大致可以划分为RTS/CTS竞争发射和 RTS/CTS同步发射。基于RTS/CTS竞争发射的MAC层协议需要长时间的RTS/CTS信号包交 互；而基于RTS/CTS同步发射的MAC层协议要求各个节点安装数量较多的天线。但是在实 际情况，由于成本和工艺等问题，节点不可能安装数目较多的天线
发明内容
为克服现有技术的不足和缺陷，本发明提供MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量 的方法。本发明的方法是各个节点安装若干根天线，且设定各节点安装的天线数相同。 MAC层的数据帧是同步的，并包含四个阶段RTS竞争阶段、CTS发射阶段、DATA发射阶段和 ACK发射阶段。这四个阶段是紧密联系的，不可分离。第一阶段，RTS竞争阶段该阶段包含若干个竞争时隙，在每一个竞争时隙，需要 发射数据包的发射节点竞争发射RTS信号包用以获得信道的使用权。第二阶段，CTS发射阶段接收节点检测RTS信号包，如果发现RTS信号包中包含 有接收节点的ID，则把该RTS信号包归为自身RTS信号包，否则归为干扰RTS信号包。接收 节点需要对所有RTS信号包分配数据包，如果自身RTS信号包分配有数据包，接收节点发射 CTS信号包告知发射节点能够允许发射的数据包数目。第三阶段，DATA发射阶段发射节点检测接收节点发射的CTS信号包，如果CTS信 号中包含有发射节点的ID，则把该CTS信号包归为自身CTS信号包，否则归为干扰CTS信号 包。为了避免隐藏节点，发射节点需要对所有接收到的CTS信号包分配数据包，发射节点按 照自身CTS信号包分配所得的数据包数目发射相应数目的数据包。第四阶段，ACK发射阶段发射了 CTS信号包的接收节点检测解码发射节点同时发 射的数据包，如果数据包被成功检测，接收节点需要发射ACK信号包告知发射节点数据包 被成功接收。此时，当前MAC层的数据帧结束。下一个数据帧准备开始，并回到第一步。本发明的目的具体通过下述技术方案得以实现
RTS竞争阶段各发射节点和接收节点安装有数目相同的天线，每一个RTS信号包含有 至少一个竞争时隙，并且竞争时隙的数目小于等于各节点的天线数目；每一个竞争时隙包 含有K个退避时隙，所述K大于网络节点的数目，并受限于竞争时隙的长度；发射节点在发 射RTS信号包前，首先退避Il个退避时隙，若发现信道空闲，节点发射RTS信号包；所述 RTS信号包由接收节点ID和请求数据包数目组成；
CTS发射阶段接收节点将RTS信号包划分为自身RTS信号包与干扰RTS信号包，接收 节点根据自身RTS信号包其允许发射的数据包数目，发射CTS信号包告知发射节点；所述自 身RTS信号包中含有接收节点的ID ；干扰RTS包中不包含接收节点的ID ；所述CTS信号包 由发射节点ID和允许数据包数目组成；
DATA发射阶段发射节点检测解码CTS信号包，并将CTS信号包划分为自身CTS信号包与干扰CTS信号包；当Ad Hoc网络中没有隐藏节点时，发射节点按照自身CTS的指示发射 相应数目的数据包；当Ad Hoc网络中含有隐藏节点时，发射节点按照发射的数据包数目， 发射相应数目的数据包；所述自身CTS信号包中含有发射节点的ID ；干扰CTS信号包中不 包含发射节点的ID ；
ACK发射阶段接收节点对各个独立的数据包进行检测译码，检测数据包是否正确检 测；如果数据包被正确检测，接收节点发送ACK信号包告知发射节点该数据包已被成功接 收；如果数据包不能被正确检测，接收节点在ACK信号包中不会发送该数据包成功接收的 确认信息，由于发射节点不能接收该数据包的确认信息，发射节点在下一次获得信道使用 权的时候重新发射该数据包。所述CTS发射阶段接收节点自身RTS信号包允许发射的数据包数目根据接收节点 数据包分配方法得出，所述接收节点数据包分配方法包括如下步骤 步骤1 初始化，所有RTS信号包分配数据包的数目为0 ；
