基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法技术

本发明专利技术涉及一种基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法，包括：步骤一、根据信道使用情况和数据缓存队列长度计算节点需要占用的时隙数目；步骤二、信道空闲时，符合条件的节点通过CSMA竞争信道，成功竞争到信道资源的节点传输数据；步骤三、成功传输数据的节点预留时隙；步骤四、当信道负载超过阈值，或预留节点缓存队列数据量为0时释放时隙。本发明专利技术能够减少接入和调整时隙带来的冲突，并且提高系统的吞吐量。

【技术实现步骤摘要】
基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法
本专利技术涉及无线自组网
，特别是涉及一种基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法。
技术介绍
无线自组网是由一组按需组建的、没有任何固定基础设施辅助的可移动终端组成的，无任何中心实体，各个节点自由移动，地位相等，在复杂多变的无线环境中自行构成网络。Ad-hoc网络具有无中心、临时自组织、分布式控制、多跳传输、移动性等突出特点。从目前无线自组网的应用情况来看，802.11协议已经成为无线自组网中研究和应用最为广泛的协议，并提供一定的MAC层支持。信道利用率的提升是ad-hoc网络的一个关键问题。随着通信技术的不断提升，ad-hoc网络的发展规模越来越大，其传输数据的多样化和扩大化趋势对网络的信道资源获取有了更高的需求。由于自组网的一些固有属性，其传统的分布式信道分配机制难以满足大量数据传输的要求。基于802.11协议，国内外众多研究者提出了许多无线自组网中MAC层信道分配与接入的改进措施和新方案，力求解决信道争用、隐藏终端、暴露终端以及信令开销等问题，并且为业务传输提供优先级别和更高的占用资源能力，降低传输时延，实现大量数据的传输。虽然近十几年来关于无线自组网的研究取得了很多成果，但相对于物联网的快速发展和广泛应用，其仍存在诸多需要研究和实践的问题。在实际应用中，人们已经不仅仅满足于数据消息的传输，语音、视频等多媒体业务的传输需求日益增长，这使得如何保障无线自组网环境下的大量业务传输成为迫切需要解决的问题，这对网络容量提出了更高的要求。目前ad-hoc网络较多采用802.11协议中DCF退避机制作为信道接入方式，其节点采用CSMA方式公平竞争接入信道。有数据待发送节点通过竞争获取信道使用权。首先，对信道进行监听，若信道持续空闲一段时间(称这段时间为DCF帧间间隔，DIFS，即DCFinterframespace)，则节点认为此时信道空闲，可以争用；否则节点继续监测信道。当检测到信道持续空闲DIFS时间时，通过退避计数器(backoffcounter，BC)随机选取一延迟时间，并进行回退。延迟时间在[0，ω-1]之间均匀选取，ω被称为竞争窗口，它跟节点的数据包传送失败次数有关。之后，当节点监测到信道空闲时，计数器回退减1；当监测到信道忙时，冻结计数器，等待下一次信道空闲，并在信道持续空闲DIFS时间时重新激活计数器，继续执行BC倒数。若BC减至0，节点开始发起数据传输，并等待确认反馈。在突发异构业务下，CSMA机制表现良好；但当节点数增多时，大量的碰撞将导致CSMA的性能急剧下降。随着负载增加，竞争冲突增多，数据传输时延会急剧增大，导致网络吞吐量变小，信道资源利用率大大降低。多址接入协议是网络中各节点接入信道的协调机制，依靠其免竞争机制可以有效提高网络效率，并减小传输时延。目前MAC层多址接入协议大多采用时分多址(TDMA)协议，通过为节点分配合适数量的时隙来保证网络服务质量和时延性能。传统的时分多址中，以时隙作为数据传输的最小单位，将信道划分为超帧，其中每个超帧包括一个控制阶段(Controlphase)和一个数据阶段(Dataphase)。在控制阶段，节点发送控制帧，相互传递预留相关信息，并根据时隙分配策略为各节点预留数据阶段的时隙。信道资源调度机制主要分为三类：固定分配调度方式、动态分配调度方式以及固定与动态结合方式。在数据阶段，节点只能在为其分配的预留时隙中传输数据。与CSMA相比，TDMA直接将时隙分配给不同的用户，避免了冲突退避机制带来的传输时延不确定问题，保证了节点的信道获取权，从而降低发送时延。在业务负载比较重的情况下，TDMA机制运行良好，能够充分地利用信道资源。在无线自组网环境中，由于没有基站或中心节点对信道资源进行统一调度，TDMA方案需要各节点根据自身以及周围节点的通信需求相互协商，进行信道资源的划分。这种分布式的信道分配算法比较复杂，节点之间控制信息交互量大，网络效率比较低。另外，在节点数目多且高速移动，拓扑结构频繁变化，业务量具有突发性的无线分布式网络场景中采用TDMA方案分配信道资源时，节点的流动将导致已预留时隙中数据传输发生冲突；节点分组不断变化且通信量很难估计，将导致网络延迟变大，接入延迟变长。为了实现更高效的信道资源分配机制，可以将CSMA与TDMA技术相结合。现有的结合方案有两种方向：将信道划分为竞争区与免竞争区；通过竞争接入时隙化信道并进行预留。前者在竞争区通过CSMA竞争信道，在非竞争区进行时隙预留，与传统的CSMA机制和时分多址接入机制相比，网络时延降低，ad-hoc网络的性能得到改善，但是当网络变化快，负载重时，仍然存在冲突概率大，信道利用率较低的问题。后者充分利用竞争接入的灵活简单性和非竞争预留的免冲突特性，CSMA机制保证网络中每个节点公平高效地接入信道，动态预约TDMA机制确保有实时业务的节点能够准时无碰撞地接入信道，充分利用了带宽资源，比较适合拓扑变化较大，负载较重的无线自组织网络。但是现有的一些结合方案存在着不够灵活，高负载时存在一定竞争冲突等问题，仍然有很大的改进空间。近些年来，伪时分多址技术(PTDMA,pseudotimedivisionmultiple-access)作为一种MAC层信道接入协调机制，获得了比较多的关注。PTDMA以时隙作为数据传输单位，并将信道划分为固定长度的超帧。信道接入过程可以分为两个步骤，步骤一：有数据待发送的未预留节点采用CSMA参与信道资源竞争。成功发送数据包的节点标记数据传输的起始时隙位置。步骤二：在每个超帧中，从标记的时隙位置开始，进行周期性的数据传输。节点预留的时隙数与网络中节点数相关。当发生冲突或预留时隙被占用时，对应节点释放预留时隙并返回步骤一。PTDMA机制通过时隙预留减少了竞争冲突加剧带来的信道浪费，并且避免了大量的预留信令交互，有效地增加了网络吞吐量，提高网络性能。但该方案在有新节点加入网络时调整过程太长，且节点预留长度固定可能会导致新节点难以接入信道，以及不必要的信道浪费等问题。为了进一步优化PTDMA，提出预留长度自适应调整的SO-TDMA(self-organizingtimedivisionmultipleaccess)信道分配方案。在周期性传输阶段，所有预留节点以超帧为周期进行数据传输。下一帧的预留长度根据长度自适应调整算法更新。节点测量在其伪帧期间的空闲时隙的数量，对网络负载情况进行估计，以此为依据调整预留长度。在留有一定空闲时隙(保证新节点能够接入信道)的基础上，实现网络利用率的最大化。在网络拓扑无变化或变化缓慢，数据稳态周期性传输的网络中，SO-TDMA表现出较佳的网络性能。但是随着网络中节点数和业务量增加，该机制存在着一定的冲突问题，这限制了系统吞吐量的进一步提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法，能够减少接入和调整时隙带来的冲突，并且提高系统的吞吐量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法，包括以下步骤：(1)计算当前一个超帧范围内空闲时隙数，并与阈值比较，若空闲时隙数大于阈值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)计算当前一个超帧范围内空闲时隙数，并与阈值比较，若空闲时隙数大于阈值，则进入下一步；否则转到步骤(4)；(2)节点判断当前时隙是否为自身预留时隙，若是则执行进入预留时隙的步骤；否则进入下一步；(3)节点监听当前时隙，若信道空闲且有预留需求，节点开启CSMA竞争机制；(4)节点判断当前时隙是否为自身预留时隙，若是则释放当前预留时隙，并进入下一步；(5)节点监听当前时隙，若信道空闲，节点有预留需求，且在信道中还未曾有时隙预留，则允许开启CSMA竞争机制。

