專利名稱：一種基于ieee802.15.4的自適應(yīng)csma/ca接入方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問控制(MAC，Media Access Control)子層處理技木，尤其涉及一種新的IEEE802. 15. 4標準中的CSMA/CA接入機制優(yōu)化方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)是ー種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)， 大量具有無線通信以及數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點以自組織或多跳的方式構(gòu)成的ー種無線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點通過傳感器采集、處理數(shù)據(jù)并反饋給用戶。IEEE802. 15. 4標準主要是針對低速率、低功耗、低成本的低速無線個域網(wǎng) (LR-WPAN, Low Rate-Wireless Personal Area Network)，定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，該協(xié)議非常適合WSN，目前很多WSN研究都是基于該協(xié)議標準。IEEE802. 15. 4協(xié)議提供兩種工作模式非信標使能和信標使能。非信標使能的網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間沒有建立時間同歩，因此節(jié)點由于空閑偵聽造成大量的能量消耗。在信標使能網(wǎng)絡(luò)中，許多節(jié)點通過ー個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)構(gòu)成 ー個星型網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能是為網(wǎng)絡(luò)提供基本的定時和中心控制功能，與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)的節(jié)點稱為ー個Device，Device間通信都要通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器定期發(fā)送信標幀來建立網(wǎng)絡(luò)的時間同歩，Device遵循與其關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的時序來定期進行睡眠或工作，這樣的工作模式大大降低了能耗。樹型的網(wǎng)絡(luò)拓撲在局部范圍內(nèi)可以看作是星型網(wǎng)絡(luò)，因此研究星型網(wǎng)絡(luò)具有重要的現(xiàn)實意義，本發(fā)明基于信標使能的星型網(wǎng)絡(luò)對 IEEE802. 15. 4MAC協(xié)議進行改進，并可以擴展到成簇網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)中每個簇都為ー個星型拓撲結(jié)構(gòu)単元。在基于CSMA/CA的MAC協(xié)議中，退避算法的目標是賦予節(jié)點適當?shù)耐吮軙r間，以正確反映節(jié)點附近信道的爭用狀況。包括IEEE 802. 11標準在內(nèi)的很多無線通信協(xié)議都采用 ニ進制指數(shù)退避(BEB，Eigenvalue Based Beamforming)算法。圖1顯示了 BEB算法流程。該接入方法雖然實現(xiàn)簡單，但存在諸多問題
首先，它總是有利于前一次數(shù)據(jù)傳輸成功的節(jié)點短時間內(nèi)又一次競爭到信道，尤其當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)覆蓋密度比較大的情況下，容易使其他節(jié)點因搶占不到信道而出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的 “餓死”現(xiàn)象，退避延遲也會隨著沖突發(fā)生的次數(shù)的增加逐漸增大；
其次，固定的macMinBE、aMaxBE值，不利于網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)變化。macMinBE的值并不能反映當時網(wǎng)絡(luò)的傳輸狀況，在CSMA/CA機制開始之后，需要接入信道的節(jié)點必須花很多的時間逐步調(diào)整退避指數(shù)BE，直到調(diào)整達到默認的最大值aMaxBE，或者隨機選擇的退避周期能夠滿足要求，節(jié)點可以接入信道為止。當下一次算法開始后，BE重新恢復(fù)默認值，節(jié)點極有可能再次發(fā)生碰撞并重傳數(shù)據(jù)包直到BE再次達到較高的數(shù)值，從而浪費大量的時間和信道資源。造成網(wǎng)絡(luò)的呑吐量下降，易發(fā)生消息碰撞，消息延遲等，網(wǎng)絡(luò)負載加重。