CN110062476A - 一种分布式工业无线网介质访问控制方法及系统 - Google Patents
一种分布式工业无线网介质访问控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种分布式工业无线网介质访问控制方法及系统，包括：分布式工业无线网中欲发送报文的发送节点向接收节点发送传输请求，接收节点成功接收到传输请求后，向发送节点的邻居节点广播功率竞争启动报文；邻居节点根据功率竞争启动报文中的功率要求，参与功率竞争并发送竞争报文至接收节点；接收节点收到竞争报文后，发送竞争结束报文至邻居节点，邻居节点根据竞争结束报文判断其是否竞争成功，若成功，则邻居节点和发送节点均发送报文通过功率域上的多路接入被接收节点同时接收，否则仅发送节点均发送报文至接收节点。本发明可应用于工业无线网络，实现功率区分多路访问的低延迟分批竞争MAC，降低接入时延，提升工业无线网络的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，具体涉及基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制方法及系统。
背景技术
由于具有低成本、易部署等优势，工业界已广泛使用无线网络执行监测、控制等任务。工业无线网络所感知和传输的数据，存在文本、图像、音频、视频等多种类型。不同类型的数据往往要求提供不同服务质量，如延迟、丢包率、吞吐量等要求。某些关键数据，如异常监测信息或控制信息等时延敏感的数据需要能尽快得到传输和处理，因此这类数据具有比其它数据更高的实时性能要求。为满足差异化的服务质量需求，工业无线网络需要一种能针对数据特征优化网络性能的介质访问控制(MediaAccess Control，MAC)协议。MAC协议可分为如下三类：调度型、竞争型和混合型，其中竞争型协议能更好适应突发型流量，更适用于工业无线网络。
工业无线网络产生的数据通常可分为两类，一类是常规数据，另一类是特殊数据，数据类型由数据源的应用层判断并标记。特殊数据，例如前述异常监测信息或控制信息，是需要重点关注的数据，给其赋予较高的优先级。高优先级数据需要更好的服务质量，如延迟、丢包率、吞吐量等。但同时，低优先级的常规数据也是工业无线网络执行任务所需的数据，因此不能只为保证高优先级数据传输而忽视低优先级数据。
当前工业无线网络应用的竞争型MAC算法主要基于CSMA/CA，而传统基于CSMA/CA的优先级区分方法是通过给不同优先级报文赋予不同的等待间隙或竞争窗口大小实现的，如增强分布式信道接入(Enhanced Distributed ChannelAccess,EDCA)和802.15.6。这些方法虽然能根据优先级提供不同的服务质量，但由于网络带宽固定，改善某类数据的性能必然相应恶化其他数据的性能。为解决这一问题，本发明引入串行干扰取消(SuccessiveInterference Cancellation，SIC)技术，使接收节点能在功率域上区分接收信号，以实现多报文同时接收，进一步优化服务质量。
在当前关于SIC技术应用的研究中，介质访问通常采用调度型(如TDMA)MAC协议。现有技术虽然研究了SIC在CSMA/CA类协议中的应用，但要求接收节点实现全双工，能在接收某种功率信号的同时发送另一种功率的控制报文。然而现有的传感器节点仍以半双工为主，不能普遍适用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于SIC的优先级区分的分布式工业无线介质访问控制协议。该协议通过两次连续竞争和节点传输功率区分，实现分布式的功率域信道复用的MAC协议，提升网络的服务质量。
具体来说，本发明公开了一种分布式工业无线网介质访问控制方法，其中包括：
步骤1、分布式工业无线网中欲发送报文的发送节点向接收节点发送传输请求，该接收节点成功接收到该传输请求后，向该发送节点的邻居节点广播功率竞争启动报文；
步骤2、该邻居节点根据该功率竞争启动报文中的功率要求，参与功率竞争并发送竞争报文至该接收节点；
步骤3、该接收节点收到该竞争报文后，发送竞争结束报文至该邻居节点，该邻居节点根据该竞争结束报文判断其是否竞争成功，若成功，则该邻居节点和该发送节点均发送报文通过功率域上的多路接入被接收节点同时接收，否则仅该发送节点均发送报文至接收节点。
所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其中步骤1中该发送节点通过指数后退的竞争，向该接收节点发送该传输请求，具体包括：
步骤11、该发送节点开始侦听信道，并在区间中随机选择一个整数CW0作为后退基数，进入后退状态，后退时间为：
其中Tslot是单个时槽持续时间，在后退时持续侦听信道，如果信道忙则暂停后退时间计数，直至信道空闲恢复计数；
步骤12、完成后退，发送该传输请求并进入等待超时状态，该传输请求包括待发送报文的功率类型；
