專利名稱：基于可靠多播mac層協(xié)議的協(xié)同通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通信技術(shù)，尤其是涉及一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法。
背景技術(shù)：
在計算機網(wǎng)絡(luò)中，一般分為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和應(yīng)用層五個層次。而數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC(介質(zhì)訪問控制)子層里的協(xié)議設(shè)計一直是業(yè)界研究的熱門話題。傳統(tǒng)的多播一般在視頻和音頻等多媒體應(yīng)用，這類應(yīng)用允許一定容錯率，并不需要可靠的數(shù)據(jù)連接，但是近來很多的應(yīng)用更加需要可靠的數(shù)據(jù)連接。比如一對多的多終端數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)亩嗖?yīng)用，學(xué)校里師生之間的一對多的多播系統(tǒng)等等。這些應(yīng)用需要可靠的數(shù)據(jù)傳輸作為保障。但不足的是，現(xiàn)在最常用的802. Ilwifi中的MAC協(xié)議并沒有提供可靠的數(shù)據(jù)多播，因此設(shè)計一種可靠的MAC層多播協(xié)議是十分有必要的。 協(xié)同通信是無線通信領(lǐng)域一個比較熱門的話題，比如最新的4G LTE標準中的虛擬MIMO技術(shù)就利用了不同終端之間配對，形成的虛擬多天線(V-MIMO)進行協(xié)同通信。把協(xié)同通信的概念引入MAC協(xié)議的設(shè)計也是近期一個熱門的研究領(lǐng)域，在無線信道質(zhì)量較差的情況下，協(xié)同通信能夠顯著地降低通信誤碼率。然而，相對于許多在單播(unicast)中引入中繼節(jié)點來進行協(xié)同通信的研究，協(xié)同通信在多播(multicast)MAC層協(xié)議的應(yīng)用少之又少。因此，在多播中引入?yún)f(xié)同通信是一種十分新穎的想法。傳統(tǒng)無線通信中的協(xié)同通信，都是在通信的源節(jié)點(發(fā)送)和目標節(jié)點(接收)之夕卜，再尋找一個中繼節(jié)點，該中繼節(jié)點在源節(jié)點和目標節(jié)點之間起到一個增加信號強度、降低誤碼率的作用。一般來說，中繼節(jié)點和源節(jié)點S以及目標節(jié)點D之間的信道質(zhì)量都比較好，因此數(shù)據(jù)包通過中繼節(jié)點傳輸，能夠比從源節(jié)點直接傳輸?shù)侥繕斯?jié)點更有效率。然而，在多播應(yīng)用中，由于源節(jié)點只有一個，而目標節(jié)點有很多個，所以為每一個信道質(zhì)量不佳的目標節(jié)點尋找一個中繼節(jié)點，會造成極大的資源浪費，因此傳統(tǒng)的單播協(xié)同通信MAC協(xié)議并不適合在多播中應(yīng)用。而當前在多播MAC協(xié)議大多都處于使用多個單播來模擬一個多播的階段，其效率可想而知是不高的。因此為多播設(shè)計一個專門的協(xié)同通信協(xié)議顯得十分有必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可提供可靠的通信服務(wù)、提高網(wǎng)絡(luò)的總體流量、充分利用多播本身的樹狀傳輸性質(zhì)以及成功解決無線通信中隱藏站、暴露站問題的基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)—種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，利用無線通信中的廣播特性，利用多播中信道好的節(jié)點，來幫助信道較差的節(jié)點進行傳輸，該方法包括以下步驟
I)信道質(zhì)量差的節(jié)點在傳輸中出現(xiàn)錯誤時，向相鄰信道質(zhì)量好的目的節(jié)點請求數(shù)據(jù)，并將其作為中繼節(jié)點；2)中繼節(jié)點在把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一條的用戶時，同時利用無線通信的廣播特性，向之前出現(xiàn)錯誤的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。