CN108430054B - 基于时延优先级的多信道csma带宽分配方法 - Google Patents

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CN108430054B CN201810207853.0A CN201810207853A CN108430054B CN 108430054 B CN108430054 B CN 108430054B CN 201810207853 A CN201810207853 A CN 201810207853A CN 108430054 B CN108430054 B CN 108430054B
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Abstract

本发明涉及一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，该方法的基站根据小区节点数量及节点数据包发送频率估计初始信道负载，计算分配给高优先级节点的带宽，通过下行广播信道广播高优先级节点可用频带；待发送数据节点侦听下行广播信道，获得许可频带，然后进行数据传输；根据一段时间瞬时负载估计下一时段平均负载，利用平均负载计算下一时段分配给高优先级节点的带宽；重复步骤二、三直至收敛。本发明的优点是将频带分为2个用于高优先级节点和低优先级节点通信的子频带，通过合理分配带宽资源保证高优先级节点的接入时延满足应用要求，不断调整分配带宽，以使高优先级节点的接入时延能够一直满足应用要求，保持网络稳定性。

Description

基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法
技术领域
本发明涉及一种机器类通信中基于时延优先级的多信道CSMA(载波侦听多路访问)带宽分配方法，属于物联网随机接入技术领域。
背景技术
机器通信是物联网时代最为基础的通信方式，其主要特征是在大量设备节点间独立的无人类干扰地进行无缝的数据交换。机器通信的应用领域包含生活的方方面面，例如智能家庭、智慧健康、智能电网及工业自动化等。这些应用的最大特点就是节点的种类多种多样，常常遇到一个小区中有多种物联网节点并存的情况。但是，不同的应用对于网络的要求也不相同，有些应用对时延十分敏感，需要在很短的时间接入基站，有些应用如智能抄表等对于时延的要求不敏感。因此，怎样保证网络能够满足不同应用的要求显得十分重要。
目前，常用的是通过将不同节点划分为不同的优先级以实现多种应用并存的随机接入方式，该方式主要是将不同优先级的节点分组，并且在发送数据时使用不同的功率、时频资源、发送概率、回退策略等实现高优先级节点和低优先级节点的区别。据了解，在KimT.等人的论文中，介绍了一种高优先级节点和低优先级节点使用不同发射功率从而进行区分的协议，该协议的核心思想是在申请随机接入时各节点随机选择一个前导并将其发送给基站，但是在发送前导时每个节点会根据自己的优先级情况选择不同的发射功率。高优先级节点会选择比较高的发射功率，在基站端检测时也会有比较高的检测门限，低优先级节点会选择比较低的发射功率，在基站端检测时也会相应的对应比较低的检测门限。在基站端，先通过高功率门限检测出高优先级节点的前导，然后在排除所有高优先级节点的前导后利用低功率门限检测出所有低优先级节点的前导。这样做的好处是，即使高优先级节点和低优先级节点同时选择了同一个前导发送给基站，基站仍然只会对高优先级节点的前导进行回应，而忽略低优先级节点的接入请求。但是，这种协议要求M2M节点保持静止，因此在M2M部署中受到很大的限制。在Vilgelm M.等人的论文中，介绍了一种基于前导分离的优先级控制协议，前导的分离主要分为两种，一种是非重叠分配，这种方法的核心是每一种优先级的节点使用不同的前导组合接入，每一个节点只和同一优先级的节点竞争接入，不和其他优先级节点竞争；另一种是重叠分配，这种方法的核心是高优先级节点可以使用所有可用的前导进行随机接入，但是低优先级节点只能使用其中一部分前导进行随机接入，相对高优先级节点来说，低优先级节点可以使用的前导数较少，较容易产生冲突，但这也保证了高优先级节点能够有更大的概率成功计入。在Zangar N.等人的论文中，提出了一种多接入等级控制机制，该机制主要包含两个部分，第一部分是发送节点需要在随机接入信息发送时根据其自身的优先级加入拥塞情况指示，第二部分是基站端对应每一种不同的优先级生成不同的接入等级控制因子。节点的优先级分为三类，分别是高优先级数据，对应于紧急情况时的报警信息；中等优先级数据，对应于传统的语音、移动数据流、视频、网页浏览和文件传输等；低优先级数据对应于日常的环境、电表等检测场景。每个优先级节点在发送数据时都会生成一个计数器用于记录发送前导的次数，并且在每一次发送前导后计数器都会增加1。基站在接收到各节点发送的拥塞指示后就能知道每个优先级节点在随机接入时的拥塞情况，从而可以在下一时隙动态改变对应于每一个优先级的ACB因子。当高优先级节点发生严重的拥塞时，系统可以及时将中等优先级和低优先级节点的ACB因子调小以保证高优先级节点能够用及时传输紧急信息。若高优先级节点拥塞不严重但是中等优先级节点拥塞严重时，可以适当增加中等优先级节点的ACB因子并且将低优先级节点的ACB因子调小以适当保证中等优先级节点的接入效率。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，该方法采用多信道CSMA协议能够降低在机器通信中负载很大时节点接入的时延，还可以根据高优先级节点的时延要求优先为高优先级节点分配足够的带宽资源，从而保证高优先级节点的接入时延能够满足应用的要求。
为了达到以上目的，本发明提供了一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，该方法包括以下步骤：
第一步、基站统计小区中的节点数量及每个节点的数据包发送频率，再根据小区中节点数量及每个节点的数据包发送频率估计初始信道负载，并计算需要分配给高优先级节点的带宽，再根据系统的频率资源确定可用频带，然后通过下行广播信道广播高优先级节点可用频带；
