專利名稱：一種實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法
技術領域：
本發明屬于無線網絡領域，特別涉及實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法。
背景技術：
Ad hoc網絡是一種新型的無線網絡。它由一系列地位完全平等的移動節點組成， 無需任何固定或預設的網絡設施。網絡中的每個節點在信道訪問控制(Medium Access Control,MAC)協議的控制下以多跳共享的方式接入無線信道，實現信息和服務的共享。當 ad hoc網絡中的一個節點發送信號時，只有它傳輸范圍內的鄰居節點可以接收該信號，而傳輸范圍外的節點卻無法正確接收，甚至無法感知該信號。這種獨特的信道共享方式極大地提高了 ad hoc網絡的頻率空間復用度，但多跳傳輸的特性又使得網絡中信號的沖突與節點所處的地理位置直接相關，而且一次沖突并不能被網絡中所有的節點同時感知，這就帶來了隱終端和暴露終端問題。IEEE 802. IlDCF(Distributed Coordination Function)是無線局域網中的標準協議，目前已被廣泛應用于ad hoc網絡的各種仿真和測試床，成為了事實上的ad hoc網絡 MAC協議規范。該協議通過物理載波檢測和虛擬載波檢測機制避免發送節點之間的沖突，并采用RTS/CTS控制幀握手機制部分的解決了隱終端問題。然而，上述機制雖然在一定程度上提高了數據幀的發送成功率，但卻同時遏制了臨近發送節點并發傳輸數據幀的可能性， 因而無法獲得最優的多跳共享無線信道的空分復用度和網絡總平均吞吐量。在保證數據幀無沖突傳輸的前提下，如何有效提高多跳共享無線信道的空分復用度成為了無線ad hoc網絡MAC協議研究的熱點問題。目前，常見的提高多跳共享無線信道空分復用度的方法大致可以分為兩類。第一類方法通過節點發送功率控制實現空分復用度的提高。發送節點和接收節點通常采用最大可用功率完成RTS/CTS控制幀交互預約過程，接收節點根據RTS幀的傳輸損耗、噪聲干擾功率及信號接收門限計算出數據幀的最小發送功率，并在CTS幀中添加相應字段，通過應答 CTS幀將該功率告知發送節點。發送節點和接收節點即以該功率完成數據/ACK幀交互過程。降低數據幀發送功率可以在一定程度上減少信號干擾，提高網絡空分復用度。然而，在網絡拓撲結構和節點通信業務動態變化的多跳ad hoc網絡環境中，接收節點很難準確獲知數據幀接收過程中的噪聲干擾功率。現有研究工作的仿真結果表明，該類功率控制機制只能在某些限定網絡條件下實現空分復用度和網絡總平均吞吐量的提高。第二類方法采用數據幀并發傳輸機制實現空分復用度的提高。現有的數據幀并發傳輸機制又可以分為兩種類型。第一種類型基于數據幀分片策略，網絡中所有節點發送的數據幀被分成大小相同的片段。在搶先占用信道的某一收/發節點對的第一個數據幀片段發送過程中，該收/發節點傳輸范圍內的其他收/發節點對并行發起RTS/CTS控制幀交互預約過程。當該收/發節點對發起第二個數據幀片段的傳輸時，成功完成了 RTS/CTS控制幀交互的其余收/發節點對就能同時發起各自的數據幀片段的傳輸。由于每個節點的數據幀片段大小相等，所以這些收/發節點對的傳輸都是同步的。該類方法也能在一定程度上提高網絡平均吞吐量，但過多的MAC幀分片將造成較大的網絡開銷，影響協議棧的整體性能。 第二種類型在首先搶占信道的收/發節點RTS/CTS幀交互過程與數據幀傳輸過程之間引入一段控制時間間隙，允許該收/發節點對鄰居范圍內的其余節點在該時間間隙內發起RTS/ CTS控制幀交互預約。控制時間間隙過后，成功完成發送預約的多對收/發節點同步完成數據/ACK幀交互過程。該類型的并發傳輸策略可以有效提高網絡總平均吞吐量，但現有的并發傳輸方法缺乏合理的分布式并發傳輸節點選擇機制和有效的并發沖突避免機制。因而研究結果表明，現有的并發傳輸方法只適用于發送節點密度較小的網絡拓撲，在發送節點密度增大的條件下，該類并發傳輸方法甚至還會導致網絡總平均吞吐量的嚴重下降。
