CN105873130A - 一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于通信技术领域，涉及一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法。本发明方法主要是在FPRP协议的时帧结构上，通过五步预留过程，采用一种基于多跳FCR算法的时隙竞争机制，其特征在于：当预约时隙竞争冲突时，节点大幅减小发起预约请求的竞争概率，以此降低在预留部分潜在的碰撞次数；当预约时隙连续空闲的预约周期次数达到规定的阈值时，节点大幅增加发起预约请求的竞争概率，以此加速时隙分配收敛。本发明的有益效果为，实现了一种公平、竞争成功率和空间复用率高、收敛速度快的时隙竞争方法；可以有效得提高基于时隙竞争的、采用动态TDMA‑MAC协议多跳自组织网络的整体吞吐量和分组递交率，并且降低分组的平均接入时延。

Description

一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法。

背景技术

作为一种广泛应用于无线移动通信领域的技术，自组织网络具有无固定基础设施、分布式、快速部署和灵活组网等优点。基于TDMA(Time Division Multiple Access,时分多址)的MAC协议是自组织网络通信协议栈中不可或缺的组成部分，它在时域上将无线信道分为周期性的时帧，一个时帧由若干数量的时隙组成。网络中的节点根据分配规则，在相应的时隙传输数据。相比于基于随机竞争的MAC协议，它在吞吐量和接入时延等方面有着较好的性能。

TDMA-MAC协议主要分为：固定分配、动态分配和混合分配三种。在固定分配方式中，每一个时帧具有固定数目的时隙，节点根据预先分配的时隙发送数据。尽管该方式能在一定程度上保证信道访问的公平性且控制开销较小，但没能有效地利用时隙资源，也没有充分考虑时隙的空间复用，因此网络吞吐量等性能较差。混合分配方式指节点在拥有各自固定时隙的情况下，可参与未分配时隙的竞争，相较于其它两种方式，在吞吐量和时延等网络性能方面表现最好，但是协议的复杂度和控制交互开销也最大。而动态分配方式权衡了网络性能、协议复杂度和控制开销等多方面的关系，具有较好的性能和较低的复杂度。

例如FPRP协议(参见文献：C.Zhu，M.S.Corson.A five-phase reservationprotocol(FPRP)for mobile ad hoc networks[J].Wireless networks，2001,7(4):371-384.)就是一种典型的基于动态分配的TDMA-MAC协议。FPRP协议将一个时帧分为预留部分和信息部分：在预留部分，节点可通过竞争交互机制进行时隙资源的预留；在信息部分，节点可以在相应竞争成功的时隙上传输数据。预留部分的时隙称为预约时隙，信息部分的时隙称为信息时隙，预约时隙和信息时隙一一对应且数目相等。每个预约时隙由一定数量的预约周期组成，每个预约周期分为五个阶段，节点以一定的概率发起五步预留会话来竞争各个预留时隙，进而在竞争成功的信息时隙上传输分组。其中，五步预留会话过程在每个阶段都有不同作用的控制分组，能够保证时隙竞争的正确性并实现节点间的无冲突传输，节点的竞争概率由多跳贝叶斯算法计算，其值为节点估计的两跳范围内竞争节点数量的倒数。虽然多跳贝叶斯算法具有较高的时隙空间复用率和较快的时隙分配收敛速度，但是它易受网络拓扑的影响，网络节点间的两跳内邻居数目的巨大差异会导致竞争概率的不同，进而造成时隙分配上的不公平性。并且，竞争成功的节点会以当前的竞争概率继续参与下一个时隙的竞争，连续竞争到时隙的可能性变大，而连续遭遇预约碰撞的节点的竞争概率不断减小，获得时隙的可能性变小，从而加剧了不公平性。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种适用于Buck变换器的节约系统功耗电路，本发明的方法用于基于动态TDMA的自组织网MAC协议，对时隙分配更公平，时隙的竞争成功率和空间复用率更高，同时具有更快的时隙分配收敛速度。