第二步、待发送数据的节点侦听下行广播信道，以获得该节点发送数据所许可的频带，并利用非持续载波侦听多址接入协议进行数据传输；
第三步、基站根据一段时间内的瞬时负载估计出下一时段的平均负载，并利用该平均负载计算下一时段需要分配给高优先级节点的带宽；
第四步、重复步骤二、三直至收敛。
本发明的基站通过检测小区中高优先级和低优先级节点随机接入的频率确定当前基站的高低优先级节点接入负载情况，各节点使用基于频率分组的多信道非持续载波侦听多址接入方式与基站进行通信，为了保证高优先级节点发送的数据包能在一定时间限制内成功发送，基站根据小区中接入负载情况确定分配给高优先级节点和低优先级节点的带宽。本发明所涉及的系统是一个通信系统，类似于GSM900系统，包括基站、用户节点等，该系统的频率资源类似于GSM 900的可用频段，上行为890-915MHz，下行为935-960MHz。
第一步中，初始时，无需估计信道负载，高低优先级带宽可按各50％的方式分配。
优选地，第一步中，在基于高优先级与低优先级时延相对值的带宽分配方法中，计算需要分配给高优先级节点带宽的具体方法如下：
(1.1)将高优先级数据包传输时间记为
Figure GDA0002648245630000041
根据(1)式计算高优先级数据包传输时间，
Figure GDA0002648245630000042
同时，将低优先级数据包传输时间记为
Figure GDA0002648245630000043
根据(2)式计算低优先级数据包传输时间，
Figure GDA0002648245630000044
其中，D为数据包的大小，其单位为kbits，W为系统总带宽，其单位为kHz，WH为高优先级数据包所占据的带宽，WL为低优先级数据包所占据的带宽，
Figure GDA0002648245630000051
为基站对于高优先级数据包的接收信噪比，
Figure GDA0002648245630000052
为基站对于低优先级数据包的接收信噪比；
(1.2)将高优先级数据包成功传输的概率记为
Figure GDA0002648245630000053
根据(3)式计算高优先级数据包成功传输的概率，
Figure GDA0002648245630000054
其中，gH为信道中高优先级节点的负载，TH为设计的一个变量，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，
同时，将低优先级数据包成功传输的概率记为
Figure GDA0002648245630000055
根据(4)式计算低优先级数据包成功传输的概率，
Figure GDA0002648245630000056
其中，gL为信道中低优先级节点的负载，TL为设计的一个变量，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延；数据包成功传输需要有两个条件，一是在数据包发送时信道状态要为空闲，另一个是在数据开始发送后的一段时间内整个小区不能有其他节点发送数据，若另一个节点没能侦听到信道繁忙开始发送数据，则会与当前发送的数据包产生冲突导致接入失败；
(1.3)将需要分配给高优先级节点的带宽记为WH，然后根据(5)式计算带宽，
Figure GDA0002648245630000057
其中，
Figure GDA0002648245630000058
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure GDA0002648245630000059
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure GDA0002648245630000061
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA0002648245630000062
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA0002648245630000063
为低优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA0002648245630000064
为低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA0002648245630000065
为高优先级数据包的传输时延限制，即高优先级数据包的传输时延与低优先级数据的传输时延比值不得超过
Figure GDA0002648245630000066
θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间。
优选地，在步骤(1.1)中，根据(6)式计算系统总带宽W，
WH+WL＝W (6)
其中，WH为高优先级数据包所占据的带宽，WL为低优先级数据包所占据的带宽。
优选地，在步骤(1.2)中，根据(7)式计算信道中高优先级节点的负载gH，
gH＝MH·rH (7)
其中，MH为小区中高优先级节点个数，rH为高优先级节点申请接入的频率，即高优先级负载与低优先级负载之和；
根据(8)式计算TH，
Figure GDA0002648245630000067
其中，
Figure GDA0002648245630000068
为高优先级数据包传输时间，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ为数据包从节点到基站的传播时延；
根据(9)式计算信道中低优先级节点的负载gL，
gL＝ML·rL (9)
其中，ML为小区中低优先级节点个数，rL为低优先级节点申请接入的频率，即高优先级负载与低优先级负载之和；
根据(10)式计算TL，
Figure GDA0002648245630000071
其中，
Figure GDA0002648245630000072
为低优先级数据包传输时间，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ为数据包从节点到基站的传播时延。
