无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法技术

本发明专利技术的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，包括：a).设定0,1,…,K表示的K+1个优先级数；b).设定非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL五个流量状态；c).设定保护时隙启动阈值Tth；d).分配优先级数和设置流量状态；e).如有GTS请求或数据发送，则提升流量状态和降低优先级数；否则，降低流量状态和升高优先级数；f).如果有小于启动阈值的优先级数存在，则给具有最小优先级数的节点分配GTS资源。本发明专利技术的自适应分配方法，提高了GTS资源的使用效率，提高了网络吞吐量；很好地预测各个节点GTS资源的使用情况，避免了低优先级的节点长时间不能使用GTS资源的缺点，保证了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。

【技术实现步骤摘要】
无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法
本专利技术涉及一种保护时隙自适应分配方法，更具体的说，尤其涉及一种基于802.15.4的可保证无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性的保护时隙自适应分配及性能评价方法。
技术介绍
随着无线通信技术的迅速发展，无线体域网(WBAN)已广泛应用于医疗、运动、娱乐、环境感知等领域。根据不同应用场景的通信要求，网络的性能指标也不同，如时延、吞吐量、可靠性、功耗等。无线体域网包括多种数据类型，如，周期性数据、间歇性数据、紧急数据等。对于紧急数据，IEEE802.15.4标准的保护时隙(GTS)分配机制通过在超帧周期内分配专属的数据传输时间段，用于实现该类型数据传输的实时性、可靠性。GTS是一段预先分配的专属的数据传输时间段，在一个超帧周期内，可供分配的GTS最大数为7。GTS分配通常由协调器统一管理，当节点需要GTS资源时，可以在竞争期内向协调器发送GTS请求，收到请求命令后，协调器根据GTS记录表中的顺序按照先进先出(FCFS)的原则分配GTS资源。而GTS的解除分配通常需要协调器监测GTS资源的使用情况，通过启用终止计时器来确定何时终止已分配的GTS资源。当已分配的GTS资源经过2*k个超帧周期仍然没有使用，其中，当0≤BO≤8，k＝28-BO，9≤BO≤14，k＝1，则协调器将收回该GTS资源。该GTS资源分配的主要缺点在于：1)固定的FCFS服务原则往往不能满足实时性强、流量大的应用场景；2)GTS的滥用会导致其它数据不能及时传输，降低网络吞吐量；3)导致数据传输频率较低的节点长时间不能使用GTS资源。专利
技术实现思路
本专利技术为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于802.15.4的无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法。本专利技术的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：Tth＝Kc1/BO(1)其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；；e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth(3)如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。本专利技术的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：1).设节点的优先级数分布，假定无线体域网中数据包的达到服从泊松分布，到达速率为λ，如果有新的数据包到达，则节点在当前超帧中发送GTS请求；设每一个节点的优先级数分布为：D＝[P1,P2,...,PK](4)其中，Pi表示节点的优先级数为i的稳态概率，其通过公式(5)进行求取：其中，π(s,i)表示节点的流量状态为s、优先级数为i的概率，0≤i≤K，s的取值为1、2、3、4、5时，分别表示节点的流量状态为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；2).状态转移概率的计算，令P(s,i)(r,j)表示节点的流量状态由当前超帧的状态s变到下一超帧的状态r、同时优先级数由i变到j的状态转移概率，根据步骤e)中所述的节点优先级升高的转移概率为：其中，Ppro(s,i)表示节点在当前超帧的流量状态为s、优先级数为i而在下一超帧中优先级升高的概率；相应地，节点优先级下降的转移概率为：3).节点优先级上升概率的计算，由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为：其中，Sv表示节点在前一超帧中的优先级为v、但是没有分配到GTS资源的概率；令G(m,n,l,v)表示无线体域网中优先级数大于v的节点数为m、小于v的节点数为n、等于v的节点数为l的概率，则：进一步，可以得到：其中：其中，a为GTS的最大个数，取为7；4).数据流量特性的分析，联合公式(4)至(10)，即可得到节点的稳态概率分布D，通过对每个节点的稳态概率分布D的分析，即可反映出各个节点长期的数据流量特性；如果该分布与各个节点的长期实际数据流量特性相吻合，则表明该保护时隙自适应分配方法是有效的。本专利技术的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，还包括公平性评价步骤，通过公式(11)求取公平性指标：其中，Ti为第i节点数据包的平均等待时间。本专利技术的有益效果是：本专利技术的保护时隙自适应分配方法，通过为节点设置流量状态和优先级数，当节点在当前超帧中有GTS请求或者数据发送时，则升高节点的流量状态并降低节点的优先级数，以提高节点优先级；否者，则降低节点的流量状态并升高节点的优先级数，以降低节点优先级；当有节点的优先级数小于设定的启动阈值时，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，保证了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。进一步地：本专利技术的保护时隙自适应分配方法，打破本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线体域网的保护时隙自适应分配方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：Tth＝Kc1/BO       (1)其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：BI=aBaseSuperframeDuration×2BOSD=aBaseSuperframeDuration×2SO---(2)]]>其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth      (3)如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。...

【技术特征摘要】
1.一种无线体域网的保护时隙自适应分配方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：Tth＝Kc1/BO(1)其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth(3)如果有满足不等式(3)的优先级数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈长芳，舒明雷，杨明，魏诺，杨媛媛，孔祥龙，
申请(专利权)人：山东省计算中心国家超级计算济南中心，
类型：发明
国别省市：山东;37