專利名稱：多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)比例公平接入優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種適用于低復(fù)雜度，低成本，低功耗的環(huán)境監(jiān)控，工業(yè)控制等領(lǐng)域 的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化接入控制方法。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)荷不均勻的情況下可 以顯著提高節(jié)點(diǎn)的吞吐量公平性并降低丟包概率。
背景技術(shù)：
多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種mesh結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完全不 同的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)以單跳的方式接入網(wǎng)絡(luò)，即使多個(gè)節(jié) 點(diǎn)相鄰它們也只能和接入點(diǎn)(AP)進(jìn)行直接通信。而在無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何節(jié)點(diǎn) 都具有路由功能，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一 個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信，也可以轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在多跳無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)一般是靜止的且拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)都通過(guò)多 跳發(fā)送到匯聚網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議通常依照IEEE802. 15.4[1]。標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)定義了 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)中設(shè)備間通信的協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)采用沖突避免的載波偵聽(tīng)(CSMA/CA) 機(jī)制并支持星型和對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了 868/915MHZ和2. 4G兩個(gè)頻段的物理 層和MAC層規(guī)范，其傳輸速率分別為20kbps， 40Kbps和240Kbps,是一種低速率無(wú)線 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802. 15. 5[2]。是WPAN mesh網(wǎng)絡(luò)的候選草案，支持高速和低速WPAN 網(wǎng)絡(luò)，前者主要是對(duì)IEEE802. 15. 3標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)層擴(kuò)展，而后者是對(duì)IEEE802. 15. 4標(biāo) 準(zhǔn)的擴(kuò)展。IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的MAC層采用CSMA/CA協(xié)議，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)為信標(biāo)使能和非信標(biāo) 使能分為時(shí)隙CSMA/CA和非時(shí)隙CSMA/CA，為了支持mesh網(wǎng)絡(luò)，釆用非時(shí)隙CSMA/CA 協(xié)議實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。具體的算法流程如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成mesh 網(wǎng)絡(luò)，有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)通過(guò)CSMA/CA算法競(jìng)爭(zhēng)信道，所有的節(jié)點(diǎn)都通過(guò)網(wǎng)關(guān)和外部 網(wǎng)絡(luò)通信，這樣靠近網(wǎng)關(guān)處的節(jié)點(diǎn)不光要發(fā)送自身的數(shù)據(jù)還要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)則只須發(fā)送自身數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)的負(fù)載猶如多跳場(chǎng)景下的路由簇 頭負(fù)載，如果讓它們以均等的機(jī)會(huì)接入信道，則大量數(shù)據(jù)會(huì)積壓在網(wǎng)絡(luò)的瓶頸節(jié)點(diǎn) 處，導(dǎo)致全網(wǎng)吞吐率下降和大量的丟包，因此這樣依照標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)近似平均地接入 信道，沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的流量公平性，使得網(wǎng)絡(luò)性能下降。IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議規(guī)定的非時(shí)隙CSMA/CA接入?yún)f(xié)議，它的一些具體參數(shù)是最大重發(fā)次數(shù)(Retry Count):取值為3; 最大退避次數(shù)(NB):取值為4; 最小退避指數(shù)(macMinBE):取值為3; 最大退避指數(shù)(macMaxBE):取值為5;節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先進(jìn)行退避，退避時(shí)間為[O， CWO]之間的隨機(jī)時(shí)隙， CW(H2AmacMinBE-l,退避完成后偵聽(tīng)信道，如果在偵聽(tīng)時(shí)間內(nèi)信道忙則將退避窗口 加倍并重新進(jìn)行退避，否則立刻進(jìn)行發(fā)送。