优选地，在步骤(1.3)中，根据(11)式计算高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率
Figure GDA0002648245630000073
Figure GDA0002648245630000074
其中，gH为信道中高优先级节点的负载，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延；
根据(12)式计算低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率
Figure GDA0002648245630000075
Figure GDA0002648245630000076
其中，gL为信道中低优先级节点的负载，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延。
优选地，在步骤(1.3)中，高优先级节点发送时信道空闲的概率
Figure GDA0002648245630000077
与高优先级数据包成功传输的概率
Figure GDA0002648245630000078
的关系如(13)式所述，
Figure GDA0002648245630000079
低优先级节点发送时信道空闲的概率
Figure GDA00026482456300000710
与低优先级数据包成功传输的概率
Figure GDA00026482456300000711
的关系如(14)式所述，
Figure GDA00026482456300000712
优选地，第一步中，在基于高优先级时延绝对值的带宽分配方法中计算需要分配给高优先级节点带宽的具体方法如下：
根据(15)式计算需要分配给高优先级节点的带宽，
Figure GDA0002648245630000081
其中，C为高优先级数据包的传输时延限制，即高优先级数据包的传输时延不得超过C，其单位为s。
优选地，第二步中，获取节点发送数据所许可频带的具体方法如下：
将高优先级节点的许可频带记为fH，根据(16)式计算高优先级节点的许可频带，
fH＝(f1，f1+WH)或
fH＝(f2-WH，f2) (16)
将低优先级节点的许可频带记为fL，根据(17)式计算低优先级节点的许可频带，
fL＝(f1+WH，f2)或
fL＝(f1，f2-WH) (17)
其中，f1为整个频带的起始频率，f2为整个频带的终止频率。
优选地，第三步中，计算下一时段需要分配给高优先级节点的带宽的具体方法如下：
(3.1)将高优先级数据包在下一时段的平均负载记为
Figure GDA0002648245630000082
基站根据(18)式计算高优先级数据包在下一时段的平均负载，
Figure GDA0002648245630000083
其中，gH(t)为基站中高优先级节点成功接入请求的次数随时间变化的函数，
Figure GDA0002648245630000084
为高优先级数据包成功传输的概率，即高优先级节点接入成功概率；在基站初始化时，将t1设为0，t2设为统计时间段的长度，则
Figure GDA0002648245630000091
为统计时间段内基站每秒钟成功接收到的高优先级节点接入请求，
Figure GDA0002648245630000092
与
Figure GDA0002648245630000093
二者的比值为在统计时间段内每秒钟所有低优先级节点尝试接入的次数；
将低优先级数据包在下一时段的平均负载记为
Figure GDA0002648245630000094
基站根据(19)式计算低优先级数据包在下一时段的平均负载，
Figure GDA0002648245630000095
其中，gL(t)为基站中低优先级节点成功接入请求的次数随时间变化的函数，t1为基站统计数据包接入数的起始时间点，t2为基站统计数据包接入数的终止时间点，(t2-t1)为统计的时间长度，
Figure GDA0002648245630000096
为低优先级数据包成功传输的概率，即低优先级节点接入成功概率；分母中，d表示微分，t表示时间，而分子部分是积分，表示从t1时间到t2时间所有负载总和。在基站初始化时，将t1设为0，t2设为统计时间段的长度，则
Figure GDA0002648245630000097
为统计时间段内基站每秒钟成功接收到低优先级节点的接入请求，
Figure GDA0002648245630000098
与
Figure GDA0002648245630000099
二者的比值为在统计时间段内每秒钟所有低优先级节点尝试接入的次数；
(3.2)根据(5)式或(15)式计算分配给高优先级节点的带宽，
Figure GDA00026482456300000910
其中，
Figure GDA0002648245630000101
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure GDA0002648245630000102
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure GDA0002648245630000103
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA0002648245630000104
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA0002648245630000105
为低优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA0002648245630000106
为低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA0002648245630000107
为高优先级数据包的传输时延限制，θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间；
Figure GDA0002648245630000108
