CN103415058A - 一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法，其实现步骤包括：（1）确定宏小区半径，用户的总数量，每个用户的业务到达率以及分组时延要求；（2）计算所述宏小区不分簇时的用户分组时延，并与分组时延要求比较；（3）计算将所述宏小区以无线接入点为中心向外展开分成L层簇时的用户分组时延；（4）直至找到符合时延要求的簇的数量下对应的L值大小，从而确定簇的半径以及每个簇头的坐标。本发明基于时延要求逐步增加簇的数量，同时减小簇的面积，直至找到符合时延要求的簇的数量，此方法既保证了每个小区边缘信噪比相同，也保证了获得相同链路速率用户所占的百分比相同，由此构建的分簇模型也简单清晰，工整对称。

Description

一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法，通过逐步增加簇的个数，计算每一次的时延，并与实际情况下的时延要求相比较，确定簇的多少以及每个簇头的位置和大小，从而确定分簇模型。

背景技术

近年来，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)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节点以自组织和多跳的方式构成无线网络，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，并把这些信息发给系统中心。

对于存在大量节点的网络，当向系统中心汇报数据时会发生大量的拥塞和冲突，影响通信的效率，所以现有的技术中大多采用分簇的方法来管理大量的节点。对网络分簇后，可以将网络分割成用户数较少的簇，既可以减少冲突减小簇头节点的发射功率，同时也可以使簇与簇之间通过并行传输和频率复用来提高平均传输速率和频谱利用率。目前现有的技术中已经有很多种分簇方法，但是针对分簇后传感器节点通信的时延来确定簇的数量的方法却很少，时延是无线通信里的重要性能指标，是对通信质量和实时性的要求，所以构建网络模型时一定要考虑满足系统的时延要求。

例如“基于均匀分簇和数据聚合的无线传感器网络路由方法”，主要是使整个网络能耗最小对传感器网络进行分簇，确定簇头个数及簇头之间的距离，这种方法考虑了整个网络的能耗问题，但没有考虑网络的时延问题，而本发明在考虑了在非饱和业务场景下，通过时延要求确定簇的数量以及大小，可以提升传输效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法，基于时延要求逐步扩大簇的数量，直至找到符合时延要求的簇的数量，从而确定簇的大小和位置，此方法既保证了每个小区边缘信噪比与宏小区相同，也保证了获得相同链路速率用户所占的百分比相同。

需要说明的是，实现本发明目的的技术思路是：首先确定宏小区的半径，宏小区内的总用户数，每个用户的业务到达率以及分组时延要求；其次将宏小区以无线接入点为中心分簇，簇由中心向外展开排列，簇头个数和每个簇内的用户数由层数确定，计算用户分组时延，并与时延要求比较，符合要求时停止；最后计算每个簇的大小及每个簇头的位置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法，包括宏小区，在所述宏小区中的具有无线局域网与至少一个用户，所述无线局域网设有无线接入点，所述方法包括如下步骤：

（1）确定所述宏小区半径，所述用户的总数量，每个用户的业务到达率以及分组时延要求，其中，所述宏小区的半径为D，所述用户总数为N，每个用户的业务到达率为λ以及分组时延要求为ε；

（2）计算所述宏小区不分簇时的用户分组时延ε₀，并与分组时延要求ε比较：

（2a）若ε₀<ε，那么无需分簇；

（2b）若ε₀>ε，那么定义L=1，转至步骤（3）；

（3）计算将所述宏小区以无线接入点为中心向外展开分成L层簇时的用户分组时延ε_L：

（3a）若ε_L>ε，那么L=L+1，转至步骤（3）；

（3b）若ε_L<ε，转至步骤（4）；

（4）计算每个簇的半径d以及每个簇头的坐标（x_j，k，m，y_j，k，m）。

需要说明的是，所述宏小区以所述无线接入点为中心向外展开分成L层簇具体为，如果L=1，则簇的总数量为7个；如果L=2，即再增加一层，相比L=1层，簇的总数量增加12个；依次类推，分成L层簇与分成L-1层簇相比，簇的总数量增加L*6个，当分成L层簇时，簇的数目N_L=[3*L*(L+1)+1]个；簇的数目越多，每个簇的面积越小。

需要说明的是，计算所述时延ε₀可根据下式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_0=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^N]}$

其中，W₀为最小冲突窗口长度；m为冲突窗口的退避级数；σ为一个时隙的长度；RTS、CTS、ACK分别为802.11DCF机制下发送请求帧、清除请求帧、确认帧的时间长度；SIFS、DIFS分别为短帧帧间间隔和分布式帧间间隔；PHY_header、MAC_header分别表示物理层和MAC层头部长度；p为信道冲突的概率；q为至少有一个基站要发送数据包的概率，即信道非空闲的概率；P_idle为信道空闲的概率；τ为基站用一个随机抽取的时隙来传输数据的概率；E_S为成功传输一个数据包所需时间的期望值；PAYLOAD为每个用户的业务负荷。

