无线多跳网络多信道MAC层的信道分配方法

摘要

公开了一种无线多跳网络多信道MAC层的信道分配方法，其特征在于，该方法将平面分为4*4共16组正交信道，其中每组正交信道的覆盖范围是传输半径为R的圆形，该16组正交信道被分为四层正交信道，其中第二层信道为第一层信道水平位移R的长度，第三层信道为第一层信道垂直位移R的长度，且第四层信道为第一层信道先水平位移传输半径长度再垂直位移R的长度。另外，在每一层正交信道中分配四组正交信道，其中第二组信道为第一组信道水平位移2R的长度，第三组信道为第一组信道垂直位移2R的长度，且第四组信道为第一组信道先水平位移2R的长度再垂直位移2R的长度。

权利要求

1.一种无线多跳网络多信道MAC层的信道分配方法，其特征在于，该方法将平面分为

4*4共16组正交信道，其中每组正交信道的覆盖范围是传输半径为R的圆形，该16组正交信道被分为四层正交信道，其中第二层信道为第一层信道水平位移R的长度，第三层信道为第一层信道垂直位移R的长度，且第四层信道为第二层信道以与第三层信道的垂直位移相同的方向垂直位移R的长度； 其中，在每一层正交信道中分配四组正交信道，其中第二组信道为第一组信道水平位移2R的长度，第三组信道为第一组信道垂直位移2R的长度，且第四组信道为第二组信道以与第三组信道的垂直位移相同的方向垂直位移2R的长度；以及， 干扰半径等于侦听半径等于2.75R。

2.如权利要求1所述的信道分配方法，其中，每个节点设置有四个独立的收发器，且该四个收发器在分别不同的信道中工作。

3.如权利要求2所述的信道分配方法，其中，每个节点设置有用于获取自身位置的装置。

4.一种基于如权利要求1所述的信道分配方法的节点之间的通信方法，其包括步骤： 由第一节点获得第二节点的位置； 由第一节点根据第二节点的位置，计算出第二节点可用的信道； 由第一节点从其与第二节点相同的信道中选择一个信道建立链路。

5.如权利要求4的通信方法，其中，该由第一节点计算第二节点可用的信道的步骤包括： 对于整个平面分配4层共16个正交信道，其中对于每层分配4个 信道，其中， 第一层，以坐标(0，0)点为原点，分配信道1-4； 第二层，以坐标(Rc/2，0)点为原点，分配信道5-8； 第三层，以坐标(0，Rc/2)点为原点，分配信道9-12； 第四层，以坐标(Rc/2，Rc/2)为原点，分配信道13-16。

6.如权利要求5的通信方法，其中，对于任一坐标为(x，y)的第二节点，其可用信道为： x(n)＝(x-offset(n)_x)/Rc mod2 y(n)＝(y-offset(n)_y)/Rc mod2 ch(n)＝CH[x(n)*2+y(n)] 。

7.如权利要求4的通信方法，其中，在每个信道的MAC控制上，直接根据载波信息进行后退或传输，而不进行RTS/CTS。

说明书

无线多跳网络多信道MAC层的信道分配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种无线多跳网络多信道MAC层信道分配方法，更为具体地说，其涉及一种向在无线多跳网络多信道MAC层所有通信链路分配相互正交的信道的方法。

背景技术

[0002] 现有的无线多跳网络不同于有线网络，也不同于无线局域网，其主要缺点在于节点间，链路间的相互耦合，从而造成链路自干扰严重，以及局部调整参数恶性扩散的问题，另外，在无线多跳网络中的收、发节点之间的信息不对称，从而造成隐藏节点效应严重，诸如，捕获效应和饿死效应。

[0003] 图1示出了无线多跳网络中捕获效应的示意图，在无线多跳网络中，假定信道的传输半径为R，干扰半径等于侦听半径等于2R，并且节点间的距离均为R，则当A向B发送数据的同时，B也会向A发送确认，此时，在B后方距离B为2R的节点F由于和A的距离超出了侦听半径，其不能知道A向B发送了数据，此时，当F向G发送数据时，其会受到来自节点B的干扰。