如果信道一直忙則重復(fù)上述過(guò)程直到退 避次數(shù)達(dá)到NB，此時(shí)將退避窗口重置并重發(fā)數(shù)據(jù)包，如果達(dá)到最大重法次數(shù)仍未 成功則丟棄該數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包發(fā)送不成功有兩種情況退避次數(shù)達(dá)到NB后信道仍然忙或者發(fā)送數(shù)據(jù) 包后沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到正確的ACK包，此時(shí)認(rèn)為產(chǎn)生了沖突。這種隨機(jī)接 入方法有以下兩個(gè)缺點(diǎn)(1)所有節(jié)點(diǎn)退避窗口大小相同 因?yàn)椴捎肅SMA/CA接入算法，節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)到信道的能力近似和節(jié)點(diǎn)的退避窗口大 小成正比，如果對(duì)所有節(jié)點(diǎn)采用相同的初始退避窗口則節(jié)點(diǎn)近似公平地獲得接入信 道的能力。然而在多跳網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通過(guò)多跳傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，靠近網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)不 僅要發(fā)送自身的數(shù)據(jù)，還要轉(zhuǎn)發(fā)別的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這樣同一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)區(qū)域里節(jié)點(diǎn)的負(fù) 荷就不相同，形成業(yè)務(wù)的"冷區(qū)"和"熱區(qū)"。如圖2所示，假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自身 數(shù)據(jù)量為G，則節(jié)點(diǎn)1的負(fù)荷為5G，節(jié)點(diǎn)2,3，4,5的負(fù)荷分別為1G,3G,1G和1G，如果節(jié)點(diǎn)的初始退避窗口相同，則可以認(rèn)為它們的MAC層吞吐量之比為1: 1: 1: h 1， 網(wǎng)絡(luò)層要求的吞吐量之比為5: 1: 3: 1: 1，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)能夠承受這些容量時(shí)，可以滿 足節(jié)點(diǎn)的發(fā)送要求，但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷超出網(wǎng)絡(luò)容量時(shí)，負(fù)荷大的節(jié)點(diǎn)由于不能得到 更多的發(fā)送機(jī)會(huì)，導(dǎo)致包的大量丟棄，成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，從而影響網(wǎng)絡(luò)整體的吞吐量。如圖中所示，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2公平的獲得信道的使用權(quán)，網(wǎng)絡(luò)的吞吐量被節(jié)點(diǎn)2 "拉低"。(2)節(jié)點(diǎn)的流量公平性差由于節(jié)點(diǎn)近似公平地獲得信道的使用權(quán)，節(jié)點(diǎn)不能獲得和其負(fù)荷成比例的吞吐 量，例如節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的發(fā)送概率相當(dāng)，負(fù)荷大的節(jié)點(diǎn)不能獲得更多的發(fā)送機(jī)會(huì)， 導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的流量公平性很差。[3]針對(duì)多跳網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷不均勻的問(wèn)題提出了一種根據(jù)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷調(diào)整初 始競(jìng)爭(zhēng)窗口大小的算法，提高了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的吞吐量，改善了網(wǎng)絡(luò)的公平性。該算法的基本思想為假設(shè)節(jié)點(diǎn)間通信鏈路采用固定速率傳輸，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦 予一個(gè)權(quán)值,權(quán)值的大小表征節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的通信節(jié)點(diǎn)數(shù)量(流量)，包括它本身和其它節(jié) 點(diǎn)。該權(quán)值可以從網(wǎng)絡(luò)層獲得或認(rèn)為根據(jù)拓?fù)渲付?，?dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送能力和權(quán)值成正比 時(shí)，數(shù)據(jù)流可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)平穩(wěn)流動(dòng),從而消除網(wǎng)絡(luò)瓶頸處造成丟包以及網(wǎng)絡(luò)無(wú)線資源 的浪費(fèi)。節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩種競(jìng)爭(zhēng)窗口 ，成功發(fā)送窗口和沖突窗口 。成功發(fā)送窗口 successwindow, =B,/W,*SF,,其中S,為回退窗口基本常數(shù)，^表征節(jié)點(diǎn)/的權(quán)值，S《為該節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口調(diào)節(jié)尺度因子。各節(jié)點(diǎn)的初始巧值是一樣的。/ ,與巧的初始值相同，為了避免具有相同權(quán)值的相鄰節(jié)點(diǎn)沖突，實(shí)際選擇的回退時(shí)間為 B,=a*successwindoWi ，其中a為