發明內容
本發明的目的是針對無線ad hoc網絡環境，提出一種實現沖突避免的高效并發傳輸方法，從而有效提高網絡總平均吞吐量。為了實現該目的，本發明所采用的步驟是步驟1 節點在內存中分別維護記錄鄰居發送節點和鄰居接收節點相關信息的線性鏈表NTL和NRL ；NTL中記錄的信息包括鄰居發送節點地址，鄰居發送節點與本節點之間的傳輸損耗，鄰居發送節點的活躍時間；NRL中記錄的信息包括鄰居接收節點地址，鄰居接收節點與本節點之間的傳輸損耗，鄰居接收節點可容忍的最大干擾功率，數據幀發送起始時間，數據幀發送結束時間，ACK幀發送結束時間，傳輸主/從標志位；節點偵聽到RTS、 CTS和ATS控制幀后，根據控制幀的相關字段分別更新鏈表NTL和NRL中記錄的信息。步驟2 主發送節點和主接收節點通過控制幀交互完成主傳輸發送預約，在主傳輸發送預約過程與數據幀傳輸過程之間引入并發傳輸間隙，主接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余節點在該間隙內判斷是否能夠發起或應答從傳輸發送預約，發送節點和接收節點在發送預約過程中采用基于可容忍干擾功率估算的并發沖突避免機制保證數據幀并發傳輸成功，主接收節點采用基于指數平滑模型的動態調整方案確定并發傳輸間隙時間段的長度。步驟3 并發傳輸間隙時間段過后，主傳輸和從傳輸發送節點同時向各自的接收節點發送數據幀，如果數據幀接收成功，則接收節點采用依次應答策略向發送節點發送ACK 幀，如果數據幀接收失敗，則接收節點在ACK幀依次應答時間內延遲發送。本發明提出的實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法已經在 QualNet網絡仿真環境中實現。考慮在靜態同心圓網絡拓撲下進行仿真分析，同心圓外環和內環半徑分別為200m和100m，發送節點和接收節點成對均勻分布在同心圓的外環和內環。 物理層采用DSSS模型，信道傳輸速率為2Mbit/s。網絡層采用靜態路由，傳輸層采用UDP協議。仿真的業務類型為恒定比特率(CBR)業務，數據包長度為IOM字節，發包間隔為ans， 使得信道處于飽和狀態。仿真時間為300s，每個收/發節點對之間的CBR流在仿真開始后建立并傳輸數據，直到仿真結束為止。附圖8給出了在同心圓拓撲中均勻分布不同數量的收/發節點對時，本發明的仿真結果與IEEE 802. IlDCF協議仿真結果的對比。由附圖8所示的仿真結果可以看出，本發明提出的高效并發傳輸方法可以獲得較高的網絡總平均吞吐量和較低的節點平均能耗。
圖1是本發明提出的多節點并發傳輸網絡場景示意圖；圖2是各并發傳輸節點的MAC幀交互時序圖；圖3是本發明采用的發送節點工作流程圖；圖4是本發明采用的接收節點工作流程圖；圖5是本發明定義的RTS幀格式示意圖；圖6是本發明定義的CTS幀格式示意圖；圖7是本發明定義的ATS幀格式示意圖；圖8是本發明的仿真結果圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。在后面的敘述中，本說明書將本發明提出的實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法簡記為 HCTM (High-efficient Concurrent Transmission Method)。