带冲突分解的多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种多址接入方法，尤其涉及一种带冲突分解的多址接入方 法。

背景技术

多址接入方法用于多个节点或用户实现快速、高效、公平、可靠地共 享信道资源，按照信道分配的方式，分为固定分配、随机接入和按需分配 三种多址接入方法。

其中，固定分配的多址接入方法一般长时间将信道资源固定地分配给 共享信道的某些节点或者所有节点。该方法存在的问题是，由于各移动无 线通信网络中存在大量的移动节点，并且每个节点的业务也多以突发业务 为主，因此采用固定分配的接入方法会造成大量的信道资源空闲和浪费， 不适合在移动无线通信网络中直接应用。

随机接入的多址接入方法中，各节点通常根据载波侦听的情况经过随 机延时后竞争使用信道。它可以解决固定分配多址接入方法中的信道资源 浪费问题，并且，在业务量较小时，接入时延很小。该方法存在的问题是， 各节点在多跳网络结构中共享无线广播信道时，由于以基于载波侦听的方 式使用信道，出现了隐藏终端和暴露终端问题，使得多址性能大大降低， 特别是当发送节点数和网络业务量增大时，分组冲突和重传的概率急剧加 大，从而大大增大了平均分组时延和平均分组丢弃率、降低了信道吞吐量， 同时也出现了共享信道不公平的问题。

按需分配的多址接入方法中，各节点根据业务情况申请信道资源，成 功后再使用信道资源，解决了发送节点数和网络业务量增大时，分组冲突 和重传的概率会急剧加大的问题。按需分配的多址接入方法按照申请预约 和分配信道方式的不同，又可分为基于随机竞争和基于无冲突两类。基于 随机竞争的方法主要采用各种短控制分组握手(如发送请求/清除请求， RTS/CTS)、周期性状态信息交换等分布式预约方式，适合于突发性较强、 传输消息较短类型的业务传输，如I EEE 802.11分布式协调功能(DCF)、 双忙音多址(DBTMA)和分布式分组预约多址(DPRMA)等方法；基于无冲 突的方法主要利用中心控制节点进行协调来实现按需分配，适用于一次接 入建立后需要较长时间稳定传输地业务类型，并可提供很好的服务质量 (QoS)保证，其典型代表多使用轮询机制，如IEEE 802.11点协调功能 (PCF)和虚拟(VBS)等方法。按需分配的多址接入方法存在的问题 是，基于随机竞争的按需分配多指接入方法在申请预约部分仍然存在分组 冲突，隐藏终端的影响只是得到了减弱、并没有消除；基于无冲突的按需 分配多指接入方法虽然可以避免分组冲突情况的发生，但是当许多节点不 发送时，这种方法会浪费大量的轮询控制开销。目前，按需分配的多址接 入方法在网络业务量较低时，与随机接入的多址接入方法相比存在控制开 销所占比例过大、接入和传输时延较大的问题；在网络业务量较高时，与 固定分配的多址接入方法相比存在最大信道吞吐量不够高的问题，同时也 不能保证共享信道的公平性问题。

最后，在实际应用中，多跳分布式无线网络都很难实现全网的准确同 步。而上述现有各类多址接入方法中，大多数都需要在建立较为准确的网 络同步前提下才能实现，因此上述现有多址接入方法难于实现。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提出一种带冲突分解的多 址接入方法，既可提高信道资源的吞吐量，又可快速解决接入冲突问题、实 现快速无冲突接入使用信道。

为实现上述目的，本发明提供了一种带冲突分解的多址接入方法，包括 以下步骤：

设置预约接入和冲突分解期及按需传输期；

在所述预约接入和冲突分解期，各节点根据中心节点的预约接入开始 提示，选择相应的接入预约时隙进行预约申请；发生预约申请冲突的节点 根据所述中心节点预约申请冲突提示，通过发送预报突发分组进行预约申 请的冲突分解；所述中心节点为成功接入的节点分配信道资源；

在所述按需传输期，所述中心节点与成功接入的节点交替发送业务分 组。

通过将信道传输时期设置为预约接入和冲突分解期及按需传输期，使 得分组冲突仅存在于预约接入和冲突分解期，在预约接入和冲突分解期解 决了接入冲突问题，大大降低了业务量较高时预约中的隐藏终端和暴露终 端给信道传输带来的不利影响，消除了业务分组发送过程中发生冲突的可 能。并且，中心节点的预约接入开始提示、预约申请冲突提示及业务分组 发送为各节点发送各类分组提供了同步基准，从而简单准确地实现了异步 条件下的信道资源共享，消除了多址接入对多跳无线网络全网准确同步的 要求；同时，在发送完本次会晤的所有业务分组后立即释放所占用的信道 资源，以备其他节点接入使用，大大提高了信道的吞吐量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明带冲突分解的多址接入方法中信道发送时序示意图；

