CN105873170A - 一种认知无线电移动自组织网络多信道介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

一种认知无线电移动自组织网络的多信道介质访问控制方法。该方法以提升网络频谱资源和传输效率，减少电磁干扰对无线通信影响为目标，解决认知无线电移动自组织网络的多信道介质访问控制问题。本发明基于多信道动态时隙访问方式，依据设计的信道的超帧结构和MAC帧格式，利用节点间的协商机制实现邻居节点之间周期性的数据交互、备选信道选举、避免隐藏终端问题和控制信道超帧的不同步问题，从而保障通信的可靠性并减少电磁干扰对无线通信影响；在数据信道的时隙未被完全占用的情况下，利用控制时隙重分配机制能够调整数据信道的时隙占用情况，数据信道的节点依次按照发送信标帧的顺序循环分配剩余的未占用的数据帧时隙，从而提升网络的传输效率。

Description

一种认知无线电移动自组织网络多信道介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及计算机科学中的无线网络通信技术领域，特别是涉及认知无线电移动自组织网络环境下的多信道介质访问控制方法。

背景技术

随着信息产业的飞速发展，带动了无线通信业务量的快速增长，同时也对无线通信的容量和服务质量提出了巨大的需求。在此背景下，无线频谱资源短缺问题的日益凸显。认知无线电技术的出现为频谱资源稀缺和利用率低下的问题带来了新的解决途径。认知无线电能够与所在的通信环境进行交互而动态改变收发机的频率和功率参数，通过动态感知无线环境中的频谱空穴，动态调节收发机可接入的频谱空穴，有效避免对主用户使用授权信道的干扰，以此来提升空闲信道利用率解决有限的频谱资源和固定频谱资源分配导致的频谱拥堵问题。移动自组织网络具有无中心、自组织、无固定基础设施的特点，在军民领域都有着重要地位。因此，融合认知无线电技术和移动自组织网络技术的认知无线电移动自组织网络是目前无线电领域的研究热点之一。本发明提出了一种多信道介质访问控制方法，该方法适用于认知无线电移动自组织网络，能够在有电磁干扰的情况下为移动无线自组织网络通信提供可靠的数据连接。

目前，该研究领域中研究人员已经取得了一系列的研究进展，认知无线电移动自组织网络多信道介质访问控制方法根据协商过程的有无一般可以总结为两大类：

(1)协商接入，是指需要通信的节点首先利用专门的控制信道完成数据信道访问的协商，控制信道不涉及数据的发送只负责数据信道访问的协商，节点完成协商后即可访问指定的数据信道执行数据发送和接收。该类方法信道访问成功率高具有较好的可靠性和稳定性。

(2)无协商接入，是指节点在发送数据前不需要进行事先协商即访问数据信道，即对数据信道直接进行访问尝试。该类方法信道访问成功率较低，但是开销少、设计简单。

多信道介质访问控制方法根据信道的访问方式不同还可以分为：

(1)随机接入类方式(或竞争类方式)，节点采用竞争的方式获取信道的访问权限，通过控制信令避免冲突(比如采用CSMA/CA机制的MAC协议)，从而防止无序访问造成信号的相互冲突，该方法设计简单，有较强的适应性，适用于负载比例较低的场景。

(2)固定时隙接入类方法，把信道按时间划分成固定时隙分配给不同的节点，节点在分配的时隙发送数据从而防止信号的相互冲突，该方法较好的克服了多信道中的隐藏终端问题，但是增加了网络开销，需要网络同步。

(3)混合接入类方法，即把随机接入和固定时隙接入进行有机的结合。目前大量的研究工作多集中在该类的方法研究，因为该类访问方式能同时兼具有随机接入的灵活性和固定时隙的优点

以上各种类型的方法各有特点，各有优劣。本发明给出了一种适用于认知无线电移动自组织网络的多信道介质访问控制方法，该方法能够有效的提升频谱资源的利用效率，减少电磁干扰对无线通信的影响。

发明内容

本发明以提升网络频谱资源和传输效率，减少电磁干扰对无线通信影响为目标，解决认知无线电移动自组织网络的多信道介质访问控制问题，具体内容包括：

1、给出了一种基于多信道动态时隙访问方式的超帧结构和MAC帧格式。控制信道和数据信道分别用于节点传输协商和数据传输，同时控制信道和数据信道均以超帧结构为时间划分的周期单位。超帧由一系列时隙组成，时隙为超帧结构中最小的时间单位。控制信道和数据信道的超帧结构的内部都可划分为：信标阶段和数据传输阶段，信标阶段时隙用于节点标识访问了当前信道(或申请访问当前信道)，数据阶段时隙用于访问当前信道的节点进行节点之间消息的交互。

