一种基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法技术

技术编号:19069465 阅读:55 留言:0更新日期:2018-09-29 15:24
本发明专利技术公开了一种基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法。该方法根据节点当前数据帧传输的成功情况,通过时间/功率二位退避算法联合调整节点的退避窗口和发送功率大小。节点发送数据帧失败时,通过增大退避窗口降低节点在时间维度上参与竞争信道的概率,通过降低发送功率减少节点在空间维度上的干扰信号强度。同时,通过构建三维马尔科夫链模型,分析了网络饱和吞吐量与发送功率和竞争窗口之间的关系,确定了一定网络规模条件下最佳发送功率和竞争窗口等级的取值。仿真结果证明,本发明专利技术所提出的方法能够同时在网络吞吐量、数据分组时延和平均能耗等方面获得更优的性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法
本专利技术属于无线网络领域,特别涉及基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法。
技术介绍
无线自组织网络不依赖于固定的基础设施,组网快速灵活,当部分节点出现故障或被摧毁而停止工作后,整个网络的运行不会受到影响,因而网络具有很强的抗毁和自愈能力。近年来,无线自组织的组网方式已被广泛应用于物联网、无线网状网、车联网、无人机蜂群网络等多种网络形式,受到了人们广泛的关注。分布式功率控制机制是提高无线自组织网络空分复用度,降低节点平均能耗的关键,一直是无线自组织网络领域的热点研究问题。研究人员针对功率控制MAC(MediumAccessControl)协议开展了大量研究工作。按照功率控制设计的原则,功率控制MAC协议可以分为以节能为主要目的和以冲突避免为主要目的两种。以节能为主要目的的功率控制MAC协议,允许节点在空闲状态或者网络共享信道被占用时切换到低功耗的休眠状态,从而降低节点的能耗。IEEE802.11DCF(DistributedCoordinationFunction)协议中的能量节省模式(PowerSavingMode,PSM)将节点时间轴分为若干连续的信标周期,在每一个信标周期开始的时候,各个节点竞争发送自己的信标帧实现网络中各节点时间的同步。节点时间同步后,如果网络队列中有数据需要发送,则按照载波检测/冲突避免机制发送控制帧预约信道。通过控制帧交互成功完成信道预约的节点,在当前信标周期内继续保持唤醒状态进行数据帧的传输,而预约信道失败的节点则在当前信标周期的剩余时间内进入低功耗的休眠状态,并在下一个信标周期开始时重新唤醒。虽然该类型功率控制MAC协议通过节点周期性休眠能够达到节省网络能量的目的,但是无法解决网络中的冲突干扰问题,限制了网络吞吐量性能的提高。以冲突避免为主要目的功率控制MAC协议,通过直接改变收发节点的功率来减少节点间的冲突干扰,从而提高网络的整体性能。由于网络的空分复用度与节点的发送功率大小直接相关,因而合理的功率控制机制不仅能有效的节省节点的能耗,还能提高网络的空分复用度,从而提高网络的平均吞吐量。本专利技术涉及的即为冲突避免的功率控制MAC协议。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对无线自网络环境,提出一种基于时间/功率二维退避,能够同时提高网络饱和吞吐量和降低网络节点能耗的退避方法,从而有效提高网络整体性能。为了实现该目的,本专利技术所采用的步骤是:步骤1:当节点有数据包需要发送时,发送RTS帧发起传输预约,在发送RTS帧之前,节点采用三维马尔科夫链模型计算最佳发送功率和竞争窗口等级nopt,并将发送功率设置为最大值Pmax,竞争窗口设置为最小值CWmin;发送节点发送RTS帧后,开启定时器等待接收CTS帧,RTS帧中携带发送节点当前的发送功率等级,接收节点接收到RTS帧后,根据RTS帧中携带的发送功率等级,设定发送CTS帧的发送功率,并向发送节点应答CTS帧;如果在等待接收CTS帧的定时器超时前,发送节点接收到CTS帧应答,则表明预约信道成功,发送节点继续后续传输过程,向接收节点发送DATA帧;如果等待接收CTS帧的定时器超时,发送节点并未接收到CTS帧应答,则表明信道预约过程中与网络中其他节点产生了冲突,导致预约信道失败;发送节点则按照时间/功率二维退避策略重新选择发送功率P和竞争窗口CW,并发送RTS帧重新发起传输预约,如果重传次数达到重传门限,发送节点仍未接收到CTS帧应答,发送节点则将当前DATA帧丢弃,并尝试发送下一个DATA帧。