CN106131970B - 一种基于反馈的协议序列信道接入算法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于反馈的协议序列的信道接入机制改进算法。新算法在继承协议序列原有数据传输机制基础上，给每个节点分配一个唯一身份标识。当有数据发送时，发送节点在数据包头添加身份标识列表，该列表包括了发送节点自身标识和其已侦听到的节点身份标识。各节点之间利用这种身份标识列表作为反馈方式，通知附近节点数据接收情况。一旦接收节点从身份标识列表获取到自身的标识信息，它下一次发送就不需要重传数据。在这种新算法下，协议序列不需要在一个周期内重复发送相同的数据包。本发明相较与传统协议序列，在相同的传输延时下，系统吞吐率可以获得极大的改善。
Description
技术领域
本发明涉及传感器和Ad Hoc无线介质访问控制技术领域，特别涉及一种基于反馈的协议序列信道接入算法。
背景技术
随着物联网概念的提出，无线传感器网络成为了新的研究热点。现阶段，传感器广泛应用于军事、环境监测、智能家居、城市交通、空间探索和仓库管理等领域。对于无线传感网的研究工作主要集中在介质访问控制算法方面。但传感器由于所处工作场景，受到尺寸限制，以及受到拓扑结构快速变化的影响，所需MAC协议对能量和延时性能有着严格的要求。
目前，IEEE802.11系列协议是无线网的主流接入协议，在无线局域网有着良好的表现，非常适用于家庭和办公环境。但是，该系列协议采用CSMA/CA机制，有着复杂的退避过程和信道监测过程；因此，采用该接入协议对能量消耗极大，同时不断的退避过程造成信道接入时延的无限性。基于上述，IEEE802.11协议并不适合无线传感网；低能耗、低复杂接入协议和保证基本时延是无线传感网和Ad Hoc网的MAC协议的研究重点主题。
Massey和Mathys于1985年提出了一种无反馈冲突信道模型，同时给出了一种新的无线信道接入机制，称为协议序列。协议序列是一种确定的周期性二进制序列，每个节点根据所分配的协议序列安排自己发送计划；节点依次读取序列值，如果该值为“1”，节点发送数据，否则侦听信道。与TDMA相比，协议序列不要求严格的时间同步；与ALOHA等随机接入协议相比，协议序列能提供短期性能稳定性和公平性，并且能100％地确保数据在固定时延内被成功发送；另外与基于CSMA的竞争型信道接入协议相比，协议序列机制不需要信道侦听和退避，从而大大降低了能量消耗。基于以上优点，协议序列在近年来成为国内外学者的研究热点，并被广泛应用于无线传感器网络、移动自组织网络及车载自组织网络。
采用协议序列的接入信道，信道接入时间被分成等长时隙，节点根据所分配的确定序列在时隙内发送数据。因为节点间缺乏协作和沟通，节点无法判断所发数据是否成功发送；所以为了保障通信的可靠性，节点通常会在一个序列周期内重复发送相同的数据。协议序列接入造成发送数据冗余和有效吞吐率低下的缺点；为了解决这些问题，我们需要进一步研究改进方法，改善协议序列性能。
发明内容
本发明旨在提供一种基于反馈的协议序列信道接入算法，以解决传统协议序列数据发送冗余，提高信道有效吞吐率。
本发明提供了一种基于反馈的协议序列信道接入算法，保留了协议序列原有的确定性发送特征，即在序列值1时，节点发送数据包；在序列值0时，节点侦听信道。所述确定性发送方案保证了用户的最大时延不会超过一个序列周期。所述算法让节点通过在发送前添加身份标识列表到数据包头，在接收后查询自己身份标识符的方式，反馈数据包接收情况；根据获取的数据包接收信息反馈，可以让节点判断其发送的数据包是否被周围节点成功接收，一旦从身份标识列表查询到自己的身份标识，表明发送成功，下次将发送新的数据包；否则，发送失败，所发旧数据包将被重新发送。
进一步地，所述算法获取数据接收情况反馈的过程包括：S11.发送前，节点把自己的身份标识和侦听到的其他节点身份标识添加到数据包头，形成身份标识列表；然后，把数据和身份标识列表一起广播发送出去。S12.节点接收到数据包后，读取身份标识列表并查询自己的身份标识。S13.如果身份标识列表匹配到自身的身份标识，表明发送成功，新的数据将被发送；否则，旧的数据将被重传。
进一步地，所述算法继承了协议序列的确定性发送方案，保证了数据传输时延有界性。
进一步地，所述算法下的节点都被分配了唯一身份标识符。
进一步地，所述算法工作在时隙同步状态。
进一步地，所述算法增加了反馈方式，需要额外的数据开销。
进一步地，所述算法反馈和数据发送同时进行，不需要额外的时间开销。
进一步地，所述算法不需要节点在一个序列周期内重复发送相同的数据，减少信道数据冗余。
进一步地，所述算法相较与传统的协议序列，极大的提高了系统吞吐率。
通过本发明提出的算法，使得协议序列具备简单回馈数据发送情况消息的能力，解决了节点重复发送相同数据包的问题，从而提高了信道利用率，改善了有效的系统吞吐率。
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示出了协议序列信道接入机制传统算法流程图。
图2示出了基于反馈的协议序列信道接入算法流程图。
图3分别示出了采用基于反馈的协议序列信道接入算法和协议序列信道接入机制传统算法的系统吞吐率变化曲线。
