本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，特別是涉及一種基于雙收單發(fā)的多通道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)商方法。

背景技術(shù)：

無線Mesh網(wǎng)是一種分布式、自組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，其最大的優(yōu)勢在于它天生的網(wǎng)絡(luò)容錯能力、易于架設(shè)，以及較高的帶寬。傳統(tǒng)的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，若有一對通信節(jié)點通信，在處于同一信道的一跳通信范圍內(nèi)的所有的鄰居節(jié)點都要靜默，這樣就會使信道的利用率大幅度降低。

多通道技術(shù)是一種可以使網(wǎng)絡(luò)具備多個物理通道，節(jié)點可以進行多信道通信的技術(shù)。相比于傳統(tǒng)的單信道技術(shù)來說，克服了只能使用單一信道進行通信，所有節(jié)點的數(shù)據(jù)和信令都通過一條物理通道進行傳輸?shù)钠款i，大大提升了網(wǎng)絡(luò)帶寬和系統(tǒng)容量，但給每個節(jié)點配置多個物理通道又會給節(jié)點帶來價格、體積、移動性和耗能等方面的問題。

現(xiàn)有技術(shù)中公開了一種采用基于載波偵聽/沖突避免(CSMA/CA)的接入機制。多用戶情況下，控制信令與用戶數(shù)據(jù)在發(fā)送前需要對信道進行偵聽，若空閑可競爭發(fā)送，若信道忙碌，則等待一段時間直至信道中的數(shù)據(jù)信息傳輸結(jié)束后再發(fā)起。若數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突了還需要進行回退嘗試，進行相關(guān)數(shù)據(jù)信息的重傳。在該機制下，節(jié)點需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息必須通過競爭等待的信令協(xié)商過程，且在節(jié)點密度較大時將產(chǎn)生嚴重的沖突，導(dǎo)致系統(tǒng)性能急劇下降。不太適合高帶寬需求的通信場合，且一些無反饋的信令幀一旦沖突后只能丟失；另外，隱藏終端的問題，也會造成帶寬的大幅度降低。

現(xiàn)有技術(shù)中還公開了一種CSMA/CS機制，節(jié)點設(shè)備有數(shù)據(jù)幀待傳送時，會發(fā)起RTS-CTS幀協(xié)商過程。RTS幀本身帶有兩個目的：預(yù)約無線鏈路的使用權(quán)，并要求接收到這一消息的其他工作節(jié)點保持沉默。一旦收到RTS幀，接收端會以CTS幀應(yīng)答。和RTS幀一樣，CTS幀也會令附近的工作節(jié)點保持沉默。等到RTS/CTS完成交互過程，發(fā)送節(jié)點即可傳送上面要傳送的幀，無需擔(dān)心來自其他隱藏節(jié)點的干擾。在CSMA/CS機制下，節(jié)點設(shè)備有數(shù)據(jù)需要傳輸時，發(fā)起RTS幀，對方節(jié)點必須回復(fù)CTS幀以確定信道可用。在此期間，其他鄰居節(jié)點設(shè)備處于偵聽狀態(tài)。若發(fā)送節(jié)點有多個鄰居，其鄰居節(jié)點的靜默時間則為該發(fā)送節(jié)點設(shè)備與其最遠距離鄰居節(jié)點的消息幀交互時延。這種機制為了減少控制信道的沖突率而犧牲了其帶寬利用率。當(dāng)鄰居節(jié)點個數(shù)增多時，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)收斂時間將惡化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷的基于雙收單發(fā)的多通道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)商方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于雙收單發(fā)的多通道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)商方法，每個節(jié)點都具備主通道和感知通道，主通道能夠發(fā)送或者接收，感知通道只能接收，主通道處于接收狀態(tài)時感知通道也處于接收狀態(tài)，主通道處于發(fā)送狀態(tài)時感知通道處于IDEL狀態(tài)；當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，發(fā)送節(jié)點將主通道切換至發(fā)送狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為控制信道，發(fā)送RTS幀，RTS幀中攜帶的信息包括推薦的數(shù)據(jù)信道，然后發(fā)送節(jié)點將主通道切換至接收狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為推薦的數(shù)據(jù)信道，接收節(jié)點偵聽到RTS幀后，如果接收節(jié)點正處于與其他節(jié)點通信的過程中則不作響應(yīng)，否則接收節(jié)點將主通道切換至發(fā)送狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為推薦的數(shù)據(jù)信道，發(fā)送CTS幀，CTS幀中攜帶確認信息。

