一種分布式多信道網絡的通信方法及系統的制作方法

一種分布式多信道網絡的通信方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種分布式多信道網絡的通信方法，包括：信道控制步驟：信源經過CSMA/CA成功搶占信道之后，向信宿發送RTS控制幀；信道響應步驟：信宿接收信源發送的RTS控制幀，發送CTS控制幀；協作節點分配步驟：備選協作節點同時偵聽多路信道RTS幀和CTS幀，計算不同信道的CIV值，并加入到獲得最大CIV的信道；最優協作節點選擇步驟：根據各個備選協作節點的CIV值，經三次分組退避競爭確定最優協作節點，最優協作節點發送RTH幀搶占信道，作為所述信源和信宿的通信協作點。相對于現有技太，本發明極大提高了分布式多信道網絡的實際有效吞吐量，降低了網絡的能量消耗，極大提升了網絡性能。
【專利說明】
_種分布式多信道網絡的通信方法及系統
技術領域
[0001] 本發明屬于無線通信領域，尤其是涉及一種通過協作點來協作通信的分布式多信 道網絡的通信方法及系統。
【背景技術】
[0002] 隨著通信技術的快速發展，Μπω(多輸入多輸出）技術由于在無線通信系統中具有 明顯的優勢而成為焦點，但是受限于用戶終端設備的尺寸和能量消耗的限制，在分布式網 絡中ΜΙΜΟ技術并未能得到廣泛的應用。而通過多個終端合作構成虛擬天線陣列實現虛擬 ΜΙΜΟ成為當前硬件條件下一種切實可行的協作分集技術。
[0003] 盡管協作分集技術在物理層已經獲得了廣泛的研究，但是在上層MAC層關于協作 通信的研究并沒有被充分的發掘。而MAC層協議本身是決定信道資源使用權的技術，如何設 計有效的協作MAC協議進而提升系統性能成為推動無線通信進一步發展的關鍵技術之一。
[0004] 目前的用戶終端所使用的MAC協議通常是IEEE 802.11 MAC協議，IEEE 802.11系 列標準作為目前工業界已廣泛接受的行業標準，其制定的MAC協議早已成為通信領域的事 實MAC標準。在IEEE802.il標準中終端設備根據信道狀況條件設定不同傳輸速率的方法成 為許多可實用性協作MAC協議獲得長足發展的基石。
[0005] 在傳統IEEE 802.11 MAC協議中當終端之間距離較遠，信道傳輸條件較差時，信源 只能使用較低的傳輸速率傳輸信息，這不僅影響到當前傳輸對兒的性能，而且導致周圍節 點需要等待較長時間才有機會進行傳輸，從而降低了系統的性能，通過引入一個和信源信 宿都有較好信道條件的協作節點來協作信息傳輸，從而獲得更高的傳輸速率提高了整個網 絡的實際有效吞吐量。
[0006]在當前的協作MAC協議中，協作節點對信源的協作方式通常分為兩種，基于中繼的 協作方式和基于虛擬天線陣列(VA)的協作方式。在基于中繼的協作方式中，被成功選中的 協作節點和信源信宿均有良好的信道條件，信源首先發送數據到協作節點，協作節點再通 過AF(放大轉發），DF(譯碼轉發)等方式將數據發送給信宿完成協作，其本質是利用高速節 點幫助低速節點發送信息，進而提高數據傳輸速率。基于VA作方式與中繼協作方式不同的 是，被成功選中的協作節點和信源共同組成虛擬天線陣列，并以空時編碼的方式，共同向信 宿發送信息。相對于中繼協作，基于VA的協作方式可以極大的提高數據傳輸速率，充分實現 協作分集，提升了通信的魯棒性，極大地提高了網絡性能，但是基于VA的協作MAC協議往往 需要更加復雜的協議過程和更為苛刻的硬件條件，使得協議的廣泛實施仍然存在一些現實 的問題。
[0007]在之前的協作MAC協議中，研究的重點通常為單信道單跳拓撲結構，尤其以無線局 域網，蜂窩小區系統等為例。但是隨著用戶終端設備的普及化以及硬件設備的智能化，去中 心的無線分布式網絡必然成為無線通信獲得更大應用的存在方式之一，然而針對實際情況 下相鄰鏈路多信道數據傳輸時協作節點的分配與選擇問題卻并未得到很好的解決。
