CN105764154A - 多包接收机制下csma/ca的延迟优化方法 - Google Patents

多包接收机制下csma/ca的延迟优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法，包括尝试接入信道的节点基于退避参数以及多包接收能力值γ，在CCA检测到当前信道忙时，根据不同CCA结果调整退避参数，以进行下一次退避。本发明方法在避免数据包丢包率增加的前提下改善多包接收机制下的IEEE 802.15.4CSMA/CA的延迟性能。

Description

多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法。
背景技术
CSMA/CA是一种基于竞争的信道访问算法，该机制中有三个基本参数：退避指数(BackoffExponent，BE)、退避次数(NumberofBackoffPeriods，NB)和竞争窗口(ContentionWindow，CW)。竞争窗口大小决定了每次退避结束进行信道空闲状态评估的次数，默认值为2。退避指数规定了每次从[0，2BE-1]中选择随机的退避值，执行接入信道前的退避等待时长。在时隙CSMA/CA中，BE初始值的选择需判断省电模式的字段是否为0，省电模式下BE＝2，否则BE默认值为3。退避次数的初始值为0，最大退避次数为4。每一次退避结束后检测信道状态，若信道忙，BE和NB均加1，且当NB不超过最大值时，可以进行下一次退避。如果退避次数超过最大值，那么发送失败，丢包。与IEEE802.11网络的CSMA/CA信道接入机制不同，IEEE802.15.4中的CSMA/CA考虑节点能耗问题，在退避过程中不考虑信道空闲状态，只在退避值降为0时对信道进行空闲检测。
多包接收允许接收端在同一时刻能够同时接收不超过接收能力值的多个数据包而不发生冲突，从而避免重传造成的延时增加。多包接收机制因其具有提高网络吞吐率，减小网络延迟的优点而成为当前无线通信技术中的一个研究热点。但在IEEE802.15.4CSMA/CA协议下，节点一旦在退避结束后检测到信道忙即增加退避层次，降低发送数据概率，从而使得多包接收信道无法得到有效利用，退避延迟增加。
目前多包接收机制的研究工作已在基于IEEE802.11的无线局域网中得到广泛研究，已经有一些基于多包接收机制的协议优化方案被提出，如异步网络优化方案。该方案允许网络中存在多包接收异步访问介质模式。更准确地说，当前信道存在其他节点的数据通信，依据信道负载检测，只要信道负载未超过给定阈值，一个尝试接入信道的新节点就可以进行退避计数或者允许进一步的数据传输。如果信道负载超过阈值，新节点中断退避计数，等待若干个退避时隙，然后在信道负载未超过给定阈值下继续退避。这种异步访问接入信道的方式，减少了信道忙状态下节点等待的时间，改善了IEEE802.11网络的吞吐率及时延性能。
与IEEE802.11网络的信道访问机制不同，IEEE802.15.4网络在退避竞争中只依据随机选择的退避窗口进行退避，而不考虑信道状态是否空闲，在退避结束后必须执行两次信道空闲评估，避免数据包与ACK应答帧的冲突，因而IEEE802.15.4网络不适合直接采用异步访问方式接入信道。
因此，需要一种新的退避参数调整策略来减小IEEE802.15.4CSMA/CA的延迟。
发明内容
本发明旨在提供一种多包接收机制下IEEE802.15.4CSMA/CA的延迟优化方法，以减小退避延迟并提高信道利用率。
本发明提供一种多包接收机制下IEEE802.15.4CSMA/CA的延迟优化方法，CSMA/CA为时隙型，包括基本退避参数BE、NB和CW，BE初始值为3，NB初始值为0，CW初始值为2，多包接收能力值为γ，CCA检测到当前信道忙，信道中存在数据通信，尝试接入信道的节点需要继续退避，还包括所述尝试接入信道的节点根据不同CCA结果调整退避参数，具体步骤如下：
S1.记录当前信道通信数据包数目，用于区别信道中的通信容纳量，并判断是否处于第一次CCA，若处于第一次CCA，则执行S11，若处于第二次CCA，则执行S12；
S11.判断通信数据包数是否大于N1，N1为大于0小于γ的整数，若通信数据包数大于N1，执行S111，若通信数据包数小于等于N1，则执行S112；
S111.将CW重置为2，NB值加1，BE＝min(BE+1，aMaxBE)，其中aMaxBE表示BE所能取到的最大值，更新完CW、NB和BE的值后执行S13；
S112.将CW重置为2，NB值加1，BE不变，更新完CW、NB和BE的值后执行S13；
S12.判断通信数据包数是否大于N1，若通信数据包数大于N1，执行S121，若通信数据包数小于等于N1，则执行S122；
S121.判断通信数据包数是否大于N2，N2为大于N1且小于等于γ的整数，若通信数据包数大于N2，执行S111，若通信数据包数小于等于N2，则执行S112；
S122.将CW重置为2，NB和BE均不增加，并准备开始下一次退避；
S13.判断退避次数是否超过最大值，若超过最大值，则发送失败，丢包；若退避次数不超过最大值，则准备开始下一次退避。
进一步地，所述多包接收能力值大于等于3。
进一步地，所述N1的取值为不大于γ/3的最大整数。
进一步地，所述N2的取值为不大于2γ/3的最大整数。
通过本发明的方法，减小了退避延迟。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1示出了本发明的实现流程图。
图2示出了传统IEEE802.15.4CSMA/CA和本发明方法的成功数据包的平均MAC延迟。
图3示出了传统IEEE802.15.4CSMA/CA和本发明方法的数据包成功接收率。
具体实施方式
下面结合图1和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明一种多包接收机制下IEEE802.15.4CSMA/CA的延迟优化方法，CSMA/CA为时隙型，包括基本退避参数BE、NB和CW，BE初始值为3，NB初始值为0，CW初始值为2，多包接收能力值为γ，CCA检测到当前信道忙，信道中存在数据通信，尝试接入信道的节点需要继续退避，还包括所述尝试接入信道的节点根据不同CCA结果调整退避参数，具体步骤如下：
S1.记录当前信道通信数据包数目，用于区别信道中的通信容纳量，并判断是否处于第一次CCA，若处于第一次CCA，则执行S11，若处于第二次CCA，则执行S12；
S11.为考虑退避窗口可选值范围是否增宽，判断通信数据包数是否大于N1，N1为大于0小于γ的整数，若通信数据包数大于N1，执行S111，若通信数据包数小于等于N1，则执行S112；
S111.将CW重置为2，NB值加1，BE＝min(BE+1，aMaxBE)，以进入更高层次的退避，其中aMaxBE表示BE所能取到的最大值，更新完CW、NB和BE的值后执行S13；
S112.将CW重置为2，NB值加1，BE不变，使下一次退避仍处于当前退避层次，可以更快的竞争信道，减少退避延迟，更新完CW、NB和BE的值后执行S13；
S12.第二次CCA检测到信道存在数据通信，将信道取不同容量区间考虑：判断通信数据包数是否大于N1，若通信数据包数大于N1，执行S121，若通信数据包数小于等于N1，则执行S122，这样同一时刻不同节点可以在不同层次竞争接入信道，
S121.判断通信数据包数是否大于N2，N2为大于N1且小于等于γ的整数，若通信数据包数大于N2，执行S111，若通信数据包数小于等于N2，则执行S112；
S122.由于通信数据包数较少，为了增加竞争接入信道的成功率，可将本次CCA忽略不计，即CW重置为2，NB和BE均不增加，并准备开始下一次退避；
S13.判断退避次数是否超过最大值，若超过最大值，则发送失败，丢包；若退避次数不超过最大值，则准备开始下一次退避。
作为优选方案，所述多包接收能力值大于等于3。
作为优选方案，所述N1的取值为不大于γ/3的最大整数。
作为优选方案，所述N2的取值为不大于2γ/3的最大整数。
多包接收能力值γ＝3时，N1值为1，N2值为2。
本发明采用NS-2对传统的IEEE802.15.4CSMA/CA和本发明方法进行实施。设置的网络通信模式为信标使能星型网络，超帧参数BO＝SO＝12，N个设备节点及PAN协调器均在通信范围内(不存在隐藏终端)，各设备节点均以饱和速率开始向PAN协调器发送有效载荷长度为L字节(不包括帧头及帧尾所占字节数)的数据包。BE默认值为3，最大值为5；多包接收能力值γ＝3；数据包有效载荷为10字节。
图2显示了传统的IEEE802.15.4CSMA/CA和本发明方法成功数据包的平均MAC延迟。从图中可以看出本发明方法的延迟相较于传统IEEE802.15.4CSMA/CA在多包接收机制下的延迟有明显改善。
图3反映了传统的IEEE802.15.4CSMA/CA和本发明方法数据包的成功接收率。从图中可以看出，本发明方法的数据包成功接收率不低于传统IEEE802.15.4CSMA/CA的数据包成功接收率。
结合图2和图3的结果可知，本发明方法在避免数据包丢包率增加的前提下，改善了多包接收机制下IEEE802.15.4CSMA/CA的延迟性能。

