CN105792287B - 无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法 - Google Patents

无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，包括：a).设定0,1,…,K表示的K+1个优先级数；b).设定非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL五个流量状态；c).设定保护时隙启动阈值Tth；d).分配优先级数和设置流量状态；e).如有GTS请求或数据发送，则提升流量状态和降低优先级数；否则，降低流量状态和升高优先级数；f).如果有小于启动阈值的优先级数存在，则给具有最小优先级数的节点分配GTS资源。本发明的自适应分配方法，提高了GTS资源的使用效率，提高了网络吞吐量；很好地预测各个节点GTS资源的使用情况，避免了低优先级的节点长时间不能使用GTS资源的缺点，保证了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。

Description

无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法
技术领域
本发明涉及一种保护时隙自适应分配方法，更具体的说，尤其涉及一种基于802.15.4的可保证无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性的保护时隙自适应分配及性能评价方法。
背景技术
随着无线通信技术的迅速发展，无线体域网(WBAN)已广泛应用于医疗、运动、娱乐、环境感知等领域。根据不同应用场景的通信要求，网络的性能指标也不同，如时延、吞吐量、可靠性、功耗等。无线体域网包括多种数据类型，如，周期性数据、间歇性数据、紧急数据等。对于紧急数据，IEEE 802.15.4标准的保护时隙(GTS)分配机制通过在超帧周期内分配专属的数据传输时间段，用于实现该类型数据传输的实时性、可靠性。
GTS是一段预先分配的专属的数据传输时间段，在一个超帧周期内，可供分配的GTS最大数为7。GTS分配通常由协调器统一管理，当节点需要GTS资源时，可以在竞争期内向协调器发送GTS请求，收到请求命令后，协调器根据GTS记录表中的顺序按照先进先出(FCFS)的原则分配GTS资源。而GTS的解除分配通常需要协调器监测GTS资源的使用情况，通过启用终止计时器来确定何时终止已分配的GTS资源。当已分配的GTS资源经过2*k个超帧周期仍然没有使用，其中，当0≤BO≤8，k＝28-BO，9≤BO≤14，k＝1，则协调器将收回该GTS资源。该GTS资源分配的主要缺点在于：1)固定的FCFS服务原则往往不能满足实时性强、流量大的应用场景；2)GTS的滥用会导致其它数据不能及时传输，降低网络吞吐量；3)导致数据传输频率较低的节点长时间不能使用GTS资源。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于802.15.4的无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法。
本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：
Tth＝Kc1/BO (1)
其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：
其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；
d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；；e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：
如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；
在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：
如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；
f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：
min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth (3)
如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。
本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
1).设节点的优先级数分布，假定无线体域网中数据包的达到服从泊松分布，到达速率为λ，如果有新的数据包到达，则节点在当前超帧中发送GTS请求；设每一个节点的优先级数分布为：
D＝[P1,P2,...,PK] (4)
其中，Pi表示节点的优先级数为i的稳态概率，其通过公式(5)进行求取：
其中，π(s,i)表示节点的流量状态为s、优先级数为i的概率，0≤i≤K，s的取值为1、2、3、4、5时，分别表示节点的流量状态为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；
2).状态转移概率的计算，令P(s,i)(r,j)表示节点的流量状态由当前超帧的状态s变到下一超帧的状态r、同时优先级数由i变到j的状态转移概率，根据步骤e)中所述的节点优先级升高的转移概率为：
其中，Ppro(s,i)表示节点在当前超帧的流量状态为s、优先级数为i而在下一超帧中优先级升高的概率；
相应地，节点优先级下降的转移概率为：
3).节点优先级上升概率的计算，由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为：
其中，Sv表示节点在前一超帧中的优先级为v、但是没有分配到GTS资源的概率；
令G(m,n,l,v)表示无线体域网中优先级数大于v的节点数为m、小于v的节点数为n、等于v的节点数为l的概率，则：
进一步，可以得到：
其中：
其中，a为GTS的最大个数，取为7；
4).数据流量特性的分析，联合公式(4)至(10)，即可得到节点的稳态概率分布D，通过对每个节点的稳态概率分布D的分析，即可反映出各个节点长期的数据流量特性；如果该分布与各个节点的长期实际数据流量特性相吻合，则表明该保护时隙自适应分配方法是有效的。
本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，还包括公平性评价步骤，通过公式(11)求取公平性指标：
其中，Ti为第i节点数据包的平均等待时间。
本发明的有益效果是：本发明的保护时隙自适应分配方法，通过为节点设置流量状态和优先级数，当节点在当前超帧中有GTS请求或者数据发送时，则升高节点的流量状态并降低节点的优先级数，以提高节点优先级；否者，则降低节点的流量状态并升高节点的优先级数，以降低节点优先级；当有节点的优先级数小于设定的启动阈值时，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，保证了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。
进一步地：本发明的保护时隙自适应分配方法，打破了IEEE 802.15.4标准中GTS资源分配的不灵活性，提高了GTS资源的使用效率，从而提高了网络吞吐量。
本发明的保护时隙自适应分配方法，很好地预测各个节点GTS资源的使用情况，避免了低优先级的节点长时间不能使用GTS资源的缺点。
本发明的保护时隙自适应分配方法，分配方案基于IEEE 802.15.4MAC协议，其实现只需要协调器的优先级和状态信息，无额外的协议开销。
附图说明
图1为802.15.4协议中超帧的结构图；