[0008]因此當前硬件條件下，基于單節點協作的方法有較為明朗的應用前景，但是在無 線分布式網絡多信道數據傳輸情況下，協作節點的分配和選擇問題，目前為止并沒有可具 體實施且性能優良的方案。

【發明內容】

[0009] 本發明的目的在于克服現有技術中的缺點與不足，提供一種分布式多信道網絡的 通?目方法。
[0010] 本發明是通過以下技術方案實現的：
[0011] -種分布式多信道網絡的通信方法，包括以下步驟：
[0012] 信道控制步驟:信源經過CSMA/CA成功搶占信道之后，向信宿發送RTS控制幀；
[0013]信道響應步驟:信宿接收信源發送的RTS控制幀，發送CTS控制幀；
[0014] 協作節點分配步驟:除了信源和信宿以外的節點作為備選協作節點，同時偵聽多 路信道RTS幀和CTS幀，計算不同信道的CIV值，并將所述協作節點分配到獲得最大CIV的信 道；
[0015] 最優協作節點選擇步驟:對加入同一信道的備選協作節點，根據各個備選協作節 點的CIV值，經三次分組退避競爭確定最優協作節點，所述最優協作節點發送RTH幀搶占信 道，作為所述信源和信宿的通信協作點。
[0016] 相對于現有技術，本發明的分布式多信道網絡的通信方法通過信道的CIV值來確 定最優協作節點，在協作節點分配和選擇時考慮到協作節點對系統整體的增益，極大提高 了分布式多信道網絡的實際有效吞吐量，降低了網絡的能量消耗，極大提升了網絡性能。 [0017]進一步的，在最優協作節點選擇步驟之后，進一步包括:通信方式確定步驟:信源 若收到RTH控制幀，則采用協作方式完成信息傳輸;若沒有收到RTH控制幀，則采用直傳方式 完成信息傳輸。
[0018] 進一步的，所述信宿通過偵聽RTS信號強度對直傳 CSI做出預測，并將直傳 CSI放置 在CTS控制幀中，信宿發送CTS控制幀通知信源可以以當前CSI狀態下直傳。
[0019] 進一步的，通過以下公式計算所述CIV值：
[0020]
[0021 ]其中Uh，Uz分別為當前信道下節點參與協作的實際吞吐量和直傳實際吞吐量，Wh， Wz分別為協作情況下能量消耗和直傳情況下能量消耗。
[0022]進一步的，所述吞吐量U計算公式為：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]其中，THCQN是協作情況下的控制幀時間，TZCQN是直傳情況下控制幀的時間，Rsh是信 源到備選協作點的數據傳輸速率，Rhd是協作點到住宿的數據傳輸速率，Rz表示直傳情況下 信源直接到信宿的數據傳輸速率。
[0028]進一步的，所述能量消耗W計算公式如下：
[0029] Wh=Ρηχ X T hcon+Phf X Tht
[0030] ffz = Pzx X T zcon+Pzf X Tzt
[0031] PHX為協作情況下所有節點最大發送功率，PHF為協作情況下節點實際數據發送功 率，Pzx為直傳情況下節點最大發送功率，Pzf為直傳情況下節點實際數據發送功率。
[0032]進一步的，所述三次分組退避競爭算法，具體為：
[0033] 第一次分組退避:通過公式gi = min(G,G - lClV/???Ι)，確定最小gi值的分組節點 參與第二次組退避；
[0034] 第二次分組退避：通過公式，確定最小mi值的分 組節點參與第三次組退避；
[0035] 第三次分組退避:通過ki = random(min(2 ΧΚ,Κ))，根據參數K隨機分配數值給分 組中節點，并選擇最小ki值的節點作為最優的協作節點，其中G，M，K為分組參數，G為第一次 分組退避中組的數量，Μ為第二次分組分組退避中組的數量，K為退避窗口值。
[0036] 進一步的，通過采用最小功率控制算法控制網絡中的節點傳輸功率，使得在滿足 接收端剛好正確接收數據信息的同時節點發送功率最小，所述最小功率控制算法公式為：
[0037] pF = px/i〇(SNR-θ)/10
[0038] 其中，Pf為節點實際數據發送功率，Ρχ為節點最大發送功率，SNR為信道瞬時信干噪 比，Θ為不同調制方式下數據可正確接收的閥值。