(1)信标阶段的预留时隙可发送预留时隙信标帧，用于标识节点申请访问当前信道；

(2)信标阶段的除去预留时隙的信标时隙分别被分配给访问信道的所有节点，每个节点在各自的信标帧时隙发送接入信标帧，用于标识节点正在侦听当前信道，接入信标帧可包含有多种类型的信息，利用周期性在分配的时隙发信标帧的方式将信息分享给其他节点；

(3)数据阶段的数据帧时隙可发数据帧，数据帧的比接入信标帧更大，可以包含更多的信息与邻居节点共享。

2、提出了一种适用于电磁干扰环境的信息分享和访问协商方法，包括：邻居信息与频谱信息共享、备选信道协商。节点在访问信道后，通过节点周期发送信标帧，利用接入信标帧中附加的频谱信息实现邻居节点频谱信息分享(备选信道累计值、冲突评估值、冲突信道)；在接入信标帧中附加的邻居信标号避免了无线通信中隐藏终端问题的发生。提供了信道评估值的计算方法，用来权衡当前信道的拥塞情况和电磁干扰程度，备选信道选择方法保障了所有节点计算的结果具有唯一性，选择的最终备选信道将作为当前信道受到干扰时切换的备选信道。

3、提出了一种空闲时隙重分配机制，在数据信道的时隙未被完全占用的情况下，首先节点重新调整数据信道上接入信标帧和数据帧的时隙占用情况，将占用的时隙迁移至连续的时隙范围内，然后数据信道的节点依次按照发送信标帧的顺序循环分配剩余的未占用的数据帧时隙。若完成一轮的分配数据帧时隙还有剩余，则继续按照该分配顺序将所有的剩余时隙依次分配给相应的节点。

与现有的技术相比较，本发明的创新之处在于：引入时分多址和时隙竞争的特点，设计了一种适用于认知无线电移动自组织网络的多信道介质访问控制方法。具体体现在：

1.超帧结构满足公平性和灵活性的需求，充分利用时分多址在节点访问信道公平性的方面的优势(特别是高负载性能情况下)。信标阶段时隙引入竞争访问机制与退避机制有效保障了信道中时隙分配的灵活性，扩展了该方法的适用场景。

2.周期性的信标发送机制实现信息共享，能够帮助节点方便的实现多信道访问、邻居节点发现与信息共享、信道评估、备选控制信道协商、数据信道协商等功能，同时避免隐藏终端问题。

3.数据信道空闲时隙重分配机制能充分利用未被占用的时隙，增加其他节点分配的传输时隙，提升数据信道的整体的传输效率(特别是低负载性能情况下)，此外该重分配方法能够适用于自组织网络中节点随机性接入信道和离开信道的情况。

附图说明

图1超帧结构图

图2控制信道预留时隙信标帧格式

图3控制信道接入信标帧格式

图4控制信道数据帧格式

图5数据信道预留时隙信标帧格式

图6数据信道接入信标帧格式

图7数据信道数据帧格式

图8节点的可达范围和外延范围示例

图9空闲时隙重分配之后的信道时隙分配情况

具体实施方式

首先，对本发明做一个总的概要介绍，然后，将介绍多信道介质访问控制方法的超帧结构与MAC帧格式以及相关内容的详细说明。最后，将介绍多信道访问控制方法的主要执行过程，并对所有过程阶段进行详细说明。本发明所针对无线移动网络场景为所有无线节点都是半双工设备，即一个节点在同一时刻只能在一个信道接收或发送数据，且接收和发送不能同时进行。

本发明的介质访问控制方法属于分时接入的方式，其基本单位是超帧。超帧由若干的小时隙构成，同时，超帧又分为两部分：信标阶段和数据传输阶段。信标阶段存在四种信标帧：控制信道预留时隙信标帧、数据信道预留时隙信标帧、控制信道接入信标帧和数据信道接入信标帧；数据传输阶段存在两种数据帧：控制信道数据帧和数据信道数据帧。以下将对本发明的超帧结构与功能作用做详细的介绍。