图2为本发明带冲突分解的多址接入方法较佳实施例的流程图；

图3为图2实施例中利用FB微时隙实现冲突分解的示意图；

图4为图2实施例中预约接入和冲突分解期接入与冲突分解的流程 图；

图5为图2实施例中冲突分解过程的具体流程图。

具体实施方式

每个中心节点和各节点都只有一部半双工的无线收发信机。各节点的 各类分组发送可以被邻节点和中心节点收到，如果各节点的业务分组 (Packet，以下简称PKT)不是发往邻节点，那么就需要所属的中心节点 进行中转。属于同一中心节点的各个节点之间可以相距一跳(即可以直接 通信，双方互为周邻节点)，也可以相距两跳(即需要中间节点中转双方 的分组)，这样，中心节点所属节点的事先未预定的广播发送就造成了隐 藏终端和暴露终端问题出现的可能。本发明带冲突分解的多址接入方法通 过在发送业务分组之前对发生的接入冲突进行分解，消除了隐藏终端和暴 露终端对业务分组过程造成的不利影响。具体原理是：将信道传输分为两 个时期或两个阶段：各接入使用信道的节点获得信道使用权的预约接入和 冲突分解阶段，以及成功接入节点的无冲突业务分组发送阶段，其后是周 而复始的重复阶段。

在预约接入和冲突分解期，中心节点确定预约接入数目后，发送预约 开始(Start of Reservation，以下简称SR)分组提示各节点进行接入， 各节点按照某一概率分布规律选择其后不同的接入预约(Access Reservation，以下简称AR)时隙进行预约申请；若发生预约申请冲突(即 当两个或两个以上的接入节点在此时隙上发送接入预约分组)，中心节点 发送结果公布(Result Broadcasting，以下简称RB)分组，告知各节点 这一情况；随后各接入冲突节点进行预约冲突分解过程，依靠各节点预报 突发(Forcast Burst，以下简称FB)分组的起始发送时间、历时长度不 同以及中心节点的FB忙音、FB成功分组的发送情况，中心节点可以区分 各节点的接入状况、判断哪个节点能够成功获得接入，并基于此公布冲突 分解结果；如果成功(即只有一个接入节点在此时隙上发送)，中心节点 发送RB分组并在RB分组中指出哪个接入成功的节点在第几个业务分组发 送时隙上发送，即给成功接入节点分配相应的信道资源；此后，进入无冲 突的业务分组发送阶段，中心节点和各接入成功节点交替发送业务分组。 中心节点可以利用所发业务分组中附带轮询标记或轮询控制分组(当没有 业务分组发送时)，来提示某节点在此分组之后发送业务分组；当所有成 功接入的节点发完一遍业务分组后，就进入下一轮预约接入和发送阶段， 重复上述过程。

对于已发送过业务分组的节点，继续沿用上一次的发送时隙进行发 送，直至本次通信会晤的所有业务分组发送完毕。如果节点是发送本次会 晤中的最后一个业务分组，那么在业务分组中附带释放信道资源标志，中 心节点收到后即可从下一帧起安排其他节点在该信道资源上发送业务分 组。当没有信道资源可分配时，中心节点关闭预约接入阶段，直接进入业 务分组发送阶段，直至有成功接入节点释放信道资源后才再次恢复预约接 入阶段。

并且，中心节点利用SR分组、RB分组、业务分组和轮询分组的发送 来向各节点提供发送各类分组的同步基准，即以SR分组、RB分组、业务 分组和轮询分组发送的结束时刻作为所有节点竞争接入或发送业务分组 时的时间基准(或基准时刻)，这里各个时隙包括了各类分组的发送时间 以及克服信号传播时延、收发信机转换时间等必要的保护时间间隔，从而 简单、准确地实现了异步条件下的信道资源共享，消除了对多跳无线网络 实现全网准确同步的要求。

