一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法技术

本发明专利技术提出一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法，它主要应用在两跳中继网络中，主要包括发送控制消息的编码匹配阶段和进行匹配后的数据传输两个阶段，采用“由四次握手更替为两次握手”、“缓存信息辅助提高编码机会”、“通过修改帧格式实现更新虚拟缓存区”三种新机制；第一、二种新机制都工作在编码匹配阶段，第三种新机制工作在数据传输阶段，通过使用上述三种新机制，本发明专利技术提出的新接入方法能够减少不必要的消息交互过程的控制开销，能够有效地提高编码机会，从而在整体上充分利用网络编码技术从而实现减小数据帧平均时延，增加网络的吞吐量的目的。

A high coding opportunity bidirectional access method based on cache information assistance

The invention provides a bidirectional access method with high coding opportunity based on cache information assistance, which is mainly applied in two-hop relay network. It mainly includes two stages: the coding matching stage of sending control message and the data transmission stage after matching. It adopts \four handshakes instead of two handshakes\ and \caching information assistance\. There are three new mechanisms: improving encoding opportunity and updating virtual buffer by modifying frame format; the first and second new mechanisms work in encoding matching stage, and the third new mechanism works in data transmission stage. By using the three new mechanisms mentioned above, the new access method proposed by the present invention can reduce unnecessary elimination. The control overhead of information interaction process can effectively improve the encoding opportunity, and make full use of network coding technology to reduce the average delay of data frames and increase the throughput of the network as a whole.

【技术实现步骤摘要】
一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法
本专利技术属于无线通信
，主要针对的应用场景为两跳中继网络，且主要应用是针对源和目的节点之间使用中继节点进行数据交换的场景，更具体地，涉及一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法。
技术介绍
网络编码技术是一种将编码数据和路由信息进行有效地融合的信息交换技术，它的主要思想是中继节点将侦听或缓存的数据经过编码后再转发给其它节点，其它节点则按照相同的操作方式，直至数据帧到达目的终端为止。网络编码技术能够通过增加单位时隙的信息量达到增强网络性能的目的，中间节点将接收到的信息进行编码发送，在理论上使多播传输达到最高的传输容量，能够有效地提高系统的网络吞吐量，而且它还具有降低网络能耗、负载均衡、提高网络鲁棒性等优点。模拟网络编码和物理层网络编码技术都是网络编码的一个分支，他们主要应用于双向中继网络，通过上述技术之一，两个终端用户能够将数据帧同时发送给中继节点，而该中继节点使用物理层网络编码技术将该叠加的信号进行有效编码，再发送给两个终端用户，从而能够有效地减少数据帧的传输次数，增加网络吞吐量。对数据的接入方式进行的主要操作在MAC层，MAC层对控制帧、数据帧的发送进行相应的处理和操作能够有效地减少数据帧的碰撞和提高信道的利用率，因此，如何设计一种高效的接入控制方法有着十分重要的意义。目前在现有国内外研究现状中，针对源节点与目的节点彼此之间有数据交换的情况，文献[1]针对双向中继网络提出了一种基于网络编码的双向协作MAC协议，该协议针对三跳中继网络场景，在第一个时隙，源和目的节点分别将各自的数据帧发送给各自的下一跳，源的下一跳再将源的数据帧发送给目的节点的下一跳，然后目的节点的下一跳将接收的数据帧进行编码操作再发送目的节点和源节点的下一跳，然后源和目的节点彼此都能够获得相应的数据帧。[1]LiY,XieY,PengM,etal.JointCooperativeMACandNetworkCodingforTwo-wayRelayingNetworks[C]//InternationalConferenceonCyber-EnabledDistributedComputingandKnowledgeDiscovery.IEEEComputerSociety,2014:478-482.文献[2]提出了一种基于物理层网络编码的分布式MAC协议，在该协议中与传统接入方式不同，它通过中继节点进行信道的预约，即首先由中继节点发送RTS-PNC(RequestToSend-PhysicalLayerNetworkCoding)控制帧对信道进行预约，该控制帧中包括源节点地址、目的节点地址，而收到该RTS-PNC消息的两个节点则判断自身是否有数据发送给彼此，若有数据发送，则回复CTS(ClearToSend)控制消息，反之，则不会回复CTS消息；此时中继节点则根据接收的RTS帧个数决定是否进行物理层网络编码操作，若收到一个数据帧，则按照传统的方式，通过该中继节点将数据发送给目的节点，若收到两个CTS帧，表明可以使用物理层网络编码PNC(PhysicalLayerNetworkCoding)，从而有效地解决节点之间存在数据交换的情况。[2]WangS,SongQ,WangX,etal.DistributedMACProtocolSupportingPhysical-LayerNetworkCoding[J].IEEETransactionsonMobileComputing,2013,12(5):1023-1036.文献[3]提出了一种基于模拟网络编码的随机接入方法，其主要针对两跳中继网络应用场景，首先源节点发送RTS消息请求接入信道，在该RTS帧格式中包括了下两跳的目的地址，中继节点收到该RTS后，则继续广播RTC(RequestToCooperate)消息；目的节点收到该RTC消息后则回复ATC(AnswerToCooperate)消息，中继节点根据接收的ATC消息广播CTS消息，该CTS消息指出两个节点之间是否存在数据交换，若存在则表明能够进行网络编码操作，通过采用网络编码技术高效地实现两个节点之间的数据交换；该协议中还针对目的节点没有数据交换的情况提出一种流补偿机制，即在设定的时间内目的终端未回复ATC消息且靠近它的其它节点发现有数据给源节点时，该节点则会在设定的时间内回复ATC消息，使得中继节点能够尽可能大的使用网络编码技术，从而提高编码机会，增加网络吞吐量。[3]MaoW,WangX,TangA,etal.ANC-ERA:RandomAccessforAnalogNetworkCodinginWirelessNetworks[J].MobileComputingIEEETransactionson,2016,15(1):45-59.针对文献[3]中基于网络编码的双向接入方法的研究，该方案中判断是否存在数据交换需要四次握手导致控制开销较大，且并未充分利用历史的缓存信息对编码机会进行准确判断导致编码没有得到充分利用，针对此情形，有必要提出一种新的接入方法，若通过缓存数据帧的信息则能通过两次握手即可判断是否存在编码机会，且解决了通过流补偿机制来增加编码机会的问题，从而能够大大提高网络吞吐量。因此本专利技术将针对这些问题提出切实可行的解决方案。
技术实现思路
为了解决上述现有基于网络编码的双向接入方法存在的问题，本专利技术提出一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法。包括“由四次握手更替为两次握手”新机制；“缓存信息辅助提高编码机会”新机制；“通过修改帧格式实现更新虚拟缓存区”新机制，本专利技术提出的新接入方法能够充分提高编码机会，减少控制开销，从而在整体上充分利用网络编码技术实现减小数据帧平均时延，增加网络的吞吐量的目的。(一)本专利技术提出的新机制的基本原理下面具体介绍本专利技术提出的“由四次握手更替为两次握手”新机制，“缓存信息辅助提高编码机会”新机制，“通过修改帧格式实现更新虚拟缓存区”三种新机制的基本原理。1.由四次握手更替为两次握手新机制如图2所示，该RTS控制消息的帧格式，该帧格式DNAP字段用来存储本节点缓存队列中待发送的数据帧对应目的索引ID号；如图3所示，该CTS消息的帧格式，包括AD字段，AD字段包括AD1和AD2两个字段，它们分别用来标识指定需要发送数据帧的节点地址；且每个节点缓存队列中有两个缓存区，一个是实际的缓存队列，用来缓存实际的数据帧，而另外一个虚拟缓存区用来记录数据帧对应的索引ID号，该两次握手机制的具体操作步骤如下：步骤1当某个节点有数据发送时，例如图1中节点A，它会广播RTS消息，该RTS消息中DNAP字段中存储了自己待发送的N个数据帧对应的目的索引ID号，中继节点B接收该RTS消息后，则提取该DNAP字段中对应的ID号，并将对应的信息缓存在它的虚拟缓存区中。步骤2收到该RTS消息的中继节点B则开始对虚拟缓存区中数据帧对应的索引ID进行编码匹配，如图1中，当找到与该节点A有数据交换的节点时，此处假设为节点C，中继节点B则将C的地址和节点A的地址添加到CTS消息对应的DA字段中，然后广播发送。步骤3其余节点若发现该CTS消息DA字段中没有自己的地址，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法，其特征是：它主要应用在两跳中继网络中，它包括发送控制消息的编码匹配阶段和进行匹配后的数据传输两个阶段，在编码匹配阶段的主要操作是根据节点之间发送的RTS/CTS控制消息对数据帧进行编码匹配，使得节点之间能够通过中继节点进行网络编码操作；在数据传输阶段的主要操作是源节点发送数据帧同时中继节点采用网络编码技术使得数据交换高效完成，且节点每次都会根据接收的RTS帧以及回复的ACK帧对节点的缓存信息进行有效地更新；本专利技术提出的基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法包含(1)“由四次握手更替为两次握手”新机制；(2)“缓存信息辅助提高编码机会”新机制；(3)“通过修改帧格式实现更新虚拟缓存区”新机制；第一、二种新机制都工作在编码匹配阶段，第三种新机制工作在数据传输阶段，通过使用上述三种新机制，本专利技术提出的新接入方法能够减少不必要的消息交互过程的控制开销，能够有效地提高编码机会，在整体上充分利用网络编码技术，从而实现减小数据帧平均时延，增加网络的吞吐量的目的。

