專利名稱：一種面向多通道無線分布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具體地說明是 一種面向多通道無線分 布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機制。
背景技術(shù)：
近幾年，無線通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，蜂窩移動通信系統(tǒng)、無線局 域網(wǎng)，藍牙技術(shù)等無線無線通信技術(shù)紛紛出現(xiàn)。這些技術(shù)極大的方便了人 們生活，同時也推動了無線通信技術(shù)的發(fā)展。無線分布式網(wǎng)絡(luò)作為近幾年 通信領(lǐng)域發(fā)展較快的技術(shù)，受到越來越多的關(guān)注。無線分布式網(wǎng)絡(luò)采用分 布、自組織的思想來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)具備更強的靈活性和健壯性。
隨著通信與電子技術(shù)的發(fā)展，目前許多無線收發(fā)器提供了多通道能力，
如IEEE 802.11b提供了 14個通道(其中不存在重疊的通道數(shù)量為3個)， 正EE 802.15.4提供了 16個互不重疊的通道，Mica2、 WINS等無線收發(fā)器 也都提供了多通道能力。在這種背景下，關(guān)于如何利用無線收發(fā)器的多通 道能力提升網(wǎng)絡(luò)性能的研究曰益受到關(guān)注。由于竟爭和沖突只能發(fā)生在工 作在相同頻段的節(jié)點間，無線收發(fā)器的多通道能力可被用于實現(xiàn)更高程度 的并發(fā)傳輸。此外，深衰落現(xiàn)象及窄帶干擾通常只會影響到部分通道，因 而多通道能力還可用于提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性，避免網(wǎng)絡(luò)因在特定頻段上發(fā)生 多徑或干擾現(xiàn)象而出現(xiàn)嚴重的性能下降。
介質(zhì)訪問控制(MAC)層直接工作于物理層之上，能夠?qū)o線收發(fā)器 進行直接的控制，因而目前出現(xiàn)了大量適用于無線分布式網(wǎng)絡(luò)的多通道 MAC協(xié)議。這些MAC協(xié)議基本上可以分為兩類 一類是基于單一控制通 道的MAC協(xié)議，如DCA, MMAC, CHMA等；另一類是基于同步通道切 換機制的MAC協(xié)議，如SSCH， McMAC。
在前一類協(xié)議中，所有發(fā)送節(jié)點在報文傳輸前必須在同一控制通道上 以竟爭方式與其目的節(jié)點交互控制報文，以協(xié)商數(shù)據(jù)報文傳輸所使用的通 道。在無線收發(fā)器提供的通道數(shù)量較多，且網(wǎng)絡(luò)負載較大的網(wǎng)絡(luò)中，控制 通道將會成為瓶頸，造成大量通道無法被充分利用。并且， 一旦控制通道 受到嚴重干擾或發(fā)生深衰落現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)性能將嚴重降級。
后一類協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)時間同步基礎(chǔ)上，將時間劃分為時隙并且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各 節(jié)點的時隙邊界對齊，時隙長度允許完成一個或多個完整的報文傳輸過程。協(xié)議工作原理如圖1所示，無線收發(fā)器提供了 4個可用通道，節(jié)點A， B
通過一個偽隨機序列生成器隨機產(chǎn)生自己的默認通道切換序列，并據(jù)此進 行以時隙為單位的通道切換。時間軸上各時隙內(nèi)的實心圓形和實心三角形