進一步，所述主通道的工作信道可在控制信道與多個數(shù)據(jù)信道之間切換，感知通道的工作信道固定為控制信道。這樣將感知通道的工作信道固定為控制信道，大大降低了雙通道的硬件成本。

進一步，接收節(jié)點發(fā)送CTS幀之前，先判斷當(dāng)前的信道占用率是否低于待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值：如果低于，則發(fā)送CTS幀；否則，則等待較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后再檢測新的信道占用率，直至信道占用率低于待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值時才發(fā)送CTS幀。這樣有效省去了CTS幀發(fā)送前的載波偵聽和競爭發(fā)送的等待時間，降低了CTS幀發(fā)送的碰撞率，提升了系統(tǒng)帶寬，相比傳統(tǒng)的CSMA機制更適用于遠距離通信場景。

進一步，所述信道占用率通過式(1)進行計算：

式(1)中，v為信道占用率，T為統(tǒng)計時長，t如式(2)所示；

式(2)中，L_r為接收節(jié)點在控制信道偵聽到的所有RTS幀所指示的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)之和，l_r為接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)所使用調(diào)制編碼模式下每個符號所承載的字節(jié)數(shù)，l_t為接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所使用調(diào)制編碼模式下每個符號所承載的字節(jié)數(shù)為待發(fā)送的CTS幀所使用的調(diào)制編碼模式下的字節(jié)或者符號，t₁為每個符號在空口占用的時間，L_t為接收節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)之和，n為接收節(jié)點發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀的總數(shù)，t₀為傳輸時延。

進一步，所述待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值在接收節(jié)點未上電時通過配置文件導(dǎo)入到接收節(jié)點中。

進一步，所述待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值根據(jù)CTS幀所處的業(yè)務(wù)優(yōu)先級、Q0S信息以及CTS幀所能容忍的數(shù)據(jù)沖突概率得到；所述業(yè)務(wù)優(yōu)先級按照語音、視頻以及盡力而為業(yè)務(wù)分為高、中、低三個優(yōu)先級。

進一步，發(fā)送節(jié)點如果在預(yù)設(shè)時間內(nèi)未收到CTS幀，則將主通道切換至發(fā)送狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為控制信道，然后重新發(fā)送RTS幀，再將主通道切換至接收狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為推薦的數(shù)據(jù)信道。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1)本發(fā)明中每個節(jié)點都具備主通道和感知通道，大大減輕了單信道模式下信令、數(shù)據(jù)共享同一個信道對信令負荷帶來的巨大壓力，通過提高空間復(fù)用度的方法增加了網(wǎng)絡(luò)同時通信的節(jié)點對，減少了信道的干擾，提高了信道的利用率，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)容量；

2)本發(fā)明中，節(jié)點發(fā)送的任何信令幀都是單向的，其響應(yīng)幀都在協(xié)商好的數(shù)據(jù)信道上傳輸，鄰居節(jié)點偵聽到信令幀后無需保持靜默，大大提高了控制信道的信道利用率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式中的無線通信多通道網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)；

圖2為本發(fā)明具體實施方式中的多信道控制信令工作機制；

圖3為本發(fā)明具體實施方式中的基于信道占用率的數(shù)據(jù)發(fā)送判決的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的介紹。

本具體實施方式公開了一種基于雙收單發(fā)的多通道無線Mesh網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)商方法，每個節(jié)點都具備主通道和感知通道，主通道能夠發(fā)送或者接收，感知通道只能接收，主通道處于接收狀態(tài)時感知通道也處于接收狀態(tài)，主通道處于發(fā)送狀態(tài)時感知通道處于IDEL狀態(tài)，主通道的工作信道可在控制信道與多個數(shù)據(jù)信道之間切換，感知通道的工作信道固定為控制信道。當(dāng)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時，發(fā)送節(jié)點將主通道切換至發(fā)送狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為控制信道，發(fā)送RTS幀，RTS幀中攜帶的信息包括推薦的數(shù)據(jù)信道，然后發(fā)送節(jié)點將主通道切換至接收狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為推薦的數(shù)據(jù)信道。接收節(jié)點偵聽到RTS幀后，如果檢測到RTS幀的幀頭中的目的節(jié)點ID號是本節(jié)點，則進行如下判斷：如果接收節(jié)點正處于與其他節(jié)點通信的過程中則不作響應(yīng)；否則接收節(jié)點將主通道切換至發(fā)送狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為推薦的數(shù)據(jù)信道，發(fā)送CTS幀，CTS幀中攜帶確認信息。

