[发明专利]用于无线自组网流内竞争的主动等待传输方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及到计算机网络领域中的介质访问控制方法领域，特指一种用于解决无线自组网流内竞争的主动等待传输方法。

背景技术

无线自组网是一种在没有骨干网络的条件下，由系统中的通信节点通过分布式协议互连或组织起来的无线网络系统，强调的是多跳、自组识、无中心的概念。无线自组网具有独立性、分布性、多跳性和移动性等特点，在民用领域和军事领域均有广泛的应用前景。

由于无线自组网特殊的组网和通信模式，其MAC协议的设计面临着很多具有挑战性的问题。基于竞争机制的MAC协议具有开销较低、实现简单等优势，是研究和应用最广泛的无线自组网MAC协议，IEEE 802.11系列协议则是其典型代表，发展最为迅速，得到业界的支持也最为广泛，已成为无线自组网的一种事实标准。IEEE 802.11标准中的分布式协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)是基于CSMA/CA(带有冲突避免的载波侦听多路访问)机制的MAC协议。该协议采用共享单信道的模式，通过DATA-ACK两次握手或RTS-CTS-DATA-ACK四次握手机制完成分布式数据业务的接入过程，其中四次握手机制基本解决了隐藏终端和暴露终端问题。同时，通过载波侦听、帧间间隔和随机回退等技术控制共享单信道模式下数据报文的冲突，其基本操作过程如图1所示。图中，邻居节点指在传输半径内，可以准确接收并解码报文的节点。邻近节点指在干扰半径内，传输半径外的节点，可以感知节点发送信号但无法准确接收并解码报文。干扰半径比传输半径大，通常是其2倍左右，如图2所示。

发送节点首先通过物理载波侦听机制探测信道状态，若已被占用则继续等待，如果空闲则在信道继续空闲DIFS时长后，启动随机回退时钟，在随机回退时钟结束后，发送RTS报文。接收节点成功接收到RTS报文后，若判断自身周围信道也空闲，则再等待SIFS时长后回送CTS报文，完成控制报文的握手。发送节点在成功接收到CTS报文后，等待SIFS时长，然后立即开始发送数据报文，接收节点在成功接收数据报文后，等待SIFS时长然后回送ACK报文，完成一次数据传输。

IEEE 802.11中定义了两种载波侦听方式：物理载波侦听和虚拟载波侦听。物理载波侦听通过空闲信道判断机制实现，由物理层直接对当前的无线信道状态进行探测，然后将当前的信道状态反馈给MAC层。虚拟载波侦听则是在对接收到的信息进行分析的基础上判断信道将被占用的时间，进而确定自身的发送需要延迟的时间。这个延时信息包含在RTS、CTS和DATA报文的报文头中，具体数值是从节点接收到该报文开始到当前通信结束所需要的时间。在DCF中，虚拟载波侦听是通过网络分配向量(Network Allocation Vector，NAV)直接在MAC层实现的，记录的是一个当前正在进行的传输将占用信道的时间。节点在接收到其他节点之间交换的报文时，就根据报文头中的占用期(duration)的值设置NAV。

在IEEE 802.11 DCF中，连续的帧(即MAC层报文)之间必须保持一定的间隔，以便留给相关的节点足够的处理时间并控制信道资源访问的优先级，即图1中的DIFS，SIFS和EIFS。

在无线自组网中，绝大部分的通信流是多跳的，源节点发出的报文需要在多跳通信路径上经过多次转发才能最终到达目的节点。由于多跳路径上的相邻节点彼此之间是共享无线信道的，因而面临相互竞争，即所谓的流内竞争。流内竞争是无线自组网中多跳通信流所独具的特征，具备特定的属性可以用来优化MAC层协议的设计。如图3所示，假设节点n0有连续的数据报文需要发送给节点n3，由于节点n3在节点n0的通信范围之外，所以需要通过中间节点n1和n2进行转发。在节点n1接收到节点n0发送的报文后，需要转发至节点n2。而此时，节点n0仍然有报文要发送，所以节点n0和n1将竞争共享的空间信道。同样，在节点n2接收到n1转发的报文后，由于需要将报文转发至目的节点n3，同样将与节点n0和n1竞争信道。流内竞争会导致多跳通信路径上各跳之间的吞吐量分布不均衡，最终影响端到端的吞吐量。无线自组网中，只要通信流是多跳的，流内竞争问题就不可避免的存在并制约着系统的性能。