请参阅图1，控制信道和数据信道在信标阶段开始都有两个预留时隙，当有新节点要加入当前信道时需要在第一个预留时隙发送访问申请，第二个预留时隙被用作侦测时隙，所有节点在该时隙不发送任何数据，以便于在干扰发生时能够判断干扰是多个新用户同时发出访问申请造成的还是外界其他电磁干扰因素造成的。信标阶段除去预留时隙的剩余时隙全部被用作节点访问标识。当新节点访问成功后就会分配到属于自己的信标帧时隙(属于信标阶段)和数据帧时隙(属于数据传输阶段)，节点成功访问信道之后，各个节点都需要在各自分配到的信标帧时隙内发送节点自己的信标帧，从而便于其他节点感知到访问该信道上的节点；同时，若节点需要发送相关数据消息可在分配到的数据传输阶段的数据帧时隙内发送数据帧。在数据帧的开始都有一个短暂的空闲时隙用于侦测外界干扰，接下来的数据帧部分用来传送节点数据。对于数据信道和控制信道而言，信标阶段的前2个时隙为预留信标帧时隙，信标阶段的接入信标帧时隙个数与数据传输阶段的数据帧时隙个数相等，并且接入信标帧和数据帧总是成对进行分配，即节点分配到预留时隙之后的第n个信标帧时隙的同时也分配到数据传输阶段的第n个数据帧时隙。新节点通过控制信道信标帧访问控制信道，访问节点通过控制信道信标帧发现邻居节点，同时能够有效的避免隐藏终端的问题。