步骤13、超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该传输请求，否则再次进入后退状态，后退基数从区间中随机选取，CWmin RTS表示第一次参与发送请求竞争报文的发送请求竞争窗口上限，执行该步骤11。
所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其中该步骤2包括：
步骤21、该接收节点判断该功率类型是否属于高功率等级，若是，则开启低功率竞争，否则开启高功率竞争；
步骤22、该接收节点进入竞争等待状态，并广播该竞争启动报文，包括竞争功率等级和竞争成功节点地址；
步骤23、该邻居节点收到该竞争启动报文，若该竞争功率等级为高，判断该邻居节点的待发报文的优先级是否为低，若是，则继续之前的后退状态，否则该邻居节点进入竞争状态；若该竞争功率等级为低，则该邻居节点直接进入竞争状态；
步骤23、进入竞争状态的该邻居节点向该接收节点发送该竞争报文。
所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其中该步骤2包括：
步骤24、该邻居节点发送该竞争报文后处于竞争超时状态，高功率竞争与低功率竞争的竞争超时时间分别为：
高功率超时时间：
低功率超时时间：
其中是该接收节点接收该竞争报文所需时间，是该接收节点发送该竞争结束报文所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间，是低功率竞争窗口上限，是高功率竞争窗口上限，CWL为低功率后退基数，CWH为高功率后退基数。
所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其中在区间中随机选取整数CWH作为该高功率后退基数；在区间中随机选取整数CWL作为该低功率后退基数。
本发明还公开了一种分布式工业无线网介质访问控制系统，其中包括：
模块1、分布式工业无线网中欲发送报文的发送节点向接收节点发送传输请求，该接收节点成功接收到该传输请求后，向该发送节点的邻居节点广播功率竞争启动报文；
模块2、该邻居节点根据该功率竞争启动报文中的功率要求，参与功率竞争并发送竞争报文至该接收节点；
模块3、该接收节点收到该竞争报文后，发送竞争结束报文至该邻居节点，该邻居节点根据该竞争结束报文判断其是否竞争成功，若成功，则该邻居节点和该发送节点均发送报文通过功率域上的多路接入被接收节点同时接收，否则仅该发送节点均发送报文至接收节点。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中模块1中该发送节点通过指数后退的竞争，向该接收节点发送该传输请求，具体包括：
模块11、该发送节点开始侦听信道，并在区间中随机选择一个整数CW0作为后退基数，进入后退状态，后退时间为：
其中Tslot是单个时槽持续时间，在后退时持续侦听信道，如果信道忙则暂停后退时间计数，直至信道空闲恢复计数；
模块12、完成后退，发送该传输请求并进入等待超时状态，该传输请求包括待发送报文的功率类型；
模块13、超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该传输请求，否则再次进入后退状态，后退基数从区间中随机选取，CWmin RTS表示第一次参与发送请求竞争报文的发送请求竞争窗口上限，执行该模块11。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中该模块2包括：
模块21、该接收节点判断该功率类型是否属于高功率等级，若是，则开启低功率竞争，否则开启高功率竞争；
模块22、该接收节点进入竞争等待状态，并广播该竞争启动报文，包括竞争功率等级和竞争成功节点地址；
模块23、该邻居节点收到该竞争启动报文，若该竞争功率等级为高，判断该邻居节点的待发报文的优先级是否为低，若是，则继续之前的后退状态，否则该邻居节点进入竞争状态；若该竞争功率等级为低，则该邻居节点直接进入竞争状态；
模块23、进入竞争状态的该邻居节点向该接收节点发送该竞争报文。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中该模块2包括：
模块24、该邻居节点发送该竞争报文后处于竞争超时状态，高功率竞争与低功率竞争的竞争超时时间分别为：
高功率超时时间：
低功率超时时间：
其中是该接收节点接收该竞争报文所需时间，是该接收节点发送该竞争结束报文所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间，是低功率竞争窗口上限，是高功率竞争窗口上限，CWL为低功率后退基数，CWH为高功率后退基数。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中在区间中随机选取整数CWH作为该高功率后退基数；在区间中随机选取整数CWL作为该低功率后退基数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
