一种无线局域网隐藏终端可避免的分组方法与流程

本发明涉及低频段、低功耗的ieee802.11ah无线局域网通信系统，特别涉及一种无线局域网隐藏终端可避免的分组方法。

背景技术：

ieee802.11ah无线局域网的覆盖范围达1km，可支持8,000多个节点接入，是支撑智能电网、安全监测系统等物联网应用的关键性技术。

然而，802.11ah无线局域网的媒体接入层沿用了基于载波侦听访问/碰撞回避机制的分布式信道接入方法(dcf，distributedcoordinatefunction)，该方法在密集网络环境下会引发严重的隐藏终端、竞争冲突等问题。研究指出，在随机部署的无线局域网中任意两个节点成为隐藏终端的概率为41％。当网络中的节点数增至8,000个左右时，预计将产生13,118,360对隐藏终端，导致网络吞吐量下降，信道接入时延过长。

在本发明作出之前，在无线局域网的媒体接入层引入分组技术可分散节点接入信道的时间进而缓解上述问题。现有分组技术主要采用两种方法对节点分组：一种是利用指定参数对节点随机分组，此类方法往往不考虑节点间的隐藏关系，产生的分组中仍然存在隐藏终端；此外，分组的规模也未得到优化。另一种是基于节点间隐藏关系监测的分组方法。然而，现有的隐藏终端监测方案假定了信道为理想信道，实际网络环境中信道出错、噪声、传播时延等因素会引起监测结果不准确。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服上述缺陷，研制一种无线局域网隐藏终端可避免的分组方法。

本发明的技术方案是：

一种无线局域网隐藏终端可避免的分组方法，其主要技术特征在于步骤如下：

基于节点与ap间帧交换的隐藏关系监测：

(1)ap选定合适的分组规模对所有节点随机分组；

(2)ap对随机形成的分组分别分配信道资源，各分组中的节点以tdma方式依次接入信道向ap发送控制帧；

(3)ap每收到一个控制帧向节点回应一个ack帧；

(4)其他节点根据信道的监听结果判断自身是否与发送节点互为隐藏终端；

(5)分组中的所有节点按次序与ap交换控制帧，其他节点基于控制帧的监听监测自身是否与发送节点具备隐藏关系，并将监测结果反馈至ap。

(6)根据接收到的反馈信息，ap为随机形成的分组中的节点建立隐藏关系表；

隐藏终端可避免的分组策略：

(7)依据形成的隐藏关系表，ap依次将各分组中隐藏终端最多的节点挑出，确保分组中剩余节点相互间不具备隐藏关系；

(8)ap将挑出的节点随机放入现有分组，直到为节点找到合适的分组为止，即节点与分组中其他节点不具备隐藏关系；

(9)上述过程结束后，若存在一些节点找不到合适的分组，在保证隐藏终端最少的前提下ap将剩余节点单独分为几组。

所述步骤(4)、(5)中，位于发送节点覆盖领域之内的所有节点可收到控制帧，而位于其覆盖领域之外的节点收不到，另一方面，分组中所有节点可收到ap向发送节点回应的ack帧，据此，节点可监测出自身是否位于发送节点的覆盖范围，进而判断出自身是否与发送节点相互具备隐藏关系。

所述步骤(8)中，ap为挑出的节点重新选择新的分组，最大限度地避免节点之间形成隐藏关系。

所述步骤(9)中，若存在一些节点无法避免与其他节点形成隐藏关系，ap对剩余节点单独分组。

本发明的优点和效果在于对节点间隐藏关系的监测更准确：利用节点与ap交换帧监测隐藏关系的方法不受信道噪声、时延等因素的影响；其次，本发明可有效地降低隐藏冲突、竞争冲突，提升网络吞吐量：基于节点间的隐藏关系对节点分组可以分散节点接入信道的时间，尤其是分散互为隐藏终端的节点接入信道的时间，从而缓解隐藏冲突、竞争冲突等问题，进一步提升网络吞吐量、缩短信道接入时延；最后，本发明提出的方法能与802.11ah技术标准完全融合，可直接部署于基于该技术标准的产品。

附图说明

图1——本发明ap为随机生成的分组分配信道资源进行隐藏关系监测示意图。

图2——本发明节点a向ap发送ndp帧，其他节点执行隐藏关系监测过程示意图。

图3——本发明为基于隐藏关系监测生成的隐藏关系示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明如下：

基于节点与ap间帧交换的隐藏关系监测方法。该方法中，ap对随机形成的分组分配一定的信道资源，分组中的节点以tdma方式依次接入信道向ap发送控制帧，ap收到节点发送的控制帧时向节点回应一个ack帧。在该过程中，位于发送节点覆盖领域之内的节点都可收到控制帧，而位于其覆盖领域之外的节点则收不到；分组中所有节点可收到ap向发送节点回应的ack帧，据此，节点可监测出自身是否位于发送节点的覆盖范围，进而判断出自身是否与发送节点相互具备隐藏关系。各分组中的所有节点按次序与ap交换控制帧，其他节点基于控制帧的监听监测自身是否与发送节点具备隐藏关系，并将监测结果反馈至ap。根据接收到的反馈信息，ap为随机形成的分组建立隐藏关系表。