本发明的技术方案是：一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法，其特征在于，包括：

在FPRP协议的时帧结构上，通过五步预留过程，采用基于多跳FCR(Fast CollisionResolution，快速冲突解决)算法对节点的时隙竞争机制进行调整，具体方法是：节点通过每一次预约周期的五步预留过程，监听当前预约时隙的预留情况，并根据监听结果对预约时隙的预留状态进行判断，判断结果分为空闲、冲突、成功三种情况，其中，空闲表示没有竞争，即节点在当前预约时隙内没监听到任何预约控制分组；冲突表示竞争失败，即该节点和其它节点在当前预约时隙同时发起了竞争请求且它们具有共同的邻居节点；成功表示竞争成功，即节点监听到时隙预约成功的消息；根据判断结果，动态的调整节点的发起预约请求的竞争概率，具体是：当判断结果为冲突时，节点减小发起预约请求的竞争概率；当判断结果为空闲时，节点增加发起预约请求的竞争概率。

进一步的，所述动态的调整节点的发起预约请求的竞争概率的具体方法包括以下步骤：

a.在一个时帧的预留部分起始，节点初始化n_c＝n_c0和P＝1/n_c0，其中，n_c0为常量，P为节点的时隙竞争概率；

b.若节点能够在当前预约时隙竞争，在一轮预约周期内以竞争概率P主动发起五步预留过程，进入步骤c；否则，节点监听当前预约时隙的预留情况，重复步骤b；

c.节点根据当前预约时隙的预留情况，按以下方式调整n_c：

设定n_max表示n_c的上限，n_min表示n_c的下限，则：

空闲状态：当连续空闲的预约周期次数x小于连续空闲的预约周期次数的阈值K，设置n_c＝max(αn_c,n_min)；当连续空闲的预约周期次数x大于或等于连续空闲的预约周期次数的阈值K，设置n_c＝max(βn_c,n_min)；其中，α和β分别表示在空闲情况下n_c的缩小因子，且有0＜β＜α＜1；

冲突状态：设置n_c＝n_c+random(0,min(2n_c,n_max)-n_c)，其中，random表示服从均匀分布的随机函数；

成功状态：当距离预约成功节点的跳数y＝0，则n_c＝n_max，表示节点本身即是预约成功节点；当距离预约成功节点的跳数y＝1，则n_c＝max(a₁n_c,n_min)，表示一跳远处的预约成功，节点退出当前时隙的竞争；当距离预约成功节点的跳数y＝2，则n_c＝max(a₂n_c,n_min)，表示两跳远处的预约成功，节点退出当前时隙的竞争；当距离预约成功节点的跳数y＝3，且节点能够继续在当前时隙竞争，则n_c＝max(a₃n_c,n_min)，表示三跳远处的预约成功，节点加大对当前时隙的竞争概率；否则，不调整n_c；其中，a₁、a₂和a₃分别表示在一跳、二跳、三跳远处的预约成功情况下n_c的缩减因子，且有0＜a₃＜a₁,a₂＜1；

d.节点计算P＝1/n_c；

e.若当前时帧的预留部分未结束，返回步骤b；否则，当前时帧的时隙竞争过程结束。

本发明的有益效果为，本发明的方法通过快速竞争冲突解决及快速竞争恢复的思想，实现了一种公平、竞争成功率和空间复用率高、收敛速度快的时隙竞争方法；同时，本发明所述方法可以有效得提高基于时隙竞争的、采用动态TDMA-MAC协议多跳自组织网络的整体吞吐量和分组递交率，并且降低分组的平均接入时延。

附图说明

图1是本发明提供的多跳FCR算法的时隙竞争概率调整框图；

图2是实施例一中多跳自组织网络拓扑图；

图3是实施例一中TDMA-MAC协议的时帧结构；

图4是实施例一的全网节点时隙竞争初始化图；

图5是实施例一中第1个预约周期结束后，全网节点的调整结果。

图6是实施例一中第2个预约周期结束后，全网节点的调整结果。

图7是实施例一中第3个预约周期结束后，全网节点的调整结果。

图8是实施例一中第4个预约周期结束后，全网节点的调整结果。

图9是实施例一中第20个预约周期结束后，全网的时隙竞争成功情况。

图10是实施例二中当网络节点数目增加时，多跳FCR算法和多跳贝叶斯算法的平均时隙竞争成功率对比。

图11是实施例二中当网络节点数目增加时，多跳FCR算法和多跳贝叶斯算法的平均时隙利用率对比。

图12是实施例二中当节点数量为25时，多跳FCR算法和多跳贝叶斯算法的归一化时隙分配公平性对比。

图13是实施例二中当节点数量为50时，多跳FCR算法和多跳贝叶斯算法的网络吞吐量对比。

图14是实施例二中当节点数量为50时，多跳FCR算法和多跳贝叶斯算法的网络接入时延对比。

图15是实施例二中当节点数量为50时，多跳FCR算法和多跳贝叶斯算法的网络分组递交率对比。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

