專利名稱：基于極化分集的方向性認(rèn)知mac協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域的認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC(MediumAccess Control) 層協(xié)議設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種基于極化分集的方向性認(rèn)知MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜成為日益稀缺的資源，傳統(tǒng)的固定頻譜分配 方式導(dǎo)致資源浪費(fèi)進(jìn)而頻譜利用率低，已成為制約無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。 認(rèn)知無線電技術(shù)具有檢測初級用戶對其授權(quán)頻段的占用情況并實(shí)施動態(tài)頻譜接入的能力， 能夠有效地解決上述問題。在無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中引入認(rèn)知無線電技術(shù)是近年來新興的研 究領(lǐng)域，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高效動態(tài)頻譜接入的MAC協(xié)議是認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)面對的主要挑戰(zhàn)及 執(zhí)占之一。對于認(rèn)知Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，其MAC協(xié)議可以分為三類隨機(jī)接入類，時隙化類和混合 類。SRAC-MAC(Single Radio Adaptive Channel-MAC)和 HC-MAC(Hardware-Constrained Cog-nitive MAC)協(xié)議屬于隨機(jī)接入類協(xié)議，無論控制分組還是數(shù)據(jù)的傳輸都是通過隨機(jī) 接入信道實(shí)現(xiàn)的。作為時隙化協(xié)議代表的C-MAC (Cognitive MAC)協(xié)議是在修改MMAC協(xié)議 的基礎(chǔ)上加入CR功能得到的，通過對信標(biāo)周期進(jìn)行嚴(yán)格的時隙劃分，為每個鄰居節(jié)點(diǎn)分配 唯一的信令時隙，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的提高，但是該協(xié)議較為復(fù)雜，可擴(kuò)展性較低。在混 合類協(xié)議中，控制分組通過同步時隙傳輸，而隨后的數(shù)據(jù)傳輸則使用隨機(jī)信道接入方案，例 如Y. R. Kondareddy等人提出的SYN-MAC (Synchronized MAC)協(xié)議，將時間劃分為重復(fù)出現(xiàn) 的幀結(jié)構(gòu)，幀中包含的時隙數(shù)與最大可用信道數(shù)相同且一一對應(yīng)，在某信道對應(yīng)時隙內(nèi)預(yù) 約成功的節(jié)點(diǎn)對在隨后的時間內(nèi)還必須按照IEEE 802. IlDCF方式競爭該信道使用權(quán)。在上述研究成果中，節(jié)點(diǎn)僅使用全向天線，并且沒有考慮天線的極化問題。但是， 隨著天線技術(shù)的發(fā)展，使用方向性和極化天線能夠顯著改善網(wǎng)絡(luò)性能。目前，這種研究僅限 于傳統(tǒng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于極化分集的方向性認(rèn)知MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。該 方法通過使用方向性天線和極化分集技術(shù)使得節(jié)點(diǎn)能夠充分利用頻率和空間資源，從而提 高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，減小端到端時延。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)首先，將時間劃分為時間長度相同的多個信道時隙，每個信道時隙由“感知周 期”和“數(shù)據(jù)傳輸周期”組成，在感知周期內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)依次感知所有數(shù)據(jù)信道，確定在本信 道時隙內(nèi)被初級用戶占用的數(shù)據(jù)信道及其對應(yīng)的計(jì)劃方式，在數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)對在 公共控制信道上通過交換控制分組競爭數(shù)據(jù)信道使用權(quán)，隨后競爭成功的節(jié)點(diǎn)對切換至相 應(yīng)數(shù)據(jù)信道按照確定的極化方式和發(fā)送功率完成分組傳輸；2)其次，每個節(jié)點(diǎn)均維護(hù)一張列表可用信道列表ACL，分別記錄初級用戶和鄰居節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前信道時隙內(nèi)的信道、極化和功率使用情況；3)再次，當(dāng)節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)分組需要向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送時，兩節(jié)點(diǎn)通過下述四個階 段，完成分組傳輸a. DRTS分組發(fā)送階段源節(jié)點(diǎn)S首先方向性偵聽公共控制信道，并且當(dāng)退避時間 結(jié)束以及在隨后的分布式幀間隔DIFS內(nèi)公共控制信道仍然空閑，則向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送方向 性請求發(fā)送分組分組DRTS，該DRTS分組中攜帶自身的ACL ； b. DCTS分組發(fā)送階段若目的節(jié)點(diǎn)D成功接收源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的DRTS分組，則首先 將自身ACL和源節(jié)點(diǎn)S的ACL進(jìn)行對比；若兩張ACL中不存在公共可用的數(shù)據(jù)信道，則節(jié)點(diǎn) D向節(jié)點(diǎn)S發(fā)送否定DCTS分組NDCTS，表示競爭失??