基于节点与ap间帧交换的隐藏关系监测：

(1)ap选定合适的分组规模对所有节点随机分组；

(2)ap对随机形成的分组分别分配信道资源，各分组中的节点以tdma方式依次接入信道向ap发送控制帧；

(3)ap每收到一个控制帧向节点回应一个ack帧；

(4)其他节点根据信道的监听结果判断自身是否与发送节点互为隐藏终端；

(5)分组中的所有节点按次序与ap交换控制帧，其他节点基于控制帧的监听监测自身是否与发送节点具备隐藏关系，并将监测结果反馈至ap。

(6)根据接收到的反馈信息，ap为随机形成的分组中的节点建立隐藏关系表；

隐藏终端可避免的分组策略：

(7)依据形成的隐藏关系表，ap依次将各分组中隐藏终端最多的节点挑出，确保分组中剩余节点相互间不具备隐藏关系；

(8)ap将挑出的节点随机放入现有分组，直到为节点找到合适的分组为止，即节点与分组中其他节点不具备隐藏关系；

(9)上述过程结束后，若存在一些节点找不到合适的分组，在保证隐藏终端最少的前提下ap将剩余节点单独分为几组。

所述步骤(4)、(5)中，位于发送节点覆盖领域之内的所有节点可收到控制帧，而位于其覆盖领域之外的节点收不到，另一方面，分组中所有节点可收到ap向发送节点回应的ack帧，据此，节点可监测出自身是否位于发送节点的覆盖范围，进而判断出自身是否与发送节点相互具备隐藏关系。

所述步骤(8)中，ap为挑出的节点重新选择新的分组，最大限度地避免节点之间形成隐藏关系。

所述步骤(9)中，若存在一些节点无法避免与其他节点形成隐藏关系，ap对剩余节点单独分组。

由于上述隐藏关系监测方法中节点以tdma方式接入信道向ap发送控制帧，因此避免了dcf信道接入方法中隐藏终端、随机退避冲突等引起的发送失败，在信道状态良好的条件下可确保控制帧的成功发送。此外，利用帧交换监测隐藏关系的方法易部署、开销少，在非理想信道下其检测结果产生的误差较小。

隐藏终端可避免的分组策略。根据隐藏关系监测结果ap将各分组中隐藏终端最多的节点挑出，使分组中剩余节点相互间不具备隐藏关系。ap对挑出的所有节点重新分组：该过程中ap尝试将挑出的节点随机放入现有分组，直到为节点找到合适的分组为止，即节点与分组中其他节点不具备隐藏关系。该过程结束后，若存在一些节点找不到合适的分组(由于网络环境过于密集一些节点无法避免与其他节点形成隐藏关系)，在保证隐藏终端最少的前提下ap将剩余节点单独分为几组。该策略根据隐藏关系监测结果对分组进行了进一步的优化，最大限度地避免了相互具备隐藏关系的节点从属于相同分组，从而有效地缓解了隐藏终端问题。

本发明的具体实现技术步骤如下：

①对网络中的节点随机分组：

指定一个值k作为参考值对网络中的所有节点进行随机分组，确保各分组的节点数不超过k。

②以分组为单位执行隐藏关系监测，建立隐藏关系表：

ap为步骤①生成的分组分别分配一定的时间段，该时间段进一步被分成相等的时隙分配给分组中的节点。节点以tdma方式按次序接入信道向ap发送ndp(nulldatapacket)帧。每收到一个ndp帧，ap向发送节点回应一个ack帧。

对于一个发送节点，若某个节点收到了ap发送的ack帧，却未收到发送节点发送的ndp帧，可确定该节点不在发送节点的发送领域，从而推断出节点与发送节点具备隐藏关系。分组中的节点依次执行此过程，并将收集到的隐藏终端的信息反馈给ap。

重复该过程，直到对所有分组执行完隐藏关系监测为止。ap利用收集到的信息为各分组建立隐藏关系表。

③参照隐藏关系表对分组进行优化：

挑选出各分组中隐藏终端最多的几个节点，对此类节点重新分组。该步骤尝试将挑出的节点随机放入已有的分组，直到为节点找到满足条件的分组为止，即节点与新的分组中的所有节点都不具备隐藏关系。重复该过程，直到将挑出的所有节点重新分配到新的分组。

本发明应用过程简要说明，用图进一步说明本发明的实施过程。

如图1所示，在隐藏关系监测过程中，ap为随机生成的分组分配控制流窗口，节点在所属分组中以tdma方式依次接入信道向ap发送控制帧。分组1中的节点a进行隐藏关系监测的过程如图2所示。节点a利用所分配的时隙向ap发送了一个ndp帧，所有位于a发送领域的节点都收到了该ndp帧，如节点b、c，而位于其发送领域之外的节点，如节点d、e则无法收到ndp帧。

ap收到ndp帧之后回应一个ack帧，由于ap的覆盖领域很广，分组中的所有节点都可以收到ack帧。根据ack帧的地址字段节点d和e发现自身不在节点a的发送领域，因此判断出与节点a相互具备隐藏关系。

分组中的其他节点(节点b、c、d和e)重复执行该过程，直到所有节点都执行完隐藏关系监测，ap根据收集到的信息建立该分组的隐藏关系表。

如图3所示，根据隐藏关系表可确认该分组中节点a与d、e分别具备隐藏关系，节点b与d具备隐藏关系，节点c与e具备隐藏关系，节点d与a、b分别具备隐藏关系，节点e与a、c分别具备隐藏关系。

ap从互为隐藏终端的节点中挑出部分节点使分组中剩余的节点相互不具备隐藏关系，该实例中ap将节点d、e取出。ap为所有取出的节点寻找新的分组，该过程中ap尝试将挑出的节点随机放入现有分组直到为节点找到合适的分组为止，即节点与分组中的其他节点相互不具备隐藏关系。