自组织移动网络中基于多包接收的媒体接入控制方法.pdf

自组织移动网络中基于多包接收的媒体接入控制方法主要用于自组织移动网络中的媒体接入控制，其接入控制过程如下：a.当发送方A有数据要发送给接收方B时，发送方A先监听信道，b.邻节点“C、D、E”对于监听到请求发送信号RTS的节点“F、G、H”，根据请求发送信号RTS中的持续时间字段延时退避，对于收到允许发送信号CTS的节点按以下的步骤C处理，C.发送方A在收到正确的允许发送信号CTS后，以概率1接入信道；其它收到允许发送信号CTS的节点“C、D、E”先检查自己的CTS指示器，d.当接收方B接收到多个用户发送给它的数据包后，检测出是哪几个用户向它发送了数据，然后采用信号分离的方法对这些数据进行处理。

1、  一种自组织移动网络中基于多包接收的媒体接入控制方法，其特征在于该方法的接入控制过程如下：
a、当发送方A有数据要发送给接收方B时，发送方A先监听信道，如果信道空闲，它就向接收方B发送一个请求发送信号RTS；如果接收方B能够正确的接收请求发送信号RTS，并且自己可以接收数据的话，那么接收方B就向发送方A回送一个允许发送信号CTS，表明自己可以接收数据；
b、在RTS/允许发送信号CTS交互的过程中，除了需要交换数据的双方发送方A、接收方B外，其它邻节点“F、G、H”也会监听到请求发送信号RTS，邻节点“C、D、E”监听到允许发送信号CTS，对于监听到请求发送信号RTS的节点“F、G、H”，根据请求发送信号RTS中的持续时间字段延时退避，对于收到允许发送信号CTS的节点按以下的步骤C处理；
C、发送方A在收到正确的允许发送信号CTS后，以概率1接入信道；其它收到允许发送信号CTS的节点“C、D、E”先检查自己的CTS指示器，如果为“真”，就根据允许发送信号CTS中持续时间值延迟退避；如果CTS指示器是“假”，就根据当前CTS帧中指定的接入概率p接入信道；
其中，接入概率p的确定如下：
      p＝min{(n₀-1)/(M-1)，1}
其中，M表示接收节点的邻节点数目，n₀是最佳接入信道的用户数；
d、当接收方B接收到多个用户发送给它的数据包后，首先采用多用户检测技术，检测出是哪几个用户向它发送了数据，然后采用信号分离的方法对这些数据进行处理，处理完以后，有的数据包可能正确分辨出来了，有的可能没有；如果收到的数据包都没有分辨出来，那么接收方B就不发送确认信号；如果至少分辨出了一个数据包，接收方B节点就要发送ACK信号；采用一次可以对多个节点确认的机制，对于正确分辨出的包，就在ACK字段中写入其源地址，对于没有分辨出的包，ACK中不包含其源地址；如果所有发送数据包的节点在指定的时间内没有收到确认信号，那么就退避重传。

自组织移动网络中基于多包接收的媒体接入控制方法
                          技术领域
本发明是一种基于多包接收的媒体接入控制方法，主要是用于自组织移动网络(Ad Hoc网络)中的媒体接入控制，属于网络媒体接入控制的技术领域。
                          背景技术
现有的媒体接入控制(MAC)方法设计多是建立在传统的冲突信道模型基础上的，在这些方法中，网路中的节点同一时刻只能正确接收一个数据包；如果同时收到多个用户的数据包，就会发生冲突，而所有冲突的数据包将被丢弃。然而，随着多阵列天线，扩频码，网络等分集特性的挖掘，以及多用户检测技术的发展，使得收方可以分离出多个用户同时发送的数据信号，从而冲突信道模型变为多包接收(MPR)信道模型。MPR的引入，将给网络协议的设计带来了新的机遇和挑战，
