CN103415019B - 一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法，其实现步骤包括：(1)依次计算不同微小区数目时的系统平均等效传输速率，并选出使系统平均等效传输速率最大的微小区数目；(2)计算当系统平均等效传输速率最大时，每个微小区的半径和每个微小区的中心簇首节点在以无线接入点为原点的坐标系中的位置。在不改变现有分簇目标，不添加系统复杂度的情况下，在现有分簇基础上通过计算选择确保最终的系统分簇模型的吞吐量最大，可以同任何分簇方法兼用，而不影响最终的实现目标。

Description

一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法，本发明可以充分利用空间频率资源实现并行传输，使最终吞吐量达到最大，提高系统性能。

背景技术

近年来，随着微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS)、无线通信、片上系统(SystemonChip，SoC)和低功耗嵌入式技术的飞速发展，无线传感器网络(WireIessSensorNetworks，WSN)孕育而出，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点在信息感知领域广泛使用。无线传感器网络是由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成无线网络，以写作的感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发给网络所有者，通过成千上万甚至更多的网络节点提高系统的容错性能，减少洞穴和盲区。

在对大量节点的管理方面，通常采用分簇的方法来实现多跳自组织，将系统分为宏小区和微小区。宏小区是面积很大的区域，覆盖半径的数量级为千米，被分割成为若干个微小区，微小区的面积较小，覆盖半径也小于宏小区，每个微小区内设置一个中心簇首节点。微小区中，用户将其数据传送给本小区的簇首；宏小区中，簇首负责将接收到的数据转发给无线接入点。

节点分簇后，可以缩短每个通信节点的通信距离，从而可以减小节点的发射功率已达到节能效果；通过分簇后微小区之间使用并行传输来提高平均传输速率；同时在干扰范围之外的微小区还可以使用同一频率，以实现频率复用，提高频谱利用率。这种种对于分簇带来的好处，使目前已经有很多种分簇方法。比如“无线传感器分簇多跳通信方法”，主要利用小世界模型对传感器网络进行分簇，提高网络边的集聚系数，使其具有小世界网络大的集聚系数的良好性质；并对每个簇内节点和平均跳数进行限制，可以平衡每个簇的负载，让剩余能量大的节点轮换簇头，相对均衡各个节点的能量。

但是这种方法只是随簇内节点限制后平衡每个簇的负载，却没有考虑分簇后系统吞吐量的变化，即需要具体分多少个簇才能使网络吞吐量最大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法，在不增加网络复杂度的前提下，通过改变微小区个数来比较不同微小区个数时系统吞吐量的变化，最终选出吞吐量最大的微小区个数作为最终的系统构建模型。

需要说明的是，实现本发明目的的技术思路是：计算不同微小区数目时的系统的平均等效传输速率，并选出使系统平均等效传输速率最大的微小区数目；根据选出的使系统平均等效传输速率最大的微小区数目来确定每个微小区的半径和每个微小区的中心簇首节点在以无线接入点为原点的坐标系中的位置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法，具有宏小区，处于所述宏小区中的微小区，与所述宏小区中的无线接入点进行数据传输的中心簇首节点，以及在所述微小区中与中心簇首节点进行数据传输的普通用户，其中，所述宏小区中的总的用户数为N_all，半径为D，所述方法包括以下步骤：

(1)依次计算微小区数目N_header为下列值时的系统平均等效传输速率，并选出使系统平均等效传输速率最大的微小区数目，记为N_header^*：

N_header=3i(i-1)+1，

$i=\mathrm{1,2,3}...\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{all}-3}}{6};$

(2)计算微小区数目为N_header^*时，每个微小区的半径d和每个微小区的中心簇首节点在以无线接入点为原点的坐标系中的位置(x_j，k，my_j，k，m)。

需要说明的是，每个微小区内设置一个中心簇首节点；其中，在所述微小区中，所述普通用户将其数据传送至所在微小区的中心簇首节点，所述中心簇首节点将接收到的用户数据转发至所述宏小区中的无线接入点。

需要说明的是，所述微小区数目为N_header时系统的平均等效传输速率按下式计算：

$R=\frac{N\_\mathrm{all}\×\mathrm{Payload}\_\mathrm{node}}{T\_\mathrm{node}+T\_\mathrm{header}};$

其中，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，T_node表示微小区数目为N_header时，一个微小区中每个用户完成一次数据传输的并行时间的总和，T_header表示微小区数目为N_header时每个簇首完成一次数据转发的时间的总和。