【技术特征摘要】
1.一种基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)计算当前一个超帧范围内空闲时隙数，并与阈值比较，若空闲时隙数大于阈值，则进入下一步；否则转到步骤(4)；(2)节点判断当前时隙是否为自身预留时隙，若是则执行进入预留时隙的步骤；否则进入下一步；(3)节点监听当前时隙，若信道空闲且有预留需求，节点开启CSMA竞争机制；(4)节点判断当前时隙是否为自身预留时隙，若是则释放当前预留时隙，并进入下一步；(5)节点监听当前时隙，若信道空闲，节点有预留需求，且在信道中还未曾有时隙预留，则允许开启CSMA竞争机制。2.根据权利要求1所述的基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入方法，其特征在于，所述步骤(2)中的预留时隙的步骤具体为：预留节点监听信道PIFS时间，若信道忙碌则释放当前时隙；若信道空闲计算缓存队列中的数据量，如果数据量为零，则释放该时隙；否则发送数据包；记录当前时隙状态，等待下一时隙。3.根据权利要求1所述的基于CSMA竞争与TDMA预留的离散化信道接入...

【专利技术属性】
技术研发人员：舒睿俊，易辉跃，张新越，徐景，杨旸，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海无线通信研究中心，
类型：发明
国别省市：上海,31