请参阅图2，控制信道预留时隙信标帧格式，其预留时隙信标帧字段详细介绍如下：

(1)类型：位数为3bit，标识节点发送帧的类型。

(2)信标号：位数为5bit，标识该帧为信标帧号，从0开始计数。

(3)节点号：位数为8bit，标识网内设备节点的标号。

(4)字段①：位数为1bit，控制信道标识位。

(5)字段②：位数为2bit，请求类型标识位。

(6)信道评估：位数为8bit，标识信道的噪声干扰评估等级。

(7)跳转信道：位数为8bit，标识将要跳转的控制信道。

(8)信标帧位置：位数为8bit，标识当前节点申请接入的信标帧位置。

(9)请求次数：位数为8bit，标识当前节点申请接入次数。

(10)信标帧检验和：位数为16bit，标识信标帧的校验码。

(11)其他选项：保留字段。

请参阅图3，控制信道接入信标帧格式，其接入信标帧字段详细介绍如下：

(1)类型：位数为3bit，标识节点发送帧的类型。

(2)信标号：位数为8bit，标识该帧信标序号，接入设备的信标号从2开始。

(3)节点设备号：位数为8bit，标识网内设备节点的标号。

(4)字段①：位数为1bit，播标识位。

(5)字段②：位数为2bit，控制信道冲突状态位。

(6)冲突评估值：位数为5bit，标识控制信道的评估值。

(7)冲突控制信道：位数为8bit，标识冲突的信道标号。

(8)备选信道累积值：位数为8bit，标识发送节点已知备选控制信道的累积值。

(9)备选信道，位数为8bit，标识发送节点已知的备选控制信道标号。

(10)字段③：位数为2bit，接入选择位。当在信标帧阶段第一时隙侦听到接入申请信标帧后，节点在该字段发送是否同意新节点接入的决策。

(11)字段④：节点状态位，位数为2bit，标识节点所处的状态信息。

(12)字段⑤：脱离次数，位数为2bit，标识节点脱离信道的周期个数，不得超过2个超帧周期。

(13)字段⑥：请求通信位，位数为2bit，当两节点有数据要传输时，标识进行协商请求。

(14)邻居节点个数：位数为8bit，标识该节点已知的邻居节点个数。

(15)目的/源节点设备号：位数为8bit，节点请求数据通信时标识目的或源节点设备号。

(16)数据信道：位数为8bit，标识节点侦听的数据信道，若无则为全0。

(17)冲突信标帧：位数为8bit，标识由于节点移动造成冲突的信标帧位置。

(18)原节点设备号：位数为8bit，标识冲突位置原来节点的设备号。

(19)广播序号：位数为8bit，标识节点所发送的广播帧的广播序号。

(20)网络地址字段：位数为8bit，标识节点相应接口的IP地址，MAC层通过该字段将MAC地址同IP地址相对应，并建立链路转发表。

(21)信标帧校验和：位数为16bit，标识信标帧的校验码。

请参阅图4，控制信道数据帧格式，其数据帧字段详细介绍如下：

(1)类型：位数为3bit，标识节点发送帧的类型。

(2)标号：位数为5bit，标识该数据帧的帧序号。

(3)节点设备号：位数为8bit，标识发送节点的设备号。

(4)邻居个数：位数为8bit，数据帧内数据段所传输的邻居节点信息个数

(5)信道信息个数：位数为8bit，帧内数据段所传输的信道信息个数。

(6)校验和：位数为32bit，标识CRC生成的校验码。

请参阅图5，数据信道预留时隙信标帧格式，其预留时隙信标帧字段详细介绍如下：

(1)类型：位数为3bit，标识节点发送帧的类型。

(2)信标号：位数为8bit，标识该信标帧序号，接入设备的信标号从2开始。

(3)节点设备号：位数为8bit，标识网内设备节点的标号。

(4)字段①：位数为1bit，数据信道标识位。

(5)字段②：位数为2bit，标识预留时隙信标帧的请求类型。

(6)数据信道评估值：位数为5bit，标识新节点对当前数据信道的评估值。

(7)控制信道：位数为8bit，标识新节点所在的控制信道。

(8)信标帧位置：位数为8bit，标识当前节点申请接入的信标帧位置。

(9)请求次数：位数为8bit，标识当前节点申请接入次数。

(10)信标帧校验和：位数为16bit，标识信标帧的校验码。

(11)其他选项：保留字段。

请参阅图6，数据信道接入信标帧格式，其接入信标帧字段详细介绍如下：

(1)类型：位数为16bit，标识信标帧的校验码。

(2)信标号：位数为8bit，标识该信标帧序号，接入设备的信标号从2开始。

(3)节点设备号：位数为8bit，标识网内设备节点的标号。

(4)字段①：位数为1bit，数据信道标识位。

(5)字段②：位数为2bit，接入选择位，当在信标帧阶段第一时隙侦听到接入申请信标帧后，节点在该字段发送是否接受新节点接入的决策。

(6)字段③：位数为2bit，信标帧跳转控制字段，由于其他节点的退出，当前节点前面的信标帧位置可能产生空位，此时节点可以在该字段申请跳转到前面为空的信标帧位置。

(7)字段④：位数为2bit，循环占用字段，标识节点是否使用其时隙位置之后的空闲数据帧。

(8)字段⑤：位数为2bit，节点状态位。

(9)字段⑥和字段⑨：位数为2bit，保留字段。

(10)字段⑦：位数为1bit，申请移位字段，1表示节点申请向前移位，此时申请跳转时隙为申请前移的位置，0表示正常状态。

(11)字段⑧：位数为1bit，移位协商字段，如果当前节点侦测到其他节点申请向前移位，且切前移位置有其他邻居节点存在，则将此位置1。

(12)控制信道：位数为8bit，标识当前节点所访问的控制信道。

(13)备选信道评估值：位数为5bit，该字段标注节点自身认为最好的备选数据信道评估值。

(14)备选数据信道：位数为8bit，标注当前节点所认为最好的备选数据信道。

(15)帧占用协商字段：位数为8bit，节点通过该字段协商空闲数据帧的使用。

(16)目的节点：位数为8bit，当节点处于发送状态时给出目的节点设备号。

(17)冲突信标帧：位数为8bit，标识由于节点移动造成冲突的信标帧位置。

(18)原节点设备号：位数为8bit，标识冲突位置原来节点的设备号。

(19)信标帧校验和：位数为16bit，标识信标帧的校验码。

(20)循环长度：位数为8bit，节点间通过该字段协商超帧内空闲时隙的分配方法。

(21)申请跳转时隙：位数为8bit，标识节点申请跳转时隙位置。

(22)时隙占用标志：位数为16bit，标识当前超帧各数据时隙节点是否侦听数据信道，该字段内每一位对应一个时隙。

(23)邻居信标号字段为邻居节点的设备号。

请参阅图7，数据信道数据帧格式，其数据帧字段详细介绍如下：

(1)类型：位数为16bit，标识信标帧的校验码。

(2)标号：位数为8bit，标识该数据帧的帧序号。

(3)源节点：位数为8bit，该字段为数据发送的源节点设备号。

(4)目的节点：位数为8bit，该字段为数据接收的目的节点设备号。

(5)帧长度：16bit，标注该数据帧的总长度，单位为字节。

(6)数据段：位数由帧长度字段来确定，数据段长度＝帧长度-18字节。

(7)校验和：位数为32bit，该字段为通过CRC生成的校验码。

下面将对本发明的多信道介质访问控制方法的执行过程进行详细介绍：

第一阶段，信道侦听与邻居节点发现。节点在初始启动时，对节点周边的信息以及可用的频谱信道信息都是空缺的，因此需要对所有的可用信道进行一次完整的侦听遍历，节点按照信道频率由低到高的顺序搜索各个信道。在该阶段，节点在每个信道上的侦听时间周期为三个超帧。若侦听某个信道的过程中侦听到存在信标帧，则需要识别出该信道上的信标帧类型。如果是控制信道信标帧，则标记该信道为控制信道，并存储侦听到的信息；如果是数据信道信标帧，则标记该信道为数据信道，并存储侦听到的信息。控制信道的信标帧和数据帧的相关字段中包含有该信道上的邻居节点信息、备选控制信道和数据信道信息；同时，数据信道的信标帧和数据帧也包含有邻居节点信息、备选数据信道和控制信道信息。当节点对所有可用信道完成了一次完整的侦听遍历后，信道侦听与邻居节点发现过程结束，执行第二阶段处理。

