CN108811176B

CN108811176B - 一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法

Info

Publication number: CN108811176B
Application number: CN201810626416.2A
Authority: CN
Inventors: 王文鼐; 李妍; 吴炜; 王斌
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2018-06-19
Filing date: 2018-06-19
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2038-06-19
Also published as: CN108811176A

Abstract

一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，所有有数据待发送的站点在收到网关发来的信标帧后随机选择时隙并向网关发送请求接入信号，网关协调传输顺序，站点选择发送数据或者再次争用信道。采用时分复用将共用信道占用周期划分为下行通告、上行争用、下行确认和上行数据传送4个时段。下行通告时网关广播信标并分配上行争用时的争用时隙数量，接入站点在上行争用时随机选择争用时隙并向网关发送请求接入信号，网关在下行确认时广播包含所有争用时隙争用状态的反馈信息，接入站点依据争用状态选择立即发送数据、或延后发送数据、或再次争用信道、或延后再次争用信道。本申请保证所有站点相互不干扰地先后发送数据，提高网络的吞吐性能。

Description

一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法

技术领域

本申请涉及无线通信领域，特别涉及一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法。

背景技术

无线通信系统中，数据是通过无线媒质作为传输信道来进行传输的。在物联网应用中，经常会出现大量节点同时接入信道，这时数据传输可能会发生碰撞和冲突，导致通信系统信道利用率下降和吞吐性能降低。

无线多址接入的媒体接入控制（Media Access Control，MAC）协议负责共享无线信道的分配以及节点占用通信资源的调度，保证网络中的节点能合理高效地共享通信资源。目前行业提出一种无需协调的帧时隙ALOHA（Frame Slotted ALOHA，FSA）方案来解决RFID系统中信道接入带来的冲突。FSA为减轻标签冲突问题，估测由碰撞产生的标签数以动态调整每个帧的时隙数，基于标签子群的查询构建查询树以防止冲突。

Sigfox公司运用随机频率-时间分路复用方法，提出一种信道碰撞的判断方法，可让每个节点在连续的可用频带内选择一个频率进行异步传输。该信道碰撞判断方法无需信道检测、网络时间同步和高精度振荡器，但是易受干扰和冲突。

LoRa系统中终端的信道接入方法采用纯ALOHA工作机制，终端不进行信道检测直接发送。这在负载增大时，信道发生碰撞的概率随之增大，系统的吞吐性能可至急剧下降。

发明内容

本申请提出一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，具体方法分为如下步骤：

（1）网关（Gate-Way，GW）向所有终端站点（End-Device，ED）广播信标帧（BeaCoN，BCN）完成时间同步，后随固定长度的竞争窗口（Collision Window，CW）；

（2）有数据待发送且处于就绪状态的站点在收到信标之后，向网关发送请求接入的信号，即请求接入所占用的时隙段；

（3）网关在CW关闭后广播各时隙的占用情况；

（4）发送过传输请求的站点收到网关发来的反馈帧（Feed-Back，FB）之后，判断时隙的占用情况：若空闲，则进入数据传输队列（Data Transmission Queue，DTQ）等待发送数据帧，否则进入冲突解决队列（Contention Resolution Queue，CRQ）等待下一次CW打开再次争用时隙；

（5）DTQ中的站点根据自己在队列中所处的位置估算退避时间，在此时间内进入睡眠状态，时间一到即发送数据；每个数据发送完成，后接同时长的CW和反馈帧，CRQ中的站点在下一CW到来再次进行时隙的争用；

多站点的信道接入控制方案，采用时分复用将共用信道划分为4个时段：下行通告、上行争用、下行确认和上行数据传送；

下行通告时段由中心网关广播信标并分配上行争用时段的争用时隙数量；

接入站点在上行争用时段随机选择争用时隙向网关发送请求接入信号；

下行确认时段网关广播所有争用时隙的争用状态；

上行数据传送时段接入站点依据争用状态选择或者立即发送数据、或者延后发送数据、或者再次争用信道、或者延后再次争用信道。

进一步地，下行通告时段的争用时隙数量，由网关依据接入站点数和上行数据请求数量确定，取值范围为3至32。

进一步地，上行争用时段的争用时隙的随机选择，由接入站点独立执行一致分布伪随机数计算，取值范围分布在1至最大时隙数之间。

进一步地，下行确认时段的争用状态由网关依据所接收到的来自接入站点的请求接入信号确定，为成功、冲突和空闲三者之一。

进一步地，上行数据传送时段，接入站点选择发送数据，则进入DTQ；立即发送数据的条件是，该站点选择的争用时隙状态为成功且位于DTQ队首；延后发送数据的条件是，该站点选择的争用时隙状态为成功但不在DTQ队首。