圖標分別表示節(jié)點A, B各自的默認通道切換序列，空心圓形和空心三角形 圖標分別表示節(jié)點A,B在進行報文發(fā)送必須臨時地切換到其目的節(jié)點在當 前時隙的操作通道上竟爭并發(fā)送報文。通過這種方式，使得在每個時隙， 原本處于同一沖突域的節(jié)點集合被分割成多個子集，只要報文傳輸?shù)哪康?節(jié)點分屬不同的子集，這些報文傳輸就可以互不干擾的并發(fā)進行。該類協(xié) 議由于不依賴于專門的控制通道交互控制報文，能夠有效避免前一類協(xié)議 中存在的問題，因而具有較好的網(wǎng)絡(luò)性能。但是，該類協(xié)議中存在的目的 節(jié)點"消失"現(xiàn)象會導(dǎo)致大量的無效發(fā)送，造成極大的帶寬和能量浪費。
所謂目的節(jié)點"消失"現(xiàn)象，是指在基于同步通道切換機制的MAC協(xié)議 中，當源節(jié)點A與其目的節(jié)點B處于不同的操作通道時，A必須切換到B的 操作通道上竟爭通道并發(fā)送報文，此刻，節(jié)點A在自己的默認操作通道上"消 失"。如果此時存在第三個節(jié)點C要向A發(fā)送報文，在其切換到A的默認操 作通道后，即使啟用載波監(jiān)聽機制，也無法檢測到A與B在另一通道上正在 進行的傳輸，因而C會在A的默認操作通道上對A進行無效發(fā)送，顯然A 不可能會收到C發(fā)送的報文。無效發(fā)送問題在多跳網(wǎng)絡(luò)中會造成更為嚴重的 性能惡化， 一種極端的場景如圖2所示。節(jié)點l, 2， 3，...和網(wǎng)關(guān)節(jié)點在當前 時隙的默認操作通道分別為CH,，CH2， ...，CHn, CH#CHi+1, 13$n-l。如果所 有節(jié)點都想向其上游節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，則只有最后一跳節(jié)點間的傳輸能夠成功， 其它節(jié)點間的傳輸都將因目的節(jié)點"消失"現(xiàn)象而失敗。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種適用于基于同 步通道切換機制MAC協(xié)議的通道訪問控制機制，釆用本發(fā)明可避免目的節(jié) 點"消失"現(xiàn)象導(dǎo)致的無效發(fā)送，并可顯著提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。
本發(fā)明技術(shù)方案包括以下內(nèi)容
本發(fā)明將節(jié)點進行通道切換的基本單位(亦稱為時隙)劃分為等長的 微時隙，并要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點的微時隙邊界對齊。微時隙的長度大于等于 一次完整報文傳輸過程所需的最長時間。通過在微時隙中使用預(yù)約忙音機 制，使當前微時隙無報文收發(fā)需求的節(jié)點能夠快速進入休眠狀態(tài)以節(jié)能； 同時，通過在微時隙中使用通道離開忙音機制，并結(jié)合節(jié)點在隨機回退過 程中的交替監(jiān)聽機制，使得想要發(fā)送報文的節(jié)點能夠及時感知到目的節(jié)點 "消失"現(xiàn)象發(fā)生，從而放棄對目的節(jié)點的無效發(fā)送，避免不必要的帶寬 和能量浪費。其中，所述預(yù)約忙音機制是指需要發(fā)送報文的節(jié)點在微時隙的起始處 在其目的節(jié)點的操作通道上發(fā)送指定持續(xù)時間的忙音，通知其目的節(jié)點保 持在接收狀態(tài)；在微時隙中無需發(fā)送報文的節(jié)點在微時隙的起始處監(jiān)聽自 身當前的操作通道，若其檢測到忙音，則將無線收發(fā)器保持在接收狀態(tài)， 否則，在設(shè)定的預(yù)約忙音持續(xù)時間之后進入休眠狀態(tài)，直到當前微時隙結(jié)
東；所述預(yù)約忙音的長度由i-跳鄰居節(jié)點間最大同步誤差和無線收發(fā)器進