；否則，節(jié)點(diǎn)D根據(jù)兩張ACL中記錄的 信道信息確定本次傳輸所使用的數(shù)據(jù)信道、極化方式以及發(fā)送功率，并向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送方向 性允許發(fā)送分組DCTS ；c. DDTS分組發(fā)送階段若源節(jié)點(diǎn)S成功接收目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的DCTS分組，則在短 幀間隔SIFS后，向目的節(jié)點(diǎn)D回送方向性確定發(fā)送分組DDTS，該分組所記錄的信息與節(jié)點(diǎn) D發(fā)送的DCTS分組中記錄的信息相同；若源節(jié)點(diǎn)S成功接收目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的NDCTS分組， 則取消本次傳輸；由于NDCTS分組表明源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間不存在公共可用信道，因此， 在當(dāng)前信道時隙內(nèi)，節(jié)點(diǎn)S將不再向節(jié)點(diǎn)D傳輸數(shù)據(jù)分組；d.數(shù)據(jù)傳輸階段當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)D成功接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送S的DDTS分組后，兩節(jié)點(diǎn)同 時切換至相應(yīng)信道，在短幀間隔SIFS之后，按照確定的極化方式和發(fā)送功率完成數(shù)據(jù)分組 傳輸；4)最后，偵聽到DCTS分組或DDTS分組的鄰居節(jié)點(diǎn)按下述過程更新自身ACL中的
相關(guān)信息；a.偵聽DCTS分組假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D用于傳輸數(shù)據(jù)分組的信道為D (SD)， 中心頻率為fD(SD)；若節(jié)點(diǎn)I偵聽到節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的DCTS分組，則節(jié)點(diǎn)I首先計(jì)算自身與節(jié)點(diǎn) D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身與節(jié)點(diǎn)D在信道D(SD)上的信道增益；其 次，節(jié)點(diǎn)I確定自己在該信道上是否處于節(jié)點(diǎn)D的傳輸范圍內(nèi)；再次，節(jié)點(diǎn)I計(jì)算自身在不 影響節(jié)點(diǎn)D正確接收數(shù)據(jù)分組的前提下可使用的最大可用發(fā)送功率；最后，更新方向性網(wǎng) 絡(luò)分配矢量DNAV ；b.偵聽DDTS分組假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D用于傳輸確認(rèn)分組ACK的信道為 A(SD)，中心頻率為fA(SD)；若節(jié)點(diǎn)I偵聽到節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的DDTS分組，則節(jié)點(diǎn)I首先計(jì)算自身 與節(jié)點(diǎn)S在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身與節(jié)點(diǎn)D在信道A(SD)上的信道 增益；其次，節(jié)點(diǎn)I確定自己在該信道上是否處于節(jié)點(diǎn)S的傳輸范圍內(nèi)；再次，節(jié)點(diǎn)I計(jì)算自 身在不影響節(jié)點(diǎn)S正確接收ACK分組的前提下可使用的最大可用發(fā)送功率；最后，更新方向 性網(wǎng)絡(luò)分配矢量DNAV。所說的目的節(jié)點(diǎn)D確定數(shù)據(jù)分組和ACK分組傳輸信道、極化方式和發(fā)送功率計(jì)算 按以下步驟進(jìn)行假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間存在M條公共可用數(shù)據(jù)信道，其中心頻率為 If1,…，f }；公共控制信道的中心頻率為fo;節(jié)點(diǎn)可正確接收數(shù)據(jù)分組的信噪比門限為 SNRth ；節(jié)點(diǎn)間的傳輸模型為地面反射模型；節(jié)點(diǎn)在全向模式下的天線增益為G°，在方向性 模式下的天線增益為Gd;
節(jié)點(diǎn)D在接收到節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的DRTS分組后，按照(1)計(jì)算自身與節(jié)點(diǎn)S在公共控 制信道上的信道增益/4，
權(quán)利要求
1.基于極化分集的方向性認(rèn)知MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于1)首先，將時間劃分為時間長度相同的多個信道時隙，每個信道時隙由“感知周期”和 “數(shù)據(jù)傳輸周期”組成，在感知周期內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)依次感知所有數(shù)據(jù)信道，確定在本信道時隙 內(nèi)被初級用戶占用的數(shù)據(jù)信道及其對應(yīng)的計(jì)劃方式，在數(shù)據(jù)傳輸周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)對在公共控 制信道上通過交換控制分組競爭數(shù)據(jù)信道使用權(quán)，隨后競爭成功的節(jié)點(diǎn)對切換至相應(yīng)數(shù)據(jù) 信道按照確定的極化方式和發(fā)送功率完成分組傳輸；2)其次，每個節(jié)點(diǎn)均維護(hù)一張列表可用信道列表ACL，分別記錄初級用戶和鄰居節(jié)點(diǎn) 在當(dāng)前信道時隙內(nèi)的信道、極化和功率使用情況；3)再次，當(dāng)節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)分組需要向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送時，兩節(jié)點(diǎn)通過下述四個階段，完 成分組傳輸a.DRTS分組發(fā)送階段源節(jié)點(diǎn)S首先方向性偵聽公共控制信道，并且當(dāng)退避時間結(jié)束 以及在隨后的分布式幀間隔DIFS內(nèi)公共控制信道仍然空閑，則向目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送方向性請 求發(fā)送分組分組DRTS，該DRTS分組中攜帶自身的ACL ；b.DCTS分組發(fā)送階段若目的節(jié)點(diǎn)D成功接收源節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的DRTS分組，則首先將自 身ACL和源節(jié)點(diǎn)S的ACL進(jìn)行對比；若兩張ACL中不存在公共可用的數(shù)據(jù)信道，則節(jié)點(diǎn)D向 節(jié)點(diǎn)S發(fā)送否定DCTS分組NDCTS，表示競爭失?。