步骤2 判断所有RTS请求的数据包总数是否小于或等于天线数；如果是，则对自身 RTS分配与该RTS所请求相同的数据包数目，并转到步骤6 ；如果否，则转到步骤3 ；
步骤3 循环轮询RTS信号包集合，判断当前RTS信号包所分配的数据包数是否小于该 RTS信号包所请求的数据包数；如果是，则转到步骤4 ；如果否，则转到步骤3，轮询下一个 RTS信号包；
步骤4 当前RTS信号包所分配的数据包数加1，转到步骤5 ； 步骤5 判断所分配数据包的总数是否小于天线的数目；如果是，则转到步骤3，轮询下 一个RTS信号包；如果否，则转到步骤6 ；
步骤6 根据自身RTS分配的数据包数目，对自身RTS以CTS信号包进行响应，所有接 收节点的CTS信号包同时发射；所述自身RTS信号包在每一次循环轮询RTS信号包集合时， 是最后被轮询的；所述ACK发射阶段的各个数据包是独立确认的。所述DATA发射阶段Ad Hoc网络中含有隐藏节点时，发射节点发射的数据包数目 根据发射节点数据包分配方法得出，所述发射节点数据包分配方法包括如下步骤
步骤1 初始化，所有CTS信号包分配数据包的数目为0 ；
步骤2 判断所有CTS允许的数据包总数是否小于或等于天线的数目；如果是，则对自 身CTS分配与该CTS所允许相同的数据包数目，并转到步骤6 ；如果否，则转到步骤3 ；
步骤3 循环轮询CTS信号包集合，判断当前CTS信号包所分配的数据包数目是否小 于该CTS信号包所允许的数据包数目；如果是，则转到步骤4 ；否则转到步骤3，轮询下一个 CTS信号包；
步骤4 当前CTS信号包所分配的数据包数加1，转到步骤5 ； 步骤5 判断所分配数据包的总数是否小于天线的数目；如果是，则转到步骤3，轮询下 一个CTS信号包；如果否，则转到步骤6 ；
步骤6 根据自身CTS分配的数据包数目，发射节点发射相应数目的数据包；所述自身 CTS信号包在每一次循环轮询CTS信号包集合时，是最后被轮询的。与现有技术相比，本发明具有以下优点
(1)本发明中的CTS信号包只需要发射一次，大大缩短了信号包的交互时间，进一步提 高网络容量；而在异步RTS/CTS的MAC层优化方法中，节点每发射一个RTS信号包，需要接收节点以CTS响应，发射RTS信号包占用的时间与CTS信号包相同。(2)本发明利用双向分配数据包方法求出节点能够发射的数据包数目，不但满足 了节点的实际需求，而且很好地解决了隐藏节点问题。而在异步RTS/CTS方法中，各节点发 射数据包的数目是固定的，并不是根据实际需求发射数据包，所以有些时候并不能最大化 MIMO的空间复用能力；
(3)本发明不受到节点天线数目的限制，这是因为RTS信号包是竞争接入的，从而限制 了 RTS信号包发射的个数，使得RTS信号包发射的数目小于等于节点接收天线；而在同步 RTS/CTS的MAC层优化方法中，RTS/CTS是同时发射的，当节点天线数目远小于RTS信号包 发射的数目时，接收节点很难正确检测叠加的RTS信号包。所以同步RTS/CTS的方法适合 应用于节点安装较多天线的场合，但是实际中由于成本和工艺等问题，节点不可能安装较 多的天线；
(4)本发明需要信道估计的发射天线数目小于等于节点的接收天线数目，简化了节点 的接收机结构；而且网络节点具有较高的公平性，这是因为网络节点都是随机竞争信道使 用权的。而在同步RTS/CTS的方法中，需要信道估计的发射天线数目远远大于节点的接收 天线数目，大大的加重了接收节点的负担。不仅如此，网络节点之间公平性下降了，离接收 节点较远的发射节点往往不能占有信道使用权，这是因为在该方法中，接收功率越高，优先 级越高。