第二阶段，控制信道访问。如果节点在第一阶段中没有侦测到控制信道，则从发现的信道中选择出两个不存在干扰信号或干扰信号较低的信道作为控制信道和数据信道，并以随后一段时间内的任意的一个时刻点作为控制信道上超帧的起始时刻，将第一个控制信道接入信标帧时隙分配给节点自身，同时节点周期性的在所分配的信标帧时隙发送节点的接入信标帧，至此，该情形下第二阶段结束，节点执行第三阶段处理操作；如果待访问控制信道节点在第一阶段中有侦测到已经存在控制信道，则选择该信道作为待访问的控制信道，然后该节点将开始执行超帧同步操作，详细的操作步骤如下所示：

Step1：节点侦听目标信道，接收信标帧。

Step2：通过信标帧字段中的信标号可以计算出当前超帧的起始时刻和下一个超帧的起始时刻。下面将详细介绍相关数据的计算方法：

令接收到信标帧的时刻为t₁，接收到的信标帧的信标号为n，一个信标帧的时隙长度为δ，超帧的长度为θ，则当前超帧的开始时刻t₀的计算如公式(1)所示：

t₀＝t₁-[(n-2)×δ+2×δ] (1)

下一个超帧的开始时刻t₂的计算如公式(2)所示：

t₂＝t₁-[(n-2)×δ+2×δ]+θ (2)

Step3：节点根据计算出的下一个超帧的起始时刻t₂，节点同步时钟频率为该信道上的超帧起始时刻，并在超帧的第一个预留时隙发送预留时隙信标帧，至此完成超帧同步操作。

待访问控制信道的节点在控制信道上超帧中预留时隙成功地发送预留时隙信标帧后，其中预留时隙信标帧中包含申请的信标帧时隙标识。待访问控制信道的节点开始侦听信标阶段其他已经访问控制信道的节点发送的信标帧；同时，已经访问控制信道的节点在信标阶段的预留时隙能够侦听到待访问节点发送的预留时隙信标帧，并通过发送接入信标帧回复待访问节点。待访问节点通过侦听接入信标帧的内的“接入选择位”来识别接入申请结果，其中，“接入选择位”可以分别标识：(1)接受新节点的接入请求；(2)不接受新节点的接入请求；(3)接入时存在多节点申请发生碰撞。如果已经访问信道的节点侦听待预留时隙信标帧发生了信号碰撞，则说明当前存在多个待访问该信道的节点同时在预留时隙发送了预留时隙的信标帧，则响应待访问节点接入时存在多节点申请发生碰撞，待访问节点执行二进制退避算法尽可能的避免再次访问冲突；如果当前信道的信标帧时隙已经完全分配完毕则说明当前该信道已经满负荷，因此响应待访问节点不接受新节点的访问请求；如果当前信道的信标帧时隙存在未分配且预留时隙信标帧没有发生信号碰撞，则响应接收新节点的访问请求，同时待访问节点可以通过侦听控制信道上的信标帧不断获取访问信道的邻居信标号，从而确定待访问信道可分配的时隙，即信标阶段所有时隙内除去掉预留时隙、侦听到的邻居节点信标号指示的信标时隙和所有接收到的信标帧中邻居信标号所指示的信标时隙，剩余部分的信标时隙中信标号较低的时隙将默认分配给当前新访问的节点，新访问的节点在分配给自己的信标时隙发送信标帧，至此新节点成功访问控制信道，执行第三阶段处理。

第三阶段，控制信道协商。访问控制信道上的节点通过接入信标帧以及数据帧进行信息的交互，控制信道协商的主要内容包括：(1)避免多信道隐藏终端问题；(2)选举备选信道；(3)避免控制信道上的不同步的问题。

(1)避免多信道隐蔽终端问题，一个节点不仅需要知道它的邻居节点而且还需要知道其邻居的邻居节点。因此，在超帧的信标阶段，节点需要在自己的信标时隙发送信标帧，该信标帧包括以下两类信息：(1)节点自身的信息，(2)节点在上一个超帧中侦听到的邻居节点信息。这样网络中的每个节点都可以通过直接(直接侦听到邻居信标信息)或间接(通过邻居发布信标信息中包含的信息)的方式感知到邻居节点以及邻居的邻居节点信息。