图1为本发明带冲突分解的多址接入方法中信道发送时序示意图，其 中，J1为上次预约接入和冲突分解期及按需传输期，J2为本次预约接入 和冲突分解期，J21为J2中的预约申请阶段，其中，AR时隙有NAR个，NAR 的确定方法可具体为：若没有可用的信道资源，则AR时隙的数量变为0， 待有可用的信道资源后变为非0；若接入冲突多，增大AR时隙的数量；若 接入冲突少，减少AR时隙的数量，直至为1。这样，可以在不影响预约接 入的前提下，尽可能地增大业务分组发送的时间、提高信道吞吐量。若无空 闲信道资源，取消接入阶段，待有节点使用完信道释放信道资源后再允许接 入，可以避免无谓的接入、提高了信道吞吐量。J22为J2中的预约冲突分 解阶段，J221为J22中的前m个FB微时隙，J222为J22中的后n个FB 微时隙；J3为本次按需传输期，J31表示PKT是中心节点发送的，J32表 示PKT是各节点发送的，中心节点和各成功接入节点交替发送PKT，直到 最后一个成功接入节点发送PKT。

现以节点A、B、C、D及E为例，并假设SR分组后有4个AR时隙、 m＝5、n＝4，对本发明带冲突分解的多址接入方法进一步详细说明。参见图2， 具体包括以下步骤：

步骤1、将信道传输时期设置为具有1个SR时隙、4个AR时隙、2 个RB时隙及9个FB微时隙的预约接入和冲突分解期，及按需传输期；其 中，预约接入和冲突分解期也就是节点A、B、C、D、E获得信道使用权的 时间段；按需传输期为获得信道使用权的节点发送PKT的时间段。

步骤2、在预约接入和冲突分解期，各节点根据中心节点预约接入开 始提示，选择相应的AR时隙进行预约申请；发生预约申请冲突的节点根 据中心节点的预约申请冲突提示，通过发送预报突发分组进行预约申请的 冲突分解；中心节点为成功接入的节点分配信道资源；参见图3、图4， 图3为图2实施例中利用FB微时隙实现冲突分解的示意图，其中，JL1 为上次预约接入和冲突分解期及按需传输期；JL2为节点A、B、C、D、E 的预约接入和冲突分解期；JL211表示节点A、B由于同时选择第1个AR 时隙发送AR分组，而发生了预约申请冲突；JL212表示节点C在第2个 AR时隙发送AR分组，成功预约；JL213表示节点D、E由于同时选择第3 个AR时隙发送AR分组，而发生了预约申请冲突；JL22表示预约申请冲突 分解期；JL23表示FB分组可能的发送范围；JL231、JL232、JL233、JL234 分别表示节点A、B、D、E的FB分组发送情况；JL235表示在FB分组中含 有发送节点身份号(ID)的情况下，中心节点的发送情况；JL236表示中 心节点发送的FB成功分组；JL237表示在FB分组中不含发送节点ID的情 况下，中心节点的发送情况；JL3表示中心节点与各成功接入的节点交替 发送分组的按需传输期。图4为图2实施例中预约接入和冲突分解期接入 与冲突分解的流程图，具体包括以下步骤；

步骤11、中心节点广播SR分组提示各节点预约接入开始，其后有4 个AR时隙；

在SR分组中可指定所要发送PKT的优先级，采用优先级限制的方式， 指明只有高于该优先级的业务分组才能发送，这样，有此类优先级业务分 组的节点才能预约接入，从而保证了高优先级的业务分组优先得以发送。

步骤12、节点A、B、C、D和E分别选择4个AR时隙中的第1、1、2、 3、3个时隙进行接入，即在相应选定的AR时隙上发送AR分组；这时，由 于A和B、D和E分别在同一AR时隙1、3发送AR分组，A和B产生预约 申请冲突，D和E产生预约申请冲突。其中，各节点可随机选择4个AR 时隙中第s个AR时隙进行预约接入，也可随机等概率地选择AR时隙，或 者服从某种概率分布选择AR时隙。

步骤13、中心节点判断是否存在预约接入冲突，即是否存在两个或两 个以上的节点在一个AR时隙上发送AR分组，若是，则执行步骤14，否则， 执行步骤16；

步骤14、4个AR时隙结束后，中心节点发送RB分组，公布接入结果： 节点C预约成功，第1个和第3个AR时隙发生冲突(或AR分组碰撞)， 从而节点A、B、D和E得知自己预约接入失败，节点C得知自己接入成功；