行空閑通道評估所需的最小時間決定，即滿足預(yù)約忙音的長度大于等于2
倍的l-跳鄰居間最大同步誤差與空閑通道評估所需的最小時間之和；
所述通道離開忙音機制是指在微時隙中，當需要發(fā)送報文的節(jié)點成功 完成回退過程后，且在切換到目的節(jié)點的操作通道上發(fā)送報文之前，先在 自身的操作通道上發(fā)送指定持續(xù)時間的忙音，來通知以自身為目的節(jié)點的 其它節(jié)點放棄對自身的發(fā)送意圖；所述通道離開忙音的長度由單位回退時 間片的長度和無線收發(fā)器進行空閑通道評估所需的最小時間決定，即滿足 通道離開忙音的長度大于等于單位回退時間片的長度與空閑通道評估所需 的最小時間之和；
所述交替監(jiān)聽機制是指在微時隙中需要發(fā)送報文的節(jié)點在回退過程中 以回退時間片為單位，交替地在自身的操作通道和目的節(jié)點的搡作通道上 進行監(jiān)聽，并根據(jù)監(jiān)聽的結(jié)果決定自身在微時隙中是進行報文發(fā)送，報文 接收，還是休眠；其中所述回退時間片的長度由無線收發(fā)器進行通道切換 所需的最小時間和空閑通道評估所需的最小時間決定，即滿足回退時間片 的長度大于等于通道切換所需的最小時間與空閑通道評估所需的最小時間 之和。
本發(fā)明的優(yōu)點
1. 本發(fā)明通過使用通道離開忙音機制和回退過程中的交替監(jiān)聽機制， 可有效解決基于同步通道切換機制的多通道MAC協(xié)議中因目的節(jié)點"消 失"現(xiàn)象而導(dǎo)致的無效發(fā)送問題，從而避免不必要的帶寬和能量浪費；
2. 本發(fā)明通過使用預(yù)約忙音機制，能夠使當前微時隙無報文收發(fā)需求 的節(jié)點快速進入休眠狀態(tài)以節(jié)能，顯著提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。


圖1為基于同步通道切換機制的MAC架構(gòu)工作原理示意圖。 圖2為多跳路徑上的目的節(jié)點"消失"現(xiàn)象示意圖。 圖3為時隙結(jié)構(gòu)圖。
圖4為微時隙中無數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點的操作示意圖。 圖5為微時隙中有數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點的操作示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。 本發(fā)明的適用條件
本發(fā)明適用于基于同步通道切換機制的多通道MAC協(xié)議，無線分布式 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時間同步是該類MAC協(xié)議，也是本發(fā)明實施的前提。關(guān)于無 線分布時網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)時間同步，目前已有大量研究成果發(fā)表，例如Elson 等人提出的RBS (Reference Broadcast Synchronization)算法，Ganeriwal等 人提出的TPSN ( Timing Synchronization Protocol for Sensor Networks )算法 等都可用于進行本發(fā)明所需的網(wǎng)絡(luò)時間同步。
本發(fā)明在時隙中劃分等長的微時隙，并規(guī)定微時隙的長度為一次完整 報文傳輸過程所需的最長時間。這種方式適用于報文長度固定或相差不大 的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
本發(fā)明中涉及到的概念如下
1) 微時隙微時隙是組成時隙的基本單位，每個時隙中包含固定數(shù)量 的微時隙，如圖3所示。微時隙的長度為一次完整報文傳輸過程所需的最 長時間，具體而言，其長度為預(yù)約忙音長度、竟爭窗口長度、通道離開忙 音長度、最大數(shù)據(jù)幀長度與應(yīng)答幀長度之和。