请参阅图8，描述了节点的可达范围和外延范围的示意图。节点B在节点A的可达范围内，而节点C在节点A的外延范围，其中，B的外延节点由A、B和C的邻居节点组成，节点D超出了B节点的外延范围之内。如果在控制信道上，节点B超过3个超帧都未接收到C的信标帧时，则认为节点C已经不在其可达范围内，同时删除通过C的所有外延节点，B在向A发送的信标帧中也将不再包含邻居节点C，节点A接收到B的信标帧之后没有发现C节点，则将C从外延节点列表中删除；如果在数据信道上，节点B超过1个超帧未接收到C的信标帧时，则认为节点C已经不在其可达范围内，同时删除通过C的所有外延节点，B在向A发送的信标帧中也将不再包含邻居节点C，节点A接收到B的信标帧之后没有发现C节点，则将C从外延节点列表中删除。

(2)备选信道选择。当控制信道受到电磁干扰而无法正常通行时，所有节点都将由原来的控制信道跳转至备选信道，以备选信道作为新的控制信道。跳转后所有节点的信标时隙位置在新的控制信道内不会发生变化，这样保证了全网以最短的时间切换控制信道。备选信道是网络中所有节点共同协商确定的。节点每次发送的控制信道接入信标帧中包含有“备选信道累积值”和“备选信道”两个字段，其中，备选信道累积值是多节点评估该信道时的根据；备选信道为节点推选信道的中心频率在频谱池中所对应的标号。当节点收到备选信道累积值为0的通知时，说明该信道受到干扰，要立即停止使用该备选信道。下面将详细介绍备选信道的选择过程：

Step1：最初节点没有收到邻居节点的备选信道信息之前，节点选择一个节点自身认为最好的信道(除当前信道以外的信道)作为A类备选信道，其中，A类备选信道和A类备选信道累积值(默认值赋为1)通过信标帧发送出去；

Step2：节点在收到邻居节点的备选信道信息之后，按照以下规则执行操作：

a.若所有接收到的备选信道的累积值存在唯一最大值，则选取累积值最大的信道作为B类备选信道；

b.若所有接收到的备选信道的最大累积值存在相等的情况，则选取邻居投票数较多的信道作为B类备选信道；

c.若所有接收到的备选信道的最大累积值存在相等的情况且邻居投票数也相等，则选取信标时隙位置最靠前邻居推荐的信道作为B类备选信道。

Step3：节点对B类备选信道进行侦听检测，若该B类备选信道上存在干扰，则确定A类备选信道为最终的备选信道，并直接执行Step4；若不存在干扰且若A类备选信道与B类备选信道一致，则执行Step5，否则将B类备选信道作为最终的备选信道，并将其备选信道累积值加1，执行Step5；

Step4：对最终的备选信道进行侦听检测，若该信道受到干扰，则将最终的备选信道累积值置为0；

Step5：在下一个超帧中发送的相应控制信标帧，控制信标帧中包含以上步骤中确定的备选信道及其累积值信息。

经过以上步骤网络中所有节点的备选信道最终都会统一为一个备选信道，如果有一个节点检测到该信道受到干扰，又会开始新一轮的备选信道选取。

(3)控制信道上的超帧同步。在网络初始化的时候或节点移动过程中，由于节点时钟偏移问题的存使得全网内部可能存在：若干节点组成的一系列独立互不连通的网络结构，并且很可能会使用相同的控制信道，但节点组成的独立不互连通的结构中可能存在信道的超帧不同步的情况。随着节点的移动当原本不连通的独立网络结构开始合并融合时，若不同步的超帧不进行同步势必会影响节点之间的正常通信，因此需要对访问控制信道上的所有节点执行超帧同步，访问控制信道的节点超帧同步过程如下所示：

Step1：首先，访问控制信道的节点在信标帧时隙发送信标帧，同时侦听信标阶段其他节点发送的信标，若任意节点(记作节点A)侦听到在信标帧时隙发生信号冲突且并非预留时隙，则节点A开始甄别是否为干扰，执行Step2。

Step2：若节点A侦听到干扰总是存在于信标时隙和数据帧时隙并且碰撞信号不连续，同时也不发生在预留时隙和空闲时隙，则表明当前存在控制信道不同步的情况，执行Step3；否则认定当前的控制信道受到干扰，节点执行切换备选控制信道操作，即离开当前信道，以新节点的身份按照新节点访问信道的方式访问备选控制信道，至此，结束控制信道的节点超帧同步操作。

Step3：节点A将侦听到发生信号碰撞的信标时隙位置记录并通过信标帧发送到控制信道上，(信标帧中会记录发生信号碰撞的时隙序号以及原来给时隙属于哪个节点)，其他节点在侦听到该信息后可以明确指定节点自身所属的超帧是否与其他超帧结构发生冲突，若是则立即离开当前超帧，开始以新节点的身份重新访问该控制信道，以节点A所指示的超帧为标杆，其超帧的开始时刻计算方法与节点访问控制信道的方法完全一致。