其中，C为高优先级数据包的传输时延限制。
本发明的优点是将整个频带分为2个子频带，分别用于高优先级节点和低优先级节点的通信，并且通过合理分配带宽资源保证高优先级节点的接入时延满足应用要求，同时能够不断调整分配给高优先级和低优先级节点的带宽，以使得高优先级节点的接入时延能够一直满足应用要求，保持网络稳定性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明中机器通信的网络模型图。
图2为本发明的流程图。
图3为本发明中检测节点实施上行随机接入的流程图。
具体实施方式
实施例一
本实施例提供了一种机器类通信中基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，该方法的机器通信网络模型如图1所示，该网络模型适用于“基站节点+多种检测节点”的机器通信网络场景，该场景具有以下特点：多种监测节点负责采集周边环境数据，并上传至基站节点；监测节点在机器通信网络中随机分布，监测节点与基站节点进行数据交换时可直接通信，无需中继节点；监测节点单次上传数据量较小，节点采集数据的时间具有规律性；监测节点为电池型设备，节点能源有限，基站对能源供应无限制性要求；监测节点具备可休眠特性，即网络中激活节点的数量是变化的；多种监测节点并存，且每种节点对于网络的要求不一定相同。
如图2所示，本实施例的机器类通信中基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，包括以下步骤：
第一步、基站根据小区中节点数量及每个节点的数据包发送频率估计信道负载并根据公式计算初始的分配给高优先级节点的带宽。计算需要分配给高优先级节点带宽的具体方法有两种，一种为基于高优先级与低优先级时延相对值的带宽分配方法，另一种为基于高优先级时延绝对值的带宽分配方法。基于高优先级与低优先级时延相对值的分配方法如下：
(1.1)将高优先级数据包传输时间记为
Figure GDA0002648245630000111
那么高优先级数据包传输时间的计算公式为
Figure GDA0002648245630000112
同时将低优先级数据包传输时间记为
Figure GDA0002648245630000113
那么低优先级数据包传输时间的计算公式为
Figure GDA0002648245630000114
其中D为数据包的大小，其单位为kbits，W为系统总带宽，其单位为kHz，且WH+WL＝W，WH为高优先级数据包所占据的带宽，WL为低优先级数据包所占据的带宽，
Figure GDA0002648245630000115
为基站对于高优先级数据包的接收信噪比，
Figure GDA0002648245630000121
为基站对于低优先级数据包的接收信噪比；
(1.2)将高优先级数据包成功传输的概率记为
Figure GDA0002648245630000122
那么高优先级数据包成功传输概率的计算公式为
Figure GDA0002648245630000123
同时将低优先级数据包成功传输的概率记为
Figure GDA0002648245630000124
那么低优先级数据包成功传输概率的计算公式为
Figure GDA0002648245630000125
其中gH为信道中高优先级节点的负载，且gH＝MH·rH，MH为小区中高优先级节点个数，rH为高优先级节点申请接入的频率，
Figure GDA0002648245630000126
Figure GDA0002648245630000127
为高优先级数据包传输时间，gL为信道中低优先级节点的负载，gL＝ML·rL，ML为小区中低优先级节点个数，rL为低优先级节点申请接入的频率，即高优先级负载与低优先级负载之和；
Figure GDA0002648245630000128
Figure GDA0002648245630000129
为低优先级数据包传输时间，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ为数据包从节点到基站的传播时延；数据包成功传输需要有两个条件，一是在数据包发送时信道状态要为空闲，另一个是在数据开始发送后的一段时间内整个小区不能有其他节点发送数据，若另一个节点没能侦听到信道繁忙开始发送数据，则会与当前发送的数据包产生冲突导致接入失败；
(1.3)将需要分配给高优先级节点的带宽记为WH，计算公式为
Figure GDA00026482456300001210
其中
Figure GDA00026482456300001211
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure GDA00026482456300001212
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure GDA0002648245630000131
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA0002648245630000132
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA0002648245630000133
的计算公式为
Figure GDA0002648245630000134
与
Figure GDA0002648245630000135
的关系式为
Figure GDA0002648245630000136
gH为信道中高优先级节点的负载；
Figure GDA0002648245630000137
为低优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA0002648245630000138
为低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA0002648245630000139
的计算公式为
Figure GDA00026482456300001310
与
Figure GDA00026482456300001311