[0004] 图2示出了无线多跳网络中饿死效应的示意图，和图1类似，假定在该无线多跳网络中，假定信道的传输半径为R，干扰半径等于侦听半径等于2R，并且节点间的距离均为R，则当A向B发送数据的同时，B也会向A发送确认，此时，在A前方距离为3R的节点G由于和A的距离超出了侦听半径，其不能知道A向B发送了数据，此时，当其向节点E发送数据时，就会干扰A和B之间的数据传输。

[0005] 同样，图3示出了现有无线多跳网络中长链路自干扰现象的示意图。当在无线多跳网络中存在从E到F的经C，A，B和D节点的长链路时，如前面参考图1和2所述的，其间距离超出侦听半径的节点向其相邻节点发送数据会造成另一节点处的干扰。因此，我们将这种和目标节点的距离超过侦听半径，但其数据传输会造成目标节点的数据传输的干扰的节点称为隐藏节点。

[0006] 在现有的无线多跳环境下，可以将MAC分为单信道MAC协议和多信道MAC协议，其中该多信道MAC协议包括频分、时分和码分多信道MAC协议。此外，根据信道的分配方法，该多信道MAC协议还可以分为按需分配的动态信道分配和预留信道的静态信道分配。

[0007] 其中，在单信道MAC协议中，所有节点共享同一信道，这样，产生的问题在于由于控制信息与数据信息无法独立，单信道MAC协议无法避免链路间耦合和信息不对造成的不良后果，因此在使用上存在诸多不利之处。

[0008] 以下图4-6分别示出了单信道MAC协议处理捕获效应、饿死效应和长链路干扰效应的情况，其中，均假设信道的传输半径为R，干扰半径等于侦听半径等于2R，并且节点间的距离均为R，可以看到，在单信道MAC协议中，信道之间的隐藏节点效应非常严重。

[0009] 和单信道MAC协议相对的，多信道MAC协议被进一步分为两个子层，即，信道分配协议和指定信道的接入控制。并且，在实现上，多信道MAC协议可被分为频分、时分、码分等等，此外，也可以有进一步的联合分配。而根据协议的行为，可以将多信道MAC协议分为动态多信道MAC协议和静态多信道MAC协议。

[0010] 在动态多信道MAC协议中，在发送时使用多个信道以避免干扰，此时，由于对于控制信息和数据信息的传输分配不同信道，可以将控制信息和数据信息解耦，从而保证预约机制不被数据干扰，也不会干扰数据。并且，在干扰区域内，对于不同的链路分配不同的信道，可以保证链路间的解耦。进来，正在研究通过有效的预约，来避免捕获效应和饿死效应，通过在干扰区域内分配彼此正交的信道，来避免链路间的自干扰，从而保证并发传输，提高吞吐量。

[0011] 下面的图7和8示出了动态多信道MAC协议的场景，如图7所示，假定传输半径为R，节点间距离均为R，并且干扰半径等于侦听半径等于2R，且对该E到F的长链路分配5个信道，包括1个控制信道和4个数据信道，其中，为了保证信道间的彼此正交，向相邻的两个链路分配不同的信道。但是，如图8所示，假定在可分配的信道数目有限的情况下，例如，分配3个数据信道时，由于无法获取隐藏节点的当前状态，比如图8中的E对于B，导致信道分配的结果仍存在严重的隐藏节点共信道造成的干扰问题。另外，由于在动态多信道MAC协议的信道分配策略中，尽量分配与本地不干扰的信道，这会导致互为隐藏节点的链路间使用同一信道的概率增加，比如图中的E-C和B-D。

[0012] 因此，对于动态多信道MAC协议来说，控制信道的分配具有很大的问题，并且对于频分动态多信道MAC协议，如果控制信道不使用独立的收发器，还有可能引发更严重的多信道隐藏节点问题。

[0013] 而在静态多信道MAC协议中，预先进行信道分配，其中根据附加信息或者先验信息，预先对各节点和各链路进行信道分配，以在通信时，直接在分配好的信道中进行通信。

[0014] 现有技术中，在基于先验知识的多信道分配中，需要收集两跳以上的的信息进行计算，并且其最优解为NS-Complete问题，计算复杂程度很高，而次优解又不能保证避免隐藏节点问题，尤其是在信道数较少时。另外，当节点运动时，算法收敛性和实际效果均不甚理想。