Step4：当所有的节点都陆续同步到节点A所属的控制信道超帧时，即当前所有节点都成功访问到了同一个信道上的同一个超帧序列中，至此，控制信道超帧同步过程结束。

第三阶段，数据信道访问。当控制信道上的节点需要与该信道上的其他节点信息传输通信，则发送节点和接收节点首先需要在控制信道上进行数据信道协商，发送节点在控制信道上发送接入信标帧能够包含目的/源节点设备号用于标识标识接收节点，接收节点接收到该信标帧即可知发送节点需要与本节点进行数据传输，然后发送节点与接收节点开始执行数据信道协商过程，详细步骤如下所示：

Step1：发送节点在控制信道上请求接收节点的数据传输信道；

Step2：若接收节点存在可选的数据传输信道，回执发送节点数据信道信息，执行Step5；否则执行Step3。

Step3：接收节点向发送节点发送无数据信道消息；

Step4：发送节点选取数据信道，并发送给接收节点；

Step5：接收节点访问数据信道；

Step6：发送节点访问数据信道

Step7：发送节点与数据节点进行数据通信发送数据。

其中，发送节点和接收节点在选择数据信道的过程中都需要对信道进行评估，选择评估值较高的信道作为最终的数据信息，信道评估值的计算方法如下所示：

令信道i评估值记作为Rate_i,干扰功率记作为Pr_i,当前信道内接入节点数目记作为N_i。信道评估值Rate_i是由干扰功率Pr_i和接入节点数目N_i共同确定的，其计算方法如公式(3)所示。

${\mathrm{Rate}}_i=\mathrm{\γ}\frac{(N_{\max }-N_i)}{N_{\max }}+(1-\mathrm{\γ})\frac{({\mathrm{Pr}}_{acc,i}-{\mathrm{Pr}}_i)}{{\mathrm{Pr}}_{acc,i}}---\left(3\right)$

其中，Rate_i值的范围为(0，1)；N_max表示信道内最多容纳节点的个数，P_racc,i表示该节点能够接纳的该信道的最大干扰功率，若Pr_i大于Pr_acc，i则说明该信道所受干扰严重不适合做数据信道；γ取值范围是0到1，该值用来权衡干扰和节点数目在信道评估值中所占的比例权重，该比例权重默认取值为0.5。Pr_acc，i值的大小是随环境改变而改变的，其取值计算如公式(4)所示。

${\mathrm{Pr}}_{acc,i}=\frac{\mathrm{\α}}{10}\min \left({\mathrm{Packet}}_{pr}\right)---\left(4\right)$

其中，α是一个0到1之间的比值，默认取值为0.9，Packet_pr为该节点所接收到包的功率大小，即Pr_acc，i取值小于节点最近时间内接收到的最小功率包功率值的十分之一，初始时该值为能够正确接收数据包最小功率值的十分之一，该值需要经常更新。

由公式(3)和公式(4)可知，信道的评估值权衡了节点个数和干扰功率两种影响因素所占比重。当γ为1时，信道评估值只与信道中接入节点个数相关，即采用空闲时隙最多的信道作为数据信道，该策略适合没有电磁干扰的网络场景；当γ为0时信道评估值只与信道中的干扰强度有关，该策略适合存在强电磁干扰的网络场景。节点访问数据信道的过程与节点访问控制信道的过程完全一致，当节点访问到数据信道之后，发送节点和接收节点都要在其对应的信标时隙上发送信标帧，以标识节点正在访问该信道，若在某一超帧内的信标阶段未发送信标帧，则认为该节点脱离该数据信道。完成数据信道访问后，执行第六阶段。

第六阶段，空闲时隙重分配。当节点访问数据信道后，为了进一步充分利用超帧中数据传输阶段没有被充分利用的时隙资源，提升信道带宽利用率。将通过空闲时隙重分配机制分配将这些空闲的时隙资源分配给访问信道的其他节点。下面将详细介绍空闲时隙重分配的过程：

Step1：所有访问数据信道的节点侦听信标阶段发送的信标帧，若当前信标阶段存在可分配的时隙(即侦听到并非所有的可发布信标帧的时隙都被占据)，且当前信标阶段的预留时隙没有新的节点申请访问该信道，节点将执行Step2；否则不需要执行空闲时隙重分配操作。

