專利名稱：一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法
一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，特別涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法。
技術(shù)背景
在分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)采用分布式競(jìng)爭(zhēng)廣播同步信標(biāo)幀的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步。分布式網(wǎng)同步過(guò)程由節(jié)點(diǎn)自發(fā)完成，不依賴于網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的控制，因而具有組網(wǎng)快速靈活、可靠性高和抗毀性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，該方法已廣泛應(yīng)用于各類分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為時(shí)分多址信道接入控制、分布式節(jié)點(diǎn)休眠、分布式數(shù)據(jù)融合等應(yīng)用提供網(wǎng)同步支持，例如美軍和北約組織廣泛應(yīng)用的Linkl6數(shù)據(jù)鏈，IEEE802. 11無(wú)線局域網(wǎng)能量節(jié)省模式(Power Saving Model, PSM),物聯(lián)網(wǎng)信息采集與融合等。
附圖1給出了分布式網(wǎng)同步過(guò)程的流程圖，其具體步驟如下
步驟1:網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在區(qū)間
內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)作為同步退避計(jì)數(shù)器的初始值，其中W為分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)。
步驟2 :若節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道持續(xù)空閑一個(gè)退避時(shí)隙長(zhǎng)度的時(shí)間，則將同步退避計(jì)數(shù)器的值遞減I ;若節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到信道變忙，則將當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的值掛起；當(dāng)節(jié)點(diǎn)同步退避計(jì)數(shù)器的值遞減至O后，則廣播攜帶本地時(shí)間信息的同步信標(biāo)幀。
步驟3 :節(jié)點(diǎn)廣播同步信標(biāo)幀結(jié)束后，在W個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度的時(shí)間內(nèi)繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)信道，若在上述偵聽(tīng)時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到信道變忙，則判定自身同步信標(biāo)幀廣播失敗，并嘗試接收其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀。
步驟4 :若節(jié)點(diǎn)成功收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀，則將自身的時(shí)間設(shè)置為同步信標(biāo)幀中保存的時(shí)間，并在W個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度內(nèi)偵聽(tīng)信道；若節(jié)點(diǎn)接收同步信標(biāo)幀失敗，則恢復(fù)同步退避計(jì)數(shù)器的掛起值，并按照步驟2中的法則廣播自身的同步信標(biāo)幀。
步驟5 :若所有節(jié)點(diǎn)在W個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度內(nèi)偵聽(tīng)信道保持空閑，則分布式網(wǎng)同步過(guò)程結(jié)束。
由上述分析可知，退避參數(shù)W的取值對(duì)分布式網(wǎng)同步的性能有重要影響。在參與同步的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量一定的條件下，如果W的取值過(guò)大，則會(huì)延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)同步過(guò)程中的等待時(shí)間，導(dǎo)致網(wǎng)同步完成時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；反之，如果W的取值過(guò)小，則會(huì)使得節(jié)點(diǎn)在競(jìng)爭(zhēng)廣播同步信標(biāo)幀過(guò)程中的沖突加劇，同樣也會(huì)降低分布式網(wǎng)同步過(guò)程的效率。為了獲得最佳的分布式網(wǎng)同步效率，本發(fā)明采用離散馬爾可夫鏈對(duì)上述分布式網(wǎng)同步過(guò)程進(jìn)行建模，得到網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間數(shù)學(xué)期望的表達(dá)式，并通過(guò)數(shù)值搜索法得到網(wǎng)同步退避參數(shù)的最優(yōu)取值。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步算法，提出一種退避參數(shù)優(yōu)化方法， 從而獲得最佳的分布式網(wǎng)同步效率。為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明所采用的 步驟是
步驟1:采用二維離散馬爾可夫鏈對(duì)分布式網(wǎng)同步過(guò)程進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)在離散馬爾可夫鏈中的狀態(tài)用二維隨機(jī)變量{s(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示節(jié)點(diǎn)在同步過(guò)程中所處的階段，當(dāng)S(t) = O時(shí),表示節(jié)點(diǎn)處在廣播同步信標(biāo)巾貞之前的退避階段；當(dāng)s(t) = i時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)與其他i個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)完成退避過(guò)程并同時(shí)廣播同步信標(biāo)幀后，處在第i類偵聽(tīng)階段；b(t)表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的剩余值；根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系得出離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。