实施例一

图1为本发明中基于多跳FCR算法的时隙竞争概率调整流程。

网络拓扑示例如图2所示，在本实施例中共9个节点形成多跳自组织网络。

本实例的动态TDMA-MAC协议时帧结构如图3所示，1个预留部分和1个信息部分共同构成一个完整的时帧，5个预约时隙和5个信息时隙分别构成一个预留部分和一个信息部分，每个预约时隙共有4个预约周期，因此，预留部分共有20个预约周期，在每个预留周期内，节点可完成一轮五步预留过程。

在本实例中，基于多跳FCR算法的时隙竞争机制的参数设置如表1所示。

表1实施例一多跳FCR算法参数设置

全网各个节点时隙竞争初始化如图4所示，在预留部分起始，各个节点连续空闲的预约周期次数为0，所有节点的n_c都初始化为n_c0，在本实施例中，n_c0为6，可知各个节点的初始化时隙竞争概率即为1/6。

图5表示第1个预约周期结束后，网络中所有节点的n_c调整结果。由图可知，在第一个预约周期内，节点1和5以各自的竞争概率同时发起了五步预留会话，但是在它们共同的邻居节点2和3处产生冲突，竞争失败，因此根据图1的流程调整如下：n_c ⁽¹⁾＝6+rand(0,min(2×6,18)-6)＝11.7570；同理，n_c ⁽⁵⁾＝9.9344。节点9由于在预约周期内没监听到任何五步会话分组，表明当前预约周期空闲，目前连续空闲的预约周期累计次数为1，小于阈值K(K＝2)，则n_c ⁽⁹⁾＝max(6×0.9,2)＝5.4。剩余其他节点在预约周期内都监听到分组，但是没发起竞争且没监听到预约成功的消息，因此，在该预约周期的监听结果不是空闲、冲突和成功其中之一，根据图1可知，这些节点的n_c不做调整。之后，所有节点根据P＝1/n_c调整时隙竞争概率，参与下一个预约周期。

图6表示第2个预约周期结束后，网络中所有节点的n_c调整结果。从图中可知，在第2个预约周期内，节点4以自己的竞争概率发起了五步会话过程且成功竞争当前预约时隙，其他节点在各自的竞争概率下都没成功发起竞争。节点4成功竞争到第1个预约时隙，即零跳成功，设置n_c ⁽⁴⁾＝n_max＝18，以降低连续到下个预约时隙的可能性。节点2和7获悉一跳远处节点4的预约成功，调整n_c ⁽²⁾＝n_c ⁽⁷⁾＝max(6×(1/1.1),2)＝5.4545，退出第1个预约时隙的竞争以保证无冲突传输。节点1、5和9获悉二跳远处节点4的预约成功，退出第1个预约时隙竞争，并调整n_c ⁽¹⁾＝max(11.7570×(1/1.1),2)＝10.6882，n_c ⁽⁵⁾＝max(9.9344×(1/1.1),2)＝9.0313，n_c ⁽⁹⁾＝max(5.4×(1/1.1),2)＝4.9091。节点3和节点8获悉三跳远处节点4的预约成功，且均能继续竞争当前预约时隙，调整n_c ⁽³⁾＝n_c ⁽⁸⁾＝max(6×(1/1.3),2)＝4.6154，以便增大对第1个时隙的竞争概率，促进相距三跳远的节点分配相同的时隙。节点6经过该次预约周期，累计连续空闲次数为1，小于阈值K(K＝2)，调整n_c ⁽⁶⁾＝max(6×0.9,2)＝5.4。同样的，所有节点根据调整后的n_c更新各自的竞争概率，参与下一次预约周期。