进一步地，上行数据传送时段，接入站点选择争用信道，则进入CRQ；再次争用信道的条件是，该站点选择的争用时隙状态为冲突且位于CRQ队首；延后再次争用信道的条件是，该站点选择的争用时隙状态为冲突但不在CRQ队首。

本发明方法所述通信控制过程，通过检测时隙占用情况判定是否产生冲突，将请求接入的站点进行分组重传，保证所有站点以相互不干扰的方式先后发送数据，可以提高网络的吞吐性能。

附图说明

图1是本申请多站点信道接入场景原理图。

图2是本申请提出的多站点成功接入的通信过程图。

图3是本申请提出的多站点接入冲突场景下的通信过程图。

图4是本申请提出的多站点接入的网关操作流程图。

图5是本申请提出的多站点接入的站点操作流程图。

图6是本申请给出的5站点争用共享信道的时隙序号随机选择示例。

图7是本发明给出的5站点争用共享信道的时序示例。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

图1是本发明的多站点与网关之间的通信场景。102表示网关（GW），104、106、108表示终端站点（ED），网络中通常多个ED同时向GW发送请求接入信号的情形。

图2是本发明提出的多站点成功接入的通信过程图。假设在该BCN周期内只有一个ED有数据待发送。需要注意的是，每一BCN周期内有数据要发送的站点在下一BCN到达之前必须处理好所有冲突且完成所有数据的发送。因此每一BCN周期结束后CRQ和DTQ都为空。根据本发明提出的方案，共分为4个通信阶段。

阶段1：GW向下行信道广播BCN帧，对应于图中的步骤206。

阶段2：GW打开竞争窗口CW（这里假设CW由3个时隙组成，且周期已设定好），对应图中的208；准备发送数据的ED切换到接收态，收到BCN后完成时钟同步，同时随机选择一个时隙（假设选择了第1个时隙）并向GW发送请求接入的信号，对应图中的210。

阶段3：如图中的212所示，GW收到所有ED发来的请求之后，等待直到CW关闭，此时GW向下行信道广播时隙的占用情况。

阶段4：ED收到GW发来的反馈信息，判定时隙1被它独占，因此ED进入DTQ；因为在该时间段只有一个站点有信号请求接入，而上一时间段有数据要发送的站点在上一BCN周期内已发送完毕，因此ED处于DTQ队首，无需等待即可发送数据，对应图中的214。

图3是本发明提出的多站点接入冲突场景下的通信过程图。假设在该BCN周期内有两个ED（ED1、ED2）准备发送数据。根据本发明提出的多站点冲突解决方法，分为如下9个通信阶段。

阶段1：GW向下行信道广播BCN帧，对应图中的308。

阶段2：如图3中的310所示，GW打开竞争窗口CW（CW由3个固定周期的竞争时隙组成）；ED1和ED2收到BCN后分别随机选择一个时隙（假设同时选择了时隙2）并向GW发送请求接入的信号，分别对应步骤312和314。

阶段3：GW在CW开启期间接收所有ED发来的请求后，待CW关闭后通过下行信道广播时隙的争用情况，对应图中的316。

阶段4：ED1和ED2收到GW发来的反馈信息后，发现所选的时隙2被多个站点争用，即产生冲突，进入CRQ等待。此时，由于网络中只有ED1和ED2有数据发送，没有其他ED有信号请求接入，即DTQ为空，因此GW在达到最大退避时间（back-off）后定时打开CW，对应图中的318。而ED1和ED2处在CRQ队首，也在等待同等时长后再次对时隙进行争用（假设此次ED1选择时隙3，ED2选择时隙2），对应于图中的320、322。

