一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法技术

本发明专利技术涉及一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，属于无线传感器网络通信技术领域。该方法包括：S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间TA和总能耗EA；S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数BN和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并采集当前平均传输负载大小对二次碰撞概率模型进行更新。本发明专利技术能够实现低功耗无线唤醒，在保证成功率的同时减少或避免唤醒请求产生的碰撞，降低同一信道下对正常通信的干扰。

An Adaptive Asynchronous Wireless Wake-up Method Based on Quadratic Collision Probability Model

The invention relates to an adaptive asynchronous wireless wake-up method based on a secondary collision probability model, which belongs to the field of wireless sensor network communication technology. This method includes: S1: Establishing the probability model of channel secondary collision, estimating the packet loss rate alpha, delay time TA and total energy consumption EA caused by channel busy and wake-up request collision detected by nodes in wireless network; S2: Updating the threshold sequence of terminal nodes by establishing threshold adaptive selection mechanism; S3: Recording the current backoff times B when data is successfully transmitted or the upper limit of retransmitted times is reached. N and backoff index BE; reset the backoff timer when the node wakes up the receiver with a mismatch address and proceed to the next backoff stage; and update the secondary collision probability model by collecting the current average transmission load. The invention can realize low power wireless wake-up, reduce or avoid collision caused by wake-up request while ensuring success rate, and reduce interference to normal communication under the same channel.