Claims (4)

1.一种多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法，CSMA/CA为时隙型，包括基本退避参数BE、NB和CW，BE初始值为3，NB初始值为0，CW初始值为2，多包接收能力值为γ，CCA检测到当前信道忙，信道中存在数据通信，尝试接入信道的节点需要继续退避，其特征在于：所述尝试接入信道的节点根据不同CCA结果调整退避参数，包括：
S1.记录当前信道通信数据包数目，用于区别信道中的通信容纳量，并判断是否处于第一次CCA，若处于第一次CCA，则执行S11，若处于第二次CCA，则执行S12；
S11.判断通信数据包数是否大于N1，N1为大于0小于γ的整数，若通信数据包数大于N1，执行S111，若通信数据包数小于等于N1，则执行S112；
S111.将CW重置为2，NB值加1，BE＝min(BE+1,aMaxBE)，其中aMaxBE表示BE所能取到的最大值，更新完CW、NB和BE的值后执行S13；
S112.将CW重置为2，NB值加1，BE不变，更新完CW、NB和BE的值后执行S13；
S12.判断通信数据包数是否大于N1，若通信数据包数大于N1，执行S121，若通信数据包数小于等于N1，则执行S122；
S121.判断通信数据包数是否大于N2，N2为大于N1且小于等于γ的整数，若通信数据包数大于N2，执行S111，若通信数据包数小于等于N2，则执行S112；
S122.将CW重置为2，NB和BE均不增加，并准备开始下一次退避；
S13.判断退避次数是否超过最大值，若超过最大值，则发送失败，丢包；若退避次数不超过最大值，则准备开始下一次退避。
2.根据权利要求1所述的多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法，其特征在于：所述多包接收能力值大于等于3。
3.根据权利要求2所述的多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法，其特征在于：所述N1的取值为不大于γ/3的最大整数。
4.根据权利要求2所述的多包接收机制下CSMA/CA的延迟优化方法，其特征在于：所述N2的取值为不大于2γ/3的最大整数。
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