基于信道爭用與集中調(diào)度的全雙工mac的數(shù)據(jù)交換方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種基于信道爭用與集中調(diào)度的 全雙工MC的數(shù)據(jù)交換方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信中同時(shí)同頻全雙工技術(shù)的深入研究，基于全雙工的物理層鏈路設(shè)計(jì) 可使系統(tǒng)的頻譜資源利用率翻倍，也必將能利用全雙工帶來的反向鏈路帶來系統(tǒng)級的網(wǎng)絡(luò) 吞吐量的提升。全雙工技術(shù)不僅可W通過減少信道檢測時(shí)間、降低每次回退的時(shí)間長度，從 而提高系統(tǒng)的吞吐量性能；而且還將對MC層及高層協(xié)議產(chǎn)生重大影響，能夠帶來系統(tǒng)級 的巨大性能增益，比如能夠解決分布式網(wǎng)絡(luò)中的隱藏終端問題、多跳網(wǎng)絡(luò)中端到端大時(shí)延 問題等。
[0003] 目前針對全雙工MC協(xié)議的研究還不是很深入，大多研究是在CSMA/CA協(xié)議的基 礎(chǔ)上加W簡單的推廣，通過最大化利用全雙工收發(fā)調(diào)度實(shí)現(xiàn)吞吐量性能提升，實(shí)際上對全 雙工信道的利用率還是很低下。現(xiàn)有文獻(xiàn)考慮了節(jié)點(diǎn)要么完全隱藏、要么完全碰撞等情況， 卻沒有考慮各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的干擾量，當(dāng)出現(xiàn)一定的干擾時(shí)會降低信道容量，實(shí)際仍然可通過 降低傳輸速率實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?？紤]了干擾水平并調(diào)整全雙工傳輸速率的全雙工MAC協(xié)議， 但由于采用集中式輪詢，當(dāng)接入用戶較多時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延相對較長。此外考慮到全雙工系統(tǒng)仍 然存在部分自干擾信號殘余，實(shí)際全雙工最大傳輸速率相比半雙工會有一定下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于信道爭用 與集中調(diào)度的全雙工MC的數(shù)據(jù)交換方法。 陽0化]本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] 一種基于信道爭用與集中調(diào)度的全雙工MC的數(shù)據(jù)交換方法，其特征在于，該方 法將全雙工信道爭用與全雙工集中調(diào)度有機(jī)結(jié)合，包括：
[0007] 全雙工信道爭用與信息收集；
[0008] 全雙工集中調(diào)度與數(shù)據(jù)交換；
[0009] 多數(shù)據(jù)包集中確認(rèn)。
[0010] 所述的全雙工信道爭用與信息收集為：
[00川 1)信道爭用模塊通過AP發(fā)送一個(gè)爭用開始數(shù)據(jù)包，告知AP覆蓋范圍內(nèi)的所有節(jié) 點(diǎn)，在接下來的爭用窗口，發(fā)送信道爭用請求，內(nèi)容包括開啟的爭用窗口時(shí)隙長度；
[0012] 2)各節(jié)點(diǎn)發(fā)送信道爭用請求，AP則立刻進(jìn)行全雙工發(fā)送請求回復(fù)數(shù)據(jù)包，并完成 相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和干擾矩陣信息收集。
[0013] 所述的爭用窗口期間各節(jié)點(diǎn)不發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，僅發(fā)送全雙工調(diào)度所需的業(yè)務(wù)發(fā)送 請求與干擾水平信息。
[0014] 所述的AP不僅需要節(jié)點(diǎn)所要發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息；還需要收集當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其他 非AP節(jié)點(diǎn)的干擾信息，AP將收集到的干擾水平信息形成一個(gè)干擾水平值矩陣。
