CN101267377B - 基于退避指数的动态调整方法 - Google Patents

Abstract

一种无线个域网传输技术领域的基于 IEEE 802.15.4退避指数的动态调整方法，判断网络上一超帧或者上一次传输状态，动态调整当前的退避指数初始值，如果一个节点在上一超帧时间内有数据传输成功，或者在同一超帧中的上一次传输成功，则在下一次传输开始时，通过减小初始退避指数值来减小竞争窗口；相反地，如果在上一超帧时间内没有数据传输成功，或者在同一超帧中的上一次传输失败，在下一帧开始时增加退避指数的初始值扩大竞争窗口的大小；如果上述两种情况都不成立，则将初始退避指数值重置为和节能模式下一样的2。本发明降低了低速无线个域网的能耗，提高了网络的吞吐量性能。

Description

基于退避指数的动态调整方法

技术领域

本发明涉及一种无线传输技术领域的方法，具体是一种基于退避指数的动态调整方法。

背景技术

对于降低无线网络的能量消耗，前人做了大量的工作。一部分研究工作是基于功率控制方案，降低网络在发送阶段消耗的能量来减少网络的总能耗；而另一些人则通过改进CSMA-CA(载波侦听点接入-冲突避免)机制降低无线网络的碰撞或者重传概率，从而减少网络耗能。IEEE 802.15.4(美国电子和电气工程师协会关于无线个人局域网路的技术标准)设定BE(退避指数)的最小默认值为3，则每次CSMA-CA开始时，退避时间在0到2^minBE-1之间随机选择。

经对现有技术的文献检索发现，A.-C.Pang等在《proceedings of IEEEGlobecom2004》(2004年世界通信大会)(第三卷第1580-1584页)上发表的“Dynamic Backoff for Wireless Personal Networks”(无线个域网的动态退避方案)，该文中提出两种新的方案来处理退避指数BE，第一种方案的具体方法为：当CSMA-CA结束时判断信道接入状态，如果成功，则将此次传输中的BE值保存，在下次CSMA-CA开始的时候以此保存的BE值作为初始值。另外一种方案的具体方法为保存每次CSMA-CA过程中成功接入信道时的BE值，在下次CSMA-CA开始时，将之前几次的BE值进行加权平均后作为当前的BE初始值。该文献给出的仿真结果证明，改进后的两种方案都提高了网络的吞吐量性能，其中第二种方案对性能的提高更为显著。其不足在于，文章只是从提高吞吐量角度考虑进行退避指数的修改，并没有就能量问题进行分析讨论。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种基于退避指数的动态调整方法，使其通过修改CSMA-CA过程中的退避机制，动态调整初始竞争窗的选择范围 降低网络碰撞和重发，从而降低LR-WPAN网络的能耗消耗。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明判断网络上一超帧或者上一次传输状态，动态调整当前的退避指数初始值，如果一个节点在上一超帧时间内有数据传输成功，或者在同一超帧中的上一次传输成功，则在下一次传输开始时，通过减小初始BE值来减小竞争窗口；相反地，如果在上一超帧时间内没有数据传输成功，或者在同一超帧中的上一次传输失败，在下一帧开始时增加BE的初始值扩大竞争窗口的大小；如果上述两种情况都不成立，则将初始BE值重置为和BLE(节能模式)下一样的2。

所述BE，其在最小值macMinBE和最大值aMaxBE之间变动，macMinBE在需要退避时间的条件下为1到3之间的任意一个值，默认值为3，在BLE模式下macMinBE取为2来节省能量；最大值aMaxBE为3到8之间的任意值，默认为5。

所述减小BE的初始值，具体为：将最小值macMinBE重置为max[lastBE-1，1]，lastBE为上一次传输过程中BE的初始值。

所述增加BE的初始值，具体为：将最小值macMinBE重置为min[lastBE+1，8]，lastBE为上一次传输过程中BE的初始值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明是退避算法中基于退避指数的动态调整，只需在每次CSMA-CA开始之前对BE的初始值进行修改，因此无需对协议进行很大的修改。退避指数BE的最小值可自由变动，如果减小BE的值，则可选的退避范围缩短，从而缩短退避时间。