[0015] 而在基于附加信息的多信道分配中，现有的研究主要集中于已知节点位置信息，配合虚网格空分服用来解决信道分配问题，这类似于蜂窝网络中的情况，但是与传统蜂窝网不同之处在于，无线多跳网络中存在节点跨格之间的通信，这也会带来隐藏节点问题。

发明内容

[0016] 因此，本发明的目的是基于蜂窝网络中虚网格空分服用的原理，对于无线多跳网络多信道MAC层的各节点和各链路分配不同的信道，以克服多信道隐藏节点问题。

[0017] 本发明的目的是将空间中互为不可测干扰的链路分配到不同信道中，根据各个节点和链路上的本地信息直接获得分配结果，并且直接对链路进行信道分配。

[0018] 根据本发明的一个方面，提供了一种无线多跳网络多信道MAC层的信道分配方法，其特征在于，该方法将平面分为4*4共16组正交信道，其中每组正交信道的覆盖范围是传输半径为R的圆形，该16组正交信道被分为四层正交信道，其中第二层信道为第一层信道水平位移R的长度，第三层信道为第一层信道垂直位移R的长度，且第四层信道为第一层信道先水平位移传输半径长度再垂直位移R的长度。

[0019] 根据本发明的又一方面，提供了一种基于上述的信道分配方法的节点之间的通信方法，其包括步骤：由第一节点获得第二节点的位置；由第一节点根据第二节点的位置，计算出第二节点可用的信道；由第一节点从其与第二节点相同的信道中选择一个信道建立链路。

[0020] 通过本发明的无线多跳网络多信道MAC层的信道分配方法，在无线多跳网络环境中将平面划分为彼此正交的信道，有效解决了平面内的耦合情况和信息不对称情况，使得在仅知道本地信息的情况下，可以基于上述方法进行信道分配，从而解决耦合问题和隐藏节点问题，获得可靠的数据传输。

附图说明

[0021] 图1示出了现有技术中无线多跳网络中捕获效应的示意图；

[0022] 图2示出了现有技术中无线多跳网络中饿死效应的示意图；

[0023] 图3示出了现有技术中无线多跳网络中长链路自干扰现象的示意图；

[0024] 图4-6分别示出了现有技术中单信道MAC层通信方法处理捕获效应、饿死效应和长链路干扰效应的情况；

[0025] 图7和8示出了现有技术中的动态多信道MAC协议的场景；

[0026] 图9和10示出了蜂窝网络中虚网格空分服用的原理；

[0027] 图11示出了根据本发明的一种平面的虚网格划分方法；

[0028] 图12示出了根据本发明的另一种平面的虚网格划分方法；

[0029] 图13-15分别示出了通过使用根据本发明的多信道MAC层的信道分配方法，在无线多跳网络环境中多信道MAC协议对于捕获效应、饿死效应和长链路自干扰效应的处理。

具体实施方式

[0030] 下面将详细描述本发明的无线多跳网络的多信道MAC层中的信道分配方法。

[0031] 图9和10示出了蜂窝网络中虚网格空分服用的原理，如图9所示，在蜂窝网络中，对于空间进行划分，假设空间中信道的最大干扰距离为1，则以1为单位对空间进行分割。如图所示，对于其中不跨边界的链路，例如链路A和链路D，将处于彼此正交的不同信道中。
而对于跨边界的链路，如图9中的链路B，其跨越1和2两个信道，此时，如图10所示，假如将平面左移1/2个边长，则链路B落于一网格中，如图10所示，对于移动1/2边长的平面分配信道5-8，则对于链路B分配信道6，以保证链路B与A和D正交。

[0032] 这样，基于上述原理，如图11所示，可以得到一种平面的虚网格划分方法，其中，将平面划分为边长为2的4个方格，并且将该4个方格分别左移1，下移1，和左移1再下移1，这样，将得到1-16共16个方格的平面划分，并且，任何一个长度为1的线段均能够落入至少一个方格当中。

[0033] 基于上述证明过程，可以进一步得到下面的结论，其中当以上述方式将整个平面划分为16类方格，且每个方格的边长为2时，任何落入同一类方格中的两条线段，要么落入同一方格，要么最小距离大于2，即，线段1上任一点到线段2上任一点的距离大于2。

