一种无线多信道mac协议的实现方法
【专利说明】
所属技术领域
[0001]本发明涉及无线通信领域，更具体地涉及到无线自组网络(也称移动对等网络、无线AD HOC网络等)中各节点之间通信的无线信道的介质访问控制子层(MAC层)协议的实现方法。
【背景技术】
[0002]无线自组网络是由多个带有无线收发机的终端节点共同组成的，它们之间的通信并不需要固定的网络基础设施(例如基站或热点)的支持，每个终端节点可以和无线射频范围内的其他节点直接通信。无线介质是被多个网络节点共享的，因此需要一种机制来控制对介质的访问，这是由0SI参考模型中的数据链路层来负责实现的，如图1所示。根据IEEE 802参考模型，数据链路层被进一步分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层(MAC层)，MAC层直接在物理层的上一层执行，因此可以认为介质是由该层控制的。MAC层的主要功能是决定一个节点什么时候可以访问共享介质，并解决可能发生在节点之间的潜在竞争冲突。
[0003]现有的无线自组网MAC层协议根据其控制访问介质的方式可以分为两类:无竞争介质访问协议和基于竞争的介质访问协议。
[0004]1)在无竞争介质访问协议中，各节点唯一地使用所分配的无线介质资源，目前主要有三种方式:第一种是频分复用(FDMA)，不同的节点只能占用分配好的不同的频带发送数据，避免互相干扰；第二种是时分复用(TDMA)，允许多个节点使用同样的频带，但它们使用不同的周期时间窗，所以整个或局部网络需要帧同步；第三种是码分复用，不同节点使用不同的编码方式同时对无线介质进行访问，如果这些编码是正交的，可以实现在同一频带上的多路通信。
[0005]2)基于竞争的介质访问协议是提供了一种减少碰撞次数和从碰撞中恢复的机制，允许节点通过竞争来占用访问介质。普遍流行的基于竞争的MAC协议是CSMA(载波监听多路访问)，节点在传输数据之前首先侦听信道是否空闲。包括它的变体CSMA/CD (带有冲突检测的)和CSMA/CA (带有冲突避免的)。
[0006]目前应用于无线自组网的主要有三种技术:Wi_F1、ZigBee和蓝牙(BT)。Wi_Fi的标准是IEEE 802.11，IEEE 802.11是建立在CSMA/CA协议基础上，在节点传输数据前首先侦听信道是否空闲。ZigBee是标准IEEE 802.15.4技术的商业名称，IEEE 802.15.4标准的信道接入方式也是采用免冲突载波检测多址接入(CSMA/CA)机制。蓝牙(BT)是由爱立信、IBM、INTEL、诺基亚、东芝5家公司联合制定的近距离无线通信技术标准，是采用时分双工(TDD)方式来避免冲突，在一个蓝牙网络节点中，其中一个承担通信主节点角色，其他为从节点，主节点负责提供网络时钟同步信号，并且确定安排各节点的通信信道。
[0007]本发明的目的在于，在节点传输数据前不需要侦听载波或信道是否空闲，可以直接发送，允许无线自组网络中共享同一射频频带的各节点传输数据时有冲突。发明方案中采用了一种创新的发送机制把这种冲突的几率控制在能够接受的范围之内，不至于影响到接收数据的正确恢复，从而在不需要基础通信设施的情况下，无线自组网络中各节点之间可以实现两两互通、一对多、多对多等方式自由通讯。
【发明内容】
[0008]图2所示为无线自组网中一个节点模块原理框图，图中ENB信号用于控制射频信号的收发切换，当ENB信号有效时，本节点模块发送信号、传输数据，其他时间本节点处于接收数据状态。怎样产生ENB信号就是本发明的主要内容。
[0009]如图3所示，无线自组网中的每个节点产生周期相同的帧信号，每一帧用流水号来标识，再把每一帧分成N个时隙，本发明的方案要求N必须是素数(质数)，这样系统信道数量最大值为N，每个信道占用的时隙号(Ts)和帧号(F)相关，并不是占用固定的时隙，信道在每一帧占用的时隙由下列公式确定:
[0010]Ts = (S*F)Mod N (公式一)式中:Ts时隙号，取值范围:0N_1。
[0011]S——信道号，取值范围:0?N-1。
[0012]F——帧号，从0开始的流水号，也可采用0R-1循环号码，R取N的倍数。
[0013]N一一素数，由它确定了系统的时隙数量及信道数量。
[0014]* 乘法运算符。
[0015]Mod----取模运算符，取整数除法的余数。
[0016]本发明要求网络中每个节点的帧信号由各自本地的时钟源(一般选用TCX0)产生，系统能够容忍各个不同时钟源导致的帧周期误差，对帧信号的相位同步没有要求，每个节点可以从任何位置开始帧头信号和标识帧的流水号。
[0017]每个节点在每帧占用由公式一产生的时隙来控制ENB有效，发送信号、传输数据。本发明要求N必须取素数，保证了任意两个节点占用时隙发生时间冲突的几率为1/N，可以通过合适的纠错码和交织技术来纠正该冲突引起的传输错误数据。