2) 忙音忙音皆為指定持續(xù)時間的比特序列。忙音的作用在于使忙音 發(fā)送節(jié)點射頻覆蓋范圍內(nèi)的其它節(jié)點檢測到通道變忙，而并不要求能被正 確接收，因此允許多個節(jié)點同時發(fā)送忙音。本發(fā)明中存在兩種忙音預(yù)約 忙音和通道離開忙音，其中，預(yù)約忙音用于節(jié)能目的，它能夠使當前微時 隙無報文發(fā)送需求的節(jié)點及時獲知自己是否需要接收報文，以便在判定自 己無需收發(fā)報文時可以快速進入休眠狀態(tài)以節(jié)能；通道離開忙音結(jié)合隨機 回退過程中的交替監(jiān)聽方法，用于解決目的節(jié)點"消失"現(xiàn)象引發(fā)的無效 發(fā)送問題。
在對新的通道訪問控制機制進行描述之前，首先定義如下符號
Tsw:無線收發(fā)器進行通道切換所需最小時間；
TCCA:無線收發(fā)器進行空閑信道評估所需最小時間；
TPA:用于收發(fā)雙方同步的幀前導(dǎo)序列的長度；
S: l-跳鄰居節(jié)點間的最大同步誤差；
CW:竟爭窗口的長度(單位為回退時間片)；
TBP:單位回退時間片的長度；
TRS:預(yù)約忙音的長度；
Tcx:通道離開忙音的長度；
TMTO:最大發(fā)送偏移，即對于在微時隙中能夠發(fā)送數(shù)據(jù)幀的節(jié)點，數(shù) 據(jù)幀發(fā)送時刻距離微時隙起始時刻的最大偏移。由圖3可知TMT0 = TRS + CW xTBP + TCL + TPA ( 1 )
節(jié)點在微時隙中的搡作
對于當前微時隙無數(shù)據(jù)發(fā)送需求的節(jié)點(簡稱R類節(jié)點)，從微時隙起 始時刻開始對自己當前的默認操作通道(簡稱默認通道)進行監(jiān)聽。如果 節(jié)點檢測到預(yù)約忙音(圖4-a),則在最大發(fā)送偏移TMTo時間內(nèi)將射頻保持 在接收狀態(tài)。若節(jié)點在該段時間內(nèi)檢測到有效幀前導(dǎo)序列，則繼續(xù)完成數(shù)
據(jù)幀的接收并在返回應(yīng)答幀后休眠；否則，節(jié)點在最大發(fā)送偏移TMTo時間
之后立即進入休眠狀態(tài)，直到下一微時隙開始。如果節(jié)點在微時隙起始處 未檢測到預(yù)約忙音(圖4-b),則其立即進入休眠狀態(tài)以節(jié)能，直到下一微 時隙開始。
對于當前微時隙需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(簡稱S類節(jié)點)，其操作相對復(fù) 雜。因為當前微時隙中的S類節(jié)點可能同時也是其它S類節(jié)點的目的節(jié)點， 即一個S類節(jié)點可能成為微時隙中的發(fā)送節(jié)點，也可能成為接收節(jié)點，還 有可能選擇在微時隙中休眠。S類節(jié)點最終選擇哪種操作，取決于它在回退 過程中的監(jiān)聽結(jié)果。下面以任意S類節(jié)點v為例，對S類節(jié)點的操作進行 描述。
在微時隙起始處，節(jié)點v首先在其目的節(jié)點的操作通道(簡稱目的通 道)上發(fā)送預(yù)約忙音。當節(jié)點v的目的節(jié)點為R類節(jié)點時，該目的節(jié)點會 檢測到預(yù)約忙音，從而將射頻保持在接收狀態(tài)?？紤]到同步誤差S以及空 閑通道評估(CCA)所需的最小時間TCCA,為確保預(yù)約忙音能夠被有效檢 測，預(yù)約忙音長度TRs應(yīng)滿足
TRS 225+ TCCA ( 2 )
節(jié)點v發(fā)送完預(yù)約忙音后，在區(qū)間[O, CW]隨機選擇一個回退值進行隨 機回退。在回退過程中，v以回退時間片為單位，交替地在默認通道和目的 通道上進行載波監(jiān)聽，并根據(jù)監(jiān)聽的結(jié)果進行相應(yīng)的操作。由于無線收發(fā) 器在單位回退時間片內(nèi)需要完成通道切換和CCA操作，回退時間片長度 TBP應(yīng)滿足
