CN108055702B - 基于时隙csma\ca模式的自适应退避方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，包括站点统计自身的直连站点的数据及当前信标周期内接收到的数据数量；数据发送时，根据直连站点数目及数据数量，选择退避时间范围；对待发送数据的发送情况进行评估，并动态调整该数据下一次发送退避时间的时间段。本发明通过监听阶段获取网络站点规模及数据流量，为数据发送的决策阶段提供相应的信息，并对待发送数据的发送情况进行评估，使得网络节点能够根据网络及数据发送的状况动态的选择一个合适的退避范围。该方法能够增加网络吞吐量并降低网络通信延时，也能够提高信道介入的公平性。

Description

基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法。

背景技术

在低速无线个域网(LR-WPAN,Low Rate-Wireless Personal Area Network)中，MAC子层包含了一种特殊的“超帧”，其结构如图1所示。网络协调器通过超帧分配信道的访问时间及时间同步。超帧规定了站点只在活跃时间段内进行通信，非活跃时间段内站点休眠。其中活跃部分又分为信标帧发送时间段、竞争访问时间段和非竞争访问时间段。普通站点首先侦听接收网络中的信标帧，信标帧如果接收到了信标帧，它就跟发送信标的协调器进行同步，同步后在竞争访问时间段使用时隙CSMA\CA模式下竞争信道，CSMA\CA的工作原理如图2所示，竞争到信道后就将数据帧发给协调器，协调器成功接收到数据以后，如果需要回复确认帧以表示成功接收到该数据帧，就接着发送一个确认帧。普通站点在约定的时间内接收到确认帧并解析正确，则认为数据帧发送成功，否则，认为数据帧发送失败或与其他帧产生了冲突。

在基于时隙CSMA/CA模式的MAC协议中，退避算法的目标是赋予节点适当的退避时间，以正确反映节点附近信道的争用状况，包括IEEE 802.15.4标准在内的很多无线通信协议都采用二进制指数退避算法，该算法主要由三个变量决定算法的执行进程，分别是：退避次数NB(Number of Backoffs)、竞争窗口长度CW(Content Window Length)和退避指数BE(Backoff Exponent)。标准中设定时隙方式下BE的最小默认值为macMinBE＝3，最大值为macMaxBE＝8，退避时间为[0,2^macMinBE-1]中的一个随机时间，CW默认值为2，其算法流程如图3所示。

二进制指数退避算法虽然实现方式简单，但也存在诸多问题：

首先，BE的范围被限制在固定的[macMinBE，macMaxBE]之间，不能适应网络站点规模及网络数据传输密度的变化。在CSMA\CA开始后，接入信道的节点需要经过多次迭代调整退避指数BE，直到达到默认的最大值macMaxBE，或者随机的退避周期未发生碰撞为止。当再次进行发送时，BE又恢复默认值，造成网络冲突或重传的概率上升，竞争更加激烈，如此恶性循环，严重时将会使信道堵塞，网络瘫痪，浪费大量的信道资源和传输时间。

其次，它的“自利性”，即有利于数据传输成功的站点短时间内再次抢占到信道的特性，容易导致网络中其他的站点因多次竞争失败而无法发送数据。其原因在于若站点在其中某次竞争中成功发送了数据，则其退避指数BE恢复至macMinBE，而其他站点由于本次竞争未抢占到信道，导致BE增大，在下一次发送时，前一次成功抢占信道的站点由于BE较小，将有大概率再次抢占信道，最终将可能导致其他站点的NB值超限，发送失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够增加数据传输成功率、提高网络吞吐量和减少站点接入信道延迟的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法。

本发明提供的这种基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，包括如下步骤：

S1.站点在监听阶段统计自身的直连站点的数据STAn及当前信标周期内接收到的帧数量RecFrame；

S2.当站点判断需要进行数据发送时，根据步骤S1统计的直连站点数目STAn及帧数量RecFrame，选择退避时间范围；

S3.站点对待发送数据的发送情况进行评估，并动态调整该数据下一次发送退避时间的时间段。

步骤S1所述的监听阶段为网络站点在信标周期内未发送数据，处于搜索网络信号或接收其他网络站点数据的流程阶段，所述信标周期是指由网络协调器分配的，用于指示网络站点接入信道的周期性时间段。

站点在监听阶段接收网络中其他站点传输的数据，每接收一帧完整的数据，则帧数量RecFrame+1；若发现数据中记录的发送站点ID不在本站点的直连站点列表STAList中，则直连站点数目STAn+1，并将发送站点ID添加到STAList中，否则保持STAn及STAList不变。