步驟2 :根據(jù)離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，得出退避階段和偵聽(tīng)階段的穩(wěn)態(tài)概率分布，并利用穩(wěn)態(tài)概率分布的歸一化條件求出節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀的概率。步驟3 :將節(jié)點(diǎn)分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間分為兩部分，即節(jié)點(diǎn)首次廣播同步信標(biāo)幀之前經(jīng)歷的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)首次廣播同步信標(biāo)幀之后經(jīng)歷的時(shí)間；根據(jù)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀的概率，采用迭代法分別確定上述兩部分時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)期望；將兩部分時(shí)間長(zhǎng)度的期望相加即可得到分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間的期望。步驟4:根據(jù)分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間期望的表達(dá)式，通過(guò)數(shù)值搜索法確定給定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)的最優(yōu)取值。本發(fā)明提出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法已經(jīng)在EXata網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在單跳傳輸范圍之內(nèi)；考慮不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)量分別為20，30，40和50 ;物理層采用DSSS模型，信道傳輸速率為2Mbit/s ;網(wǎng)絡(luò)層采用靜態(tài)路由，傳輸層采用Μ)Ρ協(xié)議；節(jié)點(diǎn)晶振偏差為IOppm ;網(wǎng)同步周期為ls，仿真時(shí)間為300s。附圖3給出了在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下，通過(guò)改變分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)W得到的分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間的仿真值與本發(fā)明得到的計(jì)算值的對(duì)比。仿真值與計(jì)算值的一致性說(shuō)明了本發(fā)明在不同退避參數(shù)W的取值條件下確定分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間方法的有效性。在同步退避參數(shù)W 變化的條件下，本發(fā)明得到的分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間計(jì)算值為凹函數(shù)，說(shuō)明了本發(fā)明采用數(shù)值搜索法確定分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)最優(yōu)取值的有效性。


圖1是分布式網(wǎng)同步過(guò)程的流程圖；圖2是本發(fā)明采用的二維馬爾可夫鏈模型狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；圖3是本發(fā)明的仿真和計(jì)算結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。本發(fā)明提出的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法已經(jīng)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境EXata中實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施步驟步驟1:采用離散馬爾可夫鏈對(duì)分布式網(wǎng)同步過(guò)程進(jìn)行建模。針對(duì)分布式網(wǎng)同步過(guò)程，構(gòu)建如附圖2所示的二維離散馬爾可夫鏈模型。任一節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)用二維隨機(jī)變量{s(t)，b(t)}表示。其中，s(t)表示節(jié)點(diǎn)在同步過(guò)程中所處的階段,當(dāng)s(t) = O時(shí),表示節(jié)點(diǎn)處在廣播同步信標(biāo)巾貞之前的退避階段,當(dāng)S (t) =i時(shí),表示節(jié)點(diǎn)與其他i個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)完成退避過(guò)程并同時(shí)廣播信標(biāo)幀后，處在第i類偵聽(tīng)階段；b(t)表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的剩余值。附圖2中其余各變量的含義如下η:網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；W 分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)；q :節(jié)點(diǎn)在廣播同步信標(biāo)幀之前的退避過(guò)程中，成功收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀的概率；P1:節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他i個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)完成廣播同步信標(biāo)幀之前的退避過(guò)程，并同時(shí)廣播同步信標(biāo)幀的概率；P (Si):節(jié)點(diǎn)在第i類偵聽(tīng)階段成功收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀的概率；P (Ci):節(jié)點(diǎn)在第i類偵聽(tīng)階段接收其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀失敗的概率。用P(i I j)表示狀態(tài)j到i的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，則附圖2所示的離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可以表示為
權(quán)利要求