的关系式为
Figure GDA00026482456300001312
gL为信道中低优先级节点的负载，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延；
Figure GDA00026482456300001313
为高优先级数据包的传输时延限制，即高优先级数据包的传输时延与低优先级数据的传输时延比值不得超过
Figure GDA00026482456300001314
θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间。
基于高优先级时延绝对值的带宽分配方法如下：
需要分配给高优先级节点的带宽WH计算公式为
Figure GDA00026482456300001315
其中，C为高优先级数据包的传输时延限制，即高优先级数据包的传输时延不得超过C，其单位为s。
第二步、根据系统的频率资源确定可用频带，下行广播信道广播高优先级节点可用频带，待发送数据的节点侦听下行广播信道，并根据接收到的信息确定许可频带，各节点根据分配到的上行资源使用非持续载波侦听多址接入协议进行上行随机接入。
节点根据以下方法确定许可频带：将高优先级节点的许可频带记为fH，高优先级节点的许可频带的计算公式为fH＝(f1，f1+WH)或fH＝(f2-WH，f2)，将低优先级节点的许可频带记为fL，低优先级节点的许可频带计算公式为fL＝(f1+WH，f2)或fL＝(f1，f2-WH)，其中f1为整个频带的起始频率，f2为整个频带的终止频率。
当有数据需要发送时，各节点就利用相应的许可频带使用非持续载波侦听多址接入的方法进行上行随机接入。具体方法如下：当有数据需要发送时，节点侦听在所分配到的频带内是否有其他节点在传输数据，若有其他节点传输数据，则随机等待一段时间再次侦听信道忙闲状态，若侦听到信道空闲，则立即发送数据，若信道仍然繁忙，则继续等待一段时间后侦听，直到信道空闲立即发送数据为止。
第三步、基站实时统计节点成功接入次数，并根据一段时间内的瞬时负载估计出下一时段的平均负载，再根据平均负载计算下一时段需要分配给高优先级节点的带宽。
(3.1)将高优先级数据包在下一时段的平均负载记为
Figure GDA0002648245630000141
该平均负载的计算公式为
Figure GDA0002648245630000142
其中gH(t)为基站中高优先级节点成功接入请求的次数随时间变化的函数，t1为基站统计数据包接入数的起始时间点，t2为基站统计数据包接入数的终止时间点，(t2-t1)为统计的时间长度，在基站初始化时，将t1设为0，t2设为统计时间段的长度，则
Figure GDA0002648245630000143
为统计时间段内基站每秒钟成功接收到的高优先级节点接入请求，
Figure GDA0002648245630000144
为高优先级节点接入成功概率，
Figure GDA0002648245630000145
与
Figure GDA0002648245630000146
二者的比值为在统计时间段内每秒钟所有低优先级节点尝试接入的次数；
将低优先级数据包在下一时段的平均负载记为
Figure GDA0002648245630000147
该平均负载的计算公式为
Figure GDA0002648245630000151
其中gL(t)为基站中低优先级节点成功接入请求的次数随时间变化的函数，t为时间，
Figure GDA0002648245630000152
为低优先级数据包成功传输的概率，在基站初始化时，将t1设为0，t2设为统计时间段的长度，则
Figure GDA0002648245630000153
为统计时间段内基站每秒钟成功接收到低优先级节点的接入请求，
Figure GDA0002648245630000154
与
Figure GDA0002648245630000155
二者的比值为在统计时间段内每秒钟所有低优先级节点尝试接入的次数。
(3.2)计算分配给高优先级节点带宽的公式为
Figure GDA0002648245630000156
或者
Figure GDA0002648245630000157
其中，
Figure GDA0002648245630000158
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure GDA0002648245630000159
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure GDA00026482456300001510
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA00026482456300001511
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA00026482456300001512
为低优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure GDA00026482456300001513
为低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure GDA00026482456300001514
为高优先级数据包的传输时延限制，θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间；C为高优先级数据包的传输时延限制。
第四步、利用估计出的下一时间段平均负载再次根据步骤一中的方法计算需要分配给高优先级节点的带宽
Figure GDA0002648245630000161
并重复步骤二、三直至收敛。