步骤S2所述的选择退避时间范围，具体为采用如下步骤进行退避时间范围的选择：

A.搜索待传输数据阵列的优先级信息，选择优先级最高的数据准备发送；数据的优先级用x记录，x为自然数；

B.站点将待传输数据的退避次数NB和站点的重试次数RetryTime均初始化为0；

C.站点根据步骤A选取的数据优先级确定调节参数PE；

D.站点根据步骤S1获取的直连站点的数据STAn和帧数量RecFrame确定退避边界时间BoB；

E.根据步骤C获取的调节参数PE和步骤D获取的退避边界时间BoB，确定退避时间T_back，同时设置退避定时器的时长为T_back。

步骤C所述的确定调节参数PE，具体为采用如下公式确定调节参数PE：

PE＝P(x)

式中x表示数据优先级，以0～2表示，若x＝0则表明优先级最高，x＝2表明优先级最低；函数P(x)由下式确定：

步骤D所述的确定退避边界时间BoB，具体为采用如下算式确定退避边界时间BoB：

BoB1＝max(8,STAn)

BoB2＝min(RecFrame,STAn*2)

BoB＝max(BoB1,BoB2)

式中max()为取最大值函数，min()为取最小值函数。

步骤E所述的确定退避时间T_back，具体为采用如下算式确定退避时间T_back：

T_back＝rand[0,BoB]+PE

式中rand[]为产生随机数函数，rand[0,BoB]表示在[0,BoB]区间内取随机整数；

步骤S3所述的动态调整该数据下一次发送退避时间的时间段，具体为若抢占信号不成功或应答不正确，则更新退避次数NB或重试次数RetryTime，并采用如下步骤进行调整：

a.当退避时间结束时，执行信号检测；

b.根据步骤a的检测结果，采用如下规则执行操作：

若检测到信道忙，则将退避次数NB更新为NB+1，并更新调节参数PE为PE＝PE+2^NB；更新完成后判断退避次数NB与设置的最大退避次数的大小：若NB大于最大退避次数，则上报发送数据失败并结束本次发送流程；若NB小于或等于最大退避次数，则根据步骤E重新确定退避时间T_back；

若检测到信道空闲，则立即发送数据，并判断是否需要等待应答帧；

c.根据步骤b是否需要等待应答帧的判定结果，采用如下规则执行操作：

若判定不需要等待应答，则上报发送成功，结束本次发送流程；

若判定需要等待应答，则判定应答帧是否发送成功；

d.根据步骤c的应答帧是否发送成功的判定结果，采用如下规则执行操作：

若应答帧发送成功，则上报发送成功，结束本次发送流程；

若应答帧发送不成功，则更新重试次数RetryTime为RetryTime+1，同时将退避边界时间BoB更新为BoB＝min(BoB*2,maxSTAn)，其中maxSTAn为网络站点的最大规模数；同时，判断重试次数RetryTime与设置的最大重发次数的大小；

e.若重试次数RetryTime大于最大重发次数，则上报发送失败，结束本次发送流程；

若重试次数RetryTime小于或等于最大重发次数，则根据步骤E重新确定退避时间T_back。

本发明所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，通过监听阶段获取网络站点规模及数据流量，为数据发送的决策阶段提供相应的信息，并对待发送数据的发送情况进行评估，使得网络节点能够根据网络及数据发送的状况动态的选择一个合适的退避范围。该方法能够增加网络吞吐量并降低网络通信延时，也能够提高信道介入的公平性。

附图说明

图1为超帧结构示意图。

图2为CSMA\CA工作原理示意图。

图3为现有技术的IEEE802.15.4协议栈中规定的二进制指数退避算法的算法流程示意图。

图4为本发明方法的方法流程图。

图5为本发明方法与现有的二进制指数退避算法的网络平均吞吐量与普通站点数量的对比曲线图。

图6为本发明方法与现有的二进制指数退避算法的网络平均延时与普通站点数量的对比曲线图。

具体实施方式

如图4所示为本发明方法的方法流程图：本发明提供的这种基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，包括如下步骤：

S1.站点在监听阶段统计自身的直连站点的数据STAn及当前信标周期内接收到的帧数量RecFrame；

监听阶段为网络站点在信标周期内未发送数据，处于搜索网络信号或接收其他网络站点数据的流程阶段，所述信标周期是指由网络协调器分配的，用于指示网络站点接入信道的周期性时间段；站点在监听阶段接收网络中其他站点传输的数据，每接收一帧完整的数据，则帧数量RecFrame+1；若发现数据中记录的发送站点ID不在本站点的直连站点列表STAList中，则直连站点数目STAn+1，并将发送站点ID添加到STAList中，否则保持STAn及STAList不变；