步骤15、由于存在预约接入冲突，因此，进入预约冲突分解过程，参 见图5，具体包括以下步骤：

步骤21、在RB时隙后有最多9(m＝5，n＝4)个FB微时隙，接入冲突 节点A、B、D、E预先按照某种概率分布选择在第i个FB微时隙上准备发 送j(1≤j≤n)个FB分组，比如等概率选择各自的FB微时隙、等概率选 择发送的FB分组个数。本实施例中，接入冲突节点A、B、D和E预计分 别选择第i＝2、5、3、2个FB微时隙(1≤i≤m)准备分别连发j＝4、3、4、 2个FB分组。

步骤22、接入冲突节点A、B、D和E在各自所选的FB微时隙之前侦 听。实际过程中，接入节点A和E侦听第1个FB微时隙，节点B、D分别 侦听第5、3个FB微时隙之前的FB微时隙。若侦听或接收到其他节点发 送的FB分组、或者中心节点发送的FB忙音、或者中心节点发送的RB分 组，则执行步骤25；否则执行步骤23。

步骤23、本实施例中节点A、E在第1个FB微时隙未侦听到FB分组、 FB忙音或者RB分组，得知FB微时隙空闲、无发送，就按照计划从第2 个FB微时隙起发送它们的FB分组。

步骤24、在第2、3个FB微时隙上，节点A和E发送的FB分组发送 在中心节点处发生碰撞，中心节点收到后立刻在第2、3个本FB微时隙发 送FB忙音，历时这两个FB微时隙。其他接入节点(如本实例的节点B和 D)收到节点A、E发送的FB分组，或者中心节点发送的FB忙音后，立刻 取消原定的FB分组发送。只要FB微时隙发生冲突，中心节点都立刻发送 FB忙音，中心节点发送两个FB微时隙的FB忙音后，由于只有接入节点A 发送FB分组，因此中心节点能够正确收到此FB分组，此时中心节点通过 两种方法判定接入节点A已经胜出：一是如果FB分组中含有发送节点的 ID，中心节点就可以在下一FB时隙上发送FB成功分组，告诉其他节点接 入节点A已经成功，并在接入节点A的FB分组发送结束后发送RB分组； 二是如果FB分组中不含有节点的ID，那么中心节点在等到所有FB分组发 送完后，发送RB分组公布在第2个FB时隙上发送4个FB分组的节点接 入成功，并分配给相应的资源；即意味着节点A接入成功，执行步骤16。

步骤25、节点侦听到FB分组或中心节点发送的FB忙音、FB成功分 组或RB分组后，立刻取消原定的FB分组发送计划。对于此次的预约接入 失败的节点B、D、E，需等待下一次预约接入和冲突分解期，或者在中心 节点发送RB分组的提示下进入下一个冲突分解过程，再尝试接入。

当在AR时隙发生接入冲突时，中心节点发送RB分组宣告进入冲突分 解阶段，所有未接入成功的节点均要根据冲突分解方法参与FB微时隙的 冲突分解接入。为了保证有较多的节点接入，中心节点在一帧的预约接入 和冲突分解期设定NCR个冲突分解过程。即，中心节点在第一次公布冲突 分解结果的RB分组后，继续设置FB微时隙，FB微时隙的数量不大于中心 节点在本帧第一次发送RB分组后设置的FB微时隙的数量，进行本帧的第 二次冲突分解，直至中心节节点完成设定的NCR个预约冲突分解过程。如 果这样做之后的连续多帧中冲突都不能完全分解且还有空闲信道资源，中 心节点继续保持或增多预约冲突分解过程的个数。当一帧中的某个预约冲 突分解过程中没有节点进行接入，中心节点就知道冲突分解已经完毕，将 取消后面预约冲突分解过程并直接进入业务分组发送阶段。另外，NCR也可 以根据空闲信道资源的多少而自适应变化，即在中心节点控制下(即通过 在广播发送的RB分组中标示是否在其后继续冲突分解过程)重复冲突分 解过程，直至不再有冲突发生或没有空闲信道资源为止。

若预约接入和冲突分解期没有结束，则继续在中心节点的提示下进行 预约申请，即预约接入和冲突分解期中可以进行多轮预约接入和冲突分解 过程，其数目与剩余空闲信道资源和接入冲突数目有关；这时，当本次信 道传输中成功接入节点的数目达到最大允许时，中心节点也可以结束预约 接入和冲突分解期直接进入按需传输期；若预约接入和冲突分解期已结 束，本次信道传输进入按需传输期。