自组织移动网络是一种新一代网络，它不要任何基站或固定基础设施即能提供无约束移动的动态可重构多跳无线网络。该网络由协同传送信息的大量自主节点组成，其所有节点都分享网络构造和管理的责任。这些节点除了可完成任何网络所涉及的所有功能外，还起着路由器的作用，而且每个主机就是一个能够以任何方式移动的路由器。上述特点使得自组织组网成为无线网络和移动计算领域最集中研究的热点。使得由主机可移动性引起的拓扑频繁变化所导致的拓扑发现、网络选路和冲突分辨问题成为自组织移动网络研究中一个极具挑战性的课题。
                         发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种自组织移动网络中基于多包接收的媒体接入控制方法，在底层提供MPR能力的情况下，可以大大的提高网络性能，如果底层只有单包接收能力，那么该方法就退化为传统的IEEE 802.11协议。
技术方案：本发明的接入控制过程如下：
a、当发送方A有数据要发送给接收方B时，发送方A先监听信道，如果信道空闲，它就向接收方B发送一个RTS(Request To Send请求发送)信号；如果接收方B能够正确的接收请求发送信号RTS，并且自己可以接收数据的话，那么接收方B就向发送方A回送一个CTS(Clear To Send允许发送)信号，表明自己可以接收数据；
b、在RTS/允许发送信号CTS交互的过程中，除了需要交换数据的双方发送方A、接收方B外，其它邻节点“F，G，H”也会监听到请求发送信号RTS，邻节点“C，D，E”监听到允许发送信号CTS，本发明提出的方法正是利用了允许发送信号CTS的这种广播特性。对于监听到请求发送信号RTS的节点“F，G，H”，根据RTS帧中的Duration(持续时间)字段延时退避，对于收到允许发送信号CTS的节点按以下步骤C处理；
C、发送方A在收到正确的允许发送信号CTS后，以概率1接入信道；其它收到允许发送信号CTS的节点“C，D，E”先检查自己的CTS指示器，如果为TRUE(真)(比如节点D)，就根据允许发送信号CTS中Duration值延迟退避；如果CTS指示器是FALSE(假)，就根据当前CTS帧中指定的接入概率p接入信道(比如接收方B的第一邻节点C、第三邻节点E)；
其中，接入概率p的确定如下：
          p＝min{(n₀-1)/(M-1)，1}
其中，M表示接收节点的邻节点数目，n₀是最佳接入信道的用户数。
d、当接收方B接收到多个用户发送给它的数据包后，首先采用多用户检测技术，检测出是哪几个用户向它发送了数据，然后采用信号分离的方法对这些数据进行处理，处理完以后，有的数据包可能正确分辨出来了，有的可能没有；如果收到的数据包都没有分辨出来，那么接收方B就不发送ACK(确认)信号；如果至少分辨出了一个数据包，接收方B节点就要发送ACK信号。我们采用一次可以对多个节点确认的机制。对于正确分辨出的包，就在ACK字段中写入其源地址，对于没有分辨出的包，ACK中不包含其源地址。如果所有发送数据包的节点在指定的时间内没有收到确认信号，那么就退避重传。
有益效果：本文提出的基于多包接收的自组织移动网络用媒体接入控制方法，利用了允许发送信号CTS的特点和无线信道的广播特性，控制收方的多个邻居节点同时接入信道，从而利用多包接收能力，提高网络性能。网络仿真结果表明，该协议比传统的MAC方法性能有显著提高，并且实现复杂度也比其它的基于MPR的MAC协议低。
本发明是一种基于多包接收的媒体接入控制方法，主要是用于无线自组织移动网络中地媒体接入控制。在底层提供MPR能力的情况下，可以大大的提高网络性能，如果底层只有单包接收能力，那么该方法就退化为传统的IEEE802.11协议。
本发明的优点主要体现在以下几方面：
1、不同于传统的单包接收的媒体接入控制(MAC)协议，提出了一种新的基于多包接收的MAC协议，把网络和信号处理技术集合起来，并体现了MAC层和物理层的交互。
2、现有的基于多包接收的MAC协议都是基于时隙调度的，在时间上是同步的，而本发明提出的基于多包接收的MAC协议完全是一种异步的协议，因此更加适合于多跳的自组织移动网络。