[0039] 另外，本發明還提供一種分布式多信道網絡的通信系統，、包括:信源、信宿、備選 協作節點和最優協作節點，其中
[0040] 所述信源經過CSMA/CA成功搶占信道之后，向信宿發送RTS控制幀；
[0041 ]所述信宿接收信源發送的RTS控制幀，發送CTS控制幀；
[0042]所述備選協作節點為除了信源和信宿以外的節點，其同時偵聽多路信道RTS幀和 CTS幀，計算不同信道的CIV值，并加入到獲得最大CIV的信道；
[0043] 所述最優協作節點為對加入同一信道的備選協作節點，根據各個備選協作節點的 CIV值，經三次分組退避競爭確定的協作節點，所述最優協作節點發送RTH幀搶占信道，作為 所述信源和信宿的通信協作點。
[0044] 相對于現有技術，本發明的分布式多信道網絡的通信系統通過信道的CIV值來確 定最優協作節點，在協作節點分配和選擇時考慮到協作節點對系統整體的增益，極大提高 了分布式多信道網絡的實際有效吞吐量，降低了網絡的能量消耗，極大提升了網絡性能。
[0045] 進一步的，所述信源若收到RTH控制幀，則采用協作方式完成信息傳輸;若沒有收 到RTH控制幀，則采用直傳方式完成信息傳輸。
[0046] 進一步的，所述信宿通過偵聽RTS信號強度對直傳 CSI做出預測，并將直傳 CSI放置 在CTS控制幀中，信宿發送CTS控制幀通知信源可以以當前CSI狀態下直傳。
[0047] 進一步的，通過以下公式計算所述CIV值：
[0048]
[0049]其中Uh，Uz分別為當前信道下節點參與協作的實際吞吐量和直傳實際吞吐量，Wh， Wz分別為協作情況下能量消耗和直傳情況下能量消耗。
[0050] 進一步的，所述吞吐量U計算公式為：
[0051]
[0052]
[0053]
[0054]
[0055] 其中，THCQN是協作情況下的控制幀時間，TZCQN是直傳情況下控制幀的時間，Rsh是信 源到備選協作點的數據傳輸速率，Rhd是協作點到住宿的數據傳輸速率，Rz表示直傳情況下 信源直接到信宿的數據傳輸速率。
[0056]進一步的，所述能量消耗W計算公式如下：
[0057] Wh=Ρηχ X T hcon+Phf X Tht
[0058] ffz = Pzx X T zcon+Pzf X Tzt
[0059] Phx為協作情況下所有節點最大發送功率，Phf為協作情況下節點實際數據發送功 率，Pzx為直傳情況下節點最大發送功率，Pzf為直傳情況下節點實際數據發送功率。
[0060] 進一步的，所述三次分組退避競爭算法，具體為：
[0061] 第一次分組退避:通過公式gi = min(G,G - !_CIV/C1V|),確定最小gi值的分組節點 參與第二次組退避；
[0062] 第二次分組退避：通過公另 確定最小mi值的分 組節點參與第三次組退避；
[0063] 第三次分組退避:通過ki = random(min(2 ΧΚ,Κ))，根據參數K隨機分配數值給分 組中節點，并選擇最小ki值的節點作為最優的協作節點，其中G，M，K為分組參數，G為第一次 分組退避中組的數量，Μ為第二次分組分組退避中組的數量，K為退避窗口值。
[0064] 進一步的，通過采用最小功率控制算法控制網絡中的節點傳輸功率，使得在滿足 接收端剛好正確接收數據信息的同時節點發送功率最小，所述最小功率控制算法公式為：
[0065] pF = px/i〇(SNR-θ)/10
[0066] 其中，Pf為節點實際數據發送功率，Ρχ為節點最大發送功率，SNR為信道瞬時信干噪 比，Θ為不同調制方式下數據可正確接收的閥值。
[0067]為了能更清晰的理解本發明，以下將結合【附圖說明】闡述本發明的【具體實施方式】。
【附圖說明】
[0068]圖1是本發明的分布式多信道無線網絡的系統示意圖。
[0069] 圖2是本發明的一種分布式多信道無線網絡的通信方法的步驟流程圖。