图1为本发明中Ad Hoc网络的节点分布其中1为第一节点；2为第二节点；3为第三节点；4为第四节点；第一节点向第二节点 发射数据；第三节点向第四节点发射数据； 图2为本发明的MAC层数据帧的结构图； 图3为本发明接收节点数据包分配方法的流程图； 图4为本发明发射节点数据包分配方法的流程图。
具体实施例方式下面将结合附图和具体实施例对本发明进一步解释，但不限于此。实施例1
如图1所示的Ad Hoc网络网络中有四个节点，第一节点向第二节点发射数据，第三节 点向第四节点发射数据。假设各个节点都安装四根天线，第一节点、第二节点、第三节点都 在相互之间的载波监听范围内，第三节点能够监听第四节点，但是第一节点和第二节点都 不能监听第四节点，所以第四节点对于第一节点和第二节点来说是隐藏节点。每一个MAC数据帧都包含四个阶段RTS竞争阶段、CTS发射阶段、DATA发射阶段 和ACK发射阶段。假设RTS竞争阶段包含两个竞争时隙，每一个竞争时隙包含五个退避时 隙，MAC数据帧的结构如图2所示。第一步，在RTS竞争阶段，第一节点和第三节点竞争发射RTS信号包获取信道资 源。第二步，在CTS发射阶段，第二节点和第四节点分别发送CTS信号包响应自身RTS信号 包的请求。第三步，在DATA发射阶段，第一节点和第三节点根据各自接收的CTS信号包对自身CTS信号包分配数据包，并且按照自身CTS所分配的数据包数目发送相应数目的数据 包。第四步，在ACK发射阶段，第二节点和第四节点分别对第一节点和第三节点发送的数据 包进行检测，对正确接收的数据包发送ACK信号包进行确认。下面详细介绍每一步的具体内容。
(I)RTS竞争阶段RTS阶段有两个竞争时隙，第一节点、第三节点需要在这两个时 隙竞争发射RTS信号包。假设每一个竞争时隙包含5个退避时隙，第一节点需要等待3个 退避时隙，第三节点需要等待4个退避时隙。在第一个竞争时隙，第一节点等待3个退避时 隙后，进行信道监听，发现信道空闲，第一节点便发送RTS信号包，接收节点是第二节点，请 求数据包数目设为3。第三节点等待相应的退避时隙后，检测信道，发现第一节点正在发送 RTS信号包，所以第三节点选择进行退避，准备在下一个竞争时隙竞争发射RTS信号包。在 第二个竞争时隙，第三节点等待4个退避时隙后，发现信道空闲，便发送RTS信号包，接收节 点是第四节点，请求数据包数目设为4。这两个RTS信号包的内容如表1所示
表权利要求
1.MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法，其特征在于每一个MAC数据帧具体包 括以下四个阶段RTS竞争阶段各发射节点和接收节点安装有数目相同的天线，每一个RTS信号包含有 至少一个竞争时隙，并且竞争时隙的数目小于等于各节点的天线数目；每一个竞争时隙包 含有K个退避时隙，所述K大于网络节点的数目；发射节点在发射RTS信号包前，首先退避 Il个退避时隙，若发现信道空闲，节点发射RTS信号包；所述RTS信号包由接收节点ID和 请求数据包数目组成；CTS发射阶段接收节点将RTS信号包划分为自身RTS信号包与干扰RTS信号包，接收 节点根据自身RTS信号包其允许发射的数据包数目，发射CTS信号包告知发射节点；所述自 身RTS信号包中含有接收节点的ID ；干扰RTS包中不包含接收节点的ID ；所述CTS信号包 由发射节点ID和允许发射的数据包数目组成；DATA发射阶段发射节点检测解码CTS信号包，并将CTS信号包划分为自身CTS信号 包与干扰CTS信号包；当Ad Hoc网络中没有隐藏节点时，发射节点按照自身CTS的指示发 射相应数目的数据包；当Ad Hoc网络中含有隐藏节点时，发射节点根据其允许发射的数据 包数目，发射相应数目的数据包；所述自身CTS信号包中含有发射节点的ID ；干扰CTS信号 包中不包含发射节点的ID;ACK发射阶段接收节点对各个独立的数据包进行检测译码，检测数据包是否正确检 测；如果数据包被正确检测，接收节点发送ACK信号包告知发射节点该数据包已被成功接 收；如果数据包不能被正确检测，接收节点在ACK信号包中不会发送该数据包成功接收的 确认信息，发射节点在下一次获得信道使用权的时候重新发射该数据包。