步骤2:发送节点成功接收到接收节点应答的CTS帧后,以同样的发送功率发送DATA帧,并开启定时器等待接收ACK帧,接收节点接收到DATA帧后,向发送节点应答ACK帧;发送节点如果在定时器超时前接收到ACK帧,则表明当前传输成功,发送节点将当前发送的DATA帧释放,并尝试发送后续DATA帧;发送节点如果在定时器超时时,并未接收到ACK帧应答,则表明数据传输过程中与网络中其他节点产生了冲突,导致传输失败;发送节点则按照时间/功率二维退避策略重新选择发送功率P和竞争窗口CW,并发送RTS帧重新发起传输预约,如果重传次数达到重传门限,发送节点仍未接收到ACK帧应答,发送节点则将当前DATA帧丢弃,并尝试发送后续DATA帧。步骤3:当前传输完成后,节点继续传输后续数据包;第l个数据包发送成功后,如果网络层队列中有第l+1个数据包需要发送,节点首先判断第l+1个数据包的目的地址和第l个已发送成功的数据包的目的地址是否相同;如果相同,则将第l+1个数据包的发送功率大小等级和竞争窗口初值设为Pl和CWl,即与第l个数据包保持一致;如果不同,则将第l+1个数据包的发送功率大小等级和竞争窗口初值设为Pmax和CWmin;发送功率大小等级和竞争窗口初值确定后,节点发送RTS帧发起传输预约。本专利技术提出的基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法已经在EXata网络仿真环境中得到了验证。考虑如附图7所示的六点同心圆网络拓扑,内外圆的半径分别为200m和245m。仿真中,节点1、3、5分别向节点2、4、6发送数据,业务类型为恒定比特流业务,数据包大小为1024字节,信道速率为2Mbps。附图8~10给出了使用本专利技术提出的方法和使用DCF协议所获得的网络性能的对比结果。由图中可以看出,本专利技术提出的方法能够比DCF协议获得更高的网络吞吐量、更低的节点平均能耗和更低的数据分组端到端时延,仿真结果证明了本专利技术所提方法的有效性。附图说明图1是时间/功率二维退避方法流程图;图2是时间/功率二维退避方法的三维马尔科夫链模型;图3是选择某一档功率时的三维马尔科夫链模型;图4是MAC层状态转移概率图;图5是发送节点使用小功率传输的示意图;图6是发送节点使用大功率传输的示意图;图7是同心圆网络仿真拓扑;图8是网络吞吐量随发包速率变化的关系曲线;图9是节点平均能耗随发包速率变化的关系曲线;图10时数据分组端到端时延随发包速率变化的关系曲线。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细描述。本专利技术提出的基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法已经在无线网络仿真环境EXata中实现,并通过EXata中的仿真结果证明了该方法的有效性。在后面的叙述中,本说明书将本专利技术提出的基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法简记为TP-MAC(TimeandPowerBackoffbasedMACProtocol)。附图1给出了TP-MAC的流程图,下面给出TP-MAC的具体实施步骤:步骤1:当节点有数据包需要发送时,通过RTS帧和CTS帧交互完成信道预约。当节点有数据包需要发送时,发送RTS帧发起传输预约。在发送RTS帧之前,节点采用三维马尔科夫链模型计算最佳发送功率和竞争窗口等级nopt,并将发送功率设置为最大值Pmax,竞争窗口设置为最小值CWmin。发送节点发送RTS帧后,开启定时器等待接收CTS帧。RTS帧中携带发送节点当前的发送功率等级。接收节点接收到RTS帧后,根据RTS帧中携带的发送功率等级,设定发送CTS帧的发送功率,并向发送节点应答CTS帧。如果在等待接收CTS帧的定时器本文档来自技高网
...