[0070] 圖3是本發明的CTS幀結構示意圖。
[0071 ]圖4是本發明三次分組退避競爭選擇最優節點的示意圖。
[0072]圖5是本發明的RTH幀結構示意圖。
[0073] 圖6是本發明協作節點在整個通信過程中工作的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0074] 本發明針對分布式無線網絡多信道傳輸中協作節點的分配和選擇，提出一種考慮 到系統整體性能的分布式多信道網絡的通信方法，該方法工作在MAC層，在IEEE 802.11協 議的基礎上進行改進，通過計算信道CIV(信道狀態信息)選擇協作節點加入協助通信，有效 地提高整個系統的吞吐量和能量效率。
[0075]本發明涉及IEEE 802.11協議的基本通信過程和控制幀，IEEE 802.11協議采用 CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)即帶沖突檢測的 載波監聽多路訪問技術進行信道競爭。
[0076]另外IEEE 802.11協議采用RTS/CTS握手方式進行數據通信：首先，終端Μ向終端N 發送RTS信號，表明Μ要向Ν發送數據，Ν收到RTS后，向所有終端發出CTS信號，表明已準備就 緒，Μ可以開始發送數據，而其它要向Ν發送數據的終端則暫停發送;雙方在成功交換RTS/ CTS信號（即完成握手）后才開始真正的數據傳遞，保證了多個互不可見的發送站點同時向 同一接收站點發送信號時，實際只能是收到接收站點回應CTS的那個站點能夠進行發送，避 免了沖突發生。即使有沖突發生，也只是在發送RTS時，這種情況下，由于收不到接收站點的 CTS消息，再用DCF(分布式協調功能)提供的競爭機制，分配一個隨機的退避定時值，等待下 一次介質空閑DIFS(分布式幀間間隙）后競爭發送RTS，直到成功為止。
[0077]如圖1所示，其是本發明的分布式多信道無線網絡系統圖，其中節點B在信道1向D 發送數據，A在信道2向C發送數據，周圍具有良好信道條件的節點可作為協作節點，如H。本 發明所述的分布式多信道無線網絡是完全分布式無線網絡，所有的節點均是平等的，所有 具有良好信道條件的節點都可以作為協作節點存在。也就是說節點數量越多，其實越容易 有高性能的協作節點存在，協議本身對節點數量沒有任何限制。
[0078] 基于以上發明思路，本案通過以下的具體實施例來進行說明。
[0079] 請參閱圖2,其為本發明的一種分布式多信道網絡的通信方法的步驟流程圖。本發 明的分布式多信道網絡的通信方法包括以下步驟：
[0080] S1:信道控制步驟:信源經過CSMA/CA成功搶占信道之后，向信宿發送RTS控制幀。 [0081 ]分布式網絡中的節點通過CSMA/⑶協議競爭信道，采用基于RTS/CTS握手的模式進 行信道的預約和控制。
[0082]信源節點需要發送數據，經過CSMA/CA成功搶占信道之后，經過一個DIFS時間間隔 向信宿發送RTS控制幀，在RTS中的duration(持續時間）字段中包含對信道預約的時間，用 來記載網絡分配矢量(Network Allocation Vector，簡稱NAV)，其計算公式如下：
[0083] Drts = Tcts+Tgi+Tmi+Tre+Trth+5SIFS (1)
[0084] 其中，TCTS為控制幀CTS的傳輸時間，化為控制幀GI的傳輸時間，Tmi為控制幀MI的 傳輸時間，Tre為隨機退避過程消耗的時間，Trth為控制幀RTH傳輸時間。其中，控制幀GI是一 個廣播控制幀，目的是告訴周圍節點當時信道忙，即使有更好的節點也不用選擇出來，地方 周圍潛在的協作節點偵聽到GI控制幀之后，就會放棄協作。控制幀MI用于告知別的節點信 道忙，已經有更優秀的節點出現。
[0085] SIFS(Short interframe space)短幀間間隔，用于高優先級的傳輸場合，例如 RTS/CTS以及肯定確認幀。經過一段SIFS，即可進行高優先級的傳輸。