間的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)窗 口 變?yōu)?collisionwindowrmin(CWmax,CWmit^(2"^漏'咖'-l))，回退時(shí)間計(jì)數(shù)器值為(O， CH^)間的隨機(jī)數(shù)，0^_和0^，，,,,為系統(tǒng)定義的最大，最小競(jìng)爭(zhēng)窗口。當(dāng)很多節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞后，collisiomvindow,可以指數(shù)增加以避免再次碰撞；當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送后，節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)窗口再次變?yōu)槌晒Πl(fā)送窗口successwind。w,。沖突計(jì)數(shù)器collisioncounteri的初始值為0，此時(shí)節(jié)點(diǎn)按成功發(fā)送窗口競(jìng)爭(zhēng)信道，當(dāng)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)發(fā)生碰撞時(shí)沖突計(jì)數(shù)器遞增1, 當(dāng)數(shù)據(jù)包超過(guò)重發(fā)次數(shù)時(shí)被丟棄，此時(shí)沖突計(jì)數(shù)器重置為0。該算法在節(jié)點(diǎn)負(fù)荷差別較大時(shí)取得了一定效果，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處吞吐量有了一定提 高，但是對(duì)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)窗口的調(diào)整不是最優(yōu)，權(quán)值的選取方法對(duì)算法性能影響很大，方案中沒(méi)有提出有效的權(quán)值設(shè)置算法。另外該方案對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口的調(diào)整限制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī) 定的最大窗口和最小窗口范圍內(nèi)，不能使網(wǎng)絡(luò)性能得到很好的優(yōu)化。由于對(duì)不同狀 況下退避窗口采用不同的設(shè)置，相比標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議有較大的改變，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定困難。 參考文獻(xiàn)(如專利/論文/標(biāo)準(zhǔn))[1]"Part 15.4: Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for low rate wireless personal area networks (WPAN)" IEEE Standard 802. 15.4, Oct. 2003 [2]"Part 15.5:Mesh Enhancements for Low-Rate WPANs" ， IEEEP802. 15.5 Draft Candidate, July. 2006 [3]張勇，蔡杰,宋梅，宋俊德，"無(wú)線mesh網(wǎng)絡(luò)公平性研究"，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol 37， No. 2 [4] T. 0zugur, M. Naghshineh, P. Kermani, and J. A Copeland， "Fair Media Access for Wireless LANs，， ， [A], in proceedings of IEEE GL0BALC0M' 99. 1999, 570-579發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提出了一種多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)比例公平接入 優(yōu)化方法，在節(jié)點(diǎn)負(fù)荷不均勻的多跳網(wǎng)絡(luò)中，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得與其負(fù)荷成正比的吞 吐率，提高節(jié)點(diǎn)的吞吐率比例公平性。技術(shù)方案首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷估計(jì)其最優(yōu)發(fā)送概率并由飽和狀態(tài)下退避過(guò)程的Markov模型推導(dǎo)出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)初始退避窗口，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐 率動(dòng)態(tài)調(diào)整初始退避窗口以提高節(jié)點(diǎn)的流量公平性。在多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)荷差別較 大，靠近網(wǎng)關(guān)處節(jié)點(diǎn)成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸的條件下取得了節(jié)點(diǎn)吞吐率流量公平性的較大提 高并顯著降低了系統(tǒng)丟包率，在非飽和情況下網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的吞吐率也有較大提高。首先定義縮略語(yǔ)和關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)WPAN 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)WSN 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)MAC 媒體接入控制CSMA/CA 載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/沖突避免PF-CSMA/CA比例公平CSMA/CA CW 競(jìng)爭(zhēng)窗口 ICW 初始競(jìng)爭(zhēng)窗口 Markov 馬爾可夫 GW 網(wǎng)關(guān) ACK 應(yīng)答為了達(dá)到上述目的，我們提出了動(dòng)態(tài)比例公平競(jìng)爭(zhēng)接入(PF-CSMA/CA: Proportional Fairness CSMA/CA)方法，該方法的技術(shù)方案通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn)。