图7表示第3个预约周期结束后，网络中所有节点的n_c调整结果。由图可知，在第3个预约周期内，节点1、2、5、7和9由于节点4的竞争成功消息已经退出第1个预约时隙的竞争，因而在当前预约周期内必然不会发起五步会话，而节点3、6和8在各自的竞争概率下均未能发起五步会话，因此，所有节点对该次预约周期的感知结果均为空闲。节点6累计的连续空闲次数达到2，满足大于等于阈值K(K＝2)，调整n_c ⁽⁶⁾＝max(5.4×0.5,2)＝2.7。其余节点累计的连续空闲次数为1，分别按n_c＝max(n_c×0.9,2)调整各自的n_c，得如图7中所示的值。

图8表示第4个预约周期结束后，网络中所有节点的n_c调整结果。从图中可知，节点6由于在第3个预约周期连续发现2次空闲的预约周期，大幅提高了竞争概率，使得其在第4个预约周期内成功发起了五步会话并且成功预约第1个预约时隙，而节点3和8在各自的竞争概率下依旧未能发起竞争。节点6的结果为零跳成功，调整n_c ⁽⁶⁾＝n_max＝18。节点3和8获悉一跳远处节点6的预约成功，退出第1个预约时隙的竞争，调整n_c ⁽³⁾＝n_c ⁽⁸⁾＝max(4.1539×(1/1.1),2)＝3.7763。节点1、5和9获悉二跳远处节点6的预约成功，并且已退出第一个预约时隙的竞争，调整n_c ⁽¹⁾＝max(9.6194×(1/1.1),2)＝8.7749，n_c ⁽⁵⁾＝max(8.1282×(1/1.1),2)＝7.3893，n_c ⁽⁹⁾＝max(4.4182×(1/1.1),2)＝4.0165。节点2和7获悉三跳远处节点6的预约成功，但是由于已经退出了第1个预约时隙的竞争，因而不调整n_c。节点4由于没监听到任何五步会话分组，累计连续空闲的预约周期次数为2，达到阈值K(K＝2)，调整n_c ⁽⁴⁾＝max(16.2×0.5,2)＝8.1。

至此，网络中第1个预约时隙的竞争过程结束，节点4和6成功竞争到了该预约时隙。所有节点根据第4个预约周期结束后更新的竞争概率继续参加第2个预约时隙的竞争，竞争过程同理于第1个预约时隙。直到第20个预约周期结束，即时帧的预留部分结束，整个网络才完成对一个时帧内的所有预约时隙的竞争过程。

第20个预约周期结束后，网络中节点的时隙竞争成功情况如图9所示。由图可知，网络共9个节点，仅节点5没有分配到时隙，整个网络中成功竞争到时隙的节点比例为8/9，表明本发明的时隙竞争成功率高。在本实例中，没有一个节点连续竞争到2个预约时隙，并且各个节点竞争到的时隙数量差距不大，表明本发明的时隙竞争公平性较好。在第3、4和5个预约时隙上竞争成功的节点分别都相距3跳远，表明基于多跳FCR算法的时隙竞争机制具有较高的时隙空间复用率，时隙分配收敛速度快。

实施例二

在1500m×1500m的的区域范围内，网络拓扑随机产生且具有连通性，节点的通信半径为300m，业务分组长度为1024bits，分组传输速率为1Mbps。并且，每个时帧由1个预留部分和3个信息部分构成，每个预留部分具有16个预约时隙，每个信息部分有16个信息时隙。其中，每个预约时隙为60bits，每个信息时隙为1024bits，且预约时隙与信息时隙一一对应。每个预约时隙具有4个预约周期，每个预约周期可完成一次五步会话过程。此外，本实施例的基于多跳FCR算法的时隙竞争机制参数设置如表2所示。为了验证本发明的有益效果，在本实施例中，我们将本发明提出的基于多跳FCR算法的时隙竞争机制和现有基于多跳贝叶斯算法的时隙竞争机制做仿真对比。

表2实施例二多跳FCR算法参数设置

图10和图11分别表示当网络节点数目逐渐增加时，两种基于不同算法的时隙竞争机制对网络平均时隙竞争成功率和平均时隙利用率的结果对比。从图可知，随着节点数目的增大，网络平均时隙竞争成功率下降，平均时隙利用率下降。但是，本发明提出的时隙竞争机制在时隙竞争成功率及利用率方面明显优于现有基于多跳贝叶斯算法的时隙竞争机制。