[0086]周圍同信道節點偵聽至IjRTS后，會根據控制幀中的durat i on調整自己的NAV，Drts如 此設定是為了有效對抗數據傳輸時暴露終端搶占信道照成同信道競爭沖突，進而造成數據 傳輸失敗，同時也是為了給協作存在預留足夠的信道控制時間，確保協作傳輸成功。此外信 源需要設定一個計時器等待CTS的到來，如果超出計時器仍然沒有收到CTS，則信源放棄此 次傳輸，所有信源節點重新進入退避過程。如以下公式(2)設定計時器：
[0087] Tsa = TRxs+TcTS+SIFS (2)
[0088] 其中，TRTS為控制幀RTS的傳輸時間，TCTS為為控制幀CTS的傳輸時間。
[0089] S2:信道響應步驟:信宿接收信源發送的RTS控制幀，發送CTS控制幀。
[0090]信宿接收到信源發送的RTS后，通過偵聽RTS信號強度對直傳 CSI做出預測，并將直 傳 CSI放置在CTS控制幀中，信宿發送CTS控制幀通知信源可以以當前CSI狀態下直傳，并針 對信源不同數據發送速率調整相應的接收方式。此外周圍的備選協作節點通過偵聽CTS獲 得直傳 CSI，并進一步做出協作判斷。CTS的信道預約時間和信宿計時器設定如下：
[0091] Dcts = L/Rsh+L/Rhd+Tgi+Tmi+Tre+Trth+Tack+6SIFS (3)
[0092] To = Tcts+Tgi+Tmi+Tre+Trth+3SIFS (4)
[0093 ]其中，RSH是信源到備選協作點的數據傳輸速率，RHD是協作點到住宿的數據傳輸速 率。
[0094]盡管直傳情況和協作情況CTS中duration所設定的時間本應是不同的，但為了給 協作存在預留足夠的時間，防止協作出現時候隱藏終端的出現使得信宿無法正確接收RTH， 所以如公式(3)設定DCTS。
[0095] 如圖3所不，其為CTS幀的幀結構，其中Frame Contol為幀類型碼，Source Address 表示信源節點地址，SNR(HD)表示信源到信宿之間信道信噪比，FCS為幀校驗碼。
[0096] S3:協作節點分配步驟:除了信源和信宿以外的節點作為備選協作節點，同時偵聽 多路信道RTS幀和CTS幀，計算不同信道的CIV值，并將所述協作節點分配到獲得最大CIV值 的信道。
[0097] 除了信源和信宿以外的節點作為備選協作節點，這些備選協作節點同時偵聽到多 路信道控制幀的備選協作節點，如圖1中的H，它可以同時偵聽到A-C和B-D兩個不同信道中 的控制幀信息，偵聽RTS控制幀和CTS控制幀，分別對協作節點到信源和信宿的CSI做預測， 并通過接收CTS控制幀獲取直傳 CSI。
[0098] Channel State Information(CIV)，為信道狀態信息，在無線通信領域，CSI就是 通信鏈路的信道屬性。它描述了信號在每條傳輸路徑上的衰弱因子，即信道增益矩陣中每 個元素的值，如信號散射，環境衰弱，距離衰減等信息。CSI可以使通信系統適應當前的信道 條件，在多天線系統中為高可靠性高速率的通信提供了保障。
[0099] 所有備選協作節點可以通過以下公式3至9計算不同信道下的CIV值。找出最大的 CIV值，并把節點分配到相應的信道中參與協作：
[0105] Wh=Ρηχ X T hcon+Phf X Tht (8)
[0106] ffz = Pzx X T zcon+Pzf X Tzt (9)
[0107] 其中，其中Uh，Uz分別為當前信道下節點參與協作的實際吞吐量和直傳實際吞吐 量，WH，Wz分別為協作情況下能量消耗和直傳情況下能量消耗，T He〇N是協作情況下的控制幀 時間，TzcciN是直傳情況下控制幀的時間，Rsh是信源到備選協作點的數據傳輸速率，Rhd是協作 點到住宿的數據傳輸速率，Rz表不直傳情況下信源直接到信宿的數據傳輸速率，Ρηχ為協作 情況下所有節點最大發送功率，Phf為協作情況下的節點實際數據發送功率，Pzx為直傳情況 下節點最大發送功率，Pzf為直傳情況下的節點實際數據發送功率。
