無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法，該無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法包括：在無線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在MAC子層采用同步帶沖突避免的載波多路接入CSMA/CA協(xié)議；在邏輯鏈路控制LLC子層，按照圖的分布式極大獨(dú)立集MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度。本發(fā)明能夠使無線自組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路調(diào)度算法的收斂時(shí)間更短，相對于傳統(tǒng)的單純采用CSMA/CA協(xié)議的鏈路層，提高了帶寬性能。
【專利說明】無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)是由分布式無線節(jié)點(diǎn)組成的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用范圍非常廣泛。最具有代表性的應(yīng)用為視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)被監(jiān)控區(qū)域范圍大，布線困難時(shí)，采用每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)配備一個(gè) X/GPRS (3GPP, 3rd Generation partnership pro ject, 3 代合作項(xiàng)目 /GeneralPacketRadio Service,通用分組無線業(yè)務(wù))通信模塊的方案,其制造成本和運(yùn)營成本在目前來說都是比較高的。一種廉價(jià)的方案是采用無線自組網(wǎng)絡(luò)方式將監(jiān)控視頻傳遞到服務(wù)器，這種方案不僅不需要3G/GPRS通信模塊，而且無需任何額外的中間基站設(shè)備，成本可控。從而使無線自組網(wǎng)絡(luò)在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、防恐反恐、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。
[0003]當(dāng)節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)量很大時(shí)，這種無線自組網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式就會(huì)有很大的問題，由于基本上所有的節(jié)點(diǎn)都有大量的數(shù)據(jù)要發(fā)送，造成臨近節(jié)點(diǎn)之間會(huì)發(fā)生經(jīng)常性的碰撞，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬急劇下降，最終使得應(yīng)用無法進(jìn)行下去。例如，在無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最常用的 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance,帶沖突避免的載波多路接入)協(xié)議雖然在輕負(fù)載的情況下可以正常工作，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)帶寬不升反降。因此，必須要對無線鏈路之間的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間做一定的約束，使得相互之間存在相互干擾的鏈路錯(cuò)開發(fā)送時(shí)段，以避免可能的沖撞。換句話說，必須在傳統(tǒng)MAC(MediaAccess Control,媒體接入控制)子層協(xié)議的基礎(chǔ)上,再加上一層LLC(Logical LinkControl，邏輯鏈路控制)子層協(xié)議，對鏈路進(jìn)行合理調(diào)度，達(dá)到增加無線帶寬的目的。
[0004]目前，已經(jīng)提出了多種適合于無線自組網(wǎng)絡(luò)的鏈路調(diào)度算法。然而，它們普遍存在的問題是算法的收斂時(shí)間太長，甚至于算法不能保證收斂，從而導(dǎo)致真正用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間反而相對縮小，實(shí)際帶寬增加效果并不明顯，甚至反而有所降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明實(shí)施例提供了一種無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法，用以使無線自組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路調(diào)度算法的收斂時(shí)間更短，該方法包括:
[0006]在無線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在MAC子層采用同步CSMA/CA協(xié)議；在LLC,按照圖的分布式MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度。
[0007]較佳地，在LLC，按照MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度時(shí)，MIS算法為Schneider分布式MIS算法。
[0008]較佳地，按Schneider分布式MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度，包括:
[0009]將一個(gè)競爭子幀分為多個(gè)等時(shí)的競爭期，在每個(gè)競爭期，每個(gè)節(jié)點(diǎn):
[0010]在收集子階段，和其鄰居節(jié)點(diǎn)交換ID和狀態(tài)信息，并根據(jù)收集的ID和狀態(tài)信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)的新狀態(tài)；