【技术特征摘要】
1.一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法，其特征是：它主要应用在两跳中继网络中，它包括发送控制消息的编码匹配阶段和进行匹配后的数据传输两个阶段，在编码匹配阶段的主要操作是根据节点之间发送的RTS/CTS控制消息对数据帧进行编码匹配，使得节点之间能够通过中继节点进行网络编码操作；在数据传输阶段的主要操作是源节点发送数据帧同时中继节点采用网络编码技术使得数据交换高效完成，且节点每次都会根据接收的RTS帧以及回复的ACK帧对节点的缓存信息进行有效地更新；本发明提出的基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法包含(1)“由四次握手更替为两次握手”新机制；(2)“缓存信息辅助提高编码机会”新机制；(3)“通过修改帧格式实现更新虚拟缓存区”新机制；第一、二种新机制都工作在编码匹配阶段，第三种新机制工作在数据传输阶段，通过使用上述三种新机制，本发明提出的新接入方法能够减少不必要的消息交互过程的控制开销，能够有效地提高编码机会，在整体上充分利用网络编码技术，从而实现减小数据帧平均时延，增加网络的吞吐量的目的。2.根据权利要求1所述的一种基于缓存信息辅助的高编码机会双向接入方法，其特征是：所述工作在编码匹配阶段的“由四次握手更替为两次握手”新机制的基本思路是：当源节点有数据发送时，它会发送RTS请求消息，而中继节点则根据其缓存信息计算有哪些节点有数据给源节点，当它得出有哪些节点需进行数据交换时，它会将两个节点的地址添加到经过修订后的CTS消息中广播，从而代替原机制中先由源节点发送RTS消息，再由中继节点向目的节点发送RTC消息，目的节点根据其是否有数据发送给源节点回复ATC消息，中...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚玉坤，李小勇，刘江兵，李威，濮浩，周海东，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50