3、现有的基于多包接收的MAC协议为了调度多个用户同时接入信道，需要更多的控制包，而本发明的MAC协议通过接收节点对周围节点数的预测，进而调度接入信道的数据包，因此并没有使得控制信息增多；除此之外，协议的实现复杂度也比现有的基于多包接收的MAC协议低。
                          附图说明
图1是本发明接入实现流程示意图。其中有：发送方A；接收方B；第一邻节点F、第二邻节点G、第三邻节点H；第四邻节点C，第五邻节点D，第六邻节点E；接收方B的三跳节点J、两跳节点K、请求发送信号RTS；允许发送信号CTS；数据包信息DATA。
图2是6个节点的全连接网络吞吐量仿真图。
图3是20个节点的多跳网络吞吐量仿真图。
图4是业务量为10的20个节点的网络吞吐量随节点移动速度变化的仿真图。
                     具体实施方式
本发明自组织移动网络中基于多包接收的媒体接入控制方法为：
a、当发送方A有数据要发送给接收方B时，发送方A先监听信道，如果信道空闲，它就向接收方B发送一个请求发送信号RTS；如果接收方B能够正确的接收请求发送信号RTS，并且自己可以接收数据的话，那么接收方B就向发送方A回送一个允许发送信号CTS，表明自己可以接收数据；
b、在RTS/允许发送信号CTS交互的过程中，除了需要交换数据的双方发送方A、接收方B外，第一邻节点F、第二邻节点G、第三邻节点H也会监听到请求发送信号RTS，第四邻节点C，第五邻节点D，第六邻节点E监听到允许发送信号CTS，对于监听到请求发送信号RTS的节点第一邻节点F、第二邻节点G和第三邻节点H，根据RTS帧中的Duration字段延时退避，对于收到允许发送信号CTS的节点按以下的步骤C处理；
C、发送方A在收到正确的允许发送信号CTS后，以概率1接入信道；其它收到允许发送信号CTS的第四邻节点C，第五邻节点D和第六邻节点E先检查自己的CTS指示器，如果为TRUE，就根据允许发送信号CTS中Duration值延迟退避；如果CTS指示器是FALSE，就根据当前CTS帧中指定的接入概率p接入信道；
其中，接入概率p的确定如下：
            p＝min{(n₀-1)/(M-1)，1}
其中，M表示接收节点的邻节点数目，n₀是最佳接入信道的用户数；
d、当接收方B接收到多个用户发送给它的数据包后，首先采用多用户检测技术，检测出是哪几个用户向它发送了数据，然后采用信号分离的方法对这些数据进行处理，处理完以后，有的数据包可能正确分辨出来了，有的可能没有；如果收到的数据包都没有分辨出来，那么接收方B就不发送ACK信号；如果至少分辨出了一个数据包，接收方B节点就要发送ACK信号；采用一次可以对多个节点确认的机制，对于正确分辨出的包，就在ACK字段中写入其源地址，对于没有分辨出的包，ACK中不包含其源地址；如果所有发送数据包的节点在指定的时间内没有收到确认信号，那么就退避重传。
本发明的接入方案建立在IEEE 802.11协议基础之上，方案的具体实施如下：(1)首先为了能够使得发送与接收节点之间很好的进行多包接收的信息交互，要对当前网络中的所有节点发送的控制信息做如下规定，即对原IEEE 802.11协议中的CTS，ACK控制信息中增加某些字段，具体如下：
CTS帧：增加字段send_prob和sa，send_prob表示邻居节点发送数据包的概率，sa表示发送CTS帧的源地址。
ACK帧：需要添加若干个地址字段(RA)，这样做可以同时对多个发送数据的用户进行确认，地址字段的数目视最大可以分辨的数据包数而定。本文假定收方最多可以分辨三个冲突的数据包，所以ACK帧中有三个接收地址字段。如果对于每个成功接收的包分别发送确认信号进行确认的话，也可以不用改动ACK的帧格式，不过这么一来发送的确认包相应的会增多，等待时延也会增长。
(2)网络中的节点初始化