首先我們認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的自身數(shù)據(jù)流量都相等且為G，采用固定路 由通過(guò)多跳向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都知道網(wǎng)絡(luò)中所有一跳和兩跳鄰居的負(fù) 荷信息(這可以通過(guò)簡(jiǎn)單的路由層算法在網(wǎng)絡(luò)形成階段得到)。根據(jù)這些節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷信息，我們可以計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)發(fā)送概率為節(jié)點(diǎn)的 負(fù)荷與它競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)其它所有節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷之和的比值。在飽和條件下按照正EE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定我們可以建立節(jié)點(diǎn)退避過(guò)程的Markov模型。根據(jù)Markov模型我 們可以得到初始退避窗口和最優(yōu)發(fā)送概率的關(guān)系，從而得到初始退避窗口的值。從第二次發(fā)送開(kāi)始，我們將動(dòng)態(tài)調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)的退避窗口的初始值。首先，每 次發(fā)送過(guò)程中記錄節(jié)點(diǎn)自己發(fā)送的包數(shù)目和接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目，分別作為自身 和競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)所有其它節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率的估計(jì)值，利用這兩個(gè)值來(lái)計(jì)算比例 公平指數(shù)；然后根據(jù)比例公平指數(shù)所在的范圍對(duì)初始退避窗口進(jìn)行調(diào)整，如果指數(shù) 大于高門限，則增大退避窗口，如果在高門限和低門限之間則維持原有窗口不變， 否則減小退避窗口。本發(fā)明的方法具體如下a) 第一次發(fā)送時(shí)首先，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其最優(yōu)發(fā)送概率<formula>formula see original document page 8</formula>，式中fo"c/,為節(jié)點(diǎn)/的負(fù)荷，/。a《為節(jié)點(diǎn)/的競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)所有其它節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷之和；其次，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其偵聽(tīng)到信道忙的概率A-l-p(l-O，式中M 為節(jié)點(diǎn) Z的一跳鄰居數(shù)目；然后，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其最優(yōu)初始退避窗口，._ 2 * (卜a) * (卜2 A) * (1 - /V"+') - r' * (卜2p,.) * (卜p廣') W°' _ (1-A"(-2A",最后，節(jié)點(diǎn)選擇實(shí)際初始退避窗口的取值為 /C^ =1113乂(2湯"朋-1，1^,'), b) 下一次發(fā)送時(shí)首先，節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)估計(jì)其本身獲得的吞吐率及其競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)其它所有節(jié) 點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率之和，具體估計(jì)方法為節(jié)點(diǎn)Z'每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，就將其吞吐率的估計(jì)值^加1，同樣地，節(jié)點(diǎn)Z'每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，就將對(duì)其所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的吞吐率之和的估計(jì)值K加1;其次，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其公平性指數(shù)/>/^、.=|^4;最后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)公平性指數(shù)所在的范圍動(dòng)態(tài)調(diào)整其初始退避窗口，具體調(diào)整方法為[1]如果公平性指數(shù)/^,^大于高門限77/,一那么初始退避窗口為/CW'=min(CWmi,x，CU ) [2]如果公平性指數(shù)/^,,血、,在[77/^ ，77/,』內(nèi)，則初始退避窗口為[3]否則如果公平性指數(shù)/^,,', 小于低門限，那么初始退避窗口為上述幾式中，C『隨為最大退避窗口 ，計(jì)算方法為CWmax = 2她"""-1 ， C^ni 為 最小退避窗口 ，計(jì)算方法為CWm, = 2。""服-1 ， C『啦為上次初始退避窗口的取值，r/^，和77/^分別為公平性指數(shù)的高低門限，77/,,/3的取值為1.1，^^/(自為^^,的倒數(shù)； 〃為減小窗口的調(diào)節(jié)參數(shù)，取值為o.8，相應(yīng)地，"為增大窗口的調(diào)節(jié)參數(shù)，取值為"=1.0 + _P《W。Y /10.0 。c) 此后，節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送前都重復(fù)執(zhí)行b)中的操作過(guò)程.有益效果本發(fā)明提出了一種適用于基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的多跳無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化的接入控制方法，在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)路由固定且負(fù)荷不均勻的情況下，可以 顯著提高節(jié)點(diǎn)的的吞吐率流量公平性，以及更低的系統(tǒng)丟包率和非飽和情況下更髙 的網(wǎng)關(guān)吞吐率。