附图说明

图1是不同业务负载下的能耗性能比较曲线图；

图2是不同CBR大小下的能耗性能比较曲线图；

图3是不同业务负载下的吞吐量性能比较曲线图；

图4是不同CBR大小下的吞吐量性能比较曲线图；

图5是不同业务负载下的碰撞概率性能比较曲线图；

图6是不同CBR大小下的碰撞概率性能比较曲线图；

图7是不同业务负载下的重发概率性能比较曲线图；

图8是不同CBR大小下的重发概率性能比较曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

步骤一，IEEE802.15.4协议中规定BE值在最小值macMinBE和最大值aMaxBE之间变动，aMaxBE设为8，macMinBE设为1。

步骤二，动态调整退避指数BE，具体为：

首先判断该次传输是不是新的超帧开始，如果是则进行以下的步骤：

第1步、如果上一超帧过程中没有数据成功传输，则在此次超帧开始将macMinBE重置为min[lastBE+1，8]；

第2步、如果上一超帧过程中有数据成功传输，则将macMinBE的值重置为和BLE(节能模式)下一样的2。

如果不是新的超帧开始，则进行以下的步骤：

第1步、如果上次传输成功，在下一次传输时将macMinBE重置为max[lastBE-1，1]；

第2步、如果上次传输失败，则将macMinBE的值重置为和BLE模式下一样的2。

本实施例方法中，macMinBE的值可以根据之前的传输状况在macMinBE的最小值1和aMaxBE之间动态的选择。因此碰撞概率和重发概率都会降低，尤其是在网络比较拥挤的时候，下面从有效能量消耗、吞吐量、碰撞概率、重发概率四个方面来比较本实施例方法的性能。

1、有效能量消耗性能比较

用ns-2(网络仿真)的仿真结果来验证本实施例方法。在仿真模型中，网络范围为15m*15m，1个PAN协调器与10个节点通信，并且只考虑上行通信。所有的节点都是固定的，而且彼此都在通信范围内，因此可以不用考虑隐藏终端的问题。所有的实验结果都是取20组实验数据的平均，并且取95％的置信区间。

定义网络平均消耗能量为网络中每个节点消耗的能量的总和与协调器所接收到的来自其他节点的数据量总和的比率，即协调器接收每个有效数据量平均消 耗的网络能量(单位：mJ/byte)，具体的计算公式如下：

$E_{\mathrm{ave}}=\frac{E_{\mathrm{total}}}{S\×t_{\mathrm{sim}}}---\left(1\right)$

其中E_total表示为网络中所有节点消耗的总能量，S为协调器的吞吐量，t_sim 表示仿真的总时间。

如图1所示，是不同方案下业务负载对功耗的不同影响。从图中可以看出，本实施例方法中每字节消耗的能量都要比原来的低。在原有方案中，当负载小于30bytes时，能耗随着负载的增加而降低；当负载大于30bytes，能耗维持在大约0.036mJ/byte不变。本实施例方法中，能耗一直保持在大约0.02mJ/byte，约为原来能耗的55％。

如图2所示，CBR大小对功耗的不同影响，本实施例方法同样显示了性能的提高。当CBR大小是10byte时，能耗大约为0.024mJ/byte，而原来方案能耗要达到0.05mJ/byte，因此本实施例方法在此条件下显示了明显的性能提高。当CBR大小逐渐增加时，能耗都在减小，而本实施例方法变化的平缓一些。当包的大小达到100bytes时，能耗依然低于原来方案大约0.01mJ/byte。

2、吞吐量性能比较

图3显示的是本实施例方法和IEEE 802.15.4的退避方案中业务负载对吞吐量的不同影响，这里的吞吐量指的是整个网络中的平均吞吐量。当业务负载从10kbps到100kbps变化时，IEEE 802.15.4的吞吐量只在从40kbps到52kbps很小的范围内波动。采用了改进的退避方案后，随着负载增加，吞吐量性能的提高越明显。当负载比较小时吞吐量大约只增加了12kbps；而当负载在60kbps以上时，吞吐量达到78kbps，比原来的方案提高了约50％。