[0015] 所述的干擾水平值矩陣G= [G,,k]，
I:其中令節(jié)點(diǎn)N，處接收 來自AP的信號強(qiáng)度Pj與來自節(jié)點(diǎn)Nk的干擾信號強(qiáng)度Ik,i。
[0016] 所述的AP在接收到數(shù)據(jù)包的頭部皿R并識別出其源節(jié)點(diǎn)地址后，利用全雙工技術(shù) 快速地啟動(dòng)發(fā)送進(jìn)程進(jìn)行全雙工爭用回復(fù)，記為FDCTS，使得信道處于忙狀態(tài)，從而有效地 減少其它隱藏節(jié)點(diǎn)的碰撞。
[0017] 此時(shí)，對于隱藏節(jié)點(diǎn)N2來講，只有在Nl發(fā)射皿R期間信道處于空閑，由于皿R部 分非常短，大大降低了碰撞的概率。由于采用了全雙工發(fā)送，相比半雙工RTS-CTS模式，一 是減少了控制信令開銷，RTS-CTS發(fā)送時(shí)間減少至原來的一半，直接提升了MC信道爭用效 率；二是減少了隱藏終端的碰撞問題，減少了因?yàn)榕鲎惨鸬念~外回退與等待開銷，間接地 提升MAC效率。=是一次信道爭用，可W包含該節(jié)點(diǎn)發(fā)送隊(duì)列中多個(gè)數(shù)據(jù)包，可W大幅提高 MAC效率。
[0018] 所述的爭用窗口時(shí)隙長度根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中在AP注冊的節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行計(jì)算得到。
[0019] 全雙工集中調(diào)度中，通過AP半雙工與全雙工發(fā)送，對稱與非對稱全雙工發(fā)送，最 大程度利用全雙工發(fā)送機(jī)會。本發(fā)明中充分考慮了兩大因素。一是考慮了節(jié)點(diǎn)除完全隱藏、 完全碰撞等情況外，還考慮了各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)干擾中間情況。通過降低傳輸速率，仍然可W實(shí) 現(xiàn)有干擾情況下的可靠傳輸。二是考慮了全雙工系統(tǒng)仍然存在部分自干擾信號殘余，實(shí)際 全雙工最大傳輸速率相比半雙工會有一定下降，運(yùn)也是影響物理層吞吐量性能的一個(gè)重要 因素。
[0020] 所述的全雙工集中調(diào)度與數(shù)據(jù)交換為：
[0021] 首先將從各節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送請求組成AP接收隊(duì)列，并將要發(fā)給各節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)組成AP發(fā)送隊(duì)列；
[0022] 然后根據(jù)收集到的干擾矩陣和速率矩陣，決定哪些數(shù)據(jù)包將要全雙工發(fā)送W及每 個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送順序和采用的傳輸速率；
[0023] 最后將調(diào)度情況分發(fā)給所有注冊節(jié)點(diǎn)并開始數(shù)據(jù)交換。
[0024] 所述的全雙工調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)查找最短完成時(shí)間T_C的NP最優(yōu)化問題，全雙 工調(diào)度目標(biāo)是通過使AP接收隊(duì)列和AP發(fā)送隊(duì)列形成最好的全雙工匹配，使數(shù)據(jù)包交換的 完成時(shí)間最少；
[0025] 共有W下兩條約束：約束條件1:節(jié)點(diǎn)N發(fā)送給AP的傳輸速率是固定的，為最大可 利用帶寬，由于能夠抵消自身發(fā)射信號，AP總能正確接收該節(jié)點(diǎn)信號；