相比IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的非時(shí)隙CSMA/CA協(xié)議，在多跳網(wǎng)絡(luò) 中本算法提供了更好的性能。本發(fā)明應(yīng)用在多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中能很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)負(fù) 載不均衡的環(huán)境，且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)算法改動(dòng)較小，稍作修改就能直接應(yīng)用，有很好的前景。為了證明本發(fā)明的有效性，我們用OPNET仿真了算法，仿真環(huán)境如下1. 10個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在5OH50m的空間內(nèi)，其中一個(gè)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，9個(gè)為普通 節(jié)點(diǎn)。2. 節(jié)點(diǎn)的通信距離為10m。3. 物理層數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，信道為理想信道，所有的傳輸錯(cuò)誤均為沖 突引起。我們采用節(jié)點(diǎn)吞吐率，系統(tǒng)丟包率和公平指數(shù)來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的性能，其中公平指 數(shù)采用了兩種準(zhǔn)則，它們的定義如下節(jié)點(diǎn)吞吐率節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送的有效負(fù)載大小與時(shí)間的比值。系統(tǒng)丟包率丟棄的包數(shù)目與時(shí)間的比值。公<formula>formula see original document page 10</formula>前面均有定義，分別為節(jié)點(diǎn)/，)實(shí)際獲得的吞吐率負(fù)荷。從下面的仿真結(jié)果圖可以看出，對(duì)比于正EE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)里的CSMA/CA算法， 我們提出的優(yōu)化方法在節(jié)點(diǎn)吞吐率的流量公平性，系統(tǒng)丟包率和非飽和情況下節(jié)點(diǎn) 的吞吐率等方面都具有優(yōu)勢(shì)，特別是在節(jié)點(diǎn)負(fù)荷差距較大，網(wǎng)絡(luò)中形成瓶頸節(jié)點(diǎn)的 情況下提供了更好的網(wǎng)絡(luò)性能。
圖l是非時(shí)隙CSMA/CA算法流程，圖2是多跳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷，圖3是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)吞吐率，圖4是系統(tǒng)丟包率，圖5是采用準(zhǔn)則1的公平指數(shù)，圖6是采用準(zhǔn)則2的公平指數(shù)。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明中具體是基于多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷計(jì)算第一次發(fā)送時(shí)的初始退避窗 口，并從第二次發(fā)送開(kāi)始對(duì)上次的初始退避窗口進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，調(diào)整方法為實(shí)時(shí)估 計(jì)節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率及其所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)獲得的吞吐率之和，然后根據(jù)這兩個(gè)值 和節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷和其競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷之和計(jì)算公平性指數(shù)，并根據(jù)計(jì)算 結(jié)果按照門限規(guī)定的范圍分別對(duì)初始退避窗口采用不同的調(diào)整方法。一個(gè)多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有9個(gè)普通節(jié)點(diǎn)2~10和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1,普通節(jié)點(diǎn)采 用固定的路由向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)l發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)9， 10發(fā)送給節(jié)點(diǎn)8，節(jié)點(diǎn)7， 8發(fā)送給節(jié) 點(diǎn)6，節(jié)點(diǎn)5， 6發(fā)送給節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)3發(fā)送給節(jié)點(diǎn)4，而節(jié)點(diǎn)2和4又發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)1， 它們自身生成數(shù)據(jù)包的速度都相等且為G，這樣節(jié)點(diǎn)2 10的負(fù)荷分別為 {7G, 1G， 2G, 1G， 5G， 1G, 3G， 1G, 3G },根據(jù)它們的相鄰關(guān)系可以得到它們的一跳鄰居 個(gè)數(shù)分別為{3， 2， 3, 3， 5, 4, 5， 2, 3}，競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)負(fù)荷之和分別為 {8G, 3G, 13G, 13G, 14G, IOG， 9G, 4G, 5G}。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)2 10，采用本發(fā)明的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)比例公平接入優(yōu)化 方法步驟如下a.