专利名称：基于极化分集的方向性认知mac协议的实现方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域的认知Ad Hoc网络的MAC(MediumAccess Control) 层协议设计方法，尤其涉及一种基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法。
背景技术：
随着无线通信技术的飞速发展，频谱成为日益稀缺的资源，传统的固定频谱分配 方式导致资源浪费进而频谱利用率低，已成为制约无线通信网络进一步发展的关键因素。 认知无线电技术具有检测初级用户对其授权频段的占用情况并实施动态频谱接入的能力， 能够有效地解决上述问题。在无线Ad Hoc网络中引入认知无线电技术是近年来新兴的研 究领域，设计能够实现高效动态频谱接入的MAC协议是认知Ad Hoc网络面对的主要挑战及 执占之一。对于认知Ad Hoc网络，其MAC协议可以分为三类随机接入类，时隙化类和混合 类。SRAC-MAC(Single Radio Adaptive Channel-MAC)和 HC-MAC(Hardware-Constrained Cog-nitive MAC)协议属于随机接入类协议，无论控制分组还是数据的传输都是通过随机 接入信道实现的。作为时隙化协议代表的C-MAC (Cognitive MAC)协议是在修改MMAC协议 的基础上加入CR功能得到的，通过对信标周期进行严格的时隙划分，为每个邻居节点分配 唯一的信令时隙，从而实现网络吞吐量的提高，但是该协议较为复杂，可扩展性较低。在混 合类协议中，控制分组通过同步时隙传输，而随后的数据传输则使用随机信道接入方案，例 如Y. R. Kondareddy等人提出的SYN-MAC (Synchronized MAC)协议，将时间划分为重复出现 的帧结构，帧中包含的时隙数与最大可用信道数相同且一一对应，在某信道对应时隙内预 约成功的节点对在随后的时间内还必须按照IEEE 802. IlDCF方式竞争该信道使用权。在上述研究成果中，节点仅使用全向天线，并且没有考虑天线的极化问题。但是， 随着天线技术的发展，使用方向性和极化天线能够显著改善网络性能。目前，这种研究仅限 于传统Ad Hoc网络。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法。该 方法通过使用方向性天线和极化分集技术使得节点能够充分利用频率和空间资源，从而提 高网络吞吐量，减小端到端时延。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1)首先，将时间划分为时间长度相同的多个信道时隙，每个信道时隙由“感知周 期”和“数据传输周期”组成，在感知周期内，所有节点依次感知所有数据信道，确定在本信 道时隙内被初级用户占用的数据信道及其对应的计划方式，在数据传输周期内，节点对在 公共控制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权，随后竞争成功的节点对切换至相 应数据信道按照确定的极化方式和发送功率完成分组传输；2)其次，每个节点均维护一张列表可用信道列表ACL，分别记录初级用户和邻居节点在当前信道时隙内的信道、极化和功率使用情况；3)再次，当节点S有数据分组需要向目的节点D发送时，两节点通过下述四个阶 段，完成分组传输a. DRTS分组发送阶段源节点S首先方向性侦听公共控制信道，并且当退避时间 结束以及在随后的分布式帧间隔DIFS内公共控制信道仍然空闲，则向目的节点D发送方向 性请求发送分组分组DRTS，该DRTS分组中携带自身的ACL ； b. DCTS分组发送阶段若目的节点D成功接收源节点S发送的DRTS分组，则首先 将自身ACL和源节点S的ACL进行对比；若两张ACL中不存在公共可用的数据信道，则节点 D向节点S发送否定DCTS分组NDCTS，表示竞争失败；否则，节点D根据两张ACL中记录的 信道信息确定本次传输所使用的数据信道、极化方式以及发送功率，并向源节点发送方向 性允许发送分组DCTS ；c. DDTS分组发送阶段若源节点S成功接收目的节点D发送的DCTS分组，则在短 帧间隔SIFS后，向目的节点D回送方向性确定发送分组DDTS，该分组所记录的信息与节点 D发送的DCTS分组中记录的信息相同；若源节点S成功接收目的节点D发送的NDCTS分组， 则取消本次传输；由于NDCTS分组表明源节点和目的节点之间不存在公共可用信道，因此， 在当前信道时隙内，节点S将不再向节点D传输数据分组；d.数据传输阶段当目的节点D成功接收源节点发送S的DDTS分组后，两节点同 时切换至相应信道，在短帧间隔SIFS之后，按照确定的极化方式和发送功率完成数据分组 传输；4)最后，侦听到DCTS分组或DDTS分组的邻居节点按下述过程更新自身ACL中的
相关信息；a.侦听DCTS分组假设源节点S和目的节点D用于传输数据分组的信道为D (SD)， 中心频率为fD(SD)；若节点I侦听到节点D发送的DCTS分组，则节点I首先计算自身与节点 D在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在信道D(SD)上的信道增益；其 次，节点I确定自己在该信道上是否处于节点D的传输范围内；再次，节点I计算自身在不 影响节点D正确接收数据分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新方向性网 络分配矢量DNAV ；b.侦听DDTS分组假设源节点S和目的节点D用于传输确认分组ACK的信道为 A(SD)，中心频率为fA(SD)；若节点I侦听到节点S发送的DDTS分组，则节点I首先计算自身 与节点S在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在信道A(SD)上的信道 增益；其次，节点I确定自己在该信道上是否处于节点S的传输范围内；再次，节点I计算自 身在不影响节点S正确接收ACK分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新方向 性网络分配矢量DNAV。所说的目的节点D确定数据分组和ACK分组传输信道、极化方式和发送功率计算 按以下步骤进行假设源节点S和目的节点D之间存在M条公共可用数据信道，其中心频率为 If1,…，f }；公共控制信道的中心频率为fo;节点可正确接收数据分组的信噪比门限为 SNRth ；节点间的传输模型为地面反射模型；节点在全向模式下的天线增益为G°，在方向性 模式下的天线增益为Gd;