【技术实现步骤摘要】
一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法
本专利技术属于无线传感器网络通信
，涉及低功耗流量自适应无线按需唤醒技术。
技术介绍
在物联网高速发展当前，网络节点的低功耗和长生命周期成为急需解决关键性问题。在野外森林的环境监测、无人职守的传感器网络系统、工业环境下的监测等都需要使用大量电池供电的设备和仪器。目前已有大量技术对无线唤醒低功耗技术进行了研究，主要的有：硬件电路设计技术、周期唤醒技术、能量吸收技术。硬件电路设计主要通过设计一个低频低功耗的射频电路如AS3933作为单独并仅执行唤醒任务的模块(Wakeuponradio，WuR)，当发现唤醒请求时候，主动唤醒MCU。按需唤醒技术，节点MCU一直长时间深度睡眠，直到唤醒收发器的接收端WuRx收到唤醒请求触发中断并使其切换到正常工作状态。能量吸收技术主要通过外界震动、光等信号，把能量汇集起来给唤醒电路供电，减少电池能量的消耗。但是唤醒收发器WuR是通过不同调制技术与主收发器共享天线，所以在唤醒请求过程中容易产生碰撞，而且成功率低。因此亟需避免发生碰撞，高成功率的唤醒技术。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，针对需要无线传感器网络应用环境，在既满足低功耗又无需额外电路设计开销的情况下，利用终端设备数量、数据包平均到达速率、退避窗口大小、重传次数阈值、WuR发送速率等信息识别出信道当前是否处于繁忙状态或产生数据碰撞，并根据其丢包率、平均延迟、能耗等方面选择最优的退避窗口大小；能够实现无线唤醒，减少或避免唤醒请求产生的碰撞、提高唤醒成功效率、降低同一信道下对正常通信的干扰。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，应用于低功耗环境数据采集无线网络节点单跳场景，该方法包括以下步骤：S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间TA和总平均能量消耗EA；S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数BN和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并计算当前平均传输负载大小DS等参数对网络中终端节点进行更新。进一步，所述步骤S1具体包括：使用考虑服务时间指数分布的马尔可夫链M/G/1/2队列模型，引入二次碰撞和有限队列因素，并使用CT次短暂的CCA空闲信道检测对信道状态进行评估，当检测到信道繁忙时能快速进行退避；再考虑到基于副载波调制的唤醒模块与主收发器模块共用天线在同一信道通信以增加唤醒请求传输范围，所以得到二次碰撞概率模型：其中，CT为CCA信道检测计时器初始值，α为CT次信道检测执行完后检测到信道繁忙的概率，N表示节点数量，包含N-1个终端节点和1个汇聚节点，E[Γ]是节点直到发送最后一个数据一共所发的数据包数量，TCCA是进行一次信道检测CCA的时间，Tta是成功发送数据占用信道的时间，Ttc是数据发送碰撞时占用信道的时间，λ是数据包平均到达速率，E[DHoL]是节点退避窗口开始到发送数据或达到重传次数上限的平均延迟；D(k)是第k+1次退避时检测到信道繁忙所用的信道检测次数，c(k)是直到第k+1次才成功发送唤醒请求的概率，d(k)是直到第k+1次才发送唤醒请求但产生碰撞的概率，表示为：c(k)＝αk(1-β),d(k)＝αkδ(1-α)其中，k是当前退避次数，M是节点允许的最大重传次数，β＝α+δ(1-α)为信道繁忙概率与碰撞概率的和，δ(1-α)为唤醒请求发送后产生碰撞的概率；csum为成功发送数据的平均概率和，dsum为数据发送时产生碰撞的平均概率和，其分别表示为：两个以上的节点同时进行信道空闲检测的概率表示为：其中，Tslot是电磁波传输延迟，CCA检测时间和收发段切换延迟的和，TCCA是进行一次信道检测CCA的时间，wk是退避时间和信道检测所花平均时间；δ是检测到信道空闲的概率，TTA是发送数据所需要的时间，包括占用信道的时间和未占用的时间，表示为TTA＝Twuc+Ton+Th+Tl+TSIFS+TACK，其中Twuc为唤醒请求传输时间，Ton为MCU从休眠状态切换到正常工作状态所需时间，Th为数据头部传输所需时间，Tl为数据场传输所需时间，TSIFS为帧间隔，TACK为确认帧传输所需时间；唤醒后发送数据的平均延迟表示为：TA＝(1-βM+1)TS+αM+1TL+(βM+1-αM+1)TC计算出M+1次中每次出现计数器值不为0的概率其中，每次碰撞的概率占总概率的比例表示k+1次中有k+1-v次在信道检测阶段第一次没有检测到，但在CT减到0前检测到信道繁忙，TL是达到重传次数上限所消耗的时间，表示为：其中，TBO是退避消耗的单位时间,Wk是第k次退避时退避时间上限；TS是成功发送数据所需要的退避和信道检测时间，TC是发送数据产生碰撞所消耗的时间，所以TS、TC分别表示为：其中，TTC是发送数据后产生二次碰撞所消耗的时间；同理，退避、信道检测和数据传输的总平均能量消耗EA表示为EA＝(1-βM+1)ES+αM+1EL+(βM+1-αM+1)EC其中，EL是达到重传次数上限丢弃数据包所消耗的能量，表示为：其中，EBO是退避消耗的能量，ECCA是进行一次信道检测消耗的能量；ES是成功发送数据所需要的退避和信道检测能量，EC是发送数据产生碰撞所消耗的能量，分别表示为：其中，EHoL是从数据包到达至成功发送所需要消耗的能量，EL退避到达次数上限丢弃数据包所消耗的能量，ETA是数据在传输过程中所消耗的能量，ETC是数据传输时产生碰撞所消耗的能量，PLB是M+1次检测时信道都为繁忙和信道检测到空闲但唤醒请求产生二次碰撞的概率和；能量效率和丢包率综合指标表示为：其中，Tl是发送数据负载所需要的时间，Wfactor是能效权重因子，PLA是M+1次检测信道都为繁忙的概率；最后，终端节点会根据信道当前状态、延迟、丢包率和记录信息选择当下一次送唤醒请求所需要使用的协议和退避窗口大小。进一步，步骤S2中，所述终端节点的阈值自适应选择机制具体包括以下步骤：S21：当唤醒请求重传次数增加时，进行节点状态分析；若唤醒请求碰撞概率增加，根据效率曲线增大退避指数BE；若唤醒请求碰撞概率减少，则减小退避指数；并根据调整后的退避指数生成阈值序列TS；S22：当检测到标识符为1时，重置退避计时器，进行下一阶段退避，并清零标识符。进一步，所述步骤S3具体包括：终端节点首先初始化当前退避次数BN为1，每次退避次数BN自加1；初始化退避指数BE的值为CBE；节点先获取当前退避次数BN，如果小于阈值TS(BN)，则采用直接信道检测模式；如果大于阈值TS(BN)，节点则先进行退避，当退避计时器为0时进入信道检测状态；终端节点采用多次短时空闲信道检测，每次检测完毕CT自减，CT值为0时代表信道检测阶段结束；如果其中某一次检测到信道为繁忙时，认为当前有其他节点正在通信，需要进行下一次退避过程，直到退避次数BN大于最大尝试次数；当全部检测都显示信道为空闲时，则代表该节点可以进行发送唤醒请求的操作；每次成功传输数据或本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间TA和总平均能量消耗EA；S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数BN和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并计算当前平均传输负载大小DS对网络中终端节点进行更新。