Tbp^Tsw+ Tcca ( 3 )
節(jié)點v在回退過程中的交替監(jiān)聽操作會有三種可能的監(jiān)聽結(jié)果，節(jié)點
在不同監(jiān)聽結(jié)果下的操作如下
(1)如果直至回退過程結(jié)束，節(jié)點v在兩個通道上的監(jiān)聽結(jié)果一直為通 道空閑(圖5-a),則其在當前微時隙可以發(fā)送數(shù)據(jù)。在v切換到目的通道上 發(fā)送分組之前，首先要在默認通道上發(fā)送通道離開忙音，以便通知以自己為 目的節(jié)點并且正在進行回退的節(jié)點中斷回退過程并放棄在當前微時隙的發(fā)送 意圖。由于節(jié)點回退時在兩個通道上交替地進行載波監(jiān)聽，為確保通道離開忙音能夠被正在回退的節(jié)點檢測到，通道離開忙音長度TcL應(yīng)滿足 TC1^2TBP+TCCA (4)
(2) 如果節(jié)點v在回退過程中檢測到目的通道變忙(圖5-b)，則存在 以下兩種可能
該通道上正在發(fā)送數(shù)據(jù)幀。在這種情況下，為了避免對目的通道上 正在進行的傳輸造成干擾，節(jié)點v只能放棄在當前時隙的發(fā)送意 該通道上正在發(fā)送通道離開忙音，目的節(jié)點"消失"現(xiàn)象發(fā)生。為 了避免無效發(fā)送，節(jié)點只能放棄在當前時隙的發(fā)送意圖。
總之，只要檢測到目的通道變忙，節(jié)點v只能立即放棄發(fā)送意圖并專
守在默認通道上持續(xù)監(jiān)聽。如果在最大發(fā)送偏移TMTO時間內(nèi)檢測到有效的
幀前導(dǎo)序列，則立即接收數(shù)據(jù)幀；反之，則在最大發(fā)送偏移TMTo時間后休眠。
(3) 如果節(jié)點v在回退過程中監(jiān)聽到默認通道變忙(圖5-c),則立即 專守在默認通道上持續(xù)監(jiān)聽。存在兩種可能的監(jiān)聽結(jié)果
若通道狀態(tài)為忙的持續(xù)時間小于等于通道離開忙音的長度Tcx,則表 明通道變忙是由默認通道與節(jié)點v相同的其它S類節(jié)點發(fā)送通道離開忙音 引起的。在這種情況下，在通道空閑后，節(jié)點v會繼續(xù)回退過程(就像通 道變忙沒有發(fā)生過一樣)，并根據(jù)回退過程中在兩個通道上的交替監(jiān)聽結(jié)果 進行相應(yīng)操作。
否則，顯然是由于數(shù)據(jù)幀傳輸引起通道忙。節(jié)點v在最大發(fā)送偏移 TMTO時間內(nèi)持續(xù)監(jiān)聽，若其檢測到有效的幀前導(dǎo)序列，則立即接收數(shù)據(jù)幀；
反之，則在最大發(fā)送偏移TMTo時間后休眠。
權(quán)利要求
1.一種面向多通道無線分布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機制，其特征在于在基于同步通道切換機制的多通道MAC協(xié)議的時隙中劃分等長的微時隙，并通過在微時隙的起始處使用預(yù)約忙音機制，使當前微時隙無報文收發(fā)需求的節(jié)點快速進入休眠狀態(tài)；同時，在微時隙中使用通道離開忙音機制，并在發(fā)送節(jié)點回退過程中使用交替監(jiān)聽機制，有效避免基于同步通道切換機制的多通道MAC協(xié)議中目的節(jié)點“消失”現(xiàn)象導(dǎo)致的無效發(fā)送。
2. 按權(quán)利要求1所述的面向多通道無線分布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機 制，其特征在于所述預(yù)約忙音機制是指需要發(fā)送報文的節(jié)點在微時隙的 起始處、在其目的節(jié)點的操作通道上發(fā)送指定持續(xù)時間的忙音，通知其目 的節(jié)點保持在接收狀態(tài)；在微時隙中無需發(fā)送報文的節(jié)點在微時隙的起始 處監(jiān)聽自身當前的操作通道，若其檢測到忙音，則將無線收發(fā)器保持在接 收狀態(tài)，否則，在設(shè)定的預(yù)約忙音持續(xù)時間之后進入休眠狀態(tài)，直到當前 微時隙結(jié)東。