需要说明的是，所述用户分组时延ε_L=ε_L，1+ε_L，2，其中ε_L，1为簇内用户到簇头的时延，ε_L，2为簇头到无线接入点的时延，根据下式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{L,1}=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{n-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^n]}$

${\mathrm{\&epsiv;}}_{L,2}=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N_L-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N_L}]}$

其中，W₀为最小冲突窗口长度；m为冲突窗口的退避级数；σ为一个时隙的长度；RTS、CTS、ACK分别为802.11DCF机制下发送请求帧、清除请求帧、确认帧的时间长度；SIFS、DIFS分别为短帧帧间间隔和分布式帧间间隔；PHY_header、MAC_header分别表示物理层和MAC层头部长度；n为一个簇内的用户数；N_L为分L层簇时簇头的总数量；p为信道冲突的概率；q为至少有一个基站要发送数据包的概率，即信道非空闲的概率；P_idle为信道空闲的概率；τ为基站用一个随机抽取的时隙来传输数据的概率；E_S为成功传输一个数据包所需时间的期望值；PAYLOAD为每个用户的业务负荷；注意的是，参数W₀、σ、RTS、CTS、ACK、SIFS、DIFS、PHY_header、MAC_header、PAYLOAD均与步骤（3）中的相同。

需要说明的是，步骤（4）的每个簇的半径d和每个簇头的坐标（x_j，k，m，y_j，k，m）根据如下公式计算：

$d=\frac{D}{\sqrt{3}*L}$

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

本发明有益效果在于：

1、可以保证即使簇的个数发生变化，边缘信噪比不变，从而保证用户的服务质量；

2、可以保证划分出的簇与宏小区相比，获得相同链路速率用户所占的百分比相同；

3、在保证用户服务质量的同时，还能减小簇头的发射功率；

4、分簇方法使用起来方便简单，最后得出的分簇模型直观且对称。

附图说明

图1是本发明的实现流程示意图；

图2是本发明使用的场景示意图。

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，本发明为一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法，包括宏小区，在所述宏小区中的具有无线局域网与至少一个用户，所述无线局域网设有无线接入点，所述方法包括如下步骤：

（1）确定所述宏小区半径，所述用户的总数量，每个用户的业务到达率以及分组时延要求，其中，所述宏小区的半径为D，所述用户总数为N，每个用户的业务到达率为λ以及分组时延要求为ε；

（2）计算所述宏小区不分簇时的用户分组时延ε₀，并与分组时延要求ε比较：

（2a）若ε₀<ε，那么无需分簇；

（2b）若ε₀>ε，那么定义L=1，转至步骤（3）；

（3）计算将所述宏小区以无线接入点为中心向外展开分成L层簇时的用户分组时延ε_L：

（3a）若ε_L>ε，那么L=L+1，转至步骤（3）；

（3b）若ε_L<ε，转至步骤（4）；

（4）计算每个簇的半径d和每个簇头的坐标（x_j，k，m，y_j，k，m）。

需要说明的是，所述宏小区以所述无线接入点为中心向外展开分成L层簇具体为，如果L=1，则簇的总数量为7个；如果L=2，即再增加一层，相比L=1层，簇的总数量增加12个；依次类推，分成L层簇与分成L-1层簇相比，簇的总数量增加L*6个，当分成L层簇时，簇的数目N_L=[3*L*(L+1)+1]个；簇的数目越多，每个簇的面积越小。

需要说明的是，所述时延ε₀可根据下式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_0=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^N]}$

其中，W₀为最小冲突窗口长度；m为冲突窗口的退避级数，本发明中等于5；σ为一个时隙的长度；RTS、CTS、ACK分别为802.11DCF机制下发送请求帧、清除请求帧、确认帧的时间长度；SIFS、DIFS分别为短帧帧间间隔和分布式帧间间隔；PHY_header、MAC_header分别表示物理层和MAC层头部长度；τ为基站用一个随机抽取的时隙来传输数据的概率；p为信道冲突的概率；q为至少有一个基站要发送数据包的概率，即信道非空闲的概率；P_idle为信道空闲的概率；E_S为成功传输一个数据包所需时间的期望值；PAYLOAD为每个用户的业务负荷。

需要说明的是，所述时延ε_L=ε_L，1+ε_L，2，其中ε_L，1为簇内用户到簇头的时延，ε_L，2为簇头到无线接入点的时延，根据下式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{L,1}=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{n-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^n]}$

${\mathrm{\&epsiv;}}_{L,2}=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N_L-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N_L}]}$