步骤16、中心节点发送RB分组，公布预约接入结果，当没有出现预 约接入冲突时，则公布的结果为：节点A、B、C、D、E接入成功；在出现 预约接入冲突的情况下，经过冲突分解，公布的结果为：节点A、C接入 成功。

步骤3、中心节点与各成功接入的节点交替发送PKT，节点A、B、C、 D、E或节点A、C等待中心节点发送PKT，并根据提示开始与中心节点交 替发送PKT；在中心节点发送的第1个PKT中，还可取代RB分组、包括公 布最后一次预约接入的结果。

当其中某一节点发送的是本次会晤中的最后一个PKT时，该PKT中设 置有释放信道资源的标志，中心节点接收到该标志后，便将该节点所占用 的信道在下一帧根据预约接入的结果分配给其他节点，从而提高了信道资 源的吞吐量。

本发明中，冲突分解可以使得各接入冲突节点以很大概率成功接入，这 可以使接入节点很快接入使用信道、降低了接入时延。并且，当一帧不需要 进行接入冲突分解时，理论吞吐量为S＝2NPKTtPKT/[tSR+NARtAR+tRB+2NPKTtPKT]； 当每帧只有一个接入冲突分解过程的理论最小吞吐量为 S＝2NPKTtPKT/[tSR+NARtAR+2tRB+(m+n)tFB+2NPKTtPKT]；当每帧有多个(如NCR个)接 入冲突分解过程的理论最小吞吐量为 S＝2NPKTtPKT/[tSR+NARtAR+(NCR+1)tRB+NCR(m+n)tFB+2NPKTtPKT]。其中，S为信道上的 吞吐量，tPKT、tSR、tAR、tRB和tFB分别为PKT、SR分组、AR分组、RB分组 和FB分组的发送时间，NPKT为信道上每轮交替业务分组发送中各成功接入 节点的数目，NAR为每次预约接入阶段中AR时隙的数目，NCR为每次预约接 入阶段中接入冲突分解过程的数目。每一轮帧长固定情况下，NPKT与NAR和 tAR有关，每一轮的帧长也可以随节点接入情况灵活变化。

在以上各种情况下的预约接入和冲突分解期，NAR可以为1，意味着所 有要接入节点都在唯一的AR时隙上发送AR分组，若发生冲突，才进入冲 突分解过程。

中心节点根据当前空闲信道资源和接入冲突的情况确定接入预约时隙 的数目NAR和冲突分解过程的数目NCR。当有更多接入节点参与竞争接入并 有空闲信道资源时，就增大NAR和NCR，以便让更多节点成功接入；当参与 竞争接入的节点数减少时，就降低NAR和NCR，以便在保证节点有较大成功 接入概率的前提下尽可能地提高信道吞吐量。

并且，预约接入和业务分组发送分开，仅预约接入阶段有冲突，在业务 分组传输中消除了碰撞可能的优点，灵活的预约接入及调整方法可以使得 节点更快速、有效地接入信道、最大限度地完成了业务分组的无冲突传输， 从而提高了信道吞吐量、减小了接入时延、避免了由多址接入所造成的分 组丢弃。在预约接入阶段采用优先级限制的方式，保证了高优先级的业务 分组优先得以发送。由于可以允许一定优先级业务的节点优先预约接入、 并且各成功接入节点可以周期性、无冲突地发送业务分组，节点还可以从 中心节点处申请得到每一帧中有更多业务分组发送的机会，因此，本发明特 别适合实时业务的传输，同时满足了时延和所需传输速率等服务质量 (QoS)要求。当业务量增大时所出现的共享信道公平性问题可以利用中 心节点调整、限制个别节点在预约接入中过多的成功接入来解决，比如， 节点连续成功接入使用信道2次后，中心节点根据目前接入碰撞情况(若 严重时)，规定并通告该节点一定时间内不能接入，该节点在经过这一时 间后再开始尝试接入。

本发明中，中心节点和各节点仅有一部半双工的收发信机，设备要求简 单。另外，本发明适用于任何多个节点可与中心节点通过广播类媒质相连接 通信的多个节点接入结构，适用范围广泛。

综上所述，本发明具有信道吞吐量高、接入时延小、分组丢弃率低、 QoS有保证、收发信机设备要求简单、适用范围广泛、可异步方式工作、 各节点共享信道公平的优点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当 理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技 术方案的精神和范围。