如图4所示，是两种方案中CBR大小对吞吐量的不同影响，包的大小从10Bytes到100Bytes变化。当CBR大小只有10Bytes时，原有方案中的吞吐量大约是36kbps，改进方案的吞吐量大约提高20kbps；当包的大小增加，吞吐量都在增加，但是原有方案增加地更多一些。因此当包的大小在80Bytes以上时，两者的性能差异就不是很明显了，但是改进方案还是保持10kbps的优势。

3、碰撞概率性能比较

图5显示了业务负载对碰撞几率的影响。图中显示本实施例方法和现有技术方法中碰撞几率在所有的业务负载的情况下都几乎保持常量，本实施例方法将整个网络的碰撞概率从13.4％降到5％。从该性能变化，可以解释本实施例方法在吞吐量和能耗性能上的提高。在无线个域网中，碰撞过程的能量消耗约占整个通信过程的25％，而低碰撞率则意味着低能耗以及高吞吐量。因此本实施例方法能够明显的提高网络的吞吐量并且降低能量消耗。

图6为本实施例方法和现有技术方法中不同CBR大小下的碰撞概率性能比较。本实施例方法降低了数据碰撞的概率，同时随着数据包大小的增加减低了两种方案中数据碰撞概率的差距。因此本实施例方法可以得到更高的吞吐量和更低的能量消耗，但是当CBR大小增加时，性能改善则没有这么明显。

4、重发概率性能比较

重发概率的分析同样可以解释吞吐量和能耗性能的改变。

图7显示了业务负载对重发概率的影响，当负载为10kbps时，本实施例方法对重发概率的影响是很小的；当业务负载增加时，本实施例方法的影响就逐渐体现出来，而当负载达到100kbps时，重发概率大约减小到原有方案的一半，而低的重发率引起更高的吞吐量和更低的功率消耗。

CBR的大小对重发概率的影响见图8。本实施例方法中重发率并不是在所有的CBR大小上都能体现优势。当包的大小很小时，重发率的降低非常明显；然而当包的大小增加时，这种差距就逐渐的减小；当CBR大小达到60bytes时，本实施例方法的重发率就高于原有方案，而且当CBR大小大于80bytes，重发率一直比原来方案高2％左右。如果和碰撞概率的情况相结合，由于本实施例方法的碰撞概率总是低于原有方案，则吞吐量和能耗的性能还是高于原有方案的。

Claims (5)

1.一种基于IEEE 802.15.4退避指数的动态调整方法，其特征在于，判断网络上一超帧或者上一次传输状态，动态调整当前的退避指数初始值，如果一个节点在上一超帧时间内有数据传输成功，或者在同一超帧中的上一次传输成功，则在下一次传输开始时，通过减小初始退避指数值来减小竞争窗口；相反地，如果在上一超帧时间内没有数据传输成功，或者在同一超帧中的上一次传输失败，在下一帧开始时增加退避指数的初始值扩大竞争窗口的大小；如果上述两种情况都不成立，则将初始退避指数值重置为和节能模式下一样的2；

所述退避指数，其在最小值macMinBE和最大值aMaxBE之间变动，最小值macMinBE在需要退避时间的条件下为1到3之间的任意一个值，最大值aMaxBE为3到8之间的任意值。

2.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4退避指数的动态调整方法，其特征是，所述退避指数，其最小值macMinBE默认值为3，在节能模式下最小值macMinBE取为2。

3.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4退避指数的动态调整方法，其特征是，所述退避指数，其最大值aMaxBE默认为5。

4.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4退避指数的动态调整方法，其特征是，所述减小退避指数初始值，具体为：将最小值macMinBE重置为max[lastBE-1，1]，lastBE为上一次传输过程中退避指数BE的初始值。

5.根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4退避指数的动态调整方法，其特征是，所述增加退避指数的初始值，具体为：将最小值macMinBE重置为min[lastBE+1，8]，lastBE为上一次传输过程中退避指数BE的初始值。

Images