HCTM 首先設定了以下網絡運行條件1、網絡節點工作在半雙工狀態，即在同一時刻，節點只能發送或者接收信號，但不能同時進行發送和接收，數據傳輸速率為2Mbps ；2、節點發送功率為15dBm，信號接收門限為-74dBm，物理載波檢測門限為_87dBm， 判斷信號是否能被正確接收的信號干擾噪聲比門限為IOdB ；同時，節點可以在一定范圍內任意調整信號發送功率。3、網絡中的發送和接收節點具有相同的天線高度和天線增益。以上述條件為基礎，本發明提出的實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法已經在無線網絡仿真環境QualNet中實現，并通過QualNet環境中的仿真結果證明了該方法的有效性。附圖1給出了本發明提出的多節點并發傳輸網絡場景示意圖；附圖2給出了在附圖1所示的網絡場景中，各并發傳輸節點的MAC幀交互時序圖；附圖3和附圖4分別給出了本發明采用的發送節點和接收節點的工作流程圖。HCTM的具體實施步驟為步驟1 節點偵聽控制幀獲知鄰居發送節點和鄰居接收節點的相關信息。節點在內存中分別維護記錄鄰居發送節點和鄰居接收節點相關信息的線性鏈表 NTL (Neighboring Transmitter List)禾口 NRL (Neighboring Receiver List)。NTL禾口 NRL 中的每個結點由存儲后繼結點位置信息的指針域和存放數據元素信息的數據域組成。其中， 頭結點指針域中的指針給出了頭結點的存放地址，尾結點指針域中的指針為“空”(NULL)， 而其余結點指針域中的指針指向線性鏈表中下一個結點的存放地址。NTL中每個結點的數據域包含與鄰居發送節點相關的以下信息①鄰居發送節點地址；②鄰居發送節點與本節點之間的傳輸損耗；③鄰居發送節點的活躍時間。其中，信號的發送節點和接收節點之間的傳輸損耗定義為信號的發送功率與接收功率的比值。節點成功偵聽到一個RTS幀后，首先根據該RTS幀的接收功率計算出鄰居發送節點與本節點之間的傳輸損耗，然后遍歷NTL，查找是否存在與鄰居發送節點地址相對應的結點。如果沒有查找到相應結點，則節點在NTL的尾部插入一個新結點，將計算出的傳輸損耗寫入新結點的
9數據域，并將偵聽發送結點的活躍時間設置為當前時刻之后的10ms。如果在IOms的時間內，節點再次偵聽到該鄰居發送節點的RTS幀，則節點依照上述方法更新NTL中相應結點數據域的值；而如果節點收到了該鄰居發送節點廣播的取消發送(ATQ幀，或者在IOms的時間之內節點沒有再次偵聽到該鄰居發送節點的RTS幀，則節點將NTL中與該鄰居發送節點相關的結點刪除。NRL中每個結點的數據域包含與鄰居接收節點相關的以下信息①鄰居接收節點地址；②鄰居接收節點與本節點之間的傳輸損耗；③鄰居接收節點可容忍干擾功率；④數據幀發送起始時間；⑤數據幀發送結束時間；⑥ACK幀發送結束時間；⑦傳輸主/從標志位。節點成功偵聽到一個CTS幀后，首先根據該CTS幀的接收功率計算出鄰居接收節點與本節點之間的傳輸損耗，然后在鏈表的尾部插入一個新結點，并將計算得出的傳輸損耗及偵聽到的CTS幀相關字段的值寫入結點數據域。結點傳輸時間指示傳輸結束后，節點從NRL 中刪除該結點。步驟2 主/從傳輸完成并發傳輸預約。發送節點和接收節點通過控制幀交互過程完成并發傳輸預約，并采用基于可容忍干擾功率估算的并發沖突避免機制保證數據幀并發傳輸成功。HCTM定義的RTS、CTS和ATS 控制幀格式分別如附圖5、附圖6和附圖7所示。當節點網絡層隊列中有數據分組等待發送時，節點查找NRL中是否記錄有尚未完成數據傳輸的接收節點。如果沒有相關記錄，節點按照二進制指數退避法則(BEB)選擇發送前的隨機退避時間，并在退避過程中持續監聽信道。