[0026] 約束條件2 :AP發(fā)送給其他節(jié)點(diǎn)的傳輸速率需要作調(diào)整，根據(jù)節(jié)點(diǎn)N引起的最高干 擾水平值確定。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械母蓴_情況W及全雙工系統(tǒng)中自干 擾信號殘余等對系統(tǒng)的影響，提出一種基于AP網(wǎng)絡(luò)的全雙工MC協(xié)議，通過全雙工信道爭 用和全雙工集中調(diào)度等機(jī)制，進(jìn)一步提升系統(tǒng)吞吐量性能。一方面通過隨機(jī)信道爭用，來保 證各用戶節(jié)點(diǎn)信道接入的公平性；同時(shí)AP能夠利用全雙工技術(shù)快速地啟動(dòng)一個(gè)發(fā)送進(jìn)程 進(jìn)行爭用回復(fù)，使得信道處于忙狀態(tài)，從而有效地減少其它隱藏節(jié)點(diǎn)的碰撞。另一方面，除 考慮節(jié)點(diǎn)要么完全隱藏、要么完全碰撞外，還考慮節(jié)點(diǎn)間存在干擾情況，通過全雙工集中調(diào) 度調(diào)整節(jié)點(diǎn)發(fā)送順序和AP全雙工發(fā)送速率，來最大化利用全雙工發(fā)送機(jī)會，提升系統(tǒng)的吞 吐量性能。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明基于信道爭用與集中調(diào)度的全雙工MC協(xié)議的數(shù)據(jù)交換流程圖；
[0029] 圖2是本發(fā)明的全雙工信道爭用示意圖；
[0030] 圖3是本發(fā)明的全雙工集中調(diào)度流程圖；
[0031] 圖4是本發(fā)明的全雙工MAC協(xié)議與現(xiàn)有方案的吞吐量性能對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] W下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，W 充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果，但本發(fā)明并不局限于下述實(shí)施例。
[0033] 圖1為本發(fā)明的無線網(wǎng)絡(luò)中基于信道爭用與集中調(diào)度的全雙工MC協(xié)議的數(shù)據(jù)包 交換總流程，具體步驟如下。
[0034] 步驟一：信道爭用模塊通過AP發(fā)送一個(gè)爭用開始數(shù)據(jù)包，告知AP覆蓋范圍內(nèi)的所 有節(jié)點(diǎn)，可W在接下來的爭用窗口，發(fā)送信道爭用請求，內(nèi)容包括開啟的爭用窗口時(shí)隙長度 Lm。、。各節(jié)點(diǎn)發(fā)送信道爭用請求，AP則立刻全雙工發(fā)送請求回復(fù)數(shù)據(jù)包避免隱藏節(jié)點(diǎn)碰撞， 并完成相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和干擾矩陣信息收集。
[0035] 步驟二：調(diào)度模塊根據(jù)收集到相關(guān)信息，決定哪些數(shù)據(jù)包將要全雙工發(fā)送W及每 個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送順序和采用的傳輸速率等，并通過將調(diào)度情況通過調(diào)度數(shù)據(jù)包分發(fā)給所有注 冊節(jié)點(diǎn)并開始數(shù)據(jù)交換。
[0036] 步驟=:進(jìn)行數(shù)據(jù)包集中確認(rèn)，完成一輪數(shù)據(jù)包交換。
[0037] 本發(fā)明作為一種爭用型的全雙工MC協(xié)議，AP通過開放一段窗口時(shí)間用于信道爭 用，期間各節(jié)點(diǎn)不發(fā)送業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，僅發(fā)送全雙工調(diào)度所需的業(yè)務(wù)發(fā)送請求與干擾水平信息。 為了獲得最大化的全雙工發(fā)送，調(diào)度模塊不僅需要節(jié)點(diǎn)所要發(fā)送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息，將多個(gè) 數(shù)據(jù)發(fā)送請求集中在一起進(jìn)行全雙工調(diào)度發(fā)送；還需要收集當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與其他非AP節(jié)點(diǎn)的 干擾信息，AP將收集到的干擾水平信息形成一個(gè)干擾水平值矩陣。
[0038] 圖2為節(jié)點(diǎn)Nl發(fā)起的一次類似RTS的全雙工信道接入請求，記為抑RTS。AP在接 收到該數(shù)據(jù)包的頭部皿R并識別出其源節(jié)點(diǎn)地址后，利用全雙工技術(shù)快速地啟動(dòng)一個(gè)類似 CTS的發(fā)送進(jìn)程進(jìn)行全雙工爭用回復(fù)，記