需要说明的是，当所述微小区数目为N_header时一个微小区中每个用户完成一次数据传输的并行时间的总和T_node根据以下公式计算：

$T\_\mathrm{node}=\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}\×\{\frac{2}{w+1}{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}-1}\×(\mathrm{RTS}+\mathrm{CTS}+\mathrm{PHY}\_\mathrm{header}$

$+\mathrm{MAC}\_\mathrm{header}+\mathrm{Payload}\_\mathrm{node}+\mathrm{ACK}+3\×\mathrm{SIFS}+\mathrm{DIFS}),$

$+[1-{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}-1}\left(\frac{w-1+\frac{2\×N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}}{w+1}\right)]\×(\mathrm{RTS}+\mathrm{DIFS})+{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}}\×\mathrm{\σ}\}$

$i=\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{header}-3}}{6};$

其中，w是指无线局域网DCF机制中的中突窗口长度，RTS表示请求发送帧传输时间，CTS表示清除发送帧传输时间，PHY_header表示物理层帧头传输时间，MAC_header表示MAC帧头传输时间，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，ACK表示确认收到帧传输时间，SIFS表示短间隔帧传输时间，DIFS表示长间隔帧传输时间，σ表示一个时隙的长度。

其中DCF(DistributedCoordinationFunction)机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式。

需要说明的是，当所述微小区数目为N_header时宏小区中每个簇首完成一次数据转发的时间的总和T_header根据以下公式计算：

$i=\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{header}-3}}{6};$

其中，w是指无线局域网DCF机制中的中突窗口长度，RTS表示请求发送帧传输时间，CTS表示清除发送帧传输时间，PHY_header表示物理层帧头传输时间，MAC_header表示MAC帧头传输时间，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，Payload_header表示簇首转发的数据帧长度，ACK表示确认收到帧传输时间，SIFS表示短间隔帧传输时间，DIFS表示长间隔帧传输时间，σ表示一个时隙的长度。

需要说明的是，所述并行时间是指每个微小区内的普通用户在这一时间可以不受干扰的同时通信，实现并行传输。

需要说明的是，所述步骤(2)中每个微小区的半径c和每个微小区的中心簇首节点的位置(x_j，k,my_j，k，m)可根据如下公式计算：

$i=\frac{3+\sqrt{12\×N\_{\mathrm{header}}^{*}-3}}{6},$

$d=\frac{D}{\sqrt{3}i},$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k,j,m}=\frac{3}{2}\mathrm{jd}\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)-\frac{\sqrt{3}}{2}\×[2(j-1)-k+2]\×d\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)\\ x_{k,j,m}=\frac{3}{2}\mathrm{jd}\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)+\frac{\sqrt{3}}{2}\×[2(j-1)-k+2]\×d\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)\\ j=1~L;K=\mathrm{1,2}~(L-j+1);m=1~5\end{array}\right..$

本发明有益效果在于：

1、本发明在不改变现有分簇目标，不添加系统复杂度的情况下，通过考虑冲突，计算出不同微小区数目下的平均等效传输速率，最终选择吞吐量最大的微小区数目为最终的系统构建模型；

2、本发明只是在现有分簇基础上额外注意考虑的一部分，可以同任何分簇方法兼用，而不影响最终的实现目标。

附图说明

图1为本发明使用时的场景示意图；

图2为本发明的实现流程示意图；

图3为本发明仿真实验比较图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，宏小区是面积很大的区域，覆盖半径的数量级为千米，宏小区被分割成为若干个微小区，微小区的面积较小，覆盖半径也小于宏小区，在图中虚线区域所示，每个微小区内设置一个中心簇首节点1。微小区中，用户2将其数据传送给本小区的中心簇首节点1，然后所述中心簇首节点1负责将接收到的数据汇总再转发给无线接入点3。

如图2所示，本发明在图1所述的场景中进行吞吐量最大的微小区数目选择，需要说明的是，本实例不应理解为对本发明的限制。

一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法，具有宏小区，处于所述宏小区中的微小区，与所述宏小区中的无线接入点进行数据传输的中心簇首节点，以及在所述微小区中与中心簇首节点进行数据传输的普通用户，其中，所述宏小区中的总的用户数为N_all，半径为D，所述方法包括以下步骤：

(1)依次计算微小区数目N_header为下列值时的系统平均等效传输速率，并选出使系统平均等效传输速率最大的微小区数目，记为N_header^*：

N_header=3i(i-1)+1，

$i=\mathrm{1,2,3}...\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{all}-3}}{6};$