图2为本发明的无线体域网的网络拓扑结构图；
图3为本发明中节点的流量状态和优先级数的变化规则图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，通过以下步骤来实现：
a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；
如图2所示，给出了本发明的无线体域网的网络拓扑结构图。
b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；
c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：
Tth＝Kc1/BO (1)
其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：
其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；
如图1所示，给出了802.15.4协议中超帧的结构图，超帧的初始阶段是协调器发送的信标，然后是活跃阶段和非活跃阶段，在活跃阶段，协调器和节点之间可以相互通信，在非活跃阶段，所有节点进入休眠模式。其中，活跃阶段又分为基于竞争的随机访问阶段和无竞争访问阶段。
对于非实时性数据，一般通过基于竞争的访问模式(CSMA/CA)即可满足数据传输的要求，但是，对于紧急数据通过无竞争的访问模式传输，可以避免在随机访问阶段由于多次竞争失败导致的传输时延，提高数据传输的可靠性。
d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；
e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：
如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；
如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；
如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；
如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；
如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；
在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：
如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1和最大值K之中的最小值；
如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2和最大值K之中的最小值；
如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；
如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；
如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；
如图3所示，给出了本发明中节点的流量状态和优先级数的变化规则图，可以看出，节点优先级数的增大/变小取决于节点的数据流量情况。一方面，如果较低优先级的节点突然有紧急数据要发送，可以通过成功发送GTS请求来快速升高其优先级，因为，其优先级数是以指数速度减小的，这样避免了较少数据流量的节点连续多个超帧周期内不能获得GTS资源的缺点。另一方面，较高优先级的节点如果暂时没有数据发送，其优先级数将变大，故优先级将暂时降低，这样可以较快的释放GTS资源，避免了GTS资源长时间被较多数据流量的节点占用的缺点。事实上，流量状态(VH，H，M，L，VL)反映了短期内节点数据传输的情况，而优先级数则反映了节点长期的数据流量特性。
f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：
min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth (3)
如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；
当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。
这里，Tth的选取可以防止GTS资源的不必要的分配，比如，当所有节点的优先级数都比较大时，此时网络数据流量较少，因而可以依赖基于竞争的方式传输数据。同时，当帧的长度较长时，节点将可以以较大的概率发送GTS请求，进而，在下一超帧中获得GTS资源。
本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，通过以下步骤来实现：
1).设节点的优先级数分布，假定无线体域网中数据包的达到服从泊松分布，到达速率为λ，如果有新的数据包到达，则节点在当前超帧中发送GTS请求；设每一个节点的优先级数分布为：
D＝[P1,P2,...,PK] (4)
其中，Pi表示节点的优先级数为i的稳态概率，其通过公式(5)进行求取：
其中，π(s,i)表示节点的流量状态为s、优先级数为i的概率，0≤i≤K，s的取值为1、2、3、4、5时，分别表示节点的流量状态为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；
2).状态转移概率的计算，令P(s,i)(r,j)表示节点的流量状态由当前超帧的状态s变到下一超帧的状态r、同时优先级数由i变到j的状态转移概率，根据步骤e)中所述的节点优先级升高的转移概率为：
其中，Ppro(s,i)表示节点在当前超帧的流量状态为s、优先级数为i而在下一超帧中优先级升高的概率；
相应地，节点优先级下降的转移概率为：
3).节点优先级上升概率的计算，由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为：
其中，Sv表示节点在前一超帧中的优先级为v、但是没有分配到GTS资源的概率；
由于节点优先级数上升包括以下两种情形：1)在当前超帧中有新的数据包到达，那么节点会发送GTS请求包，导致节点在下一超帧中的优先级升高；2)节点在当前超帧中没有新的数据包达到，在以前超帧中有数据包产生，但是没有获得GTS资源分配，因而需要重新发送GTS请求。由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为公式(8)的形式。
令G(m,n,l,v)表示无线体域网中优先级数大于v的节点数为m、小于v的节点数为n、等于v的节点数为l的概率，则：
进一步，可以得到：
其中：
其中，a为GTS的最大个数，取为7；
4).数据流量特性的分析，联合公式(4)至(10)，即可得到节点的稳态概率分布D，通过对每个节点的稳态概率分布D的分析，即可反映出各个节点长期的数据流量特性；如果该分布与各个节点的长期数据流量特性相吻合，则表明该保护时隙自适应分配方法是有效的。
还包括公平性评价步骤，通过公式(11)求取公平性指标：
其中，Ti为第i节点数据包的平均等待时间。
本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的优点体现在：
(1)该方案通过动态分配GTS资源，实现了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。
(2)打破了IEEE 802.15.4标准中GTS资源分配的不灵活性，提高了GTS资源的使用效率，从而提高了网络吞吐量。
(3)该方案可以很好地预测各个节点GTS资源的使用情况，避免了低优先级的节点长时间不能使用GTS资源的缺点。
(4)该GTS分配方案基于IEEE 802.15.4MAC协议，其实现只需要协调器的优先级和状态信息，无额外的协议开销。