阶段5：CW结束后，GW再次广播时隙争用情况，对应图中的324。

阶段6：由于该BCN周期中没有其他站点需要争用时隙，接下来只需要DTQ中的所有站点把数据成功发送给GW即可。因为ED2选择了时隙2，ED1选择了时隙1，根据所选时隙靠前的站点率先进入DTQ的原则，因此在DTQ中ED2处于ED1前一位，即ED2先发送数据，ED1后发送数据。此时DTQ中只有ED1和ED2，因此ED2无需等待直接发送（对应图中的326）。

阶段7：如328所示，GW收到数据后，仍然需要打开CW。因为该BCN周期内ED1和ED2冲突已解决，所以没有ED去争用时隙。

阶段8：CW结束后GW在下行信道上广播FB。

阶段9：此时ED1位于DTQ队首，不需要退避，在收到反馈消息后直接发送数据，对应图中的332。这样，在该BCN周期中，所有的数据都可以成功到达GW，且冲突得以解决。

图4 是本发明提出的多站点接入的网关操作流程图。步骤402表示开始操作，网关首先需要设定好BCN和CW的周期。接着广播BCN完成时钟同步，同时打开CW，如步骤404所示。CW打开期间站点可以进行时隙争用，步骤406表示网关判定CW是否需要关闭，若不需要，则执行步骤408，否则跳转到步骤410，网关发送FB广播时隙的占用情况（后续操作由站点完成）。在此过程中，网关需要判断BCN周期是否为0，如步骤412所示。如果是则跳转到404发送下一帧BCN，否则执行步骤414。步骤414表示减少BCN周期，同时重置CW的周期。

图5是本发明提出的多站点接入的站点操作流程图。步骤502表示所有站点接收网关发来用作同步的BCN帧。接着所有站点判断是否有数据发送（步骤504），如果有就顺序执行步骤506，即发送请求接入的信号。否则跳转到步骤534，不进行任何操作。站点在收到网关发来的FB后（步骤508），执行步骤510，判断所选的时隙是否有冲突。如果该时隙被多个站点选中，则跳转到步骤512，选中该时隙的所有站点一同进入CRQ的同一区间。CRQ的每一个站点都要执行步骤514，判断该站点是否位于CRQ队首。如果是，执行步骤516，判断下一CW是否开启。若打开，跳转到步骤506，在CW打开期间再次进行时隙争用。否则执行步骤518，睡眠等待。如果选中的时隙被该站点独占，则执行步骤520，该站点进入DTQ。DTQ的每一个站点都要执行步骤522，判断该站点是否位于DTQ队首。如果是，继续判断该站点此时是否接收到FB，如步骤526所示。如果是，执行步骤530，发送数据。每个站点在发送数据的同时，判断当前数据是否发送完毕，如步骤532所示。若发送完毕，该阶段通信即可判定结束（步骤534）。

考虑5个ED站点(ED1~ED5)同时竞争3个时隙的情况。每个站点随机选择的时隙序号如图6所列。

根据选择结果，时隙2没有冲突。因此，在接收到GW发来的FB后，ED2立即发送数据。GW接收到数据后，打开CW。此时，ED1和ED4再次争用时隙。CW关闭后，GW广播时隙争用情况，ED1和ED4接收到反馈信息后，发现所选时隙没有冲突，进入DTQ等待发送数据。由于此前DTQ为空，ED4位于队首，即刻发送数据。GW接收到数据后，再次打开CW，并在CW结束之际向下行信道广播FB帧。ED3和ED5接收到反馈信息后，判断进入DTQ等待发送数据。此时，DTQ中共有3个站点，分别为ED1，ED5和ED3。由于ED1位于队首，可以立即发送数据。同样地，GW照例打开CW并在CW关闭之后广播FB。接收到FB之后，位于队首的ED5向GW发送数据。接收到数据后，GW打开CW并在CW关闭后广播时隙争用情况。ED3在接收到反馈信息后即可发送数据。这样，5个站点都完成了上行数据的传送。处理的时序流程如图7所示。