[0011]在反饋?zhàn)与A段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)閐ominator或blocker狀態(tài)時(shí),將新狀態(tài)通知鄰居節(jié)點(diǎn)；
[0012]其中，一個(gè)時(shí)幀分為一個(gè)競爭子幀和一個(gè)數(shù)據(jù)子幀，在競爭子幀中確定將在數(shù)據(jù)子幀中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將在數(shù)據(jù)子幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。
[0013]較佳地，收集子階段與反饋?zhàn)与A段占有同樣個(gè)數(shù)的時(shí)槽，其中，競爭期以時(shí)槽為單位組成。
[0014]較佳地，將收集子階段與反饋?zhàn)与A段建模成相同的馬氏鏈，馬氏鏈的狀態(tài)為后退階段計(jì)數(shù)器和后退時(shí)間計(jì)數(shù)器的聯(lián)合；
[0015]其中，后退階段計(jì)數(shù)器和后退時(shí)間計(jì)數(shù)器根據(jù)CSMA/CA協(xié)議的過程定義，后退階段計(jì)數(shù)器記錄已經(jīng)后退的階段數(shù)，后退時(shí)間計(jì)數(shù)器記錄從當(dāng)前階段起始到當(dāng)前時(shí)刻已經(jīng)后退的時(shí)槽數(shù)。
[0016]本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案中，由于考慮到大規(guī)模無線自組網(wǎng)絡(luò)中存在半雙工無線收發(fā)器的節(jié)點(diǎn)，因此在MAC子層采用同步CSMA/CA協(xié)議；在LLC，按照圖的分布式MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度，采用的協(xié)議能夠很好的適應(yīng)半雙工通信平臺的高帶寬無線自組網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，所以能夠使無線自組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路調(diào)度算法的收斂時(shí)間更短，相對于傳統(tǒng)的單純采用CSMA/CA協(xié)議的鏈路層，提高了帶寬性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中:
[0018]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法實(shí)施流程示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中用于建模在CSMA/CA協(xié)議上的競爭和反饋?zhàn)与A段的馬氏鏈狀態(tài)轉(zhuǎn)化示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中實(shí)施實(shí)例實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。
[0022]發(fā)明人在發(fā)明過程中注意到:
[0023]目前，已經(jīng)提出了多種適合于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的鏈路調(diào)度算法。然而，它們普遍存在的問題是算法的收斂時(shí)間太長，甚至于算法不能保證收斂，從而導(dǎo)致真正用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間反而相對縮小，實(shí)際帶寬增加效果并不明顯，甚至反而有所降低。此外，有些算法還假定節(jié)點(diǎn)具有按需可滿足的全雙工無線收發(fā)能力，而在現(xiàn)實(shí)中，由于成本、體積、當(dāng)前的技術(shù)制約等方面因素的影響，節(jié)點(diǎn)往往只有一個(gè)半雙工的無線射頻收發(fā)器，和假設(shè)并不能契合。因此這些算法的實(shí)用性不強(qiáng)。最后，目前所有的研究者都不去考慮MAC子層的特點(diǎn)，而對LLC子層進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)。顯然，一個(gè)實(shí)用的、性能優(yōu)越的LLC子層的某些參數(shù)的取值必定會(huì)受到MAC子層的限制。只有綜合考慮LLC子層和MAC子層，才能設(shè)計(jì)出高性能的鏈路層協(xié)議。
[0024]基于此，在本發(fā)明實(shí)施例提出的技術(shù)方案中，針對由只有一個(gè)半雙工無線收發(fā)器的節(jié)點(diǎn)所組成的大規(guī)模無線自組網(wǎng)絡(luò)，提出一個(gè)高帶寬的鏈路層協(xié)議。協(xié)議的MAC子層采用同步CSMA/CA協(xié)議，以適應(yīng)半雙工無線收發(fā)器的特點(diǎn)；LLC子層按照圖的分布式MIS(Maximal Independent Set,極大獨(dú)立集)算法而設(shè)計(jì)，以適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的需要。和單純采用CSMA/CA協(xié)議相比，帶寬得到了極大的提高。下面進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法實(shí)施流程示意圖，如圖1所示，可以包括如下步驟:
[0026]步驟101、在無線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在MAC子層采用同步CSMA/CA協(xié)議；
[0027]步驟102、在無線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在LLC子層，按照圖的分布式極大獨(dú)立集(MIS)算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度。