图12表示当节点数量为25时，两种基于不同算法的时隙竞争机制对网络归一化时隙分配公平性的结果对比。其中，时隙分配公平性由各个节点竞争到的时隙数的方差度量，归一化时隙分配公平性定义为：某一时隙竞争机制的公平性/仿真中所有时隙竞争机制的公平性之和。从图可知，基于多跳FCR算法的时隙竞争机制的时隙数方差明显小于基于多跳贝叶斯算法的时隙竞争机制，方差越小表明各个节点竞争到的时隙数量差异越小，时隙分配越公平。

图13、图14和图15分别表示当节点数量为50时，随着分组产生速率的增加，两种基于不同算法的时隙竞争机制对网络吞吐量、接入时延和分组递交率的结果对比。从图可知，随着分组产生速率的增加，网络吞吐量逐渐趋向饱和，分组的接入时延增加，分组递交率下降。但是，相比现有基于多跳贝叶斯算法的时隙竞争机制，本发明提出的时隙竞争机制在吞吐量、时延和分组递交率三方面都具有明显的性能优势。

Claims (2)

1.一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法，其特征在于，包括：

在FPRP协议的时帧结构上，通过五步预留过程，采用多跳FCR算法对节点的时隙竞争机制进行调整，具体方法是：节点通过每一次预约周期的五步预留过程，监听当前预约时隙的预留情况，并根据监听结果对预约时隙的预留状态进行判断，判断结果分为空闲、冲突、成功三种情况，其中，空闲表示没有竞争，即节点在当前预约时隙内没监听到任何预约控制分组；冲突表示竞争失败，即该节点和其它节点在当前预约时隙同时发起了竞争请求且它们具有共同的邻居节点；成功表示竞争成功，即节点监听到时隙预约成功的消息；根据判断结果，动态的调整节点的发起预约请求的竞争概率，具体是：当判断结果为冲突时，节点减小发起预约请求的竞争概率；当判断结果为空闲时，节点增加发起预约请求的竞争概率。

2.根据权利要求1所述的一种用于多跳自组织网络的时隙竞争方法，其特征在于，所述动态的调整节点的发起预约请求的竞争概率的具体方法包括以下步骤：

a.在一个时帧的预留部分起始，节点初始化n_c＝n_c0和P＝1/n_c0，其中，n_c0为常量，P为节点的时隙竞争概率；

b.若节点能够在当前预约时隙竞争，在一轮预约周期内以竞争概率P主动发起五步预留过程，进入步骤c；否则，节点监听当前预约时隙的预留情况，重复步骤b；

c.节点根据当前预约时隙的预留情况，按以下方式调整n_c：

设定n_max表示n_c的上限，n_min表示n_c的下限，则：

空闲状态：当连续空闲的预约周期次数x小于连续空闲的预约周期次数的阈值K，设置n_c＝max(αn_c,n_min)；当连续空闲的预约周期次数x大于或等于连续空闲的预约周期次数的阈值K，设置n_c＝max(βn_c,n_min)；其中，α和β分别表示在空闲情况下n_c的缩小因子，且有0<β<α<1；

冲突状态：设置n_c＝n_c+random(0,min(2n_c,n_max)-n_c)，其中，random表示服从均匀分布的随机函数；

成功状态：当距离预约成功节点的跳数y＝0，则n_c＝n_max，表示节点本身即是预约成功节点；当距离预约成功节点的跳数y＝1，则n_c＝max(a₁n_c,n_min)，表示一跳远处的预约成功，节点退出当前时隙的竞争；当距离预约成功节点的跳数y＝2，则n_c＝max(a₂n_c,n_min)，表示两跳远处的预约成功，节点退出当前时隙的竞争；当距离预约成功节点的跳数y＝3，且节点能够继续在当前时隙竞争，则n_c＝max(a₃n_c,n_min)，表示三跳远处的预约成功，节点加大对当前时隙的竞争概率；否则，不调整n_c；其中，a₁、a₂和a₃分别表示在一跳、二跳、三跳远处的预约成功情况下n_c的缩减因子，且有0<a₃<a₁,a₂<1；

d.节点计算P＝1/n_c；

e.若当前时帧的预留部分未结束，返回步骤b；否则，当前时帧的时隙竞争过程结束。