环駝t，節(jié)點(diǎn)D根據(jù)兩張ACL中記錄的信道 信息確定本次傳輸所使用的數(shù)據(jù)信道、極化方式以及發(fā)送功率，并向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送方向性允 許發(fā)送分組DCTS ；c.DDTS分組發(fā)送階段若源節(jié)點(diǎn)S成功接收目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的DCTS分組，則在短幀間 隔SIFS后，向目的節(jié)點(diǎn)D回送方向性確定發(fā)送分組DDTS，該分組所記錄的信息與節(jié)點(diǎn)D發(fā) 送的DCTS分組中記錄的信息相同；若源節(jié)點(diǎn)S成功接收目的節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的NDCTS分組，則 取消本次傳輸；由于NDCTS分組表明源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間不存在公共可用信道，因此，在 當(dāng)前信道時隙內(nèi)，節(jié)點(diǎn)S將不再向節(jié)點(diǎn)D傳輸數(shù)據(jù)分組；d.數(shù)據(jù)傳輸階段當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)D成功接收源節(jié)點(diǎn)發(fā)送S的DDTS分組后，兩節(jié)點(diǎn)同時 切換至相應(yīng)信道，在短幀間隔SIFS之后，按照確定的極化方式和發(fā)送功率完成數(shù)據(jù)分組傳 輸；4)最后，偵聽到DCTS分組或DDTS分組的鄰居節(jié)點(diǎn)按下述過程更新自身ACL中的相關(guān) fn息；a.偵聽DCTS分組假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D用于傳輸數(shù)據(jù)分組的信道為D(SD)，中 心頻率為fD(SD)；若節(jié)點(diǎn)I偵聽到節(jié)點(diǎn)D發(fā)送的DCTS分組，則節(jié)點(diǎn)I首先計(jì)算自身與節(jié)點(diǎn)D 在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身與節(jié)點(diǎn)D在信道D(SD)上的信道增益；其 次，節(jié)點(diǎn)I確定自己在該信道上是否處于節(jié)點(diǎn)D的傳輸范圍內(nèi)；再次，節(jié)點(diǎn)I計(jì)算自身在不 影響節(jié)點(diǎn)D正確接收數(shù)據(jù)分組的前提下可使用的最大可用發(fā)送功率；最后，更新方向性網(wǎng) 絡(luò)分配矢量DNAV ；b.偵聽DDTS分組假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D用于傳輸確認(rèn)分組ACK的信道為A(SD)， 中心頻率為fA(SD)；若節(jié)點(diǎn)I偵聽到節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的DDTS分組，則節(jié)點(diǎn)I首先計(jì)算自身與節(jié)點(diǎn) S在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身與節(jié)點(diǎn)D在信道A(SD)上的信道增益；其 次，節(jié)點(diǎn)I確定自己在該信道上是否處于節(jié)點(diǎn)S的傳輸范圍內(nèi)；再次，節(jié)點(diǎn)I計(jì)算自身在不 影響節(jié)點(diǎn)S正確接收ACK分組的前提下可使用的最大可用發(fā)送功率；最后，更新方向性網(wǎng)絡(luò)分配矢量DNAV。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于極化分集的方向性認(rèn)知MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在 于所說的目的節(jié)點(diǎn)D確定數(shù)據(jù)分組和ACK分組傳輸信道、極化方式和發(fā)送功率計(jì)算按以下 步驟進(jìn)行假設(shè)源節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)D之間存在M條公共可用數(shù)據(jù)信道，其中心頻率為{f1;…， f }；公共控制信道的中心頻率為& ；節(jié)點(diǎn)可正確接收數(shù)據(jù)分組的信噪比門限為SNRth ；節(jié)點(diǎn) 間的傳輸模型為地面反射模型；節(jié)點(diǎn)在全向模式下的天線增益為G°，在方向性模式下的天 線增益為Gd ；節(jié)點(diǎn)D在接收到節(jié)點(diǎn)S發(fā)送的DRTS分組后，按照(1)計(jì)算自身與節(jié)點(diǎn)S在公共控制信 道上的信道增益/4，
全文摘要
基于極化分集的方向性認(rèn)知MAC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，本方法基于極化分集和方向性天線而設(shè)計(jì)，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在公共控制信道上通過交換控制分組競爭數(shù)據(jù)信道使用權(quán)，競爭成功的節(jié)點(diǎn)對切換至所選的數(shù)據(jù)信道按照約定的極化方向和功率使用方向性天線完成數(shù)據(jù)分組傳輸。仿真結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的DSA-MAC協(xié)議，本發(fā)明能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量并降低端到端傳輸時延。
文檔編號H04W74/08GK102111897SQ20101059000
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者任品毅, 劉艷潔, 吳廣恩, 尹穩(wěn)山, 張世嬌, 王熠晨, 龔敏康 申請人:西安交通大學(xué)