針對以上BEB算法的固有缺點，近年來對于BEB算法的改進優(yōu)化比較少見，而BEB 算法對于CSMA/CA機制起著極其重要的作用，因此對于BEB的研究有著重大的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于IEEE802. 15. 4標準的自適應(yīng)CSMA/CA的接入方法， 是ー種對BEB算法的優(yōu)化方法，在輸入業(yè)務(wù)量比較重的情況下，降低沖突發(fā)生概率，盡量減少數(shù)據(jù)包的重發(fā)次數(shù)，增加數(shù)據(jù)成功投遞率，提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)呑吐量，同時減少節(jié)點接入信道的延遲，降低了網(wǎng)絡(luò)負載。本發(fā)明為一種基于IEEE802. 15. 4的具有自適應(yīng)調(diào)整能力的ニ進制指數(shù)退避BEB 算法的優(yōu)化方法ABE (Adaptive Backoff Exponential Algorithm)-BEB。本優(yōu)化方法能夠使網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點根據(jù)占用網(wǎng)絡(luò)流量多少，對CSMA/CA機制中macMinBE參數(shù)的默認值進行優(yōu)化。包括以下三個階段
分析階段決策階段執(zhí)行階段
分析階段以分析周期結(jié)束后重復(fù)執(zhí)行的階段為分析階段，所述分析周期指網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器觀察分析與其關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量的持續(xù)時間；分析周期開始后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器計算每個普通節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)包的總數(shù)，為決策階段提供普通節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)信息狀況，直到分析周期結(jié)束；
決策階段分析階段過后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獲取了每個普通節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量的情況，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器按照收到的每個普通節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)量多少由小到大進行排序，通過判斷發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胀ü?jié)點個數(shù)，來構(gòu)造分組I和分組II，如果普通節(jié)點個數(shù)大于8，就將序列中前四個普通節(jié)點歸入分組I，后面的節(jié)點歸入分組II ；如果普通節(jié)點個數(shù)小于8，則判斷發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胀ü?jié)點數(shù)count是否為偶數(shù)，若count為偶數(shù)則將前coimt/2個普通節(jié)點放入分組I、后count/2個普通節(jié)點放入分組II ；若count不是偶數(shù)，則將前(count-l) /2個普通節(jié)點放入分組I、后(coimt-1) /2個普通節(jié)點放入分組II，中間剩余的節(jié)點隨機放到任一組；構(gòu)造分組完成后，分別判斷兩個組中的第一個節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)相差是否大于 DIFFERENCE，如果是，則把分組I的節(jié)點信息寫入到信標幀的描述字段的BE值減少域；同時把分組II寫入到描述字段的BE值增加域；如果小于H(T_ DIFFERENCE，表示節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)流量的分布只造成小的變化，則設(shè)置ABE描述字段標識域為0，算法仍然按照現(xiàn)有的退避算法操作方式；完成上述操作后，重置數(shù)組numReceivedPkts [i]和nodehdexes [i]，繼續(xù)進行下ー個分析周期；
執(zhí)行階段普通節(jié)點收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)來的信標幀后，開始執(zhí)行自適應(yīng)調(diào)整 ABE (Adaptive Backoff Exponential)算法；執(zhí)行階段中所述的ABE優(yōu)化方法具體如下 步驟1 節(jié)點收到了信標幀，則提取ABE描述字段的有效載荷； 步驟2 判斷ABE標識域是否為0，如果是，則執(zhí)行原有的退避指數(shù)操作，如果不是，則提取BE増加域和BE減少域；