Step2：若空闲的信标帧时隙之后存在已被占用的数据帧时隙，则执行Step3；否则执行Step4。

Step3：若发送信标帧的节点发现在自己所占据的信标帧时隙之前存在未被占用的空闲信标帧时隙，且当前超帧内不存在新节点申请访问该信道，则本节应在下一个超帧周期内将分配给本节点的信标帧时隙调整为未被占用的空闲信标帧时隙(保障分配的时隙之前不存在可占用的空闲信标时隙)，同时分配给本节点的数据帧时隙也重新分配为对应的数据帧时隙。其他节点重复执行Step3的操作，直至信道上所有的节点所分配的信标帧时隙之前不存在可被占用的空闲信标时隙，执行Step4。

Step4：节点统计信标阶段信标帧的发送节点计算数据信道中数据节点已经占用的数据帧时隙和剩余未占用的数据帧时隙，然后访问数据信道的节点依次按照发送信标帧的顺序循环分配剩余的未占用的数据帧时隙。若完成一轮的分配数据帧时隙还有剩余，则继续按照该分配顺序将所有的剩余时隙依次分配给相应的节点。至此，空闲时隙分配操作结束。

请参阅图9，该图为空闲时隙重分配操作执行之后的信道分配示意图。数据信道上成功访问了节点a、节点b、节点c和节点d。所有节点在信标阶段分配了对应的信标帧时隙，数据传输阶段空闲的数据帧时隙依次按信标帧的发送顺序循环分配给了节点a、节点b、节点c和节点d。此外，当新的节点访问控制信道(或节点离开数据信道)也需要重新执行空闲时隙重分配操作。当节点在数据信道上完成相关的数据发送操作后，节点离开数据信道重新返回控制信道，执行第一阶段的相关操作。

Claims (4)

1.一种适用于认知无线电移动自组织网络的多信道介质访问控制方法，同时能够减少电磁干扰对信道访问的干扰；其特征在于该方法基于多信道动态时隙访问方式，以超帧结构作为基本的时间周期划分单位，超帧划分为信标阶段和数据传输阶段，信标阶段包括预留时隙和信标时隙，分别发送预留时隙信标帧和接入信标帧，数据传输阶段由数据帧时隙组成，可发送数据帧，其中：

(1)节点利用预留时隙信标帧以竞争的方式获取申请访问信道权限，预留时隙信标帧中包含有申请访问信道时隙的信息；

(2)节点通过周期性发送接入信标帧标识节点成功访问信道，同时通过接入信标帧中附加的额外信息，节点将自身获取的信息分享给访问信道的其他邻居节点，同时还可用于响应申请访问信道节点的请求、发现邻居节点、协商备选信道的选择、协商发送数据的数据信道、同步信道的超帧、避免隐藏终端问题的发生；

(3)节点利用数据帧发送载荷数据信息，节点在每个数据帧时隙发送数据帧之前维持一个空闲时隙，该空闲时隙内节点不发送数据专门用于侦听当前信道上是否存在主用户或存在干扰；

该多信道介质访问控制方法的步骤包括：

(1)信道侦听与邻居节点发现，通过循环遍历侦听所有的可用频段发现控制信道，并收集邻居节点以及邻居节点分享的信息；

(2)申请访问控制信道，首先通过超帧同步操作完成与控制信道的时钟同步，采用发送预留时隙信标帧竞争访问信道的权限；

(3)控制信道协商，利用周期性的在所分配的信标帧时隙发送接入信标帧与邻居节点交换信息，确定节点的可达范围和外延范围从而避免隐藏终端问题，协商备选信道从而使得发现干扰可立即切换信道，同步信道的超帧从而避免节点间的相互干扰；

(4)访问数据信道，通过控制信道发送数据传输请求，计算信道评估值并最终确定发送数据的数据信道，利用数据信道预留时隙信标帧和接入信标帧访问数据信道，利用数据信道数据帧发送载荷数据；

(5)空闲时隙重分配，在访问数据信道的过程中，如果数据信道上存在未被占用的空闲时隙，则依次按照发送信标帧的顺序循环分配剩余的未占用的数据帧时隙。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于信道评估值的计算方法，用来权衡当前信道的拥塞情况和电磁干扰程度，备选信道选择方法保障了所有节点计算的结果具有唯一性，选择的最终备选信道将作为当前信道受到干扰时切换的备选信道。

3.根据权利要求1所述的方法，特征在于不同控制信道间的同步方法能避免同一个控制信道但超帧时钟不同步的情况下对访问控制信道的节点造成的信号干扰。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于数据信道空闲时隙重分配机制能充分利用未被占用的时隙，增加其他节点分配的传输时隙，提升数据信道的整体的传输效率，此外该重分配方法能够适用于自组织网络中节点随机性接入信道和离开信道的情况。