基于信道爭用與集中調度的全雙工mac的數據交換方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種無線通信技術領域，尤其是設及一種基于信道爭用與集中調度的 全雙工MC的數據交換方法。
【背景技術】
[0002] 隨著無線通信中同時同頻全雙工技術的深入研究，基于全雙工的物理層鏈路設計 可使系統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級的網絡 吞吐量的提升。全雙工技術不僅可W通過減少信道檢測時間、降低每次回退的時間長度，從 而提高系統的吞吐量性能；而且還將對MC層及高層協議產生重大影響，能夠帶來系統級 的巨大性能增益，比如能夠解決分布式網絡中的隱藏終端問題、多跳網絡中端到端大時延 問題等。
[0003] 目前針對全雙工MC協議的研究還不是很深入，大多研究是在CSMA/CA協議的基 礎上加W簡單的推廣，通過最大化利用全雙工收發調度實現吞吐量性能提升，實際上對全 雙工信道的利用率還是很低下。現有文獻考慮了節點要么完全隱藏、要么完全碰撞等情況， 卻沒有考慮各節點出現的干擾量，當出現一定的干擾時會降低信道容量，實際仍然可通過 降低傳輸速率實現可靠傳輸。考慮了干擾水平并調整全雙工傳輸速率的全雙工MAC協議， 但由于采用集中式輪詢，當接入用戶較多時網絡時延相對較長。此外考慮到全雙工系統仍 然存在部分自干擾信號殘余，實際全雙工最大傳輸速率相比半雙工會有一定下降。

【發明內容】

[0004] 本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于信道爭用 與集中調度的全雙工MC的數據交換方法。 陽0化]本發明的目的可W通過W下技術方案來實現：
[0006] 一種基于信道爭用與集中調度的全雙工MC的數據交換方法，其特征在于，該方 法將全雙工信道爭用與全雙工集中調度有機結合，包括：
[0007] 全雙工信道爭用與信息收集；
[0008] 全雙工集中調度與數據交換；
[0009] 多數據包集中確認。
[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發送一個爭用開始數據包，告知AP覆蓋范圍內的所有節 點，在接下來的爭用窗口，發送信道爭用請求，內容包括開啟的爭用窗口時隙長度；
[0012] 2)各節點發送信道爭用請求，AP則立刻進行全雙工發送請求回復數據包，并完成 相關業務數據和干擾矩陣信息收集。
[0013] 所述的爭用窗口期間各節點不發送業務數據，僅發送全雙工調度所需的業務發送 請求與干擾水平信息。
[0014] 所述的AP不僅需要節點所要發送的業務數據信息；還需要收集當前節點與其他 非AP節點的干擾信息，AP將收集到的干擾水平信息形成一個干擾水平值矩陣。
[0015] 所述的干擾水平值矩陣G= [G,,k]，
I:其中令節點N，處接收 來自AP的信號強度Pj與來自節點Nk的干擾信號強度Ik,i。
[0016] 所述的AP在接收到數據包的頭部皿R并識別出其源節點地址后，利用全雙工技術 快速地啟動發送進程進行全雙工爭用回復，記為FDCTS，使得信道處于忙狀態，從而有效地 減少其它隱藏節點的碰撞。
[0017] 此時，對于隱藏節點N2來講，只有在Nl發射皿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送，相比半雙工RTS-CTS模式，一 是減少了控制信令開銷，RTS-CTS發送時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，減少了因為碰撞引起的額外回退與等待開銷，間接地 提升MAC效率。=是一次信道爭用，可W包含該節點發送隊列中多個數據包，可W大幅提高 MAC效率。
[0018] 所述的爭用窗口時隙長度根據網絡中在AP注冊的節點數目進行計算得到。