如图3所示，监测节点的随机接入申请时序的方法如下：某一节点在开始运行后判断是否有数据需要传输，如果没有数据需要传输，则继续监测，如果有数据需要传输，则接收下行控制信道中包含的关于信道和频率等信息。接收完毕后侦听信道，若信道忙，则随机等待一段时间后再次侦听信道忙闲，直到侦听到信道空闲后立即传输数据，传输完毕后再次判断是否有数据需要发送，若有，则继续上述过程，若没有数据需要发送，则继续监测。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、统计小区中的节点数量及每个节点的数据包发送频率，再根据小区中节点数量及每个节点的数据包发送频率估计初始信道负载，并计算需要分配给高优先级节点的带宽，再根据系统的频率资源确定可用频带，然后通过下行广播信道广播高优先级节点可用频带；在基于高优先级与低优先级时延相对值的带宽分配方法中，计算需要分配给高优先级节点带宽的具体方法如下：
(1.1)将高优先级数据包传输时间记为
Figure FDA0002648245620000011
根据(1)式计算高优先级数据包传输时间，
Figure FDA0002648245620000012
同时，将低优先级数据包传输时间记为
Figure FDA0002648245620000013
根据(2)式计算低优先级数据包传输时间，
Figure FDA0002648245620000014
其中，D为数据包的大小，W为系统总带宽，WH为高优先级数据包所占据的带宽，WL为低优先级数据包所占据的带宽，
Figure FDA0002648245620000015
为基站对于高优先级数据包的接收信噪比，
Figure FDA0002648245620000016
为基站对于低优先级数据包的接收信噪比；
(1.2)将高优先级数据包成功传输的概率记为
Figure FDA0002648245620000017
根据(3)式计算高优先级数据包成功传输的概率，
Figure FDA0002648245620000021
其中，gH为信道中高优先级节点的负载，TH为设计的一个变量，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，
同时，将低优先级数据包成功传输的概率记为
Figure FDA0002648245620000022
根据(4)式计算低优先级数据包成功传输的概率，
Figure FDA0002648245620000023
其中，gL为信道中低优先级节点的负载，TL为设计的一个变量，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延；
(1.3)将需要分配给高优先级节点的带宽记为WH，然后根据(5)式计算带宽，
Figure FDA0002648245620000024
其中，
Figure FDA0002648245620000025
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure FDA0002648245620000026
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure FDA0002648245620000027
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure FDA0002648245620000028
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure FDA0002648245620000029
为低优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure FDA00026482456200000210
为低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure FDA00026482456200000211
为高优先级数据包的传输时延限制，θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间；
在基于高优先级时延绝对值的带宽分配方法中，计算需要分配给高优先级节点带宽的具体方法如下：
根据(15)式计算需要分配给高优先级节点的带宽，
Figure FDA0002648245620000031
其中，
Figure FDA0002648245620000037
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure FDA0002648245620000032
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure FDA0002648245620000033
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure FDA0002648245620000034
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间，
Figure FDA0002648245620000035
为高优先级数据包成功传输的概率，
Figure FDA0002648245620000036
为高优先级数据包传输时间，C为高优先级数据包的传输时延限制；
第二步、待发送数据的节点侦听下行广播信道，以获得该节点发送数据所许可的频带，并利用非持续载波侦听多址接入协议进行数据传输；
第三步、基站根据一段时间内的瞬时负载估计出下一时段的平均负载，并利用该平均负载计算下一时段需要分配给高优先级节点的带宽；
第四步、重复步骤二、三直至收敛。
2.根据权利要求1所述一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，在步骤(1.1)中，根据(6)式计算系统总带宽W，
WH+WL＝W (6)
其中，WH为高优先级数据包所占据的带宽，WL为低优先级数据包所占据的带宽。
3.根据权利要求2所述一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，在步骤(1.2)中，根据(7)式计算信道中高优先级节点的负载gH，
gH＝MH·rH (7)
其中，MH为小区中高优先级节点个数，rH为高优先级节点申请接入的频率；