該方法具體步驟如下a)競爭信道成功的源節(jié)點向所有目標節(jié)點發(fā)送RTS (Request To Send)信號來預(yù)約信道，而競爭信道失敗的源節(jié)點將自己的退避窗口 CW(Contention Window)翻倍之后繼續(xù)等待；b)多個目的節(jié)點收到RTS之后，等待SIFS (Short Inter-Frame Space)時間后，回復(fù) CTS (Clear To Send)； c)源節(jié)點收到所有的CTS之后，經(jīng)過一個SIFS時間后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀中包含了 MAC頭和整體數(shù)據(jù)，所有目的節(jié)點同時開始監(jiān)聽數(shù)據(jù)包；d)所有目的節(jié)點判斷是否解碼成功，若為是，發(fā)送ACK，并執(zhí)行步驟f)，若為否，發(fā)送NACK，同時監(jiān)聽所有的ACK強度，來選擇一個信號質(zhì)量最好的接收成功的節(jié)點加入?yún)f(xié)同通信，并執(zhí)行步驟e)；e)所有發(fā)送了 NACK的節(jié)點再按照發(fā)送NACK的先后順序，發(fā)送RTR(RequesttoRetransmit)給各自選擇的用于協(xié)同通信的節(jié)點；f)所有源節(jié)點等待DIFS之后開始競爭下一次會話。所述的RTS中包含了源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址以及通信的持續(xù)時間；當目的節(jié)點收到RTS之后，發(fā)送CTS預(yù)約信道；當非目的節(jié)點的其他節(jié)點收到RTS時，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)向量分配保持空閑直到通信結(jié)束再次參與競爭；其中RTS幀格式如表I所示，控制幀持續(xù)時間目標地址源地址校驗位(2byte) (2byte) (24byte)__(6byte)__(4byte)所述的回復(fù)CTS包括了持續(xù)時間以及當前目的節(jié)點的地址，該回復(fù)CTS的順序與RTS中目的節(jié)點地址的順序一致。 所述的ACK中包含發(fā)送ACK的目的節(jié)點的MAC地址。其中CTS幀與ACK幀格式如表2所示，
Γ 控制幀持續(xù)時間該目的地址校驗位Ubyte)^
(2byte)(2byte)(6byte) _所述的RTR中包含申請重新傳輸?shù)墓?jié)點和它所選擇加入?yún)f(xié)同通信的節(jié)點；若一個節(jié)點在成功接收后發(fā)現(xiàn)有RTR需要它進行協(xié)同傳輸，那么在下一次會話中的目的地址列表里接入該接收失敗的節(jié)點。本發(fā)明中的通信設(shè)備終端是通用的，比如手機，電腦，路由器或者其他提供無線網(wǎng)絡(luò)鏈接且在同一標準下的設(shè)備都可以通過本MAC協(xié)議互相通信。設(shè)備終端通過天線收集到信號之后，交給其無線網(wǎng)卡負責(zé)所有物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層的工作。無線網(wǎng)卡將信號解碼后成功接收，再把其組包為數(shù)據(jù)發(fā)給上層的數(shù)據(jù)處理器，比如MCU或者CPU等。所有的設(shè)備可以組成一個ad-hoc自組織網(wǎng)絡(luò)，通過多跳的方式進行傳輸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點I、提供可靠的通信服務(wù)，由于通信過程中的協(xié)議采用了數(shù)據(jù)包解碼檢測和ack的多方握手機制，如果數(shù)據(jù)傳輸出錯會立刻重傳，因此在一跳的通信內(nèi)其MAC層數(shù)據(jù)傳輸可
O2、提高網(wǎng)絡(luò)的總體流量，在信道質(zhì)量較差的情況下，本發(fā)明中如果傳輸出錯，立即采用協(xié)同通信機制，讓最優(yōu)的節(jié)點負責(zé)重傳，這樣可以降低誤碼率，從而減少再次重傳的可能性，提高網(wǎng)絡(luò)流量。3、充分利用多播本身的樹狀傳輸性質(zhì)，由于在協(xié)同通信過程中選出的用于協(xié)助的節(jié)點R，本身也是多播中的一跳，本來就要作為多播中的下一個源節(jié)點向其他目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，因此在節(jié)點R的傳輸目標中加入上一次接收失敗的節(jié)點并不會占用額外資源。 4、成功解決無線通信中隱藏站、暴露站問題，隱藏站、暴露站問題通常使用RTS，CTS的兩次握手機制來解決，本協(xié)議重傳的過程，由于集成在下一次傳輸中，因此可以在重傳中也保證解決隱藏站、暴露站的問題。其中在無線環(huán)境中，隱藏站和暴露站問題是不可避免的，假設(shè)有A、B、C三個終端，隱藏站問題是這樣的當前C正在給B傳輸數(shù)據(jù)，但A并不在C的傳輸范圍中，所以A就不能發(fā)現(xiàn)B正接收數(shù)據(jù)，如果A嘗試給B發(fā)送數(shù)據(jù)，就會造成沖突。暴露站問題則如下假設(shè)A正在給傳輸范圍中的另一個節(jié)點(不是C，C在A的傳輸范圍外)傳輸，此時B準備給C傳輸，但通過監(jiān)聽，B會認為此時傳輸會失敗，而事實上A的傳輸不會影響B(tài)、C之間的傳輸。