第一次發(fā)送時(shí)首先，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其最優(yōu)發(fā)送概率《-7-^"7，式中/o^為節(jié)點(diǎn),的 負(fù)荷，/oW。為節(jié)點(diǎn)/的競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)所有其它節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷之和，例如對(duì)節(jié)點(diǎn)2， 其最優(yōu)發(fā)送概率r; = , " j = ^ = 0.47 ,同樣可以得到節(jié)點(diǎn)2~10的最優(yōu)發(fā)送概率分另ij為{0.47,0.06,0.13,0.06，0.26,0.05,0.14, 0.08,0.08 };其次，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其偵聽(tīng)到信道忙的概率P,i-ft(l-O,代入上一步計(jì)'=1算得到的結(jié)果和節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，可以得到節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到信道忙的概率， 例如對(duì)節(jié)點(diǎn)2有/ 2 =1-]^[(卜"=(1-(1-0.13)*0-0.06)*(卜0.26))=0.395，同樣可以得到其它節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到信道忙的概率；然后，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其最優(yōu)初始退避窗口* . — 2*(1 —p,.)*0 — 2A)*0-/7")-r'*(l-2p,)*(l—p,"'+')°' (卜2/7,"+')對(duì)節(jié)點(diǎn)2，代入上一步計(jì)算的信道忙概率;>2=0.395和最優(yōu)發(fā)送概率《=0.47以及 m=3，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)2第一次發(fā)送的最優(yōu)初始退避窗口 w。,' = 1.575;最后，節(jié)點(diǎn)選擇實(shí)際初始退避窗口的取值為/C^ = maW -1,W ,')，對(duì) 節(jié)點(diǎn)2有，/Cff2 = max(2滿""'1 -1,w 2') = 7 。 b.下一次發(fā)送時(shí)首先，節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)估計(jì)其本身獲得的吞吐率及其競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)其它所有節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率之和，具體估計(jì)方法為節(jié)點(diǎn)z'每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，就 將其吞吐率的估計(jì)值K加1,同樣地，節(jié)點(diǎn)z'每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包，就將對(duì)其所有競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)的吞吐率之和的估計(jì)值R加1，例如節(jié)點(diǎn)2在發(fā)送第一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，發(fā)送了2次，則y-2，期間收到3個(gè)包，則^,=3;其次，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其公平性指數(shù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)2有最后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)公平性指數(shù)所在的范圍動(dòng)態(tài)調(diào)整其初始退避窗口，具 體調(diào)整方法為如果公平性指數(shù)/^ d 大于高門限27;,那么初始退避窗口為/C^=min(C^ax，Cff，*a) 12如果公平性指數(shù)P/^、在[7^"，7T^]內(nèi)，則初始退避窗口為否則如果公平性指數(shù)小于低門限，那么初始退避窗口為 /C『,=maX(C)^in，Cf^*/ ) 上述幾式中，C^肌、為最大退避窗口，計(jì)算方法為0^股=2^*-1， CW咖為最小退避窗口 ，計(jì)算方法為CWm, = 2""'"腿-1, C『w為上次初始退避窗口的取值，7T^(，和:r/^分別為公平性指數(shù)的高低門限，7T^的取值為1. 1，^^，為"^p的倒數(shù)；"為減小窗口的調(diào)節(jié)參數(shù)，取值為o.8，相應(yīng)地，"為增大窗口的調(diào)節(jié)參數(shù)，取值為"=1.0 +尸^&/10.0。對(duì)節(jié)點(diǎn)2，上一歩計(jì)算的公平性指數(shù)為;^,','.、. =^ = 0.762 ，因此它要小于低門限77/麵=0. 909，3/8所以第二次發(fā)送時(shí)的初始退避窗口應(yīng)該按o中的方法調(diào)整，因此/C『2 = max(Cf^,',,CW鄉(xiāng)*/ ) = max(7,7* 0.8) = 7 ，即初始退避窗口仍然為7。 c.此后，節(jié)點(diǎn)每次發(fā)送前都重復(fù)執(zhí)行b)中的操作過(guò)程。在多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有數(shù)據(jù)都以多跳方式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，因此靠近 網(wǎng)關(guān)處的節(jié)點(diǎn)相比網(wǎng)絡(luò)邊沿的節(jié)點(diǎn)要承擔(dān)更大的負(fù)荷，因此可以采用本發(fā)明中的優(yōu) 化退避方法提高網(wǎng)絡(luò)性能。為了計(jì)算節(jié)點(diǎn)的初始退避窗口并動(dòng)態(tài)調(diào)整，我們假設(shè)節(jié)點(diǎn)采用固定路由且每個(gè) 節(jié)點(diǎn)自身生成的數(shù)據(jù)量都相等，另外節(jié)點(diǎn)已經(jīng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的路由過(guò)程獲知了它的一 跳鄰居及其負(fù)荷信息和目的節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居及其負(fù)荷信息。