步驟3:判斷本地節(jié)點地址是否和分組I中的節(jié)點某個地址相同，如果是，則對 macMinBE執(zhí)行減1操作；判斷macMinBE是否為0，如果是，設(shè)置為1 ；如果本地地址不在分組I中，則進行步驟4;
步驟4:判斷本地節(jié)點地址是否和分組II中的節(jié)點某個地址相同，如果是，則對macMinBE執(zhí)行加1操作；如果本地節(jié)點地址不匹配，則執(zhí)行改進前的退避指數(shù)算法。通過以上三個階段可以看出，本發(fā)明的自適應(yīng)BE設(shè)計方法仍然保留了 CSMA/CA中 macMinBE的初值，但是通過一定數(shù)量的信標幀間隔內(nèi)每個節(jié)點爭用網(wǎng)絡(luò)流量的多少來動態(tài)調(diào)整退避指數(shù)macMinBE，使得傳感器節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況動態(tài)的選擇ー個合適的退避范圍。經(jīng)過這種優(yōu)化，macMinBE更能準確反映當前網(wǎng)絡(luò)狀況，平衡節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)。因此提高了節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)公平性，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量并降低了網(wǎng)絡(luò)負載。


圖1示出IEEE802. 15. 4中二進制指數(shù)退避BEB算法流程； 圖2示出本發(fā)明的分析周期和決策周期流程；
圖3示出本發(fā)明的構(gòu)造分組流程； 圖4示出本發(fā)明的自適應(yīng)ABE-BEB的信標幀結(jié)構(gòu)； 圖5示出本發(fā)明中的執(zhí)行階段流程； 圖6示出本發(fā)明中的ABE-BEB算在NS2下的仿真場景； 圖7示出本發(fā)明仿真中數(shù)據(jù)速率對網(wǎng)絡(luò)呑吐量的影響； 圖8示出本發(fā)明仿真中數(shù)據(jù)速率對網(wǎng)絡(luò)工作負載的影響。
具體實施例方式本發(fā)明提出的基于IEEE802. 15. 4的自適應(yīng)CSMA/CA接入方法分為分析階段、決策階段和執(zhí)行階段。分析階段和決策階段在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中執(zhí)行，執(zhí)行階段在有數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胀ü?jié)點中執(zhí)行。分組I (Group-I)把macMinBE作減1操作的節(jié)點存放于該組中。這些節(jié)點相對于其他節(jié)點來說占用網(wǎng)絡(luò)流量比較少。分組II (Group-2)把macMinBE作加1操作的節(jié)點存放于該組中。這些節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量比較大。當Group-2中節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包比Group-I中節(jié)點多至少H(T_ DIFFERENCE個時，將執(zhí)行ABE-BEB的決策階段。否則，將進行下ー個分析周期。H(T_DIFFERENCE 它是執(zhí)行決策階段的決定性因素。如果Group-2中的第一個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包比Group-I中第一個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包多至少H(T_DIFFERENCE個時，將執(zhí)行ABE-BEB的決策階段。如果不是，則再一次執(zhí)行分析階段。為了應(yīng)用算法的決策階段，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將在要傳輸?shù)男艠藥挠行лd荷中寫入決策信息。numBeaconlntervals 組成ー個分析周期的信標幀間隔數(shù)。它是指分析網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點是否需要調(diào)整macMinBE的持續(xù)時間。例如，如果信標幀間隔是0. 384s(B0=3),并且 numBeaconlntervals也為3時，則ー個分析周期將是1. 152s。因此，每1. 152s將會進入決策階段。numReceivedPkts[i]該數(shù)組用于記錄傳輸原節(jié)點i向網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)包的個數(shù)。nodeIndexes[i]該數(shù)組用于存儲傳輸數(shù)據(jù)包給協(xié)調(diào)器的源節(jié)點i的節(jié)點號。該數(shù)組中的節(jié)點號與numReceivedPktsti]中的i值相匹配。通過占用網(wǎng)絡(luò)中的流量的大小來相應(yīng)調(diào)整該數(shù)組的節(jié)點號的排列順序。