圖I為本發(fā)明源節(jié)點的MAC通信流程圖；圖2為本發(fā)明目的節(jié)點的MAC通信流程圖；圖3為本發(fā)明中繼節(jié)點的MAC通信流程圖；圖4為本發(fā)明實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a、圖5b為本發(fā)明協(xié)同工作的可靠多播MAC協(xié)議示意圖；圖6為本發(fā)明MAC協(xié)議示意圖。其中，圖I-圖3中的源節(jié)點的多播有4個目標節(jié)點，其中有η個節(jié)點發(fā)生了誤碼，而目的節(jié)點的流程圖若發(fā)生誤碼，為4個節(jié)點中的第k個節(jié)點。圖4中的S為源節(jié)點，Dn為第η跳的目的節(jié)點，Dn-I為第η跳中的源節(jié)點；圖5a為傳輸失敗，圖5b為協(xié)同重傳；圖6中三個節(jié)點分別為A、B、C，其中A為源節(jié)點，B和C為多播的目的節(jié)點。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。實施例圖5a、圖5b為實例的場景，其中A為源節(jié)點，B和C為目的節(jié)點。B在傳輸過程中發(fā)生了誤包(圖5a)，從而請求C節(jié)點進行協(xié)同重傳(圖5b)。其中A和B之間的信道質(zhì)量較差，B和C的信道質(zhì)量較好。
圖6為所示的MAC協(xié)議圖。以其中的三個節(jié)點A、B、C為例子。圖中包含了 RTS、CTS、DATA、ACK、NACK以及RTR的傳輸過程。圖6是整個MAC協(xié)議的工作方法。第一步中，A節(jié)點發(fā)送RTS，B和C負責(zé)接收。RTS中包含了所有目的節(jié)點的地址，在途中由于只有B和C兩個目的節(jié)點，所以目的節(jié)點地址占用RTS中的12個字節(jié)；在嫩〇層協(xié)議中，RTS代表源節(jié)點對發(fā)起會話的聲明，以及對其他節(jié)點表示自己對信道的預(yù)約；在RTS包中，B和C的地址按先后順序排列。第二步中，B和C節(jié)點都返回給A—個CTS。CTS的順序和RTS包中一樣，那么CTS即是目標節(jié)點對源節(jié)點準備好通信的回復(fù)，也是對其他節(jié)點表示本次會話對信道的預(yù)約。第三步中，A負責(zé)給B和C發(fā)送數(shù)據(jù)，但是B中出現(xiàn)了誤包。其中是否誤包主要由數(shù)據(jù)幀的校驗位校驗是否出錯而決定。第四步中，B由于誤包，發(fā)送一個NACK給A，NACK的結(jié)構(gòu)和ACK基本一致，只需要在控制幀稍作改動，而C成功接收，發(fā)送一個ACK，該ACK被B所監(jiān)聽到，因此B選擇C作為 協(xié)同通信的節(jié)點。第五步中，B發(fā)送RTR給C，請求C重新傳輸。RTR應(yīng)該和802. Ilb單播中的RTS結(jié)構(gòu)是一樣的，既包含了 B的地址，也包含了 C的地址。第六步中，C發(fā)送CTR給B，進行雙向握手確認。此次RTR和CTR和之前的RTS和CTS的作用并不同，他們并不是為了解決隱藏站和暴露站的問題存在的，僅僅是單純的握手確認而已。C在結(jié)束雙方握手以后，把B加入到下一次轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包的目標節(jié)點中。也就是說，在C的下一次轉(zhuǎn)發(fā)此包時，還要重復(fù)上述協(xié)議，和B經(jīng)歷一次握手的過程。如圖5所示，圖中的三個節(jié)點可以是路由器、電腦或者手機等等安裝了無線網(wǎng)卡的設(shè)備。A節(jié)點可能是電腦主機，想把文件發(fā)給B、C等移動設(shè)備，提供可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)。本發(fā)明的設(shè)備由一臺或多臺包含天線、無線網(wǎng)卡以及微型計算機的移動終端組成。一臺終端充當數(shù)據(jù)的發(fā)送源，而另外幾臺終端充當數(shù)據(jù)的接收器，或者轉(zhuǎn)發(fā)器。本發(fā)明改進于傳統(tǒng)的CSCA\MA的方式，在802. 11協(xié)議中接入了對可靠多播傳輸以及協(xié)同通信的支持。多個終端構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)之后，通過本發(fā)明中設(shè)計的協(xié)議，可以在信道質(zhì)量較差的情況下，通過解碼失敗的目標節(jié)點尋找信道質(zhì)量較好的其他目標節(jié)點進行協(xié)同傳輸，從而大大降低了通信的誤碼率，提高了系統(tǒng)效率，并節(jié)省了資源。