[0019] 全雙工集中調度中，通過AP半雙工與全雙工發送，對稱與非對稱全雙工發送，最 大程度利用全雙工發送機會。本發明中充分考慮了兩大因素。一是考慮了節點除完全隱藏、 完全碰撞等情況外，還考慮了各節點出現干擾中間情況。通過降低傳輸速率，仍然可W實 現有干擾情況下的可靠傳輸。二是考慮了全雙工系統仍然存在部分自干擾信號殘余，實際 全雙工最大傳輸速率相比半雙工會有一定下降，運也是影響物理層吞吐量性能的一個重要 因素。
[0020] 所述的全雙工集中調度與數據交換為：
[0021] 首先將從各節點收集到的數據發送請求組成AP接收隊列，并將要發給各節點的 數據組成AP發送隊列；
[0022] 然后根據收集到的干擾矩陣和速率矩陣，決定哪些數據包將要全雙工發送W及每 個數據包發送順序和采用的傳輸速率；
[0023] 最后將調度情況分發給所有注冊節點并開始數據交換。
[0024] 所述的全雙工調度問題轉化為一個查找最短完成時間T_C的NP最優化問題，全雙 工調度目標是通過使AP接收隊列和AP發送隊列形成最好的全雙工匹配，使數據包交換的 完成時間最少；
[0025] 共有W下兩條約束：約束條件1:節點N發送給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射信號，AP總能正確接收該節點信號；
[0026] 約束條件2 :AP發送給其他節點的傳輸速率需要作調整，根據節點N引起的最高干 擾水平值確定。
[0027]與現有技術相比，本發明綜合考慮網絡拓撲中的干擾情況W及全雙工系統中自干 擾信號殘余等對系統的影響，提出一種基于AP網絡的全雙工MC協議，通過全雙工信道爭 用和全雙工集中調度等機制，進一步提升系統吞吐量性能。一方面通過隨機信道爭用，來保 證各用戶節點信道接入的公平性；同時AP能夠利用全雙工技術快速地啟動一個發送進程 進行爭用回復，使得信道處于忙狀態，從而有效地減少其它隱藏節點的碰撞。另一方面，除 考慮節點要么完全隱藏、要么完全碰撞外，還考慮節點間存在干擾情況，通過全雙工集中調 度調整節點發送順序和AP全雙工發送速率，來最大化利用全雙工發送機會，提升系統的吞 吐量性能。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發明基于信道爭用與集中調度的全雙工MC協議的數據交換流程圖；
[0029] 圖2是本發明的全雙工信道爭用示意圖；
[0030] 圖3是本發明的全雙工集中調度流程圖；
[0031] 圖4是本發明的全雙工MAC協議與現有方案的吞吐量性能對比圖。
【具體實施方式】
[0032] W下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，W 充分地了解本發明的目的、特征和效果，但本發明并不局限于下述實施例。
[0033] 圖1為本發明的無線網絡中基于信道爭用與集中調度的全雙工MC協議的數據包 交換總流程，具體步驟如下。
[0034] 步驟一：信道爭用模塊通過AP發送一個爭用開始數據包，告知AP覆蓋范圍內的所 有節點，可W在接下來的爭用窗口，發送信道爭用請求，內容包括開啟的爭用窗口時隙長度 Lm。、。各節點發送信道爭用請求，AP則立刻全雙工發送請求回復數據包避免隱藏節點碰撞， 并完成相關業務數據和干擾矩陣信息收集。
[0035] 步驟二：調度模塊根據收集到相關信息，決定哪些數據包將要全雙工發送W及每 個數據包發送順序和采用的傳輸速率等，并通過將調度情況通過調度數據包分發給所有注 冊節點并開始數據交換。
[0036] 步驟=:進行數據包集中確認，完成一輪數據包交換。
[0037] 本發明作為一種爭用型的全雙工MC協議，AP通過開放一段窗口時間用于信道爭 用，期間各節點不發送業務數據，僅發送全雙工調度所需的業務發送請求與干擾水平信息。 為了獲得最大化的全雙工發送，調度模塊不僅需要節點所要發送的業務數據信息，將多個 數據發送請求集中在一起進行全雙工調度發送；還需要收集當前節點與其他非AP節點的 干擾信息，AP將收集到的干擾水平信息形成一個干擾水平值矩陣。
[0038] 圖2為節點Nl發起的一次類似RTS的全雙工信道接入請求，記為抑RTS。AP在接 收到該數據包的頭部皿R并識別出其源節點地址后，利用全雙工技術快速地啟動一個類似 CTS的發送進程進行全雙工爭用回復，記