图4分别示出了采用基于反馈的协议序列信道接入算法和协议序列信道接入机制传统算法的传输时延变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，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。
一种基于反馈的协议序列信道接入算法，保留了协议序列原有的确定性发送特征，即所在时隙的序列值1时，节点发送数据包；所在时隙的序列值0时，节点侦听信道。所述确定性发送方案保证了用户的最大时延不会超过一个序列周期。所述改进算法让节点通过在发送前添加身份标识列表到数据包头，在接收后查询自己身份标识的方式，反馈数据包接收情况；根据获取的数据包接收信息反馈，可以让节点判断其发送的数据包是否被周围节点成功接收，一旦从身份标识列表查询到自己的身份标识，表明发送成功，下次将发送新的数据包；否则，发送失败，所发旧数据包将被重新发送。
作为优选方案，所述算法获取数据接收情况反馈的过程包括：S11.发送前，节点把自己的身份标识和侦听到的其他节点身份标识添加到数据包头，形成身份标识列表；然后，把数据和身份标识列表一起广播发送出去。S12.节点接收到数据包后，读取身份标识列表并查询自己的身份标识。S13.如果身份标识列表匹配到自身的身份标识，表明发送成功，新的数据将被发送；否则，旧的数据将被重传。
作为优选方案，所述算法继承了协议序列的确定性发送方案，保证了数据传输时延有界性。
作为优选方案，所述算法下的节点都被分配了唯一身份标识符。
作为优选方案，所述算法工作在时隙同步状态。
作为优选方案，所述算法增加了反馈方式，需要额外的数据开销。
作为优选方案，所述算法反馈和数据发送同时进行，不需要额外的时间开销。
作为优选方案，所述算法不需要节点在一个序列周期内重复发送相同的数据，减少信道数据冗余。所述改进算法相较与传统的协议序列，极大的提高了系统吞吐率。
图2示出基于反馈的协议序列信道接入算法流程图。与图1传统协议序列算法相比，在继承确定性发送的基础上，改进算法通过在发送的数据包头添加身份标识列表的方式，节点只需要花费少量数据开销，就可以非常简单的向周围节点反馈其数据包的接收情况，而且不会增加数据传输时延；节点在收到数据包后，只要经过简单的判断，就可以决定下一次是否发送新的数据包。
本发明采用Matlab软件对传统算法和本专利提出算法进行性能比较。协议序列采用了比较经典的CRT序列，选取了1-35中的素数作为系统用户节点数(M)，序列长度L＝M(2M-1)。考虑到节点接入信道的不确定性，所有节点都被分配了随机的接入时间偏移量。采用改进算法下的所有节点都被分配了唯一身份标识符；除此之外，两种算法的其他基本参数完全一致，包括序列周期、负载因子等。假设节点的位置随机且通信范围相互之间覆盖。本发明提出的改进算法可以显著提高系统的吞吐率。
图3反映了协议序列分别采用改进算法和传统算法的系统吞吐率变化曲线。从图中可以看出随着用户数的增长，采用改进算法的协议序列的吞吐率逐渐增加，并且维持在一个较高的水平；而传统的协议序列吞吐率快速的下降，最后趋近为0。
图4反映了协议序列分别采用改进算法和传统算法的传输时延变化曲线。从图中可以看出本发明提出的改进算法和传统算法的传输时延基本一致。说明改进算法的反馈方式不会带来额外的时间开销；既保证了吞吐率的提高，又维持了传输时延的稳定。进一步体现该算法的优越性。
Claims (4)
1.一种基于反馈的协议序列信道接入方法，保留了协议序列原有的确定性发送特征，即所在时隙的序列值为1时，节点发送数据包；所在时隙的序列值为0时，节点侦听信道；确定性发送方案保证了用户的最大时延不会超过一个序列周期，所述协议序列信道接入方法让节点通过在发送前添加自己的身份标识和侦听到的其他节点身份标识所形成的身份标识列表到数据包头，在接收后查询自己身份标识的方式，反馈数据包接收情况；其特征在于：获取的数据包接收信息反馈，可以让节点判断其发送的数据包是否被周围节点成功接收，一旦从身份标识列表查询到自己的身份标识，表明发送成功，下次将发送新的数据包；否则，发送失败，所发旧数据包将被重新发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于反馈的协议序列信道接入方法，其特征在于：所述协议序列信道接入方法获取数据接收情况反馈的过程：
S11.发送前，节点把自己的身份标识和侦听到的其他节点身份标识添加到数据包头，形成身份标识列表；然后，把数据和身份标识列表一起广播发送出去；
S12.节点接收到数据包后，读取身份标识列表并查询自己的身份标识；
S13.如果身份标识列表匹配到自身的身份标识，表明发送成功，新的数据将被发送；否则，旧的数据将被重传。
3.根据权利要求1所述的一种基于反馈的协议序列信道接入方法，其特征在于：所述协议序列信道接入方法下的节点都被分配了唯一身份标识符。
4.根据权利要求1所述的一种基于反馈的协议序列信道接入方法，其特征在于：所述协议序列信道接入方法工作在时隙同步状态，时隙同步指节点的信道接入时间被分成等长时隙，并且各节点之间的时隙等长对齐。
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