【技术保护点】
1.一种基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法,所采用的步骤是:步骤1:当节点有数据包需要发送时,发送RTS帧发起传输预约,在发送RTS帧之前,节点采用三维马尔科夫链模型计算最佳发送功率和竞争窗口等级nopt,并将发送功率设置为最大值Pmax,竞争窗口设置为最小值CWmin;发送节点发送RTS帧后,开启定时器等待接收CTS帧,RTS帧中携带发送节点当前的发送功率等级,接收节点接收到RTS帧后,根据RTS帧中携带的发送功率等级,设定发送CTS帧的发送功率,并向发送节点应答CTS帧;如果在等待接收CTS帧的定时器超时前,发送节点接收到CTS帧应答,则表明预约信道成功,发送节点继续后续传输过程,向接收节点发送DATA帧;如果等待接收CTS帧的定时器超时,发送节点并未接收到CTS帧应答,则表明信道预约过程中与网络中其他节点产生了冲突,导致预约信道失败;发送节点则按照时间/功率二维退避策略重新选择发送功率P和竞争窗口CW,并发送RTS帧重新发起传输预约,如果重传次数达到重传门限,发送节点仍未接收到CTS帧应答,发送节点则将当前DATA帧丢弃,并尝试发送下一个DATA帧;步骤2:发送节点成功接收到接收节点应答的CTS帧后,以同样的发送功率发送DATA帧,并开启定时器等待接收ACK帧,接收节点接收到DATA帧后,向发送节点应答ACK帧;发送节点如果在定时器超时前接收到ACK帧,则表明当前传输成功,发送节点将当前发送的DATA帧释放,并尝试发送后续DATA帧;发送节点如果在定时器超时时,并未接收到ACK帧应答,则表明数据传输过程中与网络中其他节点产生了冲突,导致传输失败;发送节点则按照时间/功率二维退避策略重新选择发送功率P和竞争窗口CW,并发送RTS帧重新发起传输预约,如果重传次数达到重传门限,发送节点仍未接收到ACK帧应答,发送节点则将当前DATA帧丢弃,并尝试发送后续DATA帧;步骤3:当前传输完成后,节点继续传输后续数据包;第l个数据包发送成功后,如果网络层队列中有第l+1个数据包需要发送,节点首先判断第l+1个数据包的目的地址和第l个已发送成功的数据包的目的地址是否相同;如果相同,则将第l+1个数据包的发送功率大小等级和竞争窗口初值设为Pl和CWl,即与第l个数据包保持一致;如果不同,则将第l+1个数据包的发送功率大小等级和竞争窗口初值设为Pmax和CWmin;发送功率大小等级和竞争窗口初值确定后,节点发送RTS帧发起传输预约。...

【技术特征摘要】
1.一种基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法,所采用的步骤是:步骤1:当节点有数据包需要发送时,发送RTS帧发起传输预约,在发送RTS帧之前,节点采用三维马尔科夫链模型计算最佳发送功率和竞争窗口等级nopt,并将发送功率设置为最大值Pmax,竞争窗口设置为最小值CWmin;发送节点发送RTS帧后,开启定时器等待接收CTS帧,RTS帧中携带发送节点当前的发送功率等级,接收节点接收到RTS帧后,根据RTS帧中携带的发送功率等级,设定发送CTS帧的发送功率,并向发送节点应答CTS帧;如果在等待接收CTS帧的定时器超时前,发送节点接收到CTS帧应答,则表明预约信道成功,发送节点继续后续传输过程,向接收节点发送DATA帧;如果等待接收CTS帧的定时器超时,发送节点并未接收到CTS帧应答,则表明信道预约过程中与网络中其他节点产生了冲突,导致预约信道失败;发送节点则按照时间/功率二维退避策略重新选择发送功率P和竞争窗口CW,并发送RTS帧重新发起传输预约,如果重传次数达到重传门限,发送节点仍未接收到CTS帧应答,发送节点则将当前DATA帧丢弃,并尝试发送下一个DATA帧;步骤2:发送节点成功接收到接收节点应答的CTS帧后,以同样的发送功率发送DATA帧,并开启定时器等待接收ACK帧,接收节点接收到DATA帧后,向发送节点应答ACK帧;发送节点如果在定时器超时前接收到ACK帧,则表明当前传输