若信道持續保持空閑，則退避時間結束后，節點將自身標記為主發送節點，并向接收節點發送RTS幀。接收節點收到該RTS幀后， 采用并發沖突避免機制判斷本節點是否能夠無沖突的接收發送節點傳輸的數據幀。如果無沖突接收數據幀的條件成立，且節點NRL中沒有記錄其他尚未完成數據傳輸過程的接收節點，則該節點將自身標記為主接收節點，并向發送節點應答CTS幀。主發送節點成功收到主接收節點應答的CTS幀后，發送預約過程結束。通過RTS/CTS控制幀交互完成發送預約的主發送節點和主接收節點之間的傳輸即為主傳輸。如附圖2所示，HCTM將主傳輸發送預約過程與數據幀傳輸過程之間的時間段定義為并發傳輸間隙(Concurrent Transmission Gap，CTG)。接收節點采用基于指數平滑模型的動態調整方案確定CTG時間段的長度。在CTG時間段內，HCTM允許主接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余節點按照一定條件判斷是否能發起或應答RTS/CTS幀交互預約過程。在 CTG時間段內成功完成預約，并與主傳輸同時發起數據幀傳輸過程的發送節點和接收節點之間的傳輸即為從傳輸。發送節點發起主傳輸或從傳輸發送預約后，在一定時間內等待接收節點應答CTS 幀。為了保證發送節點成功接收CTS幀，鄰居節點偵聽到RTS幀后，在上述等待時間內通過虛擬載波檢測機制延遲發送。如果發送節點等待CTS幀超時，則發送節點向鄰居節點廣播 ATS幀。鄰居節點收到ATS幀后，即將NTL中與該鄰居發送節點相對應的結點刪除。同時， 如果節點發起從傳輸發送預約失敗，或者按照從傳輸發送預約發起/應答條件判斷自身無法發起或應答從傳輸，則節點查詢NRL獲知當前并發傳輸的持續時間，并在該時間段內通過虛擬載波檢測機制延遲發送或接收過程。1、基于可容忍干擾功率估算的并發沖突避免機制
HCTM要求接收節點在應答CTS幀之前，估算出在當前并發傳輸條件下的可容忍干 擾功率。估算的具體步驟為(1)計算CTS幀傳輸范圍內的并發干擾總功率接收節點通過遍歷NTL，獲知在Data幀并發接收過程中，接收節點CTS幀傳輸范圍 內的鄰居發送節點對其產生的干擾總功率Pin，即
權利要求
1.一種實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法，所采用的步驟是步驟1 節點在內存中分別維護記錄鄰居發送節點和鄰居接收節點相關信息的線性鏈表NTL和NRL ；NTL中記錄的信息包括鄰居發送節點地址，鄰居發送節點與本節點之間的傳輸損耗，鄰居發送節點的活躍時間；NRL中記錄的信息包括鄰居接收節點地址，鄰居接收節點與本節點之間的傳輸損耗，鄰居接收節點可容忍干擾功率，數據幀發送起始時間，數據幀發送結束時間，ACK幀發送結束時間，傳輸主/從標志位；節點偵聽到RTS、CTS和ATS 控制幀后，根據控制幀的相關字段分別更新鏈表NTL和NRL中記錄的信息；步驟2 主發送節點和主接收節點通過控制幀交互完成主傳輸發送預約，在主傳輸發送預約過程與數據幀傳輸過程之間引入并發傳輸間隙，主接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余節點在該間隙內判斷是否能夠發起或應答從傳輸發送預約，發送節點和接收節點在發送預約過程中采用基于可容忍干擾功率估算的并發沖突避免機制保證數據幀并發傳輸成功， 主接收節點采用基于指數平滑模型的動態調整方案確定并發傳輸間隙時間段的長度；步驟3:并發傳輸間隙時間段過后，主傳輸和從傳輸發送節點同時向各自的接收節點發送數據幀，如果數據幀接收成功，則接收節點采用依次應答策略向發送節點發送ACK幀， 如果數據幀接收失敗，則接收節點在ACK幀依次應答時間內延遲發送。