[0034] 但是，上述划分方法具有的问题在于，落入同一格内的两条线段的最大距离不能保证小于2，这对于链路分配来说，会出现链路1上某点成为链路B上某点的隐藏节点的问题。

[0035] 因此，基于上面所述，对于图11所述的平面划分方法进行了改进，如图12所示，将平面划分为16类半径为1的圆，这样，任何一条长度小于等于0.732的线段，总能落入1个圆内。

[0036] 这样，根据图12所示的平面划分方法，当将平面划分为16类半径为1的圆时，任何落入同一类圆中的两条线段，要么最大距离小于2，要么最小距离大于2，其中，该两条线段的最大距离是指该两条线段之一上的任一点到该两条线段之另一个上的任一点的最大距离，且该两条线段的最小距离是指该两条线段之一上的任一点到该两条线段之另一个上的任一点的最小距离。

[0037] 此外，如图12所示的平面划分中，选择平面上的任意一点，则以该点为顶点，长度不超过0.732的所有线段最多属于四类不同的圆。

[0038] 因此，根据上面所述，可知当满足以下前提时：每个节点知道自身的位置信息，如利用GPS；对于整个空间分配16个正交信道；每个节点具有4个独立的收发器，且令信道的传输半径为R，干扰半径等于侦听半径等于2/0.732＝2.75R，这存在一种信道分配方法，使得任意两个链路节点之间都不存在隐藏节点问题。(怎样设置侦听半径？)[0039] 下面将说明利用上述原理进行多信道MAC协议的信道划分的一个具体实例。这里，对于整个平面分配4层共16个正交信道，其中对于每层分配4个信道。第一层，以坐标(0，0)点为原点，分配信道1-4，即Offset(0，0)对应1-4；第二层，以坐标(Rc/2，0)点为原点，分配信道5-8，即Offset(Rc/2，0)对应5-8；第三层，以坐标(0，Rc/2)点为原点，分配信道9-12，即Offset(0，Rc/2)对应9-12；第四层，以坐标(Rc/2，Rc/2)为原点，分配信道13-16，即Offset(Rc/2，Rc/2)对应13-16。这样，对于任一坐标为(x，y)的节点，可找到每层所对应的信道：

[0040] x(n)＝(x-offset(n)_x)/Rc mod 2

[0041] y(n)＝(y-offset(n)_y)/Rc mod 2

[0042] ch(n)＝CH[x(n)*2+y(n)](举例说明！)

[0043] 上述信道分配方法的优点在于，直接根据对方的位置，计算出对方可用的信道，从自己和对方相同的信道中选择一个建立链路。且在每个信道的MAC控制上，不用再进行RTS/CTS，可直接根据载波信息进行后退或传输。

[0044] 这样，通过上述的多信道MAC层的信道分配方法，把一个无线多跳的耦合环境解耦为一组相互正交的无线局域网环境，并且把一个无边界环境解耦为一组有边界的正交环境，而且，通过将可能造成信息不对称的因素分配到正交信道上，而彻底消除了不良影响。

[0045] 以下的图13-15分别示出了通过使用根据本发明的多信道MAC层的信道分配方法，在无线多跳网络环境中多信道MAC协议对于捕获效应、饿死效应和长链路自干扰效应的处理。

[0046] 图13示出了根据本发明的多信道MAC协议对于捕获效应的处理。如图13所示，假设传输半径为R，干扰半径等于侦听半径等于2.75R，并且节点间距离均为R，通过上面描述可知，任意两条相邻节点间的链路均处于空间划分中不同类的圆中，即，向该两条链路分配不同的信道，从而避免了其数据传输的相互干扰。

[0047] 图14和图15所示的情况类似于图13所述的，由于任意两条相邻节点间的链路均处于空间划分中不同类的圆中，即，向该两条链路分配不同的信道，从而避免了现有技术中的饿死效应和长链路自干扰。

[0048] 如上所述，本发明通过在无线多跳网络环境中通过对于平面的划分分配彼此正交的信道，有效解决了平面内的耦合情况和信息不对称情况，使得在仅依赖本地信息的情况下，可以基于上述方法进行信道分配，从而解决耦合问题和隐藏节点问题，获得可靠的数据传输。