“BeaconPay 1 oadFie 1 ds“ — ABE描述字段信標幀的該描述字段占ー個字節(jié)，指示需要増加BE的節(jié)點數(shù)和需要減小BE的節(jié)點數(shù)。addrList[8]用于記錄節(jié)點需要增加macMinBE或者需要減小macMinBE的節(jié)點地址，ABE-BEB中每個節(jié)點地址占用2字節(jié)。前四個節(jié)點的地址指示其BE的值將會減1，后四個節(jié)點地址指示其BE的值將會加1。超幀在信標使能模式下，PAN (Personal Area Network)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器周期性的廣播信標幀來同步要關(guān)聯(lián)到它的節(jié)點，并使它們能識別自己所屬的PAN。信標間隔(Bi)定義了兩個連續(xù)的信標幀之間的時間。包括一個激活期和一個可選的非激活期，激活期稱為超幀。本發(fā)明的實現(xiàn)包括三個階段 階段ー分析階段
每個分析周期結(jié)束后重復(fù)的階段稱為分析階段。分析周期指的是Coordinator觀察每個與其關(guān)聯(lián)的節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量的持續(xù)時間。本發(fā)明中設(shè)它為3個信標幀(Bi)時隙間隔。分析周期開始后，初始化 PKT_DIFFRENCE=5，numBeaconIntervals=3, nUmReceiVedPktS[i]=0。初始化之后開始統(tǒng)計收到的消息，若為數(shù)據(jù)幀，則與其對應(yīng)的i的 numReceivedPkts[i]加1 ；若非數(shù)據(jù)幀，則不予統(tǒng)計，進入信標幀正常組幀。在分析階段期間，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將計算某個節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)包的總數(shù)，直到分析周期結(jié)束。如圖2所示。階段ニ 決策階段
決策階段開始于分析階段之后。ABE-BEB開始之前，初始化各個參數(shù)的值，這些值不是絕對的，這些值的動態(tài)調(diào)整是為了獲得更佳的網(wǎng)絡(luò)公平性，提高網(wǎng)絡(luò)生存期。本發(fā)明中，為了得到顯著的結(jié)果，需要讓BE的值盡可能的在比較大的范圍內(nèi)變化。因此，可以將aMaxBE 可選的最大值設(shè)置為8，macMinBE的值設(shè)置為3。初始化列表
□PKT_DIFFERENCE: 5
□ numBeacoruntervals 3
□macMinBE 3
□aMaxBE: 8
Pl分析周期結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獲取了每個節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量的情況，此時將決定是否改變macMinBE的值。如果需要改變，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器才決定哪些節(jié)點應(yīng)該增加macMinBE的值，哪些節(jié)點應(yīng)該減少macMinBE的值。協(xié)調(diào)器按照收到的每個節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)量多少由小到大進行排序。P2協(xié)調(diào)器通過判斷發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點個數(shù)，來構(gòu)造分組Group-I和Group-2。 如果個數(shù)大于8，就將序列中前四個節(jié)點歸入Group-I和后四個節(jié)點歸入Group-2 ；如果小于8，則判斷count是否為偶數(shù)，若為偶數(shù)則將前count/2個節(jié)點放入Group-I、后count/2 個節(jié)點放入Group-2 ；若count不是偶數(shù)則將前(count-1) /2個節(jié)點放入Group-I、后 (count-l)/2個節(jié)點放入Group-2，中間剩余的節(jié)點隨機放到任一組。構(gòu)造分組流程如圖3 所示。P3構(gòu)造分組完成后，分別判斷兩個組中的第一個節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)相差是否大于 PKT_DIFFERENCE,如果是，則把Group-I的節(jié)點信息寫入到信標幀的ABE描述字段的BE值減少域；同時把Group-2寫入到ABE描述字段的BE值增加域。如果小于H(T_ DIFFERENCE,表示節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)流量的分布只造成小的變化，則設(shè)置ABE描述字段標識域為0。ABE-BEB仍然按照原來的退避BEB算法操作方式。完成上述操作后，重置數(shù)組numReceivedPktsti]和 nodehdexesti]，繼續(xù)進行下ー個分析周期。如圖2所示。階段三執(zhí)行階段