2.根據權利要求1所述的一種實現沖突避免的無線adhoc網絡高效并發傳輸方法，其特征在于主/從傳輸發送預約的具體方法為當節點網絡層隊列中有數據分組等待發送時，節點查找NRL中是否記錄有尚未完成數據傳輸的接收節點，如果沒有相關記錄，節點按照二進制指數退避法則選擇發送前的隨機退避時間，并在退避過程中持續監聽信道；若信道持續保持空閑，則退避時間結束后，節點將自身標記為主發送節點，并向接收節點發送RTS幀；接收節點收到該RTS幀后，采用并發沖突避免機制判斷本節點是否能夠無沖突的接收發送節點傳輸的數據幀；如果無沖突接收數據幀的條件成立，且節點NRL中沒有記錄其他尚未完成數據傳輸過程的接收節點，則該節點將自身標記為主接收節點，并向發送節點應答CTS幀；主發送節點成功收到主接收節點應答的CTS幀后，發送預約過程結束；通過RTS/CTS控制幀交互完成發送預約的主發送節點和主接收節點之間的傳輸即為主傳輸；主接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余節點在并發傳輸間隙內判斷是否能夠發起或應答從傳輸發送預約，在并發傳輸間隙時間段內成功完成預約，并與主傳輸同時發起數據幀傳輸過程的發送節點和接收節點之間的傳輸即為從傳輸；發送節點發起主傳輸或從傳輸發送預約后，在一定時間內等待接收節點應答CTS幀； 為了保證發送節點成功接收CTS幀，鄰居節點偵聽到RTS幀后，在上述等待時間內通過虛擬載波檢測機制延遲發送；如果發送節點等待CTS幀超時，則發送節點向鄰居節點廣播ATS 幀；鄰居節點收到ATS幀后，即將NTL中與該鄰居發送節點相對應的結點刪除；同時，如果節點發起從傳輸發送預約失敗，或者按照從傳輸發送預約發起/應答條件判斷自身無法發起或應答從傳輸，則節點查詢NRL獲知當前并發傳輸的持續時間，并在該時間段內通過虛擬載波檢測機制延遲發送或接收過程。
3.根據權利要求1所述的一種實現沖突避免的無線adhoc網絡高效并發傳輸方法，其特征在于節點可容忍干擾功率估算的具體方法為(1)計算CTS幀傳輸范圍內的并發干擾總功率接收節點通過遍歷NTL，獲知在Data幀并發接收過程中，接收節點CTS幀傳輸范圍內的鄰居發送節點對其產生的干擾總功率Pin，即
4.根據權利要求1或3所述的一種實現沖突避免的無線adhoc網絡高效并發傳輸方法，其特征在于所采用的并發沖突避免機制的具體方法為(1)接收節點向發送節點應答CTS幀時，計算出在當前并發傳輸條件下的可容忍干擾功率Psti，并將該值寫入CTS幀的相關字段中，從而通過應答CTS幀，捎帶廣播該接收節點的可容忍干擾功率；(2)接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余發送節點在發起從傳輸預約之前，通過遍歷NRL 獲知所有鄰居接收節點的可容忍干擾功率Psti，以及所有鄰居接收節點與該發送節點之間的傳輸損耗Gte，如果對于NRL中記錄的所有鄰居接收節點均滿足
5.根據權利要求1所述的一種實現沖突避免的無線adhoc網絡高效并發傳輸方法，其特征在于主接收節點調整并發傳輸間隙時間段長度的具體方法為主接收節點采用基于指數平滑模型的并發傳輸間隙時間段長度動態調整方案，并發傳輸間隙時間段的長度D。tc定義為DCTG — NCTG · (TETS+TCTS+SIFS) +TSBOmax(10)其中，Tets> Tcts, SIFS和Tromax均為常量，Tets和Tcts分別表示RTS幀和CTS幀的傳輸時間，SIFS表示最小幀間間距，Tsbqmx表示節點在發起從傳輸發送預約前的最大退避時間；變量N。TC表示主接收節點預測的從傳輸數量，其初始值和最小值均為1，最大值為4 ；在每一次主傳輸的發送預約階段，主接收節點采用改進的指數平滑模型對n。tc的值進行調整，即