成功,发送节点将当前发送的DATA帧释放,并尝试发送后续DATA帧;发送节点如果在定时器超时时,并未接收到ACK帧应答,则表明数据传输过程中与网络中其他节点产生了冲突,导致传输失败;发送节点则按照时间/功率二维退避策略重新选择发送功率P和竞争窗口CW,并发送RTS帧重新发起传输预约,如果重传次数达到重传门限,发送节点仍未接收到ACK帧应答,发送节点则将当前DATA帧丢弃,并尝试发送后续DATA帧;步骤3:当前传输完成后,节点继续传输后续数据包;第l个数据包发送成功后,如果网络层队列中有第l+1个数据包需要发送,节点首先判断第l+1个数据包的目的地址和第l个已发送成功的数据包的目的地址是否相同;如果相同,则将第l+1个数据包的发送功率大小等级和竞争窗口初值设为Pl和CWl,即与第l个数据包保持一致;如果不同,则将第l+1个数据包的发送功率大小等级和竞争窗口初值设为Pmax和CWmin;发送功率大小等级和竞争窗口初值确定后,节点发送RTS帧发起传输预约。2.根据权利要求1所述的一种基于时间/功率二维退避的无线自组网载波检测信道接入方法,其特征在于采用三维马尔科夫链模型计算最佳发送功率和竞争窗口等级nopt的具体方法为:(1)采用三维离散马尔科夫链对数据传输过程进行建模针对节点的数据传输过程,建立三维离散时间马尔可夫链模型,每个节点具有n档发送功率等级,每个功率等级下是一个单独的马尔科夫链,节点处于任意时刻t的状态可以用三维随机向量{q(t),s(t),b(t)}表示,q(t),s(t)和b(t)分别表示节点在t时刻选取的发送功率等级,节点在t时刻所处的退避阶段以及退避计数器的值;节点处于退避阶段j的竞争窗口值用Wj表示,节点的最大竞争窗口值用Wmax表示,节点最多重传m次,则Wj可以表示为:其中m′=log2(Wmax/W0);在上述马尔科夫链模型中,pRTS,qi表示节点以第i个功率等级发送RTS帧时的冲突概率,pDATA,qi表示节点第以i个功率等级发送DATA帧时的冲突概率,在发送功率等级一定时pRTS,qi和pDATA,qi是两个独立且恒定的量,因此,上述马尔科夫链的非空一步转移概率可以表示为:(2)确定RTS帧和DATA帧的发送概率τRTS和τDATA用P(i,j,k)=limt→∞P{si(t)=j,bi(t)=k},i∈[0,n],j∈[0,m],k∈[0,2jWmin]表示马尔可夫链的稳态概率分布,在稳定状态下:可以得到:定义节点在采用第i档功率等级时的冲突概率为:式(4)可以表示为:根据马尔可夫链的规律性,对于k∈(0,Wj-1]的值,可以得到:联立求解式(3)和(7),节点在任意阶段退避计数器的值减小为0的概率为:公式(8)递推求解后可以得到:当节点的时间退避阶段达到最大值,仍然没有成功发送数据时,节点将退避阶段置为0,并且发送功率退避到下一个等级,因此可以推导得出如下表达式:综上所述,节点的任意状态概率为:由归一化条件可以获得:因此,可以得到:当节点的退避计数器的值退避为零时,节点便可发起RTS帧的传输,所以RTS帧的发送概率为:在节点RTS帧传输成功后,便发起DATA帧的传输,所以DATA帧的发送概率可以表示为:(3)确定RTS帧和DATA帧的冲突概率pRTS,qa和pDATA,qa由于采用功率退避机制,导致全网节点采用异构功率发送信号,节点自身的冲突范围和干扰范围在不断的变化,假设网络中所有节点均有业务需要发送,并且每次发包都会随机选择一个目的节点,此时节点的MAC层状态分布可以用一个离散的马尔科夫链模型来表示,该离散马尔科夫链模型中,节点的状态在“空闲”和其他四个状态“发送成功”、“接收”、“发送失败”、“延时”之间转换,节点状态之间的转移概率定义如下:Pis...

【专利技术属性】
技术研发人员:王中正吴俊陈礼桃雷磊蔡圣所
申请(专利权)人:南京华讯方舟通信设备有限公司
类型:发明
国别省市:江苏,32

网友询问留言 已有0条评论
  • 还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。

1