[发明专利]一种基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法

摘要

本发明公开了一种无线网络中基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法，提出基于两阶段竞争的TF‑MAC协议以优化全双工无线网络的吞吐量，此控制协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法两部分组成，不仅解决了全双工网络中的隐藏节点问题也减少了第一阶段传输和第二节点传输中的数据帧碰撞，同时适用于两节点对称全双工链路和三节点非对称全双工链路，通过三种类型竞争节点传输概率的选择，可以得到全双工无线网络的最优吞吐量，考虑级联的二维马尔科夫链模型以分析采用TF‑MAC协议的全双工无线网络的性能，得到全双工无线网络吞吐量的闭式表达式，仿真结果验证了所提出的TF‑MAC协议的有效性。

主权项

一种无线网络中基于两阶段竞争的全双工媒体接入控制协议的方法，其特征在于：该接入控制协议由RTS/FCTS/CTS握手机制和全双工退避算法构成，RTS/FCTS/CTS握手机制显著减少RTS控制帧和FCTS控制帧的碰撞；所述算法可以减少数据传输的碰撞概率并增加第二阶段传输的节点建立全双工链路的机会；所述 RTS/FCTS/CTS握手机制为五次握手过程的数据传输，同时适用于两节点全双工双向链路、三节点非对称全双工链路和半双工链路；对于两节点全双工双向链路，一旦节点A有数据需要传输给节点B，节点A首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，此时，节点A广播其RTS控制帧以竞争信道1，一旦节点B接收到来自节点A的RTS控制帧，节点B通过发送FCTS开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点A等待一段退避时间后再进行数据传输，当节点A成功接收到FCTS控制帧，并且节点的退避时间小于DIFS时间间隔，节点A等待SIFS时间间隔，并且发送CTS控制帧给节点B；然后，在一个SIFS时间间隔之后，节点A和节点B同时传输各自数据至节点B和节点A，数据传输的时长以节点A和节点B所需传输的数据帧帧长较长者为准；在一个SIFS时间间隔之后，节点A发送ACK确认帧给节点B，同时节点B发送ACK确认帧给节点A，两节点全双工双向链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被节点A接收，节点A接收到节点B的ACK确认帧，节点A等待一个SIFS时间间隔然后传输它的数据帧给节点B，一旦数据传输结束，节点B等待一个SIFS时间间隔并发送ACK确认帧给节点A，两点全双工双向链路退化为半双工模式；对于三节点非对称全双工链路，节点C有数据需要传输给节点D，与此同时，节点D也有数据需要传送给节点E，节点C首先监听信道1，如果信道1已经空闲的时间超过DIFS时间间隔并且退避计数器的数值达到0，则节点C广播其RTS控制帧以竞争信道1，当节点D成功的接收到来自节点C的RTS控制帧，节点D等待一个SIFS时间间隔，然后通过广播FCTS控制帧开始竞争信道1对应的全双工信道，否则，节点C推迟它的数据传输；当节点D的退避时间小于DIFS时间间隔且节点C和节点E成功的接收到FCTS控制帧，则节点E等待SIFS时间间隔，然后发送CTS控制帧给节点D；在SIFS时间间隔后，节点C和节点D分别发送各自的数据给节点D和节点E；数据传输时长取节点C和节点D数据帧帧长的较大值；在一个SIFS时间间隔后，节点D和节点E分别发送各自的ACK确认帧给节点C和节点D；此时，三节点非对称全双工链路建立；如果FCTS控制帧没有成功被接收，假设节点C接收到来自节点D的CTS控制帧节点C等待一个SIFS时间间隔后传输数据给节点D，一旦数据传输完成，节点D等待一个SIFS时间间隔之后发送ACK确认帧给节点C，三节点非对称全双工传输退化为半双工传输模式；全双工数据传输在信道竞争中有两个阶段，两阶段竞争由第一阶段传输的RTS竞争阶段和第二阶段传输的FCTS竞争组成，在RTS竞争阶段，有数据需要在第一阶段传输的节点通过发送RTS控制帧竞争信道1，这些节点被定义为RTS1节点，只有一个RTS1节点可以占据信道1，在FCTS竞争阶段，如果节点有数据发送给已占据信道1的RTS1节点，则这些节点发送FCTS控制帧或是RTS控制帧竞争信道1对应的全双工信道，节点中发送RTS控制帧的称为RTS2节点，发送FCTS控制帧的称为FCTS节点，在所有节点中，只有一个FCTS节点，如果碰撞发生在RTS竞争阶段，可以由FCTS控制帧反馈的缺失及早发现碰撞，在FCTS竞争阶段，可以由CTS控制帧反馈的缺失来发现FCTS竞争阶段的碰撞，在TF‑MAC协议中，采用离散整数的时间退避尺度，退避时间的单位为时隙，记为，FCTS竞争阶段竞争节点的退避时间，记为，假定节点只有在每个时隙的开始才可以传输数据；竞争节点的退避算法：初始竞争窗口大小记为，竞争窗口大小由一个底数为的指数函数表示，退避阶段的竞争窗口大小定义为，竞争节点处于退避阶段时，退避计数器数值大小在中等选择，每个值是等概率选择，每过一个时隙，退避计数器数值减一，一旦退避计数器的数值减小为0，竞争节点发送控制帧给目的节点，如果数据传输发生碰撞，数据传输退避阶段由转移至.如果数据传输成功，状态由退避阶段转移至退避阶段0.表示退避阶段的最大值，如果大于/小于1，每次数据传输失败，窗口大小乘以直到它等于最大/最小窗口值若数据传输成功，的值均被重置为，基于竞争接节点传输碰撞的历史，初始窗口的大小及的取值可以动态调整，全双工退避算法由一系列退避竞争窗口大小表示：的大小取决于竞争节点的初始窗口，最大的退避阶段及的取值；竞争节点的退避时间记为是一个服从均匀分布的随机整数，的取值范围为，。