[0108] S4:最優協作節點選擇步驟:對加入同一信道的備選協作節點，根據各個備選協作 節點的CIV值，經三次分組退避競爭確定最優協作節點，所述最優協作節點發送RTH幀搶占 信道，作為所述信源和信宿的通信協作點。
[0109] 協作節點分配完成后，通過三次分組退避競爭算法選出同信道下的最優協作節 點，所述三次分組退避競爭算法，具體為：
[0110] 第一次分組退避:通過公式gi = min(G,G - ICIV/OVI) ( 10),確定最小gi值的分 組節點參與第二次組退避；
[0111] 第二次分組退避:通過公式，確定最小mi值的 分組節點參與第三次組退避；
[0?12] 第三次分組退避:通過ki =random(min(2 XK，K)) (12)，根據參數K隨機分配數值 給分組中節點，并選擇最小ki值的節點作為最優的協作節點，其中G，M，K為分組參數，G為第 一次分組退避中組的數量，Μ為第二次分組分組退避中組的數量，K為退避窗口值。
[0113]如圖4中Helper節點，選擇協作信道1，通過三次分組退避競爭確定最優協作節點， 最終Helper節點被選中。則Helper節點協作信道1，廣播RTH控制幀，RTH控制幀如圖5所示， 包含了被選中的協作節點到信源和信宿的CSI，其中Frame Contol為幀類型碼，Source Address表示信源節點地址，Helper Address表示Helper節點的地址，SNR(SH)和SNR(HD)分 別表示信源到協作節點之間信道信噪比、協作節點到信宿之間信道信噪比。CSI為信道狀態 信息，在本文中是以信道的信噪比SNR為指標參量的，如圖5中控制幀SNR(SH)和SNR(HD)的 字段就是CSI的信息，FCS為幀校驗碼。duration設定如下公式13,協作節點計時器按照公式 14設定。
[0114] Drth = L/Rsh+Tack+L/Rhd+3SIFS (13)
[0115] Th=L/Rsh+Trth+SIFS (14)
[0116] 如圖4所示，正確接收數據后，協作節點向信宿發送數據信息。數據幀中的 dura t i on設定和協作節點定時器設定如下：
[0117] Dsddata=Tack+SIFS (15)
[0118] Thdata=L/Rhd+Tack+SIFS (16)
[0119] S5:通信方式確定步驟:信源若收到RTH控制幀，則采用協作方式完成信息傳輸;若 沒有收到RTH控制幀，則采用直傳方式完成信息傳輸。
[0120] 信源收到信宿發來的CTS之后，信源等待一個SIFS時間間隔，如果收到協作節點發 出的RTH控制幀，則信源根據RTH中的協作節點地址和信源到協作節點之間的瞬時CSI選擇 相應的調制方式，數據發送速率和發送功率向協作節點地址發送數據。數據幀中duration 設定如公式（17)，通知周圍節點調整相應NAV，同時信源再次設定計時器Tsb等待信宿的ACK (確認控制幀），如公式(18)
[0121] Dshdata=Tack+L/Rhd+2SIFS (17)
[0122] Tsb = L/Rsh+Tack+L/Rhd+2SIFS (18)
[0123] 如果信源未收到RTH，則按照CTS中包含的CSI調整數據傳輸速率和發送功率直接 向信宿發送數據，其數據幀中duration設定如公式(19)，信源計時器設定如公式(20)。
[0124] Dsddata=Tack+SIFS (19)
[0125] Tsb = L/Rz+TACK+SIFS (20)
[0126] 如果信源成功收到ACK，則本次傳輸成功，如果超出Tsb信源仍未受到ACK，則系統進 入重傳機制或放棄此次傳輸。
[0127] 如圖5所示，其為分布式多信道網絡中協作節點在整個通信過程中工作流程圖，包 括步驟：
[0128] Shi:協作節點空閑偵聽；