協(xié)調(diào)器執(zhí)行了決策階段后，需要把相關(guān)信息寫入到信標幀，所以需要對信標幀結(jié)構(gòu)進行修改。本發(fā)明中利用信標幀的附加空間來指示網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對macMinBE的調(diào)整，因此附加空間需要指明需要使macMinBE増加或減少的節(jié)點數(shù)與它們的各自的地址。ABE-BEB使用 1字節(jié)(Byte)去表述需要使macMinBE増加或減少的節(jié)點數(shù)，最大16個字節(jié)來表述各個節(jié)點的地址，每個節(jié)點地址占用兩個字節(jié)。由于要添加使macMinBE加1還是減1的信息，需要給信標幀有效載荷增加最大17個字節(jié)的附加空間。修改后的信標幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。信標幀的結(jié)構(gòu)修改完成后，協(xié)調(diào)器執(zhí)行決策階段后就可以把相關(guān)信息寫入到信標幀的ABE描述字段并傳輸該信標幀。普通節(jié)點收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的信標中就執(zhí)行相應(yīng)的操作。普通節(jié)點收到信標幀后，就執(zhí)行ABE，算法流程圖如圖5所示，執(zhí)行階段在普通節(jié)點中按照以下步驟進行
Pl節(jié)點收到了信標幀，則提取ABE描述字段的有效載荷。P2判斷ABE標識域是否為0，如果是，則執(zhí)行原有的退避指數(shù)操作。如果不是，則提取BE増加域和BE減少域。P3判斷本地節(jié)點地址是否和Group-I中的四個節(jié)點某個地址相同，如果是，則對 macMinBE執(zhí)行減1操作；判斷macMinBE是否為0，如果是，設(shè)置為1。如果本地地址不在 Group-I中，則進行P4。P4判斷本地節(jié)點地址是否和Group-2中的四個節(jié)點某個地址相同，如果是，則對 macMinBE執(zhí)行加1操作；如果本地節(jié)點地址不匹配，則執(zhí)行退避指數(shù)BEB算法。由以上自適應(yīng)退避調(diào)整方法可以看出，自適應(yīng)BE設(shè)計方法仍然保留了 CSMA/CA中 macMinBE的初值，但是通過一定數(shù)量的信標幀間隔內(nèi)每個節(jié)點爭用網(wǎng)絡(luò)流量的多少來動態(tài)調(diào)整退避指數(shù)macMinBE，使得傳感器節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況動態(tài)的選擇ー個合適的退避范圍。經(jīng)過這樣的優(yōu)化，増大了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和降低了網(wǎng)絡(luò)負載，提高了網(wǎng)絡(luò)公平性和網(wǎng)絡(luò)生存期。為了證明本發(fā)明的有效性，我們用NS2 2. 34仿真了 ABE-BEB，網(wǎng)絡(luò)仿真場景實現(xiàn)了擁有13個節(jié)點的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示，在50mX50m的范圍內(nèi)，PAN Coordinator周圍布設(shè)了 12個節(jié)點，圖中中間節(jié)點為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，周邊節(jié)點為1-12號節(jié)點，NS2按逆時針為每個節(jié)點進行了編號，12個節(jié)點都會向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，形成12條數(shù)據(jù)流。由于采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，因此只有ー個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。同時，假定網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都在彼此的通信范圍之內(nèi)，不存在隱藏終端和暴露終端。實驗中將BO和SO取值相同，即B0=S0=3，這就意味中超幀中無非活躍部分CFP， 未允許節(jié)點進入休眠模式。本實驗中在0. 0時刻開啟網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后每隔0. 5s開啟ー 個普通節(jié)點，并且數(shù)據(jù)流的發(fā)起時間設(shè)為20s。整個網(wǎng)絡(luò)的模擬時間設(shè)為200s。NS2模擬的IEEE802. 15. 4協(xié)議棧應(yīng)用層模型選用CBR(Constant Bit Rate)流量發(fā)生器。普通節(jié)點收到數(shù)據(jù)后以恒定流量(CBR)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，并認為每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)量都