(2)计算微小区数目为N_header^*时，每个微小区的半径d和每个微小区的中心簇首节点在以无线接入点为原点的坐标系中的位置(x_j，l，my_j，k，m)。

需要说明的是，每个微小区内设置一个中心簇首节点；其中，在所述微小区中，所述普通用户将其数据传送至所在微小区的中心簇首节点，所述中心簇首节点将接收到的用户数据转发至所述宏小区中的无线接入点。

需要说明的是，所述微小区数目为N_header时系统的平均等效传输速率按下式计算：

$R=\frac{N\_\mathrm{all}\×\mathrm{Payload}\_\mathrm{node}}{T\_\mathrm{node}+T\_\mathrm{header}};$

其中，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，T_node表示微小区数目为N_header时，一个微小区中每个用户完成一次数据传输的并行时间的总和，T_header表示微小区数目为N_header时每个簇首完成一次数据转发的时间的总和。

需要说明的是，当所述微小区数目为N_header时一个微小区中每个用户完成一次数据传输的并行时间的总和T_node根据以下公式计算：

$T\_\mathrm{node}=\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}\×\{\frac{2}{w+1}{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}-1}\×(\mathrm{RTS}+\mathrm{CTS}+\mathrm{PHY}\_\mathrm{header}$

$+\mathrm{MAC}\_\mathrm{header}+\mathrm{Payload}\_\mathrm{node}+\mathrm{ACK}+3\×\mathrm{SIFS}+\mathrm{DIFS}),$

$+[1-{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}-1}\left(\frac{w-1+\frac{2\×N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}}{w+1}\right)]+(\mathrm{RTS}+\mathrm{DIFS})+{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_\mathrm{all}}{3i(i-1)+1}}\×\mathrm{\σ}\}$

$i=\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{header}-3}}{6};$

其中，w是指无线局域网DCF机制中的中突窗口长度，RTS表示请求发送帧传输时间，CTS表示清除发送帧传输时间，PHY_header表示物理层帧头传输时间，MAC_header表示MAC帧头传输时间，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，ACK表示确认收到帧传输时间，SIFS表示短间隔帧传输时间，DIFS表示长间隔帧传输时间，σ表示一个时隙的长度。

其中DCF(DistributedCoordinationFunction)机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式。

需要说明的是，当所述微小区数目为N_header时宏小区中每个簇首完成一次数据转发的时间的总和T_header根据以下公式计算：

$i=\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{header}-3}}{6};$

其中，w是指无线局域网DCF机制中的中突窗口长度，RTS表示请求发送帧传输时间，CTS表示清除发送帧传输时间，PHY_header表示物理层帧头传输时间，MAC_header表示MAC帧头传输时间，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，Payload_header表示簇首转发的数据帧长度，ACK表示确认收到帧传输时间，SIFS表示短间隔帧传输时间，DIFS表示长间隔帧传输时间，σ表示一个时隙的长度。

需要说明的是，所述并行时间是指每个微小区内的普通用户在这一时间可以不受干扰的同时通信，实现并行传输。

需要说明的是，所述步骤(2)中每个微小区的半径d和每个微小区的中心簇首节点的位置(x_j，k，my_j，k，m)可根据如下公式计算：

$i=\frac{3+\sqrt{12\×N\_\mathrm{header}*-3}}{6},$

$d=\frac{D}{\sqrt{3}i},$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{k,j,m}=\frac{3}{2}\mathrm{jd}\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)-\frac{\sqrt{3}}{2}\×[2(j-1)-k+2]\×d\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)\\ x_{k,j,m}=\frac{3}{2}\mathrm{jd}\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)+\frac{\sqrt{3}}{2}\×[2(j-1)-k+2]\×d\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)\\ j=1~L;K=\mathrm{1,2}~(L-j+1);m=1~5\end{array}\right..$

为了进一步更好地理解本发明效果，对本发明做如下仿真实验：

仿真参数

如图3所示，设置系统总的用户数为N_all=6000。

第1次分簇时微小区数目N_header=43；

第2次分簇时微小区数目N_header=55；

第3次分簇时微小区数目N_header=73；

第4次分簇时微小区数目N_header=91；

第5次分簇时微小区数目N_header=109；

第6次分簇时微小区数目N_header=133；

第7次分簇时微小区数目N_header=157。

可以很明显的看出，在微小区数目为91时，吞吐量达到最大。所以选择微小区数目为91个作为最终的系统构建模型。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于吞吐量最大的低频段低功耗无线局域网分簇方法，具有宏小区，处于所述宏小区中的微小区，与所述宏小区中的无线接入点进行数据传输的中心簇首节点，以及在所述微小区中与中心簇首节点进行数据传输的普通用户，其中，所述宏小区中的总的用户数为N_all，半径为D,其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)依次计算微小区数目N_header为下列值时的系统平均等效传输速率，并选出使系统平均等效传输速率最大的微小区数目,记为N_header^*；