[0028]實(shí)施中，步驟101與102之間并無時(shí)序要求，二者均是在無線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中同時(shí)采用并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)的。
[0029]對于CSMA/CA協(xié)議和圖的分布式MIS算法，實(shí)施方式如下:
[0030]一、CSMA/CA是適合于無線傳輸系統(tǒng)的經(jīng)典的MAC子層協(xié)議，非常適合于半雙工射頻收發(fā)器，在 WIFKffireless Fidelity,無線保真技術(shù))、IEEE802.15.4(IEEE, InstituteofElectrical and Electronics Engineers,電氣和電子工程師學(xué)會(huì))等已經(jīng)大規(guī)模商用化的系統(tǒng)中早已得到應(yīng)用，成為無線傳輸系統(tǒng)MAC子層事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。其基本原理為:當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一段時(shí)間后進(jìn)行信道偵聽，若信道忙，則繼續(xù)按照二進(jìn)制退避算法進(jìn)行退避。在退避期間，節(jié)點(diǎn)仍然可以進(jìn)行接收操作。
[0031]二、在圖的分布式MIS算法實(shí)施中，需要考慮的問題是實(shí)現(xiàn):(I)分布式的實(shí)現(xiàn)方式；(2)快速的收斂時(shí)間。
[0032]實(shí)施中，在LLC，按照圖的分布式極大獨(dú)立集(MIS)算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度時(shí)，MIS算法為Schneider分布式MIS算法。
[0033]具體的，由于Schneider提出的分布式MIS算法具有完全分布式和快速收斂的特點(diǎn)，因而實(shí)施中可以選用其作為基礎(chǔ)。從狀態(tài)圖的角度簡單論述其算法基本思想如下:
[0034]節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)包括:dominator (支配者)、dominated (被支配者)、ruler (暫停者)、ruled (被暫停者)、blocker (阻塞者)、blocked (被阻塞者)。其中 dominator 和 dominated是終態(tài)，ruler、ruled、blocker、blocked是暫態(tài)。初始時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都是dominator,經(jīng)過一定時(shí)間的競爭后，最終計(jì)算出MIS集合，其中屬于MIS集合的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為dominator，不屬于MIS集合的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為dominated。
[0035]在Schneider的算法中，一個(gè)時(shí)巾貞分為一個(gè)競爭子巾貞和一個(gè)數(shù)據(jù)子巾貞,其中在競爭子幀中確定將在數(shù)據(jù)子幀中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將在數(shù)據(jù)子幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。算法在實(shí)現(xiàn)過程中，將一個(gè)競爭子幀再分為多個(gè)等時(shí)的競爭期。在每個(gè)競爭期，每個(gè)節(jié)點(diǎn)做三個(gè)步驟:
[0036](I)和其鄰居節(jié)點(diǎn)交換ID (Identity,標(biāo)識)和狀態(tài)信息；[0037](2)根據(jù)收集的ID和狀態(tài)信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)的新狀態(tài)；
[0038](3)將新狀態(tài)通知鄰居節(jié)點(diǎn)。
[0039]Schneider算法假定節(jié)點(diǎn)具有任意的同時(shí)進(jìn)行收發(fā)的能力，因此上述三個(gè)步驟可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成。Schneider算法的核心就在于如何根據(jù)鄰居的ID和狀態(tài)信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)的新狀態(tài)，該方法被稱為“擴(kuò)展確定性投幣”(EDCT, Extended Deterministic CoinTossing)。EDCT方法是Schneider算法能夠收斂的根本。
[0040]然而EDCT要求節(jié)點(diǎn)具有任意可滿足的雙工射頻收發(fā)能力，這也使得Schneider算法的實(shí)用性大打折扣。在節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)半雙工無線射頻收發(fā)器的場景下，要想把Schneider算法擴(kuò)展到該平臺上，實(shí)施中就需要解決如何在競爭期內(nèi)保證完成EDCT過程；進(jìn)一步的還需要使競爭期的時(shí)間盡可能短，以壓縮競爭子幀的時(shí)長。
[0041]下面對解決的方案實(shí)施說明如下:
[0042]在采用CSMA/CA作為MAC子層協(xié)議的前提下，在本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案中，可以將在一個(gè)競爭期內(nèi)的EDCT算法的執(zhí)行過程建模成一個(gè)馬氏鏈，以確定最佳的時(shí)長。從而把基于CSMA/CA的MAC子層和基于圖的分布式MIS算法的LLC子層有效地結(jié)合起來，成為一個(gè)完整的鏈路層協(xié)議。兩者的結(jié)合，使得在現(xiàn)有的相對廉價(jià)的平臺上實(shí)現(xiàn)了高帶寬的無線傳輸，從而極大擴(kuò)展了無線自組網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。具體的:
[0043]實(shí)施中，可以按Schneider分布式MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度，包括:
[0044]將一個(gè)競爭子幀分為多個(gè)等時(shí)的競爭期，在每個(gè)競爭期，每個(gè)節(jié)點(diǎn):
[0045]在收集子階段，和其鄰居節(jié)點(diǎn)交換ID和狀態(tài)信息，并根據(jù)收集的ID和狀態(tài)信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)的新狀態(tài)；
[0046]在反饋?zhàn)与A段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)閐ominator或blocker狀態(tài)時(shí),將新狀態(tài)通知鄰居節(jié)點(diǎn)；
[0047]其中，一個(gè)時(shí)幀分為一個(gè)競爭子幀和一個(gè)數(shù)據(jù)子幀，在競爭子幀中確定將在數(shù)據(jù)子幀中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將在數(shù)據(jù)子幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。
[0048]進(jìn)一步的實(shí)施中，收集子階段與反饋?zhàn)与A段占有同樣個(gè)數(shù)的時(shí)槽，其中，競爭期以時(shí)槽為單位組成。
[0049]進(jìn)一步的實(shí)施中，將收集子階段與反饋?zhàn)与A段建模成相同的馬氏鏈，馬氏鏈的狀態(tài)為后退階段計(jì)數(shù)器和后退時(shí)間計(jì)數(shù)器的聯(lián)合；
[0050]其中，后退階段計(jì)數(shù)器和后退時(shí)間計(jì)數(shù)器根據(jù)CSMA/CA協(xié)議的過程定義，后退階段計(jì)數(shù)器記錄已經(jīng)后退的階段數(shù)，后退時(shí)間計(jì)數(shù)器記錄從當(dāng)前階段起始到當(dāng)前時(shí)刻已經(jīng)后退的時(shí)槽數(shù)。
[0051]下面對協(xié)議中的實(shí)施進(jìn)行說明。
[0052](I) Schneider 算法的實(shí)現(xiàn)。
[0053]Schneider算法是一個(gè)分布式的算法。為了便于理解和實(shí)現(xiàn)，實(shí)施中采用狀態(tài)機(jī)方式進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種無線自組網(wǎng)絡(luò)中的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸方法，其特征在于，該方法包括: 在無線自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，在媒體接入控制MAC子層采用同步帶沖突避免的載波多路接入CSMA/CA協(xié)議；在邏輯鏈路控制LLC子層，按照圖的分布式極大獨(dú)立集MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在LLC子層，按照MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度時(shí)，MIS算法為施耐德Schneider分布式MIS算法。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，按Schneider分布式MIS算法對鏈路進(jìn)行調(diào)度，包括: 將一個(gè)競爭子幀分為多個(gè)等時(shí)的競爭期，在每個(gè)競爭期，每個(gè)節(jié)點(diǎn): 在收集子階段，和其鄰居節(jié)點(diǎn)交換標(biāo)識ID和狀態(tài)信息，并根據(jù)收集的ID和狀態(tài)信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)的新狀態(tài)； 在反饋?zhàn)与A段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變?yōu)橹湔遜ominator或阻塞者blocker狀態(tài)時(shí),將新狀態(tài)通知鄰居節(jié)點(diǎn)； 其中，一個(gè)時(shí)幀分為一個(gè)競爭子幀和一個(gè)數(shù)據(jù)子幀，在競爭子幀中確定將在數(shù)據(jù)子幀中發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將在數(shù)據(jù)子幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，收集子階段與反饋?zhàn)与A段占有同樣個(gè)數(shù)的時(shí)槽，其中，競爭期以時(shí)槽為單位組成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將收集子階段與反饋?zhàn)与A段建模成相同的馬氏鏈，馬氏鏈的狀態(tài)為后退階段計(jì)數(shù)器和后退時(shí)間計(jì)數(shù)器的聯(lián)合； 其中，后退階段計(jì)數(shù)器和后退時(shí)間計(jì)數(shù)器根據(jù)CSMA/CA協(xié)議的過程定義，后退階段計(jì)數(shù)器記錄已經(jīng)后退的階段數(shù)，后退時(shí)間計(jì)數(shù)器記錄從當(dāng)前階段起始到當(dāng)前時(shí)刻已經(jīng)后退的時(shí)槽數(shù)。
【文檔編號】H04W74/08GK103607776SQ201210530584
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月10日
【發(fā)明者】徐朝農(nóng), 徐勇軍 申請人:中國石油大學(xué)(北京)