专利名称：一种基于认知流量的协作介质访问控制方法
技术领域：
本发明涉及无线网络的MAC (Medium Access Control，介质访问控制)方法，尤其是一种新的协作MAC方法，该方法联合考虑信道状态信息和节点业务占用情况选择协作节
点ο
背景技术：
在无线网络中，干扰和信号衰落是影响移动通信系统性能(如吞吐量)的主要因素。MIMO(多输入多输出)技术通过合并多路信号获得更高的分级阶数，以此提高信道容量。但由于便携式移动终端(如手机)在体积、重量、功耗和生产成本等方面的限制，使得多输入多输出技术在实际应用中很困难。Aria Nosratinia等人在IEEE Communications Magazine 2004上提出了协作通信，即协作节点协助源节点传输数据到目的节点，以此获得空间分集增益，从而改善系统的性能。在协作通信中，信道资源的预留及分配是影响协作通信效果的重要因素。因此，协作MAC方法的研究对改善无线互联网的性能有着重要作用。rDCF(relay-enabled Distributed Coordination Function)方法是由 Hao Zhu 在IEEE Infocom 2005会议上提出，其基本思路是当节点Ss (源节点)有数据需要向节点 Sd (目的节点)发送时，节点&先查找协作表，是否存在合适的节点,(协作节点)。若节点&中存在合适的节点Sff,，则节点^^,协助节点&转发数据到节点& ；否则，源节点采用标准的DCF (分布式协调功能)方式传输数据。rDCF方法的具体实现为节点&先向节点Sff, 发送RRTS1(中继请求发送1)帧，节点Sff,和节点&可以同时接收到RRTSl帧，并通过感知 RRTSl帧的信号强度来计算民$ (源节点和协作节点之间的最大信道传输速率)和Rs,D(源节点和目的节点之间的最大信道传输速率)。此后，节点^^,将民封装在RRTS2 (中继请求发送2)帧中，并发送到节点&。同理，节点&通过感知RRTS2帧的信号强度来计算^^ (协作节点和目的节点之间的最大信道传输速率)，并从RRTS2帧中提取民α。节点&通过比较民A，&,D和^/』的大小，判断是否采用协作传输。若采用协作传输，则向节点&回复 RCTS (中继清除发送)帧，以此告知源节点采用协作传输数据；否则，回复CTS (清除发送) 帧，通知源节点采用直接传输数据。BTAC (Busy Tone Based Cooperative MAC)技术是由 Samir Sayed 等人在 Chinacom 2008会议上提出的，在BTAC技术中，每个基站维护着两张不同的表，即协作表和所有基站(包括基本服务集)的查询表。BTAC技术的实现过程为(1)当节点&有数据需要发送时，先发送MRTS(Modified-RTS，修改后的请求发送)帧到节点^^,和节点&。(2)若节点Sff,愿意协助节点&传输数据，则向节点&和&发送一个忙音；节点$收到忙音后， 发送MCTS (Modified-CTS,修改后的清除发送)帧到节点知,和节点& ；节点&收到MCTS帧后，发送数据到节点Sff,，节点Sff,转发数据到节点& ；节点&正确收到数据后，节点&发送 ACK (确认)到节点&。(3)若节点Sff,不愿意协助节点&传输数据，则在等待两个SIFS (短帧间间隔)后，节点&发送CTS到节点& ；节点&收到CTS后，等待SIFS后发送数据到节点Sd ；节点Sd正确收到数据后，节点Sd发送ACK到节点Sso现有的协作MAC方法是根据信道状态信息，选择高传输速率的两跳信道代替低传输速率的一跳信道，并没有考虑邻居节点竞争信道对周围其他节点的影响。在实际应用中， 根据信道状态信息所选择的两跳信道，实现的信道传输速率可能小于直传速率，从而导致系统的性能(吞吐量)的下降。
发明内容
本发明所要解决的问题是根据现有技术对信道状态信息所选择的高传输速率的两跳信道，并没有考虑邻居节点竞争信道对周围其他节点的影响，使得系统性能低于直接传输性能的问题，本发明提出了一种基于认知流量的协作MAC方法，综合考虑信道状态信息和邻居节点对信道的竞争情况，以此有效的提高系统的性能。本发明解决上述问题的技术方案是在现有的MAC机制的基础上，选择协作节点时，不仅考虑信道状态信息，而且考虑节点的业务占用情况。以吞吐量为准则选择协作节点协助传输数据，提出一种新的基于认知流量的协作MAC(TC-MAC)方法，有效解决现有协作通信网中隐藏终端之间的协作通信问题。该方法具体包括如下步骤对控制帧进行修改，能够更好协助数据帧的传递，实现协作通信。节点侦听其邻居节点发送的通信请求消息，并根据香农公式计算出节点与其邻居节点之间的最大传输速率，建立并更新节点的协作表；节点通过在τ(τ为设定的时间常数)时间内统计所侦听到邻居节点发送的RTS (Request to Send，请求发送)，以此估算其邻居节点的空闲时间比值，建立并更新节点的邻居节点空闲时间比值表；节点综合考虑协作表中的最大传输速率，以及邻居节点空闲时间比值表中的邻居节点的空闲时间比值，确定数据传输的方式；若采用协作传输，则选择最佳的协作节点，通知该协作节点协助传输数据，并预留信道，否则，采用传统的MAC方法预留信道。本发明中协作机制是通过综合考虑信道状态信息以及邻居节点的空闲时间比值来实现的。根据信道状态信息和邻居节点的空闲时间比值，节点所选择的高速率传输的两跳信道，并不会因选择的协作节点业务太多而导致系统的性能不如一跳信道的性能，从而有效的提高系统的性能(吞吐量)。