其中，節(jié)點ID號是指示節(jié)點的邏輯編號，節(jié)點未上電時通過配置文件導(dǎo)入節(jié)點中，在同一個Mesh網(wǎng)絡(luò)中編號唯一。

接收節(jié)點發(fā)送CTS幀之前，還可以設(shè)置一個判決機制，也即判斷當(dāng)前的信道占用率是否低于待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值：如果低于，則發(fā)送CTS幀；否則，則等待較高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后再檢測新的信道占用率，直至信道占用率低于待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值時才發(fā)送CTS幀。這樣有效省去了CTS幀發(fā)送前的載波偵聽和競爭發(fā)送的等待時間，降低了CTS幀發(fā)送的碰撞率，提升了系統(tǒng)帶寬，相比傳統(tǒng)的CSMA機制更適用于遠距離通信場景。

其中，信道占用率通過式(1)進行計算：

式(1)中，v為信道占用率，T為統(tǒng)計時長，t如式(2)所示；

式(2)中，L_r為接收節(jié)點在控制信道偵聽到的所有RTS幀所指示的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)之和，l_r為接收節(jié)點接收數(shù)據(jù)所使用調(diào)制編碼模式下每個符號所承載的字節(jié)數(shù)，l_t為接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)所使用調(diào)制編碼模式下每個符號所承載的字節(jié)數(shù)為待發(fā)送的CTS幀所使用的調(diào)制編碼模式下的字節(jié)或者符號，t₁為每個符號在空口占用的時間，L_t為接收節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)之和，n為接收節(jié)點發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)幀的總數(shù)，t₀為傳輸時延。

待發(fā)送CTS幀的優(yōu)先級發(fā)送閾值在接收節(jié)點未上電時通過配置文件導(dǎo)入到接收節(jié)點中，根據(jù)CTS幀所處的業(yè)務(wù)優(yōu)先級、Q0S信息以及CTS幀所能容忍的數(shù)據(jù)沖突概率得到；所述業(yè)務(wù)優(yōu)先級按照語音、視頻以及盡力而為業(yè)務(wù)分為高、中、低三個優(yōu)先級。

此外，還發(fā)送節(jié)點可以設(shè)置超時重傳機制：發(fā)送節(jié)點如果在預(yù)設(shè)時間內(nèi)未收到CTS幀，則將主通道切換至發(fā)送狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為控制信道，然后重新發(fā)送RTS幀，再將主通道切換至接收狀態(tài)并將主通道的工作信道調(diào)整為推薦的數(shù)據(jù)信道。

圖1是一個無線通信多通道網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，可見，這個無線Mesh網(wǎng)絡(luò)由A、B、C和D這四個節(jié)點組成，其中任一節(jié)點都在其他節(jié)點的一跳通信干擾范圍內(nèi)。在單信道情況下，在節(jié)點A與B進行通信時，節(jié)點C、D由于和節(jié)點A、B處于同一單信道情況下，依據(jù)協(xié)議必須保持靜默而無法通信，否則會產(chǎn)生信道沖突。

然而，本具體實施方式中的每個節(jié)點都具備主通道和感知通道，其中，主通道稱為P通道，可以傳輸數(shù)據(jù)幀也可以傳輸信令幀，可工作在不同信道上；感知通道稱為S通道，只用來感知信令，工作在控制信道Fc上。

假設(shè)節(jié)點A和B使用信道Fd1通信時，為了避免同信道的沖突，節(jié)點C和D可以使用信道Fd2進行通信，并且不會對節(jié)點A和B的鏈路產(chǎn)生干擾。節(jié)點A、B、C和D的S通道共享同一個控制信道Fc，這樣當(dāng)節(jié)點A在Fd1上進行數(shù)據(jù)接收的同時也可以偵聽Fc信道上其他節(jié)點發(fā)送的信令信息，這樣大大減輕了單信道模式下信令、數(shù)據(jù)共享同一個信道對信令負荷帶來的巨大壓力，利用提高空間復(fù)用度的方法，增加網(wǎng)絡(luò)同時通信的節(jié)點對，減少了信道的干擾，提高信道的利用率，顯著提高網(wǎng)絡(luò)容量。同時，S通道的簡化設(shè)計也大大降低了雙通道的硬件成本。