[0018]本发明方案与现有无线MAC协议技术相比:第一点，节点传输数据前不需要侦听载波或信道是否空闲，在确定的时隙直接发送。第二点，虽然节点传输数据前不需要侦听载波或信道，但节点的接收通道已实时掌握周围节点信道的占用情况，可以调整本节点发送时隙的长短，容易实现QoS控制。第三点，去掉全网同步要求，特别当节点数量大时，本发明的方案优势明显。第四点，容易解决隐藏终端和暴露终端的问题。第五点，容易实现多跳网络。
【附图说明】
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[0019]图10SI通信协议分层模型及IEEE 802参考模型比较示意图；
[0020]图2无线自组网中节点通信模块原理框图；
[0021]图3本发明中定义的帧和时隙的示意图；
[0022]图4各信道在不同的帧位置时所占用时隙的表格说明。
[0023]图5各信道在不同的帧位置时所占用时隙的示意图。
具体实施例:
[0024]下面以N = 7为例，用上述公式一来计算说明不同信道在每一帧中占用时隙的详细情况，图4的表格显示7个信道在不同的帧位置时所占用时隙号，各个时隙号是用下列公式二计算获得的:
[0025]Ts = (S*F)Mod 7 (公式二)
[0026]式中:S—一图4的表格左边第一列信道号，数值从0到6共7个信道。
[0027]F——图4的表格上面第一行帧号，从0开始的流水号，也可采用从0到6的循环号码。
[0028]图5是用图形更直观表示7个信道在不同的帧位置时所占用时隙的详细情况，可以更清楚看出各信道的在时间上的冲突情况。
[0029]图4和图5示意的各信道的帧头是同步对齐的，实际应用中是不需要的，N = 7，7是素数，保证了任意两个节点占用时隙发生时间冲突的几率为1/7，可以通过合适的纠错码和交织技术正确地恢复数据。
[0030]每个节点有一个发送通道和多个接收通道，时刻掌握着其他信道的占有情况，根据本地节点需要传输数据的任务量，可以适当调整本地节点传输数据占用时隙的时间长短。这些调整都是以占用时隙发生时间冲突的几率不能影响接收数据正确恢复为前提的。
[0031]综上所述，本发明采用一种巧妙的创新的方法解决了目前无线自组网节点的无线MAC协议在实际应用中遇到的一些难点，满足了系统的需求。
【主权项】
1.一种无线多信道MAC协议的实现方法，其特征在于: 无线自组网中的每个节点产生周期相同的帧信号，每一帧用流水号来标识，再把每一帧分成N个时隙，本发明方案要求N为素数(质数)，每个节点的信道占用的时隙号(Ts)和中贞号(F)相关，信道在每一巾贞占用的时隙由下列公式确定: Ts=(S*F)ModN (公式一) 式中:Ts——时隙号，取值范围:0-Ν-1。 S——信道号，取值范围:0-Ν-1。 F——帧号，从0开始的流水号，也可采用0-R-1循环号码，R取N的倍数。 N一一素数，由它确定了系统的时隙数量及信道数量。 * 乘法运算符。 Mod---取模运算符，取整数除法的余数。 所述每个节点在每帧占用由公式一产生的时隙来控制发送信号、传输数据，其他时间节点处于接收数据状态。2.如权利要求1所述的无线多信道MAC协议的实现方法，其特征在于:所述每个节点产生周期相同的帧信号，每一帧用流水号来标识，再把每一帧分成N个时隙，这里的N为素数(质数)，是本方案的一个重要特征。3.如权利要求1所述的无线多信道MAC协议的实现方法，其特征在于:所述的每个节点的信道在每帧占用的时隙由公式一产生。不排除采用其他变化的方法产生每个节点的信道在每帧占用的时隙，如果结果一样，也属本发明的权利要求范围。4.如权利要求1所述的无线多信道MAC协议的实现方法，其特征在于:每个节点有一个发送通道和多个接收通道，时刻掌握着其他信道的占有情况，根据本地节点需要传输数据的任务量，可以调整本地节点传输数据占用时隙的时间长短，从而实现QoS控制。
【专利摘要】本发明涉及无线通信领域，更具体地涉及到无线自组网络(也称移动对等网络、无线AD？HOC网络等)中各节点之间通信的无线信道的介质访问控制子层(MAC层)协议的实现方法，在节点传输数据前不需要侦听载波或信道是否空闲，可以直接发送，允许无线自组网络中共享同一射频频带的各节点传输数据时有冲突，方案中采用了一种新的发送机制把这种冲突的几率控制在能够接受的范围之内，不至于影响到接收数据的正确恢复，从而在不需要基础通信设施的情况下，无线自组网络中各节点之间可以实现两两互通、一对多、多对多等方式自由通讯。
【IPC分类】H04W80/02, H04W74/00
【公开号】CN105357768
【申请号】CN201410411950
【发明人】邵贵阳
【申请人】邵贵阳
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2014年8月19日