在网络中节点进行接入之前，首先对网络节点的信息初始化，这包括如下内容：
1)为网络中的每一个不同节点分配一个唯一的不同于其他节点的物理地址或者是ID标识。
2)网络初始化阶段设置每一个节点的CTS指示器标志为FALSE。CTS指示器的作用是为了实现节点多包接收过程中对其他节点的影响最小，其具体说明如下：CTS指示器标明当前的退避延时是否因收到CTS帧引起(如果是则设为TRUE，如果不是则设为FALSE)，从而确定监听到CTS的节点是否可以接入信道。因为，发送CTS的节点表明其正准备接收数据，而监听到CTS的节点，就会知道其邻居节点正准备接收数据，它就不能随便发送数据，以免发生冲突和干扰。CTS指示器的作用就是，节点在监听到CTS帧后要接入信道时，判断先前是否因监听到允许发送信号CTS而处于退避状态，如果是则继续退避，否则允许接入信道，当然还要考虑收方的MPR能力。
3)采用IEEE 802.11的方式，网络中的节点在初始化阶段向周围节点发送探测信号，使得每一个节点可以大致知道自己周围其他节点的情况。在以后的网络运行中，每一个节点都会定时的发送探测信号，以保证网络中的节点可以大致知道其周围邻居节点的个数信息。
4)参照IEEE 802.11协议设置网络节点接入过程中的DIFS，SIFS参数。
(3)网络节点间的通信与运行
完成初始化工作后，网络进入正是通信阶段，这里网络节点的接入过程如下：
1)发送节点有数据要发送给周围某个节点，且此时信道空闲，则进入3)
2)如果此时信道忙，标记“避退”，进入3)。
3)发送节点检测信道状态，直至信道在一个DIFS时间内一直保持空闲。
此时判断：如果没有标记“避退”，则发送RTS，进入5)；如果标记了
“避退”，则计算一个避退值，进入避退进入4)。
4)在避退期间，每检测到一个时隙的信道空闲，避退值减一；遇到信道忙，
则停止自减，直到信道空闲后继续。当避退值自减为零时，发送RTS，
进入5)。
5)所有收到RTS的节点根据其中携带的占用信息调整各自的NAV。
6)目标节点在收到RTS之后再过一个SIFS的时间，发送CTS，该CTS信息中含有节点发送数据包的概率，这样可以以最大的概率值接近最优的吞吐量性能。
7)所有收到CTS的节点检测自己的CTS指示器，如果该指示器为FALSE，说明在收到当前CTS信息之前没有接收到其他节点的CTS信息，此时发送数据包给当前发送CTS信息的节点并不会对其他节点造成很大的影响，因此该节点可以根据CTS信息中的接入概率参数进行接入，否则延迟接入。
8)接收节点在成功接收了多个发送节点的混和数据包之后，通过某种信号处理分离算法进行数据包的分离(这些方法如最小平方平滑，多项相位分离等)
9)接收节点进行多包分离后，确认哪些数据包成功进行了正确分离，然后将发送这些数据包的发送节点的标识(如发送节点的物理地址或者是ID)依次放入ACK中的地址字段，然后过一个SIFS时间发送ACK广播信息表示确认。
10)所有发送节点收到ACK后，可以将自己的物理地址或者是ID与ACK中的地址字段的数据进行比较，如果与其中某个地址字段相同，说明自己的数据包被接收节点成功的正确接收。否则说明该数据包没有成功被分离，因此需要重新开始信道的接入。
对于本发明提出的方法，我们进行了性能仿真。仿真采用公认的网络仿真软件NS2。物理层采用直接系列扩频(DSSS)技术，带宽为1Mbps，数据包长度为1000字节，缓存区长度为50，节点分布在1000×1000(m²)的区域上，传输半径是250m。我们分别对全连接的6个节点和随机分布的20节点进行了仿真。其性能如图2、3、4所示：
从图2、3可以看出，采用MPR接入方法以后，网络性能有很大的提高，MPR能力越强，网络性能越好。图4是在一定的业务量下，移动速度对网络性能的影响。随着移动速度的增加，网络性能有明显的下降，但是逐渐趋于平稳，并且，与传统的单包接收协议相比，性能还是优于它们。