S2.当站点判断需要进行数据发送时，根据步骤S1统计的直连站点数目STAn及帧数量RecFrame，选择退避时间范围；具体为采用如下步骤进行退避时间范围的选择：

A.搜索待传输数据阵列的优先级信息，选择优先级最高的数据准备发送；数据的优先级用x记录，x为自然数；

B.站点将待传输数据的退避次数NB和站点的重试次数RetryTime均初始化为0；

C.站点根据步骤A选取的数据优先级确定调节参数PE；具体为采用如下公式确定调节参数PE：

PE＝P(x)

式中x表示数据优先级，以0～2表示，若x＝0则表明优先级最高，x＝2表明优先级最低；函数P(x)由下式确定：

D.站点根据步骤S1获取的直连站点的数据STAn和帧数量RecFrame确定退避边界时间BoB；具体为采用如下算式确定退避边界时间BoB：

BoB1＝max(8,STAn)

BoB2＝min(RecFrame,STAn*2)

BoB＝max(BoB1,BoB2)

式中max()为取最大值函数，min()为取最小值函数；

E.根据步骤C获取的调节参数PE和步骤D获取的退避边界时间BoB，确定退避时间T_back，同时设置退避定时器的时长为T_back；具体为采用如下算式确定退避时间T_back：

T_back＝rand[0,BoB]+PE

式中rand[]为产生随机数函数，rand[0,BoB]表示在[0,BoB]区间内取随机整数；

S3.站点对待发送数据的发送情况进行评估，并动态调整该数据下一次发送退避时间的时间段；具体为若抢占信号不成功或应答不正确，则更新退避次数NB或重试次数RetryTime，并采用如下步骤进行调整：

a.当退避时间结束时，执行信号检测；

b.根据步骤a的检测结果，采用如下规则执行操作：

若检测到信道忙，则将退避次数NB更新为NB+1，并跟新调节参数PE为PE＝PE+2^NB；更新完成后判断退避次数NB与设置的最大退避次数的大小：若NB大于最大退避次数，则上报发送数据失败并结束本次发送流程；若NB小于或等于最大退避次数，则根据步骤E重新确定退避时间T_back；

若检测到信道空闲，则立即发送数据，并判断是否需要等待应答帧；

c.根据步骤b是否需要等待应答帧的判定结果，采用如下规则执行操作：

若判定不需要等待应答，则上报发送成功，结束本次发送流程；

若判定需要等待应答，则判定应答帧是否发送成功；

d.根据步骤c的应答帧是否发送成功的判定结果，采用如下规则执行操作：

若应答帧发送成功，则上报发送成功，结束本次发送流程；

若应答帧发送不成功，则更新重试次数RetryTime为RetryTime+1，同时将退避边界时间BoB更新为BoB＝min(BoB*2,maxSTAn)，其中maxSTAn为网络站点的最大规模数；同时，判断重试次数RetryTime与设置的最大重发次数的大小；

e.若重试次数RetryTime大于最大重发次数，则上报发送失败，结束本次发送流程；

若重试次数RetryTime小于或等于最大重发次数，则根据步骤E重新确定退避时间T_back。

为了更直观的体现本发明的实用性与有效性，发明人采用NS 2.35仿真软件对本发明所述方法进行了验证。假设在100m×100m的范围内，有一个由1个网络协调器和n个普通站点构成的星形拓扑网络，每个站点都会向网络协调器发送数据。同时，假定网络中的所有站点都能够进行相互通信，不存在隐藏站点和不可达站点。上述假设既不失一般性。

实验中设置超帧中无非活跃部分CFP，即节点不会进入休眠模式，同时为了对比的公平性，设置所有站点发送数据的优先级一致且为0。当网络协调器开始工作后，设置开启所有的普通站点，实验模拟时间设置为200s。

仿真软件模拟的IEEE802.15.4协议栈应用层模型选用CBR(Constant Bit Rate)流量发生器。待发送数据的长度设置为100Bytes。模拟协议栈传输层选用UDP协议，路由队列类型采用Drop Tail队列，物理层的数据传输速率为500Kbps，MAC层分别采用本发明所述退避方法及二进制指数退避方法进行信道的接入。每次实验保持网络站点数量不变，取10次实验的平均值，记录网络的平均吞吐量、网络传输平均延时，再增加普通站点数量，重复试验。

图5为网络平均吞吐量与普通站点数量的曲线图。由图中可以看出，本发明所述方法相对二进制指数退避算法，在站点数量较小的情况下，网络吞吐量的没有明显区别，这是因为各站点在该情况下发生冲突的可能性较低。随着网络站点规模的扩大，站点间发生碰撞的几率增大，本发明所述方法表现出优于二进制指数退避算法的吞吐量性能，原因在于本发明所述方法能够根据站点数及数据流量，更合理的选择退避时间，提升了信道利用率。