根据(8)式计算TH，
Figure FDA0002648245620000041
其中，
Figure FDA0002648245620000042
为高优先级数据包传输时间，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ为数据包从节点到基站的传播时延；
根据(9)式计算信道中低优先级节点的负载gL，
gL＝ML·rL (9)
其中，ML为小区中低优先级节点个数，rL为低优先级节点申请接入的频率；
根据(10)式计算TL，
Figure FDA0002648245620000043
其中，
Figure FDA0002648245620000044
为低优先级数据包传输时间，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ为数据包从节点到基站的传播时延。
4.根据权利要求3所述一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，在步骤(1.3)中，根据(11)式计算高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率
Figure FDA0002648245620000045
Figure FDA0002648245620000046
其中，gH为信道中高优先级节点的负载，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延；
根据(12)式计算低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率
Figure FDA0002648245620000047
Figure FDA0002648245620000051
其中，gL为信道中低优先级节点的负载，δd为其他节点能侦听到信道忙的侦听时延。
5.根据权利要求4所述一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，在步骤(1.3)中，高优先级节点发送时信道空闲的概率
Figure FDA0002648245620000052
与高优先级数据包成功传输的概率
Figure FDA0002648245620000053
的关系如(13)式所述，
Figure FDA0002648245620000054
低优先级节点发送时信道空闲的概率
Figure FDA0002648245620000055
与低优先级数据包成功传输的概率
Figure FDA0002648245620000056
的关系如(14)式所述，
Figure FDA0002648245620000057
6.根据权利要求1所述一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，第二步中，获取节点发送数据所许可频带的具体方法如下：
将高优先级节点的许可频带记为fH，根据(16)式计算高优先级节点的许可频带，
fH＝(f1，f1+WH)或
fH＝(f2-WH，f2) (16)
将低优先级节点的许可频带记为fL，根据(17)式计算低优先级节点的许可频带，
fL＝(f1+WH，f2)或
fL＝(f1，f2-WH) (17)
其中，WH为需要分配给高优先级节点的带宽，f1为整个频带的起始频率，f2为整个频带的终止频率。
7.根据权利要求1所述一种基于时延优先级的多信道CSMA带宽分配方法，其特征在于，第三步中，计算下一时段需要分配给高优先级节点的带宽的具体方法如下：
(3.1)将高优先级数据包在下一时段的平均负载记为
Figure FDA00026482456200000613
根据(18)式计算高优先级数据包在下一时段的平均负载，
Figure FDA0002648245620000061
其中，gH(t)为基站中高优先级节点成功接入请求的次数随时间变化的函数，
Figure FDA0002648245620000062
为高优先级数据包成功传输的概率；
将低优先级数据包在下一时段的平均负载记为
Figure FDA0002648245620000063
根据(19)式计算低优先级数据包在下一时段的平均负载，
Figure FDA0002648245620000064
其中，gL(t)为基站中低优先级节点成功接入请求的次数随时间变化的函数，t为时间，t1为基站统计数据包接入数的起始时间点，t2为基站统计数据包接入数的终止时间点，
Figure FDA0002648245620000065
为低优先级数据包成功传输的概率；
(3.2)根据(5)式或(15)式计算分配给高优先级节点的带宽，
Figure FDA0002648245620000066
其中，
Figure FDA00026482456200000612
为分配给高优先级节点的最优带宽，
Figure FDA0002648245620000067
表示当函数取得最小值时自变量WH的取值，
Figure FDA0002648245620000068
为高优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure FDA0002648245620000069
为高优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure FDA00026482456200000610
为低优先级节点发送时信道空闲的概率，
Figure FDA00026482456200000611
为低优先级节点发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，
Figure FDA0002648245620000071
为高优先级数据包的传输时延限制，θb为节点由于检测到信道忙时的平均回退时间，θf为数据包发生冲突时的平均回退时间；
Figure FDA0002648245620000072
其中，C为高优先级数据包的传输时延限制。
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