3. 按權(quán)利要求2所述的預(yù)約忙音機制，其特征在于所述預(yù)約忙音的 長度(TRS)由1-跳鄰居間最大同步誤差(S)和無線收發(fā)器進行空閑通道 評估所需的最小時間(TCCA)決定，即滿足預(yù)約忙音的長度(TRS)22xl— 跳鄰居間最大同步誤差(S) +空閑通道評估所需的最小時間(TCCA)。
4. 按權(quán)利要求1所述的面向多通道無線分布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機 制，其特征在于所述通道離開忙音機制是指在微時隙中，當需要發(fā)送報 文的節(jié)點成功完成回退過程后，且在切換到目的節(jié)點的操作通道上發(fā)送報 文之前，先在自身的操作通道上發(fā)送指定持續(xù)時間的忙音，來通知以自身 為目的節(jié)點的其它節(jié)點放棄對自身的發(fā)送意圖。
5. 按權(quán)利要求4所述的通道離開忙音機制，其特征在于所述通道離 開忙音的長度(TCL)由單位回退時間片的長度(TBP)和無線收發(fā)器進行 空閑通道評估所需的最小時間(TCCA)決定，即滿足通道離開忙音的長度(TCL) ^2x單位回退時間片的長度(TBP)十空閑通道評估所需的最小時 間(TCCA)。
6. 按權(quán)利要求1所述的面向多通道無線分布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機 制，其特征在于所述交替監(jiān)聽機制是指在微時隙中需要發(fā)送報文的節(jié)點 在回退過程中以回退時間片為單位，交替地在自身的搡作通道和目的節(jié)點 的操作通道上進行監(jiān)聽，并根據(jù)監(jiān)聽的結(jié)果決定自身在微時隙中是進行報 文發(fā)送，報文接收，還是休眠。
7.按權(quán)利要求6所述的交替監(jiān)聽機制，其特征在于其中所述單位回 退時間片的長度(TBP )由無線收發(fā)器進行通道切換所需的最小時間(TSW) 和空閑通道評估所需的最小時間(TCCA)決定，即滿足單位回退時間片的 長度(TBP) ^通道切換所需的最小時間(TSW) +空閑通道評估所需的最 小時間(TCCA)。
全文摘要
本發(fā)明針對基于同步通道切換機制的多通道MAC協(xié)議中目的節(jié)點“消失”現(xiàn)象所導(dǎo)致的無效發(fā)送問題，提出了一種適用于該類協(xié)議的新型的面向多通道無線分布式網(wǎng)絡(luò)的通道訪問控制機制。本發(fā)明將節(jié)點進行通道切換的基本單位—時隙，劃分為等長的微時隙，并要求網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點的微時隙邊界對齊。微時隙的長度為一次完整報文傳輸過程所需的最長時間。通過在微時隙中使用預(yù)約忙音機制，使當前微時隙無報文收發(fā)需求的節(jié)點能夠快速進入休眠狀態(tài)以節(jié)能；同時，通過在微時隙中使用通道離開忙音機制，并結(jié)合節(jié)點在隨機回退過程中的交替監(jiān)聽機制，使得想要發(fā)送報文的節(jié)點能夠及時感知到目的節(jié)點“消失”現(xiàn)象發(fā)生，從而放棄對該目的節(jié)點的無效發(fā)送，避免不必要的帶寬和能量浪費。
文檔編號H04L12/56GK101291278SQ200710011009
公開日2008年10月22日 申請日期2007年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月18日
發(fā)明者于海斌, 徐皚東, 鵬 曾, 楊志家, 邢志浩 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所