图1为本发明中的系统模型图；图2为本发明中节点i发送RTS次数示意图；图3为本发明中协作节点选取流程图；图4为本发明中帧交互时序图；图5为本发明中TC-MAC的吞吐量分析。
具体实施例方式本发明在现有的MAC机制的基础上，以吞吐量为准则选择协作节点协助传输数据，为了能够更好协助数据帧的传递，首先对控制帧进行修改实现协作通信。
以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。图1为本发明中的系统模型图。当节点&有数据需要传输时，是否选择节点Sff,作为协作节点，需要综合考虑链路(Ss，SHt )和(SHt，Sd )的信道状态信息和节点&的邻居节点竞争信道产生的影响。以下仅考虑一对数据流、一S5对协作节点^^,的性能影响为例进行说明。本专利综合考虑信道状态信息以及数据流对链路(&，sHt)和(^，的影响，判断节点知,是否参与协作。当链路(Ss, SHt )和链路(SHt，Sd )支持的最大传输速率， 在协作节点&,的空闲时间比值里能够成功传输完数据，则协作节点Sff,参与转发数据。本专利将对控制帧进行修改。首先，在控制帧RTS中增加发送速率、发送功率、发送节点可用时间比值、转发速率和协作节点的地址五项，修改后的RTS为控制帧CRTS帧 (Cooperative Request to Send，协作请求发送)，其具体的帧格式如表1所示。表ICRTS帧格式
权利要求
1.一种基于认知流量的协作介质访问控制方法，其特征在于，节点侦听其邻居节点发送的通信请求消息，计算节点与其邻居节点之间的最大传输速率，建立并更新节点的协作表，增加协作发送帧HTS用于协作节点告知源节点参与转发数据；节点在预定时间T内统计其邻居节点发送的RTS，估算其邻居节点的空闲时间比值，建立并更新节点的邻居节点空闲时间比值表；节点根据协作表中的最大传输速率，以及邻居节点的空闲时间比值，确定数据传输的方式；若采用协作传输，则选择最佳的协作节点协助传输数据，并预留信道，否则，采用传统的MAC方法预留信道。
2.根据权利要求1所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，计算节点与其邻居节点之间的最大传输速率具体为
3.根据权利要求1所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，所述估算其邻居节点的空闲时间比值具体为在时间T内，若网络中有N个节点同时在发送RTS，如节点j收到节点i发送的RTS次数为α i次，则根据公式:
4.根据权利要求1所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，选取协助源节点传输L 字节的分组到目的节点所需时间最短的节点作为协作节点。
5.根据权利要求1或4所述的协作介质访问控制方法，其特征在于，源节点Ss帧听到周围的节点传输信息时，查找协作表中是否存在该传输的目的节点的地址；若不存在，提取协作请求发送帧CRTS中携带的发送功率，计算出信道增益确定源节点和协作节点之间的最大信道传输速率均，ff,，并将均，,添加在协作发送帧HTS中；目的节点通过提取请求发送 RTS中携带的发送功率，结合CRTS的功率，计算出信道增益(is,D，确定源节点和目的节点之间的最大信道传输速率I S,D ；目的节点通过提取HTS中携带的发送功率，以及接收HTS的功率，计算出协作节点和目的节点之间的最大信道传输速率4,』，并将Rs,D和4,』添加在协作清除发送帧CCTS中，源节点将Rs,D，凡具，4…添加到协作表中。
全文摘要
本发明公开一种协作MAC方法，涉及无线网络的介质访问控制方法，本发明在现有的MAC机制的基础上，选择协作节点时，不仅考虑信道状态信息，而且考虑节点的业务占用情况，以吞吐量为准则选择协作节点协助传输数据，提出一种新的基于认知流量的协作MAC(TC-MAC)方法，有效解决现有协作通信网中隐藏终端之间的协作通信问题。根据信道状态信息和邻居节点的空闲时间比值，节点所选择的高速率传输的两跳信道，从而有效的提高系统的性能。
文档编号H04W74/08GK102291784SQ20111029677
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者刘期烈, 张正华, 李云, 杜杨 申请人:重庆邮电大学