1.一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法，所采用的步驟是步驟1:采用二維離散馬爾可夫鏈對(duì)分布式網(wǎng)同步過(guò)程進(jìn)行建模，節(jié)點(diǎn)在離散馬爾可夫鏈中的狀態(tài)用二維隨機(jī)變量{s(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示節(jié)點(diǎn)在同步過(guò)程中所處的階段，當(dāng)S(t) = O時(shí),表示節(jié)點(diǎn)處在廣播同步信標(biāo)巾貞之前的退避階段；當(dāng)s(t) = i時(shí), 表示節(jié)點(diǎn)與其他i個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)完成退避過(guò)程并同時(shí)廣播同步信標(biāo)幀后，處在第i類偵聽(tīng)階段；b(t)表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前退避計(jì)數(shù)器的剩余值；根據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系得出離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；步驟2 :根據(jù)離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，得出退避階段和偵聽(tīng)階段的穩(wěn)態(tài)概率分布，并利用穩(wěn)態(tài)概率分布的歸一化條件求出節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀的概率；步驟3 :將節(jié)點(diǎn)分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間分為兩部分，即節(jié)點(diǎn)首次廣播同步信標(biāo)幀之前經(jīng)歷的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)首次廣播同步信標(biāo)幀之后經(jīng)歷的時(shí)間；根據(jù)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀的概率，采用迭代法分別確定上述兩部分時(shí)間長(zhǎng)度的數(shù)學(xué)期望；將兩部分時(shí)間長(zhǎng)度的期望相加即可得到分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間的期望；步驟4 :根據(jù)分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間期望的表達(dá)式，通過(guò)數(shù)值搜索法確定給定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)的最優(yōu)取值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于二維離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率的具體確定方法為定義以下變量 η :網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；W :分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)；q 節(jié)點(diǎn)在廣播同步信標(biāo)幀之前的退避過(guò)程中，成功收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀的概率；P1:節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他i個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)完成廣播同步信標(biāo)幀之前的退避過(guò)程，并同時(shí)廣播同步信標(biāo)幀的概率；P (Si):節(jié)點(diǎn)在第i類偵聽(tīng)階段成功收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀的概率；P(Ci):節(jié)點(diǎn)在第i類偵聽(tīng)階段接收其他節(jié)點(diǎn)廣播的同步信標(biāo)幀失敗的概率；P(i I j):狀態(tài)j到i的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率；離散馬爾可夫鏈非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率可以表示為
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀概率的具體確定方法為用τ表示節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀的概率，用Pm表示馬爾可夫鏈的穩(wěn)態(tài)概率分布，即 Pi, j = Iimt ^00Pis (t) = i,b(t) = j}，i e [O, ff], j e
,則退避階段和偵聽(tīng)階段的穩(wěn)態(tài)概率分布可分別用式(2)和式(3)表示，SP
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間數(shù)學(xué)期望的具體確定方法為用T表示分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間；分別用δ和ε表示空閑退避時(shí)隙長(zhǎng)度和同步信標(biāo)幀的傳輸時(shí)間；用Pidle表示節(jié)點(diǎn)在退避階段的退避過(guò)程中監(jiān)聽(tīng)信道空閑的概率，其值可通過(guò)節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀概率確定，即 Pidle=Q-T)1"1 (11)則退避階段時(shí)隙長(zhǎng)度σ的期望值可表示為
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)優(yōu)化方法。該方法采用二維離散馬爾可夫鏈對(duì)分布式網(wǎng)同步過(guò)程進(jìn)行建模，根據(jù)非空一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率得出分布式網(wǎng)同步過(guò)程退避階段和偵聽(tīng)階段的穩(wěn)態(tài)概率分布，并利用穩(wěn)態(tài)概率歸一化條件求出節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)隙內(nèi)廣播同步信標(biāo)幀的概率。然后將節(jié)點(diǎn)分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間分為兩部分，即節(jié)點(diǎn)首次廣播同步信標(biāo)幀之前經(jīng)歷的時(shí)間和節(jié)點(diǎn)首次廣播同步信標(biāo)幀之后經(jīng)歷的時(shí)間，并采用迭代法確定分布式網(wǎng)同步過(guò)程完成時(shí)間的數(shù)學(xué)期望。最后根據(jù)時(shí)間期望表達(dá)式，通過(guò)數(shù)值搜索法確定給定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模條件下分布式網(wǎng)同步退避參數(shù)的最優(yōu)取值。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境EXata中的仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。
文檔編號(hào)H04W24/06GK103068033SQ20131003297
公開(kāi)日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者雷磊, 戚龍飛, 蔡圣所, 張雅靜, 羅誠(chéng), 張婷, 李科艷, 陳曉明 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)