[0129] ?12:判斷是否同時存在信道RTS和CTS，如果否，轉到步驟ai貝賺續空閑偵聽，如 果是，轉到步驟Sh3;
[0130] Sh3:判斷是否存在可以協作的信道，如果否，轉到步驟Shi則繼續空閑偵聽，如果 是，轉到步驟Sh4;
[0131] Sh4:判斷協作節點是否競爭信道成功，如果否，轉到步驟Shi則繼續空閑偵聽，如 果是，轉到步驟Sh5;
[0132] Sh5:發送RTH控制幀；
[0133] Sh6:判斷是否接收到信源的信息，如果否，轉到步驟Shi則繼續空閑偵聽，如果是， 轉到步驟Sh7;
[0134] Sh7:將信息轉發到信宿。
[0135] 另外，本發明的分布式多信道網絡的通信方法，采用節點功率控制機制：由于在分 布式網絡中，所有節點能量均是有限的，所以在考慮系統實際有效吞吐量的同時需要盡可 能提高能量利用效率，降低系統能量消耗，延長節點使用壽命。在節點功率控制機制中，通 過對信道信息的反饋，采用最小功率算法控制節點在發送數據時的功率，使得在滿足接收 端剛好正確接收數據信息時，發送終端的發送功率最小，從而提高了能量利用效率，提升了 系統性能。最小功率控制算法公式如下：
[0136] pF = px/i〇(SNR-θ)'10 (21)
[0137] 其中，PF為節點實際數據發送功率，Px為節點最大發送功率，SNR為信道瞬時信干噪 比，Θ為不同調制方式下數據可正確接收的閥值。
[0138] 根據本發明的分布式多信道網絡的通信方法，本文還提供了一種分布式多信道網 絡的通信系統，包括:信源、信宿、備選協作節點和最優協作節點，其中
[0139] 信源和信宿，通過CSMA/⑶協議競爭信道，采用基于RTS/CTS握手的模式進行信道 的預約和控制；
[0140] 備選協作節點為除了信源和信宿以外的節點，其同時偵聽多路信道RTS幀和CTS 幀，計算不同信道的CIV值，并加入到獲得最大CIV的信道；
[0141]最優協作節點為對加入同一信道的備選協作節點，根據各個備選協作節點的CIV 值，經三次分組退避競爭確定的協作節點，所述最優協作節點發送RTH幀搶占信道，作為所 述?目源和?目宿的通?目協作點。
[0142] 相對于現有技太，本發明的分布式多信道網絡的通信方法及系統，通過信道的CIV 值來確定最優協作節點，在協作節點分配和選擇時考慮到協作節點對系統整體的增益，極 大提高了分布式多信道網絡的實際有效吞吐量，降低了網絡的能量消耗，極大提升了網絡 性能。
[0143] 本發明并不局限于上述實施方式，如果對本發明的各種改動或變形不脫離本發明 的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發明的權利要求和等同技術范圍之內，則本發 明也意圖包含這些改動和變形。
【主權項】
1. 一種分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:包括以下步驟： 信道控制步驟:信源經過CSMA/CA成功搶占信道之后，向信宿發送RTS控制幀； 信道響應步驟:信宿接收信源發送的RTS控制幀，發送CTS控制幀； 協作節點分配步驟:除了信源和信宿以外的節點作為備選協作節點，同時偵聽多路信 道RTS幀和CTS幀，計算不同信道的CIV值，并將所述協作節點分配到獲得最大CIV的信道； 最優協作節點選擇步驟:對加入同一信道的備選協作節點，根據各個備選協作節點的 CIV值，經三次分組退避競爭確定最優協作節點，所述最優協作節點發送RTH幀搶占信道，作 為所述信源和信宿的通信協作點。2. 根據權利要求1所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:在最優協作節點 選擇步驟之后，進一步包括:通信方式確定步驟:信源若收到RTH控制幀，則采用協作方式完 成信息傳輸;若沒有收到RTH控制幀，則采用直傳方式完成信息傳輸。3. 