Claims (3)

1.一种无线体域网的保护时隙自适应分配方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；
b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；
c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：
Tth＝Kc1/BO (1)
其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：
其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；
d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；
e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：
如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；
如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；
如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；
如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；
如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；
在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：
如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；
如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；
如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；
如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；
如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3，并与最大值K相比较，取二者之中的最小值；
f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：
min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth (3)
如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；
当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。
2.一种基于权利要求1所述的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：
1).设节点的优先级数分布，假定无线体域网中数据包的达到服从泊松分布，到达速率为λ，如果有新的数据包到达，则节点在当前超帧中发送GTS请求；设每一个节点的优先级数分布为：
D＝[P1,P2,...,PK] (4)
其中，Pi表示节点的优先级数为i的稳态概率，其通过公式(5)进行求取：
其中，π(s,i)表示节点的流量状态为s、优先级数为i的概率，0≤i≤K，s的取值为1、2、3、4、5时，分别表示节点的流量状态为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；
2).状态转移概率的计算，令P(s,i)(r,j)表示节点的流量状态由当前超帧的状态s变到下一超帧的状态r、同时优先级数由i变到j的状态转移概率，根据步骤e)中所述的节点优先级升高的转移概率为：
其中，Ppro(s,i)表示节点在当前超帧的流量状态为s、优先级数为i而在下一超帧中优先级升高的概率；
相应地，节点优先级下降的转移概率为：
P(VL,i)(VL,i+3)＝1-Ppro(VL,i)
P(M,i)(VL,i+3)＝1-Ppro(M,i)
P(L,i)(VL,i+3)＝1-Ppro(L,i)
P(H,i)(M,i+2)＝1-Ppro(H,i)
P(VH,i)(H,i+1)＝1-Ppro(VH,i)
(7)；
3).节点优先级上升概率的计算，由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为：
其中，Sv表示节点在前一超帧中的优先级为v、但是没有分配到GTS资源的概率；λ为数据包的到达速率，j优先级数，u表示节点的流量状态，P(u,v)表示节点的流量状态由当前超帧的状态变到下一超帧状态的转移概率；
令G(m,n,l,v)表示无线体域网中优先级数大于v的节点数为m、小于v的节点数为n、等于v的节点数为l的概率，则：
r表示节点的优先级数，Pr表示节点的优先级数为r的稳态概率，表示节点的优先级数为v的稳态概率的l次方；
进一步，可以得到：
其中：
其中，a为GTS的最大个数，取为7；
4).数据流量特性的分析，联合公式(4)至(10)，即可得到节点的稳态概率分布D，通过对每个节点的稳态概率分布D的分析，即可反映出各个节点长期的数据流量特性；如果该分布与各个节点的长期实际数据流量特性相吻合，则表明该保护时隙自适应分配方法是有效的。
3.根据权利要求2所述的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，其特征在于：还包括公平性评价步骤，通过公式(11)求取公平性指标：
其中，Ti为第i节点数据包的平均等待时间。
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