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述CTS发射阶段自身RTS信号包允许 发射的数据包数目根据接收节点数据包分配方法得出，所述分配方法包括如下步骤步骤1 初始化，所有RTS信号包分配数据包的数目为0 ；步骤2 判断所有RTS请求的数据包总数是否小于或等于天线数；如果是，则对自身 RTS分配与该RTS所请求相同的数据包数目，并转到步骤6 ；如果否，则转到步骤3 ；步骤3 循环轮询RTS信号包集合，判断当前RTS信号包所分配的数据包数是否小于该 RTS信号包所请求的数据包数；如果是，则转到步骤4 ；如果否，则转到步骤3，轮询下一个 RTS信号包；步骤4 当前RTS信号包所分配的数据包数加1，转到步骤5 ；步骤5 判断所分配数据包的总数是否小于天线的数目；如果是，则转到步骤3，轮询下 一个RTS信号包；如果否，则转到步骤6 ；步骤6 根据自身RTS分配的数据包数目，对自身RTS以CTS信号包进行响应，所有接 收节点的CTS信号包同时发射。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述自身RTS信号包在每一次循环轮询 RTS信号包集合时，是最后被轮询的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述ACK发射阶段的各个数据包是独立 确认的。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述DATA发射阶段AdHoc网络中含有 隐藏节点时，发射节点允许发射的数据包数目根据发射节点数据包分配方法得出，所述发射节点数据包分配方法包括如下步骤步骤1 初始化，所有CTS信号包分配数据包的数目为0 ；步骤2 判断所有CTS允许的数据包总数是否小于或等于天线的数目；如果是，则对自 身CTS分配与该CTS所允许相同的数据包数目，并转到步骤6 ；如果否，则转到步骤3 ；步骤3 循环轮询CTS信号包集合，判断当前CTS信号包所分配的数据包数目是否小 于该CTS信号包所允许的数据包数目；如果是，则转到步骤4 ；否则转到步骤3，轮询下一个 CTS信号包；步骤4 当前CTS信号包所分配的数据包数加1，转到步骤5 ； 步骤5 判断所分配数据包的总数是否小于天线的数目；如果是，则转到步骤3，轮询下 一个CTS信号包；如果否，则转到步骤6 ；步骤6 根据自身CTS分配的数据包数目，发射节点发射相应数目的数据包。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述自身CTS信号包在每一次循环轮询 CTS信号包集合时，是最后被轮询的。
全文摘要
本发明提供MIMO-MAC优化提高Ad Hoc网络容量的方法，具体包括各个节点安装若干根天线，且设定各节点安装的天线数相同。MAC层的数据帧是同步的，并包含四个阶段RTS竞争阶段、CTS发射阶段、DATA发射阶段和ACK发射阶段。这四个阶段是紧密联系的，不可分离。本发明中RTS信号包是竞争发射，CTS信号包是同时发射的，从而缩短了RTS与CTS信号包的交互时间，并且通过双向分配数据包方法求出各节点能够发射的数据包数目，不但解决了隐藏节点问题，而且极大的提高了网络容量。
文档编号H04L1/16GK102137506SQ20111009366
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者卢伟山, 季飞 申请人:华南理工大学