图6为网络平均延时与普通站点数量的曲线图。从图中可以看出，在站点数量较小的情况下，两种方法的平均延时很接近。当站点数目增多时，两种方法的平均延时都会增加，但本发明所述方法的增速明显要低于二进制指数退避算法，说明本发明所述方法在节点数增加时，能够有效的改善通信延时。

Claims (7)

1.一种基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，包括如下步骤：

S1.站点在监听阶段统计自身的直连站点的数据STAn及当前信标周期内接收到的帧数量RecFrame；

S2.当站点判断需要进行数据发送时，根据步骤S1统计的直连站点数目STAn及帧数量RecFrame，选择退避时间范围；具体为采用如下步骤进行退避时间范围的选择：

A.搜索待传输数据阵列的优先级信息，选择优先级最高的数据准备发送；数据的优先级用x记录，x为自然数；

B.站点将待传输数据的退避次数NB和站点的重试次数RetryTime均初始化为0；

C.站点根据步骤A选取的数据优先级确定调节参数PE；

D.站点根据步骤S1获取的直连站点的数据STAn和帧数量RecFrame确定退避边界时间BoB；

E.根据步骤C获取的调节参数PE和步骤D获取的退避边界时间BoB，确定退避时间T_back，同时设置退避定时器的时长为T_back；

S3.站点对待发送数据的发送情况进行评估，并动态调整该数据下一次发送退避时间的时间段。

2.根据权利要求1所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，其特征在于步骤S1所述的监听阶段为网络站点在信标周期内未发送数据，处于搜索网络信号或接收其他网络站点数据的流程阶段，所述信标周期是指由网络协调器分配的，用于指示网络站点接入信道的周期性时间段。

3.根据权利要求2所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，其特征在于站点在监听阶段接收网络中其他站点传输的数据，每接收一帧完整的数据，则帧数量RecFrame+1；若发现数据中记录的发送站点ID不在本站点的直连站点列表STAList中，则直连站点数目STAn+1，并将发送站点ID添加到STAList中，否则保持STAn及STAList不变。

4.根据权利要求3所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，其特征在于步骤C所述的确定调节参数PE，具体为采用如下公式确定调节参数PE：

PE＝P(x)

式中x表示数据优先级，以0～2表示，若x＝0则表明优先级最高，x＝2表明优先级最低；函数P(x)由下式确定：

5.根据权利要求4所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，其特征在于步骤D所述的确定退避边界时间BoB，具体为采用如下算式确定退避边界时间BoB：

BoB1＝max(8,STAn)

BoB2＝min(RecFrame,STAn*2)

BoB＝max(BoB1,BoB2)

式中max()为取最大值函数，min()为取最小值函数。

6.根据权利要求5所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，其特征在于步骤E所述的确定退避时间T_back，具体为采用如下算式确定退避时间T_back：

T_back＝rand[0,BoB]+PE

式中rand[]为产生随机数函数，rand[0,BoB]表示在[0,BoB]区间内取随机整数。

7.根据权利要求6所述的基于时隙CSMA\CA模式的自适应退避方法，其特征在于步骤S3所述的动态调整该数据下一次发送退避时间的时间段，具体为若抢占信号不成功或应答不正确，则更新退避次数NB或重试次数RetryTime，并采用如下步骤进行调整：

a.当退避时间结束时，执行信号检测；

b.根据步骤a的检测结果，采用如下规则执行操作：

若检测到信道忙，则将退避次数NB更新为NB+1，并跟新调节参数PE为PE＝PE+2^NB；更新完成后判断退避次数NB与设置的最大退避次数的大小：若NB大于最大退避次数，则上报发送数据失败并结束本次发送流程；若NB小于或等于最大退避次数，则根据步骤E重新确定退避时间T_back；

若检测到信道空闲，则立即发送数据，并判断是否需要等待应答帧；

c.根据步骤b是否需要等待应答帧的判定结果，采用如下规则执行操作：

若判定不需要等待应答，则上报发送成功，结束本次发送流程；

若判定需要等待应答，则判定应答帧是否发送成功；

d.根据步骤c的应答帧是否发送成功的判定结果，采用如下规则执行操作：

若应答帧发送成功，则上报发送成功，结束本次发送流程；

若应答帧发送不成功，则更新重试次数RetryTime为RetryTime+1，同时将退避边界时间BoB更新为BoB＝min(BoB*2,maxSTAn)，其中maxSTAn为网络站点的最大规模数；同时，判断重试次数RetryTime与设置的最大重发次数的大小；

e.若重试次数RetryTime大于最大重发次数，则上报发送失败，结束本次发送流程；

若重试次数RetryTime小于或等于最大重发次数，则根据步骤E重新确定退避时间T_back。

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