7相等。數(shù)據(jù)包的大小設(shè)置為70Bytes，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸方式只支持普通節(jié)點到PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的單向通信。網(wǎng)絡(luò)模擬協(xié)議棧傳輸層選用UDP協(xié)議，路由隊列類型采用Drop Tail 隊列，采用CSMA/CA進行信道的接入，物理層的無線傳輸模型采用NS2組件支持的Two-Ray Ground Model。物理層工作在2. 4GHZ頻段，理想數(shù)據(jù)傳輸速率為2501ibpS。每次調(diào)節(jié)發(fā)送 CBR數(shù)據(jù)封包的時間間隔，采樣的數(shù)據(jù)封包速率為(2，4，6，8，10，12，14，16) pkts/s，然后記錄下當前網(wǎng)絡(luò)的平均呑吐量和平均工作負載。將不同速率下統(tǒng)計的呑吐量生成的曲線圖如圖7所示和不同速率下整個網(wǎng)絡(luò)工作負載圖如圖8所示。圖7反映的是不同數(shù)據(jù)速率對網(wǎng)絡(luò)呑吐量的仿真結(jié)果圖，仿真結(jié)果可以看到，網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生在高數(shù)據(jù)率區(qū)域，該區(qū)域沖突碰撞發(fā)生的可能性比較大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。在低數(shù)據(jù)率區(qū)域，也即低輸入業(yè)務(wù)量的情況下，應(yīng)用ABE指數(shù)調(diào)整方法和IEEE802. 15. 4的標準BEB算法在呑吐量的提高上沒有明顯的區(qū)別。但是在高業(yè)務(wù)量區(qū)域，很明顯比傳統(tǒng)的 IEEE802.15.4的BEB算法吞吐量要高。圖中數(shù)據(jù)速率為8 pkts/s時出現(xiàn)了一個峰值，之后有微微的下降趨勢，然后趨于平衡。我們可以解釋為，由于我們的ABE設(shè)計中在ー個分析只有8個CBR業(yè)務(wù)流能受影響，其他節(jié)點可以在下ー個分析周期受ABE作用，當網(wǎng)絡(luò)流量比較大時，處理的總統(tǒng)性能必然有所下降。圖8反映的是不同數(shù)據(jù)速率對網(wǎng)絡(luò)工作負載的仿真結(jié)果圖，縱坐標表示網(wǎng)絡(luò)工作負載的數(shù)值，單位是Icbps，橫坐標表示CBR的發(fā)送速率，單位是pkts/s。當數(shù)據(jù)發(fā)送速率比較低吋，也即網(wǎng)絡(luò)的輸入業(yè)務(wù)量比較低時，應(yīng)用ABE指數(shù)調(diào)整方法和IEEE802. 15. 4的標準 BEB算法沒有較大區(qū)別；而當輸入業(yè)務(wù)量比較大吋，ABE優(yōu)化方法的效果就比較明顯，此時數(shù)據(jù)包發(fā)送成功的概率增加，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過統(tǒng)計與其交互的普通節(jié)點的業(yè)務(wù)流量，使普通節(jié)點動態(tài)調(diào)整其最小BE取值，從而選擇ー個合適的退避范圍，進而數(shù)據(jù)包的重傳次數(shù)降低，工作負載減少。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明比原有的IEEE802. 15. 4中的BEB算法在網(wǎng)絡(luò)輸入業(yè)務(wù)量比較大的情況下，能明顯提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)工作負載。
權(quán)利要求
1. 一種基于IEEE802. 15. 4的自適應(yīng)CSMA/CA的接入方法，其特征在于包括以下三個階段分析階段以分析周期結(jié)束后重復(fù)執(zhí)行的階段為分析階段，所述分析周期指網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器觀察分析與其關(guān)聯(lián)的普通節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量的持續(xù)時間；分析周期開始后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器計算每個普通節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)包的總數(shù)，為決策階段提供普通節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)信息狀況，直到分析周期結(jié)束；決