[发明专利]基于队列长度和冲突风险的信道接入方法

说明书

本发明涉及一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法，包括以下步骤：节点在发送之前根据队列信息中各节点的状态预测数据包的冲突风险，优先发送冲突风险小的数据包；当接收节点一跳范围内有活跃节点时，发送节点以通知帧形式传输队列信息，发送成功后再发送数据。本发明利用节点队列信息，降低隐藏终端引起的冲突，提高网络吞吐量，及降低传输时延。

技术领域

本发明涉及无线自组网技术领域，特别是涉及一种基于队列长度和冲突风险的信道接入方法。

背景技术

无线Mesh网络(Wireless Mesh Networks，WMNs)由无线路由器和终端设备组成，融合了无线局域网(WLAN)和无线自组网(Ad-Hoc)技术，是自组织、多跳的分布式网络。WMNs相对于传统的无线网络不仅具有高速率和高容量的优势，还具有覆盖范围广、传输可靠性高和扩展性强等优势。WMNs自身的各种优势和特点，使得它不仅可以应用于城域网、物联网，也可以应用于无线传感网、应急通信、智能交通、军事通信等领域。但是目前WMNs并没有在现实生活中实现大范围的部署和应用，在实际应用方面它还存在诸多技术问题亟需解决。介质访问控制(MediaAccess Control,MAC)层的信道介入机制作为无线Mesh网络的核心技术还存在很多问题是限制其走向应用的重要因素。

MAC层是网络的重要组成部分，负责为节点分配无线通信资源并控制节点的物理层，直接影响信道利用率、网络延时、系统功耗以及信道使用的公平性等等。由于缺乏固定基础设置，当节点加入分布式网络，接入信道，抢占资源时，必须要自行组织并重新配置。所有节点的本质上都是相同的，并且网络中没有自然的分级或中央控制器，所有的功能都必须在节点之间分布。如何在有限的无线信道资源条件下充分利用信道，使各个用户能够高效快速的接入信道是MAC协议的关键任务。

分布式信道接入的典型代表为IEEE 802.11DCF(Distributed CoordinationFunction)协议，目前已被广泛应用于Ad-Hoc网络的各种仿真。分布式接入较为灵活，在节点密度较小、网络业务负载较轻的情况下，采用该协议可以获得较好的网络性能，因而适用于多跳Mesh网络。CSMA/CA是802.11DCF等众多协议的基础，隐藏节点问题是其最大的缺点之一。隐藏节点影响数据的正确接收，引起数据的频繁重传，而且过多的重传使MAC层认为接收节点失效，向网络层报告链路失败，网络层重新启用路由选择过程，导致网络冲突加剧，吞吐量急剧降低。

802.11DCF以RTS/CTS机制解决隐藏节点问题，是目前无线网络中使用最广泛的协议。节点在发送大数据包之前通过RTS/CTS握手预留信道资。如图1所示(R为节点发送半径)，节点A向节点B发送数据之前先向节点B发送RTS消息，节点B收到RTS消息后如果允许节点A发送数据则回复CTS消息，RTS/CTS中包含后续数据传输所需的时间信息，节点A和节点B周围收到RTS、CTS消息的节点在传输数据的时间内保持静默，不发送任何消息。在高业务量网络中RTS/CTS可以有效提高网络性能，但是RTS/CTS本身会因隐藏节点问题握手失败，同时存在暴露节点的问题，网络性能提升有限。802.11DCF解决隐藏节点问题主要基于一种假设，认为所有隐藏节点位于接收节点的发送范围内。但是，通信范围和干扰范围的不同会导致RTS/CTS机制失效。

Takeda等人提出一种基于队列长度交互的调度方案以解决隐藏节点问题。节点实时交换队列信息，允许两跳范围内队列长度最长的节点发送数据。节点分为活跃(active)和非活跃(inactive)两种状态，使用CSMA方式接入信道。当退避计数器为0时，active节点可以接入信道发送数据，inactive节点只可以回复。节点通过数据帧和ACK交换队列信息，其余节点监听信道更新队列信息。队列信息包括发送节点，接收节点，发送节点一跳范围内除接收节点以外的队列长度最大节点的ID、当前状态、队列长度。