6.根據權利要求1或2所述的一種實現沖突避免的無線adhoc網絡高效并發傳輸方法，其特征在于主接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余節點在并發傳輸間隙內判斷是否能夠發起或應答從傳輸發送預約的具體方法為主接收節點CTS幀傳輸范圍內的其余節點只有同時滿足以下條件才能發起或應答從傳輸發送預約(1)從傳輸周圍有且僅有一個主傳輸節點在發起或應答從傳輸發送預約時，查詢NRL中記錄的主接收節點相關信息，如果發送節點NRL為空，接收節點NRL中有且僅有一個主接收節點的記錄信息；或者接收節點 NRL為空，發送節點NRL中有且僅有一個主接收節點的記錄信息；或者發送節點和接收節點 NRL中記錄有相同且唯一的主接收節點信息，則節點能發起或應答從傳輸發送預約；否則， 節點不能發起或應答從傳輸發送預約；(2)當前從傳輸發送預約可在CTG剩余時間內完成節點在發起或應答從傳輸發送預約時，根據當前時間和主傳輸數據幀的發送起始時間計算出CTG剩余時間長度；如果CTG剩余時間長度足夠節點完成從傳輸RTS/CTS控制幀交互，則節點能發起或應答從傳輸發送預約；否則，節點不能發起或應答從傳輸發送預約；(3)從傳輸數據幀長度不能大于主傳輸數據幀長度節點在發起或應答從傳輸發送預約時，查詢NRL獲知主傳輸數據幀的發送持續時間； 如果從傳輸數據幀的發送持續時間不大于主傳輸數據幀的發送持續時間，則節點能發起或應答從傳輸發送預約；否則，節點不能發起或應答從傳輸發送預約；(4)在數據幀并發傳輸的過程中能夠避免沖突節點在發起或應答從傳輸發送預約時，根據并發沖突避免機制判斷在主/從傳輸完成數據幀并發傳輸的過程中是否會產生沖突，如果不會產生沖突，則節點能發起或應答從傳輸發送預約；否則，節點不能發起或應答從傳輸發送預約。
7.根據權利要求1所述的一種實現沖突避免的無線adhoc網絡高效并發傳輸方法，其特征在于接收節點應答ACK幀的具體方法為主接收節點收到數據幀后，間隔SIFS時間即向主發送節點應答ACK幀；從傳輸接收節點在應答CTS幀之前，通過遍歷NRL獲知其中記錄的并發傳輸接收節點依次應答ACK幀的結束時間，并將該時間設定為本節點應答ACK幀的起始時間；從傳輸接收節點成功收到數據幀后，等待ACK幀發送起始時間到來即向從傳輸發送節點應答ACK幀；如果接收節點等待數據幀超時，則接收節點通過遍歷NRL獲知其中記錄的并發傳輸接收節點依次應答ACK幀的持續時間，并在該時間內通過虛擬載波檢測機制延遲發送。
全文摘要
本發明公開了一種實現沖突避免的無線ad hoc網絡高效并發傳輸方法。該方法將滿足一定條件的發送/接收節點通過控制幀交互預約發起的傳輸定義為主傳輸，并在主傳輸發送預約過程與Data幀傳輸過程之間引入一段并發傳輸間隙。主傳輸接收節點采用基于指數平滑模型的動態調整方案確定并發傳輸間隙時間段的長度，主傳輸CTS幀傳輸范圍內的其余節點在該間隙內按照一定法則嘗試發起或應答從傳輸發送預約。并發傳輸間隙過后，主/從傳輸同時發起Data幀傳輸過程。同時，本發明采用了基于可容忍干擾功率估算的并發沖突避免機制和ACK幀依次應答策略，保證主/從傳輸Data幀的可靠傳輸。QualNet仿真環境中的仿真實驗證明該方法可以有效提高無線ad hoc網絡的飽和吞吐量。
文檔編號H04L1/16GK102387602SQ20111037504
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月23日 優先權日2011年11月23日
發明者馮欣欣, 劉維康, 周進華, 張婷, 沈裕萍, 蔡圣所, 陶立彬, 雷磊 申請人:南京航空航天大學