策階段分析階段過后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獲取了每個普通節(jié)點占用網(wǎng)絡(luò)流量的情況，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器按照收到的每個普通節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)量多少由小到大進行排序，通過判斷發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胀ü?jié)點個數(shù)，來構(gòu)造分組I和分組II，如果普通節(jié)點個數(shù)大于8，就將序列中前四個普通節(jié)點歸入分組I，后面的節(jié)點歸入分組II ；如果普通節(jié)點個數(shù)小于8，則判斷發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠胀ü?jié)點數(shù)count是否為偶數(shù)，若count為偶數(shù)則將前coimt/2個普通節(jié)點放入分組I、后count/2個普通節(jié)點放入分組II ；若count不是偶數(shù)，則將前(count-l) /2個普通節(jié)點放入分組I，后(coimt-1) /2個普通節(jié)點放入分組II，中間剩余的節(jié)點隨機放到任一組；構(gòu)造分組完成后，分別判斷兩個組中的第一個節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù)相差是否大于 DIFFERENCE，如果是，則把分組I的節(jié)點信息寫入到信標幀的描述字段的BE值減少域；同時把分組II寫入到描述字段的BE值增加域；如果小于H(T_ DIFFERENCE，表示節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)流量的分布只造成小的變化，則設(shè)置ABE描述字段標識域為0，算法仍然按照現(xiàn)有的退避算法操作方式；完成上述操作后，重置數(shù)組numReceivedPktsti]和nodehdexes [i]，繼續(xù)進行下ー個分析周期；執(zhí)行階段普通節(jié)點收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)來的信標幀后，開始執(zhí)行自適應(yīng)調(diào)整 ABE (Adaptive Backoff Exponential)算法，執(zhí)行階段中所述的ABE優(yōu)化方法具體如下步驟1 節(jié)點收到了信標幀，則提取ABE描述字段的有效載荷；步驟2 判斷ABE標識域是否為0，如果是，則執(zhí)行原有的退避指數(shù)操作，如果不是，則提取BE増加域和BE減少域；步驟3 判斷本地節(jié)點地址是否和分組I中的節(jié)點某個地址相同，如果是，則對 macMinBE執(zhí)行減1操作；判斷macMinBE是否為0，如果是，設(shè)置為1 ；如果本地地址不在分組I中，則進行步驟4;步驟4:判斷本地節(jié)點地址是否和分組II中的節(jié)點某個地址相同，如果是，則對 macMinBE執(zhí)行加1操作；如果本地節(jié)點地址不匹配，則執(zhí)行ニ進制指數(shù)退避BEB算法。
全文摘要
本發(fā)明涉及涉及一種新的IEEE802.15.4標準中的CSMA/CA接入機制優(yōu)化方法。包括分析階段、決策階段、執(zhí)行階段。本發(fā)明仍然保留了CSMA/CA中macMinBE的初值，但是通過一定數(shù)量的信標幀間隔內(nèi)每個節(jié)點爭用網(wǎng)絡(luò)流量的多少來動態(tài)調(diào)整退避指數(shù)macMinBE，使得傳感器節(jié)點能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀況動態(tài)的選擇一個合適的退避范圍。經(jīng)過這種優(yōu)化，macMinBE更能準確反映當前網(wǎng)絡(luò)狀況，平衡節(jié)點間的網(wǎng)絡(luò)使用權(quán)。因此提高了節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)公平性，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量并降低了網(wǎng)絡(luò)負載。仿真結(jié)果表明，本發(fā)明中具有自適應(yīng)調(diào)整能力的二進制指數(shù)退避BEB算法的優(yōu)化方法比原有的IEEE802.15.4中的BEB算法在網(wǎng)絡(luò)輸入業(yè)務(wù)量比較大的情況下，能明顯提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)工作負載。
文檔編號H04W84/18GK102595648SQ20111045868
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者劉達明, 張 林, 李景中, 蘇美君, 蔣貴全, 龍昭華 申請人:重慶郵電大學(xué)