基于上述假設(shè)，我們可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CSMA/CA算法進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明提出了多跳無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于動(dòng)態(tài)比例公平的接入優(yōu)化方法，其主要包括根據(jù)節(jié)點(diǎn)及其競(jìng) 爭(zhēng)范圍(一跳鄰居及目的節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷計(jì)算第一次發(fā)送時(shí)的初 始退避窗口，然后在以后的每次發(fā)送中動(dòng)態(tài)估計(jì)節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率及其競(jìng)爭(zhēng)范 圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率之和，根據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算出一個(gè)比例公平性指數(shù)， 按照這個(gè)指數(shù)所在的范圍對(duì)初始退避窗口進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。最終實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)吞 吐率公平性的提高，系統(tǒng)丟包率的降低和飽和情況下節(jié)點(diǎn)吞吐率的提高。
權(quán)利要求
1.一種多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)比例公平接入優(yōu)化方法，其特征在于該方法包括如下步驟a.第一次發(fā)送時(shí)首先，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其最優(yōu)發(fā)送概率<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msubsup> <mi>τ</mi> <mi>i</mi> <mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>load</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>load</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>load</mi> <mi>o</mi></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100188301C00011.gif" wi="118" he="36" img-content="drawing" img-format="tif"/-->式中l(wèi)oadi為節(jié)點(diǎn)i的負(fù)荷，loado為節(jié)點(diǎn)i的競(jìng)爭(zhēng)范圍內(nèi)所有其它節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷之和；其次，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其偵聽(tīng)到信道忙的概率<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><munderover> <mi>Π</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>N</mi><msub> <mi>C</mi> <mi>i</mi></msub> </mrow></munderover><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>τ</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2008100188301C00012.gif" wi="115" he="37" img-content="drawing" img-format="tif"/-->然后，節(jié)點(diǎn)計(jì)算其最優(yōu)初始退避窗口
全文摘要
多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)比例公平接入優(yōu)化方法是一種適用于低復(fù)雜度，低成本，低功耗的環(huán)境監(jiān)控，工業(yè)控制以及軍事偵察等領(lǐng)域的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化接入控制方法。首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷估計(jì)其最優(yōu)發(fā)送概率并由飽和狀態(tài)下退避過(guò)程的Markov模型推導(dǎo)出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)初始退避窗口，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際獲得的吞吐率動(dòng)態(tài)調(diào)整初始退避窗口以提高節(jié)點(diǎn)的流量公平性。在多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)荷差別較大，靠近網(wǎng)關(guān)處節(jié)點(diǎn)成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸的條件下取得了節(jié)點(diǎn)吞吐率流量公平性的較大提高并顯著降低了系統(tǒng)丟包率，在非飽和情況下網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的吞吐率也有較大提高。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)荷不均勻的情況下可以顯著提高節(jié)點(diǎn)的吞吐量公平性并降低丟包概率。
文檔編號(hào)H04Q7/36GK101252511SQ200810018830
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者劉俊平, 張榮標(biāo), 徐平平, 趙迎新, 黃齊波 申請(qǐng)人:東南大學(xué)