根據權利要求2所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:所述信宿通過偵 聽RTS信號強度對直傳 CSI做出預測，并將直傳 CSI放置在CTS控制幀中，信宿發送CTS控制幀 通知信源可以以當前CSI狀態下直傳。4. 根據權利要求3所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:通過以下公式計 算所述CIV值：其中Uh，Uz分別為當前信道下節點參與協作的實際吞吐量和直傳實際吞吐量，Wh，Wz分別 為協作情況下能量消耗和直傳情況下能量消耗。5. 根據權利要求4所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:所述吞吐量U計 算公式為：其中，Thcqn是協作情況卜的控制幀時間，Tzcqn是直傳情況卜控制幀的時間，Rsh是信源到 備選協作點的數據傳輸速率，Rhd是協作點到住宿的數據傳輸速率，Rz表示直傳情況下信源 直接到信宿的數據傳輸速率。6. 根據權利要求5所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:所述能量消耗W 計算公式如下： Wh = Phx X T hcon+Phf X Tht Wz = Pzx X Tzcon+Pzf X Τζτ Phx為協作情況下所有節點最大發送功率，Phf為協作情況下節點實際數據發送功率，Pzx 為直傳情況下節點最大發送功率，Pzf為直傳情況下節點實際數據發送功率。7. 根據權利要求1-6任一權利要求所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于： 所述三次分組退避競爭算法，具體為： 第一次分組退避:通過公?1確定最小gi值的分組節點參與第二次組退避； 第二次分組退避:通過彡 確定最小mi值的分組節 點參與第三次組退避； 第三次分組退避:通過ki=random(min(2 ΧΚ,Κ))，根據參數K隨機分配數值給分組中 節點，并選擇最小ki值的節點作為最優的協作節點，其中G，M，K為分組參數，G為第一次分組 退避中組的數量，M為第二次分組分組退避中組的數量，K為退避窗口值。8. 根據權利要求7所述的分布式多信道網絡的通信方法，其特征在于:通過采用最小功 率控制算法控制網絡中的節點傳輸功率，使得在滿足接收端剛好正確接收數據信息的同時 節點發送功率最小，所述最小功率控制算法公式為： Pf = Px/10(snr-θ)/1〇 其中，Pf為節點實際數據發送功率，Px為節點最大發送功率，SNR為信道瞬時信干噪比，θ 為不同調制方式下數據可正確接收的閥值。9. 一種分布式多信道網絡的通信系統，其特征在于:包括:信源、信宿、備選協作節點和 最優協作節點，其中 所述信源經過CSMA/CA成功搶占信道之后，向信宿發送RTS控制幀； 所述信宿接收信源發送的RTS控制幀，發送CTS控制幀； 所述備選協作節點為除了信源和信宿以外的節點，其同時偵聽多路信道RTS幀和CTS 幀， 計算不同信道的CIV值，并加入到獲得最大CIV的信道； 所述最優協作節點為對加入同一信道的備選協作節點，根據各個備選協作節點的CIV 值， 經三次分組退避競爭確定的協作節點，所述最優協作節點發送RTH幀搶占信道，作為所 述信源和信宿的通信協作點。10. 根據權利要求9所述的分布式多信道網絡的通信系統，其特征在于:通過以下公式 計算所述CIV值：其中Uh，Uz分別為當前信道下節點參與協作的實際吞吐量和直傳實際吞吐量，Wh，Wz分別 為協作情況下能量消耗和直傳情況下能量消耗。
【文檔編號】H04W72/04GK105898875SQ201610318918
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】崔海霞, 李甲, 李志為, 鐘清華
【申請人】華南師范大學