其中，W₀为最小冲突窗口长度；m为冲突窗口的退避级数，本发明中等于5；σ为一个时隙的长度；RTS、CTS、ACK分别为802.11DCF机制下发送请求帧、清除请求帧、确认帧的时间长度；SIFS、DIFS分别为短帧帧间间隔和分布式帧间间隔；PHY_header、MAC_header分别表示物理层和MAC层头部长度；τ为基站用一个随机抽取的时隙来传输数据的概率；p为信道冲突的概率；q为至少有一个基站要发送数据包的概率，即信道非空闲的概率；P_idle为信道空闲的概率；E_S为成功传输一个数据包所需时间的期望值；PAYLOAD为每个用户的业务负荷。需要说明的是，上式中参数W₀、σ、RTS、CTS、ACK、SIFS、DIFS、PHY_header、MAC_header、PAYLOAD均与步骤（3）中的相同。

需要说明的是，步骤（4）的每个簇的半径d和每个簇头的坐标（x_j，k，m，y_j，k，m）根据如下公式计算：

$d=\frac{D}{\sqrt{3}*L}$

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

图2是本发明的场景示意图，宏小区中心放置的是无线接入节点，即AP节点，以此点建立坐标系，并在宏小区内均匀分布簇头节点，簇头节点用星点表示，位于每个簇的中心处。

以上描述仅是本发明的具体实现步骤，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 (5)

1.一种基于时延受限的低频段低功耗无线局域网的分簇方法，包括宏小区，在所述宏小区中的具有无线局域网与至少一个用户，所述无线局域网设有无线接入点，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

（1）确定所述宏小区半径，所述用户的总数量，每个用户的业务到达率以及分组时延要求，其中，所述宏小区的半径为D，所述用户总数为N，每个用户的业务到达率为λ以及分组时延要求为ε；

（2）计算所述宏小区不分簇时的用户分组时延ε₀，并与分组时延要求ε比较：

（2a）若ε₀<ε，那么无需分簇；

（2b）若ε₀>ε，那么定义L=1，转至步骤（3）；

（3）计算将所述宏小区以无线接入点为中心向外展开分成L层簇时的用户分组时延ε_L：

（3a）若ε_L>ε，那么L=L+1，转至步骤（3）；

（3b）若ε_L<ε，转至步骤（4）；

（4）计算每个簇的半径d和每个簇头的坐标（x_j，k，m，y_j，k，m）。

2.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述宏小区以所述无线接入点为中心向外展开分成L层簇具体为，如果L=1，则簇的总数量为7个；如果L=2，即再增加一层，相比L=1层，簇的总数量增加12个；依次类推，分成L层簇与分成L-1层簇相比，簇的总数量增加L*6个，当分成L层簇时，簇的数目N_L=[3*L*(L+1)+1]个；簇的数目越多，每个簇的面积越小。

3.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，计算所述时延ε₀可根据下式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_0=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^N]}$

其中，W₀为最小冲突窗口长度；m为冲突窗口的退避级数；σ为一个时隙的长度；RTS、CTS、ACK分别为802.11DCF机制下发送请求帧、清除请求帧、确认帧的时间长度；SIFS、DIFS分别为短帧帧间间隔和分布式帧间间隔；PHY_header、MAC_header分别表示物理层和MAC层头部长度；p为信道冲突的概率；q为至少有一个基站要发送数据包的概率，即信道非空闲的概率；P_idle为信道空闲的概率；τ为基站用一个随机抽取的时隙来传输数据的概率；E_S为成功传输一个数据包所需时间的期望值；PAYLOAD为每个用户的业务负荷。

4.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，所述用户分组时延ε_L=ε_L，1+ε_L，2，其中ε_L，1为簇内用户到簇头的时延，ε_L，2为簇头到无线接入点的时延，根据下式计算：

${\mathrm{\&epsiv;}}_{L,1}=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{n-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^n]}$

${\mathrm{\&epsiv;}}_{L,2}=\frac{E_S}{\mathrm{\&tau;}*{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N_L-1}*[1-{(1-\mathrm{\&tau;})}^{N_L}]}$

其中，W₀为最小冲突窗口长度；m为冲突窗口的退避级数；σ为一个时隙的长度；RTS、CTS、ACK分别为802.11DCF机制下发送请求帧、清除请求帧、确认帧的时间长度；SIFS、DIFS分别为短帧帧间间隔和分布式帧间间隔；PHY_header、MAC_header分别表示物理层和MAC层头部长度；n为一个簇内的用户数；N_L为分L层簇时簇头的总数量；p为信道冲突的概率；q为至少有一个基站要发送数据包的概率，即信道非空闲的概率；P_idle为信道空闲的概率；τ为基站用一个随机抽取的时隙来传输数据的概率；E_S为成功传输一个数据包所需时间的期望值；PAYLOAD为每个用户的业务负荷；注意的是，参数W₀、σ、RTS、CTS、ACK、SIFS、DIFS、PHY_header、MAC_header、PAYLOAD均与步骤（3）中的相同。

5.根据权利要求1所述的分簇方法，其特征在于，步骤（4）的每个簇的半径d和每个簇头的坐标（x_j，k，m，y_j，k，m）根据如下公式计算：

$d=\frac{D}{\sqrt{3}*L}$

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

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