N_header＝3i(i-1)+1，

$i=1,2,3...\frac{3+\sqrt{12\×N\_all-3}}{6};$

(2)计算微小区数目为N_header^*时，每个微小区的半径d和每个微小区的中心簇首节点在以无线接入点为原点的坐标系中的位置(x_j,k,my_j,k,m)。

2.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，每个微小区内设置一个中心簇首节点；其中，在所述微小区中，所述普通用户将其数据传送至所在微小区的中心簇首节点，所述中心簇首节点将接收到的用户数据转发至所述宏小区中的无线接入点。

3.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述微小区数目为N_header时系统的平均等效传输速率按下式计算：

$R=\frac{N\_all\×Payload\_node}{T\_node+T\_header};$

其中，Payload_node表示普通用户的数据帧长度，T_node表示微小区数目为N_header时,一个微小区中每个用户完成一次数据传输的并行时间的总和，T_header表示微小区数目为N_header时每个簇首完成一次数据转发的时间的总和。

4.根据权利要求3所述的分簇方法，其特征在于，当所述微小区数目为N_header时一个微小区中每个用户完成一次数据传输的并行时间的总和T_node根据以下公式计算：

$\begin{array}{c}T\_node=\frac{N\_all}{3i(i-1)+1}\×\{\frac{2}{w+1}{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_all}{3i(i-1)+1}-1}\×(RTS+CTS+PHY\_header\\ +MAC\_header+Payload\_node+ACK+3\×SIFS+DIFS)\\ +\[1-{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_all}{3i(i-1)+1}-1}\left(\frac{w-1+\frac{2\×N\_all}{3i(i-1)+1}}{w+1}\right)\]\×(RTS+DIFS)+{\left(\frac{w-1}{w+1}\right)}^{\frac{N\_all}{3i(i-1)+1}}\×\mathrm{\σ}\}\\ i=f(N\_header);\end{array},$

其中，w是指无线局域网DCF机制中的冲突窗口长度，RTS表示请求发送帧传输时间，CTS表示清除发送帧传输时间，PHY_header表示物理层帧头传输时间,MAC_header表示MAC帧头传输时间,Payload_node表示普通用户的数据帧长度,ACK表示确认收到帧传输时间,SIFS表示短间隔帧传输时间,DIFS表示长间隔帧传输时间,σ表示一个时隙的长度。

5.根据权利要求3所述的分簇方法，其特征在于，当所述微小区数目为N_header时宏小区中每个簇首完成一次数据转发的时间的总和T_header根据以下公式计算：

其中，w是指无线局域网DCF机制中的冲突窗口长度，RTS表示请求发送帧传输时间，CTS表示清除发送帧传输时间，PHY_header表示物理层帧头传输时间,MAC_header表示MAC帧头传输时间,Payload_node表示普通用户的数据帧长度,Payload_header表示簇首转发的数据帧长度,ACK表示确认收到帧传输时间,SIFS表示短间隔帧传输时间,DIFS表示长间隔帧传输时间,σ表示一个时隙的长度。

6.根据权利要求3所述的分簇方法，其特征在于，所述并行时间是指每个微小区内的普通用户在这一时间可以不受干扰的同时通信，实现并行传输。

7.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述步骤(2)中每个微小区的半径d和每个中心簇首节点的位置(x_j,k,my_j,k,m)可根据如下公式计算：

i＝f(N_header*)，

$d=\frac{D}{\sqrt{3}i},$

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{j,k,m}=\frac{3}{2}jd\×cos\left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)-\frac{\sqrt{3}}{2}\×\[2(j-1)-k+2\]\×d\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)\\ y_{j,k,m}=\frac{3}{2}jd\×sin\left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)+\frac{\sqrt{3}}{2}\×\[2(j-1)-k+2\]\×d\×cos\left(\frac{\mathrm{\π}}{3}m\right)\\ j=1~L;k=1,2~(L-j+1);m=1~5\end{array}\right..$