權(quán)利要求
1.一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，包括以下步驟 1)信道質(zhì)量差的節(jié)點在傳輸中出現(xiàn)錯誤時，向相鄰信道質(zhì)量好的目的節(jié)點請求數(shù)據(jù)，并將其作為中繼節(jié)點； 2)中繼節(jié)點在把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一條的用戶時，同時利用無線通信的廣播特性，向之前出現(xiàn)錯誤的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，該方法具體步驟如下 a)競爭信道成功的源節(jié)點向所有目標節(jié)點發(fā)送RTS信號來預(yù)約信道，而競爭信道失敗的源節(jié)點將自己的退避窗口 CW翻倍之后繼續(xù)等待； b)多個目的節(jié)點收到RTS之后，等待SIFS時間后，回復(fù)CTS； c)源節(jié)點收到所有的CTS之后，經(jīng)過一個SIFS時間后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀中包含了 MAC頭和整體數(shù)據(jù)，所有目的節(jié)點同時開始監(jiān)聽數(shù)據(jù)包； d)所有目的節(jié)點判斷是否解碼成功，若為是，發(fā)送ACK，并執(zhí)行步驟f)，若為否，發(fā)送NACK，同時監(jiān)聽所有的ACK強度，來選擇一個信號質(zhì)量最好的接收成功的節(jié)點加入?yún)f(xié)同通信，并執(zhí)行步驟e); e)所有發(fā)送了NACK的節(jié)點再按照發(fā)送NACK的先后順序，發(fā)送RTR給各自選擇的用于協(xié)同通信的節(jié)點； f)所有源節(jié)點等待DIFS之后開始競爭下一次會話。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，所述的RTS中包含了源節(jié)點地址、目的節(jié)點地址以及通信的持續(xù)時間；當目的節(jié)點收到RTS之后，發(fā)送CTS預(yù)約信道；當非目的節(jié)點的其他節(jié)點收到RTS時，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)向量分配保持空閑直到通信結(jié)束再次參與競爭。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，所述的回復(fù)CTS包括了持續(xù)時間以及當前目的節(jié)點的地址，該回復(fù)CTS的順序與RTS中目的節(jié)點地址的順序一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，所述的ACK中包含發(fā)送ACK的目的節(jié)點的MAC地址。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，其特征在于，所述的RTR中包含申請重新傳輸?shù)墓?jié)點和它所選擇加入?yún)f(xié)同通信的節(jié)點；若一個節(jié)點在成功接收后發(fā)現(xiàn)有RTR需要它進行協(xié)同傳輸，那么在下一次會話中的目的地址列表里接入該接收失敗的節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于可靠多播MAC層協(xié)議的協(xié)同通信方法，包括以下步驟1)當信道差的節(jié)點傳輸中出現(xiàn)錯誤時，向相鄰的信道質(zhì)量好的目的節(jié)點請求數(shù)據(jù)，并將其作為中繼節(jié)點；2)中繼節(jié)點在把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給下一條的用戶時，同時利用無線通信的廣播特性，向之前出現(xiàn)錯誤的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有可提供可靠的通信服務(wù)、提高網(wǎng)絡(luò)的總體流量、充分利用多播本身的樹狀傳輸性質(zhì)以及成功解決無線通信中隱藏站、暴露站問題等優(yōu)點。
文檔編號H04W4/06GK102883277SQ201210414609
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月25日
發(fā)明者趙久旸, 王新兵 申請人:趙久旸