一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法制造技术

本发明专利技术提供了一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法，此算法针对两跳中继传输，其中第一跳的传输媒质为无线，第二跳的传输媒质为电力线，并给出了具体的算法步骤；接着综合考虑物理层信道参数和介质访问控制(MediaAccess Control，MAC)层，建立了基于增强型时间镜像MAC层接入算法的系统归一化吞吐量、时延以及能耗的数学模型；最后仿真结果验证了基于双媒质协作通信下的增强型时间镜像的MAC层接入算法可有效提升系统性能，提高资源利用率。源利用率。源利用率。

A MAC layer access algorithm based on enhanced time mirroring

【技术实现步骤摘要】
一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法


[0001]本专利技术涉及智能电网和物联网领域。更具体地，涉及一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法。

技术介绍

[0002]电力线和无线混合通信的方式可实现优势互补，已广泛运用于智能电网，且利用中继进行信息传输可提升系统的鲁棒性。
[0003]电力线通信和无线通信技术是智能电网和物联网的重要组成部分，基于电力线和无线可以构建基于双媒质协作通信的两跳中继系统，满足信息传输的通信需求。
[0004]但是网络物理层具有不可忽视的信道衰落以及噪声等问题，时延、归一化吞吐量等也有着对介质访问控制(Media Access Control，MAC)层高质量的性能需求。且在两跳中继系统中，存在一定数量的其他站点，如干扰站点和隐藏站点，需要通过对MAC层的协议设计来避免这些站点对数据包传输造成的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术通过对两跳中继系统进行MAC层算法改进，相比于其他两跳MAC层算法，本算法可显著提升系统归一化吞吐量、时延以及能耗等性能，具有显著的意义和价值。
[0006]本专利技术的技术方案是：
[0007]一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法，源节点S端到中继节点R端的传输媒质为无线，中继节点R端到目的节点D端的传输媒质为电力线，其具体流程包括：
[0008]步骤S1：源节点S端经历“分布式帧间间隔”(Distributed Interframe Space，DIFS)的时长后，开始执行冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CSMA/CA)的退避过程，无线传输所用的MAC层协议为IEEE 802.11，S端根据协议规则进行退避后向R端发送“请求发送”(Request to Send，RTS)数据包；
[0009]步骤S2：中继节点R端接收到源节点S端的RTS数据包后，经历“短帧间间隔”(Short Inter
‑
frame Space，SIFS)的时长，然后将RTS数据包同时向两侧无线、电力线信道发送，此时RTS数据包将被中继给目的节点D端，且源节点S端也可收到，此时的RTS对于源节点S端来说相当于“清除发送”(Clear to Send，CTS)数据包；
[0010]步骤S3：目的节点D端接收到中继节点R端发送的RTS数据包后，接着经历“RTS到CTS间隙”(RTS to CTS Gap，RCG)的时长后，广播CTS数据包，告知在目的节点D端覆盖范围内且在中继节点R端覆盖范围外的隐藏站点D*暂停发送数据包，此时中继节点R端也可收到CTS数据包，表明两跳系统已经准备完毕，且中继节点R端和目的节点D端覆盖范围内可能存在的干扰站点，以及相对于中继节点R端的目的节点D端覆盖范围内的隐藏站点均暂停发送数据包；
[0011]步骤S4：源节点S端经历SIFS的时间间隔后向中继节点R端传输数据包Payload，中
继节点R端收到Payload后再经历SIFS的时间间隔同时向两侧无线、电力线信道发送数据包Payload，此时目的节点D端收到数据包，且源节点S端也可收到，此时的Payload对于源节点S端来说相当于“确认字符”(Acknowledge Character，ACK)，之后目的节点D端经历“响应帧间间隔”(Response Interframe Space，RIFS)的时长后广播ACK数据包，中继节点R端收到ACK后表明两跳传输成功。
[0012]优选地，一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法的主要性能指标，包括：
[0013]2.1、归一化吞吐量：
[0014]基于增强型时间镜像的MAC层接入算法，源节点S
→
中继节点R，中继节点R
→
目的节点D的Payload传输过程中可能会发生信道中断，两跳的传输过程可能存在五种情况，其平均时长分别为：1)第一跳无线信道空闲2)第一跳无线传输RTS数据包发生碰撞3)第一跳Payload传输发生中断4)第二跳Payload传输发生中断5)两跳传输成功则这五种平均时长和系统归一化吞吐量S
t
可分别表示如下：
[0015][0016][0017]式(1)中：P
e
、P
tr
以及P
on