圖2描述了多通道架構(gòu)下的非對稱信令交互模式。如圖2所示，假設(shè)節(jié)點A要向節(jié)點B發(fā)送業(yè)務(wù)，A必須先發(fā)起協(xié)商，確定本次業(yè)務(wù)的流量及工作信道。這個過程是通過RTS幀與CTS幀來完成的，協(xié)商過程如下：

1)節(jié)點A根據(jù)調(diào)度器調(diào)度的結(jié)果將發(fā)送數(shù)據(jù)長度、推薦工作信道、發(fā)送數(shù)據(jù)流量相關(guān)信息(這里主要是調(diào)制編碼模式，但不限于此)組RTS幀在Fc信道上進行發(fā)送，并開啟重傳定時器t1，然后切換至數(shù)據(jù)信道Fd上進行接收；

2)節(jié)點B幀聽到RTS幀后，若此時正處于與其鄰居節(jié)點D通信過程中，則不做響應(yīng)，丟棄該幀；否則切換至Fd回應(yīng)CTS幀，幀中攜帶確認信息。

3)節(jié)點A若接收到CTS幀，則停止重傳定時器t1，否則切換至Fc信道，重新發(fā)送RTS幀。

傳統(tǒng)CSMA機制下，節(jié)點A發(fā)送完RTS幀后需要等待對方的CTS幀，在此期間其他鄰居節(jié)點接收到該RTS幀后需要保持靜默，以避免與節(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)沖突，在遠距離通信中(>100km)，空口傳輸時間>1ms,在此期間不能進行任何信令傳輸，從而造成控制信道利用率的降低。而在本具體實施方式中，節(jié)點發(fā)送的任何信令幀都是單向的，其響應(yīng)幀都在協(xié)商好的數(shù)據(jù)信道上進行傳輸，鄰居節(jié)點在偵聽到RTS幀后無需保持靜默，大大提高了控制信道的信道利用率。

協(xié)商完畢后，節(jié)點A和B開始在Fd1信道上進行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點A上電后即啟動信道統(tǒng)計定時器t2，設(shè)定時長為T。節(jié)點A的本地內(nèi)存維護一張信道統(tǒng)計列表，列表以信道號為索引，表中記錄以下信息：統(tǒng)計時間T內(nèi)節(jié)點A接收與發(fā)送數(shù)據(jù)幀數(shù)n、節(jié)點A成功發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)Lr以及節(jié)點A偵聽到的其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)Lt。然后根據(jù)式(1)和式(2)計算得到每個數(shù)據(jù)信道的信道占用率。

節(jié)點A的MAC層將從網(wǎng)絡(luò)層來的數(shù)據(jù)包按照業(yè)務(wù)優(yōu)先級進行分類，在本具體實施方式中，將業(yè)務(wù)按照語音、視頻及盡力而為業(yè)務(wù)分為高、中、低三級并分別入優(yōu)先級隊列。節(jié)點A的調(diào)度器按照優(yōu)先級對隊列進行調(diào)度，然后將所選信道的信道占用統(tǒng)計v與欲發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級發(fā)送閾值v0進行比較，當(dāng)v<v0時數(shù)據(jù)包將被發(fā)送，當(dāng)v>v0時數(shù)據(jù)包將要在此數(shù)據(jù)包對應(yīng)的優(yōu)先級隊列中等待一段時間，直到高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，該數(shù)據(jù)包才能再次檢測“信道占用統(tǒng)計”v，判斷能否發(fā)送。

以上過程的流程圖如圖3所示，由于高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的閾值高于低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的閾值，在信道統(tǒng)計統(tǒng)計時間段T內(nèi)，信道占用統(tǒng)計隨數(shù)據(jù)包的發(fā)送不斷累積，首先達到低優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包的閾值，此時低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包將停止發(fā)送，而高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包還可以繼續(xù)發(fā)送。在信道統(tǒng)時間段結(jié)束時，將產(chǎn)生出新的信道統(tǒng)計窗口并檢測得到新的信道占用統(tǒng)計，此時較低業(yè)務(wù)優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包可以重新嘗試發(fā)送。根據(jù)該算法可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流量的控制。