节点D在接收到节点S发送的DRTS分组后，按照(1)计算自身与节点S在公共控 制信道上的信道增益/4，
权利要求
1.基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法，其特征在于1)首先，将时间划分为时间长度相同的多个信道时隙，每个信道时隙由“感知周期”和 “数据传输周期”组成，在感知周期内，所有节点依次感知所有数据信道，确定在本信道时隙 内被初级用户占用的数据信道及其对应的计划方式，在数据传输周期内，节点对在公共控 制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权，随后竞争成功的节点对切换至相应数据 信道按照确定的极化方式和发送功率完成分组传输；2)其次，每个节点均维护一张列表可用信道列表ACL，分别记录初级用户和邻居节点 在当前信道时隙内的信道、极化和功率使用情况；3)再次，当节点S有数据分组需要向目的节点D发送时，两节点通过下述四个阶段，完 成分组传输a.DRTS分组发送阶段源节点S首先方向性侦听公共控制信道，并且当退避时间结束 以及在随后的分布式帧间隔DIFS内公共控制信道仍然空闲，则向目的节点D发送方向性请 求发送分组分组DRTS，该DRTS分组中携带自身的ACL ；b.DCTS分组发送阶段若目的节点D成功接收源节点S发送的DRTS分组，则首先将自 身ACL和源节点S的ACL进行对比；若两张ACL中不存在公共可用的数据信道，则节点D向 节点S发送否定DCTS分组NDCTS，表示竞争失败；否则，节点D根据两张ACL中记录的信道 信息确定本次传输所使用的数据信道、极化方式以及发送功率，并向源节点发送方向性允 许发送分组DCTS ；c.DDTS分组发送阶段若源节点S成功接收目的节点D发送的DCTS分组，则在短帧间 隔SIFS后，向目的节点D回送方向性确定发送分组DDTS，该分组所记录的信息与节点D发 送的DCTS分组中记录的信息相同；若源节点S成功接收目的节点D发送的NDCTS分组，则 取消本次传输；由于NDCTS分组表明源节点和目的节点之间不存在公共可用信道，因此，在 当前信道时隙内，节点S将不再向节点D传输数据分组；d.数据传输阶段当目的节点D成功接收源节点发送S的DDTS分组后，两节点同时 切换至相应信道，在短帧间隔SIFS之后，按照确定的极化方式和发送功率完成数据分组传 输；4)最后，侦听到DCTS分组或DDTS分组的邻居节点按下述过程更新自身ACL中的相关 fn息；a.侦听DCTS分组假设源节点S和目的节点D用于传输数据分组的信道为D(SD)，中 心频率为fD(SD)；若节点I侦听到节点D发送的DCTS分组，则节点I首先计算自身与节点D 在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在信道D(SD)上的信道增益；其 次，节点I确定自己在该信道上是否处于节点D的传输范围内；再次，节点I计算自身在不 影响节点D正确接收数据分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新方向性网 络分配矢量DNAV ；b.侦听DDTS分组假设源节点S和目的节点D用于传输确认分组ACK的信道为A(SD)， 中心频率为fA(SD)；若节点I侦听到节点S发送的DDTS分组，则节点I首先计算自身与节点 S在公共控制信道上的信道增益，并由此得到自身与节点D在信道A(SD)上的信道增益；其 次，节点I确定自己在该信道上是否处于节点S的传输范围内；再次，节点I计算自身在不 影响节点S正确接收ACK分组的前提下可使用的最大可用发送功率；最后，更新方向性网络分配矢量DNAV。
2.根据权利要求1所述的基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法，其特征在 于所说的目的节点D确定数据分组和ACK分组传输信道、极化方式和发送功率计算按以下 步骤进行假设源节点S和目的节点D之间存在M条公共可用数据信道，其中心频率为{f1;…， f }；公共控制信道的中心频率为& ；节点可正确接收数据分组的信噪比门限为SNRth ；节点 间的传输模型为地面反射模型；节点在全向模式下的天线增益为G°，在方向性模式下的天 线增益为Gd ；节点D在接收到节点S发送的DRTS分组后，按照(1)计算自身与节点S在公共控制信 道上的信道增益/4，
全文摘要
基于极化分集的方向性认知MAC协议的实现方法，本方法基于极化分集和方向性天线而设计，源节点和目的节点在公共控制信道上通过交换控制分组竞争数据信道使用权，竞争成功的节点对切换至所选的数据信道按照约定的极化方向和功率使用方向性天线完成数据分组传输。仿真结果表明，相对于传统的DSA-MAC协议，本发明能够有效提高网络吞吐量并降低端到端传输时延。
文档编号H04W74/08GK102111897SQ20101059000
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者任品毅, 刘艳洁, 吴广恩, 尹稳山, 张世娇, 王熠晨, 龚敏康 申请人:西安交通大学