分别表示在CSMA/CA过程中信道空闲的概率、在考虑的时隙内至少有一次传输事件的概率以及仅考虑无线MAC层且进行单跳传输时站点传输成功的概率；和分别表示无线信道、电力线信道的中断概率；σ、T
c
、以及T
s
分别表示一个退避时隙、无线中RTS数据包发生碰撞、第一跳Payload传输发生中断、第二跳Payload传输发生中断以及Payload两跳传输成功的时长；
[0018]式(2)中：T
PL
表示Payload传输的持续时间；
[0019]式(1)中的以及P
e
、P
tr
、P
on
分别表示如下：
[0020][0021][0022]式(3)中：g表示服从Nakagami
‑
m分布的衰落参数；b1表示无线信道的门限阈值；h
SR
为无线信道中的对数正态衰落系数；σ
SR
、μ
SR
分别表示lnh
SR
的均方差和均值；N
SR
表示无线信道中的噪声功率；d
SR
表示源节点S端到中继节点R端之间的距离；P
S
表示源节点S端的发射功率；α
SR
表示无线信道中的路径衰减因子；b2表示电力线信道的门限阈值；h
RD
为电力线信道中的对数正态衰落系数；σ
RD
、μ
RD
分别表示lnh
RD
的均方差和均值；d
RD
表示中继节点R端到目的节点D端之间的距离；P
R
表示R端的发射功率；α
RD
表示电力线信道中的路径衰减因子；p0、p1分别表示电力线信道中仅有背景噪声的概率值和信道中背景噪声和脉冲噪声共存的概率值；N0、N1分别表示电力线信道中仅有背景噪声时的功率值和信道中背景噪声和脉冲噪声共存时的功率值；
[0023]式(4)中：τ、N分别表示站点的发送概率和包括源节点S在内的站点总数；
[0024]式(4)中的τ与丢包率p组成非线性方程组，分别表示如下：
[0025][0026]式(5)中：W、m分别表示无线MAC层中的最小竞争窗口值以及退避阶段总数；式(1)中的T
c
、以及T
s
的时间构成如下：
[0027][0028]式(6)中：T
DIFS
、T
SIFS
、T
R本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法，其特征在于，源节点S端到中继节点R端的传输媒质为无线，中继节点R端到目的节点D端的传输媒质为电力线，其具体流程包括：步骤S1：源节点S端经历“分布式帧间间隔”(Distributed Interframe Space，DIFS)的时长后，开始执行冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid,CSMA/CA)的退避过程，无线传输所用的MAC层协议为IEEE 802.11，S端根据协议规则进行退避后向R端发送“请求发送”(Request to Send，RTS)数据包；步骤S2：中继节点R端接收到源节点S端的RTS数据包后，经历“短帧间间隔”(Short Inter
‑
frame Space，SIFS)的时长，然后将RTS数据包同时向两侧无线、电力线信道发送，此时RTS数据包将被中继给目的节点D端，且源节点S端也可收到，此时的RTS对于源节点S端来说相当于“清除发送”(Clear to Send，CTS)数据包；步骤S3：目的节点D端接收到中继节点R端发送的RTS数据包后，接着经历“RTS到CTS间隙”(RTS to CTS Gap，RCG)的时长后，广播CTS数据包，告知在目的节点D端覆盖范围内且在中继节点R端覆盖范围外的隐藏站点D*暂停发送数据包，此时中继节点R端也可收到CTS数据包，表明两跳系统已经准备完毕，且中继节点R端和目的节点D端覆盖范围内可能存在的干扰站点，以及相对于中继节点R端的目的节点D端覆盖范围内的隐藏站点均暂停发送数据包；步骤S4：源节点S端经历SIFS的时间间隔后向中继节点R端传输数据包Payload，中继节点R端收到Payload后再经历SIFS的时间间隔同时向两侧无线、电力线信道发送数据包Payload，此时目的节点D端收到数据包，且源节点S端也可收到，此时的Payload对于源节点S端来说相当于“确认字符”(Acknowledge Character，ACK)，之后目的节点D端经历“响应帧间间隔”(Response Interframe Space，RIFS)的时长后广播ACK数据包，中继节点R端收到ACK后表明两跳传输成功。2.根据权利要求1所述的一种基于增强型时间镜像的MAC层接入算法的主要性能指标，包括：2.1、归一化吞吐量：基于增强型时间镜像的MAC层接入算法，我们考虑源节点S
→
中继节点R，中继节点R
→
目的节点D的Payload传输过程中可能会发生信道中断，两跳的传输过程可能存在五种情况，其平均时长分别为：1)第一跳无线信道空闲2)第一跳无线传输RTS数据包发生碰撞3)第一跳Payload传输发生中断4)第二跳Payload传输发生中断5)两跳传输成功则这五种平均时长和系统归一化吞吐量S
t
可分别表示如下：
式(1)中：P
e
、P
tr
以及P
on
分别表示在CSMA/CA过程中信道空闲的概率、在考虑的时隙内至少有一次传输事件的概率以及仅考虑无线MAC层且进行单跳传输时站点传输成功的概率；和分别表示无线信道、电力线信道的中断概率；σ、T
c
、以及T
s
分别表示一个退避时隙、无线中RTS数据包发生碰撞、第一跳Payload传输发生中断、第二跳Payload传...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈智雄，陈佩茹，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：