【技术特征摘要】
1.一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间TA和总平均能量消耗EA；S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数BN和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并计算当前平均传输负载大小DS对网络中终端节点进行更新。2.根据权利要求1所述的基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：使用考虑服务时间指数分布的马尔可夫链M/G/1/2队列模型，引入二次碰撞和有限队列因素，并使用CT次短暂的CCA空闲信道检测对信道状态进行评估，当检测到信道繁忙时能快速进行退避；再考虑到基于副载波调制的唤醒模块与主收发器模块共用天线在同一信道通信以增加唤醒请求传输范围，所以得到二次碰撞概率模型：其中，CT为CCA信道检测计时器初始值，α为CT次信道检测执行完后检测到信道繁忙的概率，N表示节点数量，包含N-1个终端节点和1个汇聚节点，E[Γ]是节点直到发送最后一个数据一共所发的数据包数量，TCCA是进行一次信道检测CCA的时间，Tta是成功发送数据占用信道的时间，Ttc是数据发送碰撞时占用信道的时间，λ是数据包平均到达速率，E[DHoL]是节点退避窗口开始到发送数据或达到重传次数上限的平均延迟；D(k)是第k+1次退避时检测到信道繁忙所用的信道检测次数，c(k)是直到第k+1次才成功发送唤醒请求的概率，d(k)是直到第k+1次才发送唤醒请求但产生碰撞的概率，表示为：c(k)＝αk(1-β),d(k)＝αkδ(1-α)其中，k是当前退避次数，M是节点允许的最大重传次数，β＝α+δ(1-α)为信道繁忙概率与碰撞概率的和，δ(1-α)为唤醒请求发送后产生碰撞的概率；csum为成功发送数据的平均概率和，dsum为数据发送时产生碰撞的平均概率和，其分别表示为：两个以上的节点同时进行信道空闲检测的概率表示为：δ＝1-PSCN-2，其中，Tslot是电磁波传输延迟，CCA检测时间和收发段切换延迟的和，TCCA是进行一次信道检测CCA的时间，wk是退避时间和信道检测所花平均时间；δ是检测到信道空闲的概率，TTA是发送数据所需要的时间，包括占用信道的时间和未占用的时间，表示为TTA＝Twuc+Ton+Th+Tl+TSIFS+TACK，其中，Twuc为唤醒请求传输时间，Ton为MCU从休眠状态切换到正常工作状态所需时间，Th为数据头部传输所需时间，Tl为数据场传输所需时间，TSIFS为帧间隔，TACK为确认帧传输所需时间；唤醒后发送数据的平均延迟表示为：TA＝(1-βM+1)TS+αM+1TL+(βM+1-αM+1)TC计算出M+1次中每次出现计数器值不为0的概率其中，每次碰撞的概率占总概率的比例PB＝1-PC，表示k+1次中有k+1-v次在信道检测阶段第一次没有检测到，但在CT减到0前检测到信道繁忙，TL是达到重传次数上限所消耗的时间，表示为：其中，TBO是退避消耗的单位时间,Wk是第k次退避时退避时间上限；TS是成功发送数据所需要的退避和信道检测时间，TC是发送数据产生碰撞所消耗的时间...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢昊飞，柯俊逸，王平，李昭，徐国超，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50