由图7可以见，5个ED站点占用共享信道的总时长为：

t = t _BCN+ (t _cw+ t _FB+ t _DATA)×5

其中，t _BCN为BCN发送占用时长，t _CW为CW周期，t _FB为FB发送占用时长，t _DATA为数据发送时间。

设BCN长为20 B，CW由3个66.7μs的时隙组成，FB长为12B，传输的数据包大小为10B。对于数据传送速率为2000 b/s，且ED每10 s产生一个数据包，那么：

t _BCN= 20×8/2000 = 0.08 (s)

t _FB= 12×8/2000 = 0.048 (s)

t _DATA= 10×8/2000 = 0.04 (s)

所以，

t = 0.08+(66.7×3×10^-6+0.048+0.04)×5 = 0.521 (s)

系统归一化负载为G = 5×0.521/10 = 0.2605。不考虑传输差错，本发明的系统吞吐量为：

S = G = 0.2605

相比于纯ALOHA接入控制，有吞吐量为：

S = G×exp(-2G) = 0.1547

可见，同等负载下本发明的方法相比纯ALOHA有68.4%性能提升。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims

1.一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，其特征在于：具体方法分为如下步骤：

（3）网关在CW关闭后广播各时隙的占用情况；

下行确认时段网关广播所有争用时隙的争用状态；

上行数据传送时段接入站点依据争用状态选择或者立即发送数据、或者延后发送数据、或者再次争用信道、或者延后再次争用信道；

多站点接入的网关操作流程为，网关首先需要设定好BCN和CW的周期；接着广播BCN完成时钟同步，同时打开CW；CW打开期间站点进行时隙争用，网关判定CW是否需要关闭，若不需要，则减少BCN周期，否则网关发送FB广播时隙的占用情况，后续操作由站点完成；在此过程中，网关需要判断BCN周期是否为0；如果是则跳转发送下一帧BCN，否则减少BCN周期，同时重置CW的周期；

多站点接入的站点操作流程为，所有站点接收网关发来用作同步的BCN帧，接着所有站点判断是否有数据发送，如果有就顺序发送请求接入的信号；否则不进行任何操作；站点在收到网关发来的FB后判断所选的时隙是否有冲突；如果该时隙被多个站点选中，则选中该时隙的所有站点一同进入CRQ的同一区间；CRQ的每一个站点都要判断该站点是否位于CRQ队首；如果是，则判断下一CW是否开启；若打开，则在CW打开期间再次进行时隙争用，否则睡眠等待；如果选中的时隙被该站点独占，则该站点进入DTQ；DTQ的每一个站点都要判断该站点是否位于DTQ队首；如果是，继续判断该站点此时是否接收到FB；如果是，则发送数据；每个站点在发送数据的同时，判断当前数据是否发送完毕；若发送完毕，该阶段通信即可判定结束。

2.根据权利要求1所述的一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，其特征在于：下行通告时段的争用时隙数量，由网关依据接入站点数和上行数据请求数量确定，取值范围为3至32。

3.根据权利要求1所述的一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，其特征在于：上行争用时段的争用时隙的随机选择，由接入站点独立执行一致分布伪随机数计算，取值范围分布在1至最大时隙数之间。

4.根据权利要求1所述的一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，其特征在于：下行确认时段的争用状态由网关依据所接收到的来自接入站点的请求接入信号确定，为成功、冲突和空闲三者之一。

5.根据权利要求1所述的一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，其特征在于：上行数据传送时段，接入站点选择发送数据，则进入DTQ；立即发送数据的条件是，该站点选择的争用时隙状态为成功且位于DTQ队首；延后发送数据的条件是，该站点选择的争用时隙状态为成功但不在DTQ队首。

6.根据权利要求1所述的一种无线物联网随机多址接入的集中式冲突解决方法，其特征在于：上行数据传送时段，接入站点选择争用信道，则进入CRQ；再次争用信道的条件是，该站点选择的争用时隙状态为冲突且位于CRQ队首；延后再次争用信道的条件是，该站点选择的争用时隙状态为冲突但不在CRQ队首。