可以应用于工业无线网络，实现功率区分多路访问的低延迟分批竞争MAC，降低接入时延，从而使加速工业无线网络的通信，提升工业无线网络的工作效率。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例，针对基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议的流程图；
图2.a和图2.b本别是协议的状态转移马氏链模型及状态转移矩阵图；
图3是本发明实例的仿真实验拓扑图；
图4.a、图4.b、图5.a、图5.b、图6.a、图6.b是本发明实例的仿真实验结果图。
具体实施细节
为让本发明的上述特征和效果能阐述的更明确易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提出一种基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议，该协议通过两次竞争过程和节点功率调节，实现竞争型的功率域信道复用的MAC协议，降低数据的延迟。信道竞争分为两个阶段。第一阶段(RTS竞争)：每个节点有报文需要发送时，首先采用与802.11DCF相同的CSMA/CA方式准备发送RTS报文。接收节点成功收到一个RTS报文即表示该RTS报文的发送者赢得了本次RTS竞争，随后接收节点向其邻居节点广播CBM报文。第二阶段(功率竞争)：发送节点收到CBM报文后，依据CBM中的功率要求确定是否参与竞争，参与竞争的节点随机等待一段时间后发送CM报文。接收节点成功接收到一个CM报文即表示该CM报文的发送者赢得了本次功率竞争，接收节点向其邻居节点广播CEM报文，告知竞争结果。两个阶段竞争的胜利者均赢得了一次信道接入的机会，其数据报文传输通过SIC实现功率域上的多路接入，被接收节点同时接收。
所述MAC协议过程，发送节点先通过二进制指数后退的竞争向接收节点发送传输请求RTS，接收节点接收到RTS报文后，广播相对应功率的竞争启动报文CBM。其他发送节点收到CBM后参与对应功率的竞争并发送竞争报文CM，接收节点收到CM后发送竞争结束报文CEM，RTS竞争和CM竞争成功的节点依指定功率开始传输数据。针对降低接入时延要求，选择了合适的功率竞争时间上限。
在具体描述本发明提出的基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议之前，首先对本发明涉及的一些概念和术语进行简单的说明。
“接入时延”：是数据包从进入节点的数据队列头到节点接收到数据发送成功回执之间的时间。
“能量效率”：主要为节点发送和接收数据包造成的能量消耗。
基于上述分析，下面将通过一个具体的实施例来详细介绍根据本发明的基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议。本实施例优化目标为最小化平均接入时延，依据具体应用需求，优化目标可修改为丢包率或吞吐量等，协议框架不变。参考图1，所述方法包括：
步骤101：发送节点在有报文需要发送且节点处于空闲状态时，先执行CSMA/CA的发送请求(Require To Send，RTS)传输过程，即：
A、发送节点开始侦听信道，并在区间中随机选择一个整数CW0作为后退基数，进入后退状态，CWmin RTS表示第一次参与RTS竞争的报文的RTS竞争窗口上限，其值同802.11DCF，后退时间为：
其中Tslot是单个时槽持续时间，在后退时持续侦听信道，如果信道忙则暂停后退时间计数，直至信道空闲恢复计数。
B、完成指定时间的后退，则进入RTS状态，开始向目标节点(接收节点)传输RTS报文并进入等待超时状态，该RTS包括待发送报文的功率类型和待发报文大小，高优先级报文设定为高功率，低优先级报文设定为低功率。
C、超时时间为
其中是节点接收RTS报文所需时间，是节点发送竞争启动报文(Contention Begin Message，CBM)所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间。
D、超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该报文，否则再次进入后退状态，后退基数从区间中随机选取。
步骤102：接收节点收到RTS报文，若不处于空闲或后退状态时则丢弃该RTS报文，否则挂起当前状态，执行竞争启动过程，即：
A、节点进入竞争启动状态，记录已收到RTS报文来源地址、功率等级和报文大小信息，若接收到高功率等级RTS，则开启低功率竞争，若接收到低功率等级RTS，则开启高功率竞争。
B、节点广播竞争启动报文CBM并进入竞争等待状态，对比CSMA/CA的CTS报文，CBM报文增加竞争功率等级和竞争成功节点地址，即已接收RTS源节点地址(接收节点收到的RTS报文的发送方的地址)，CBM发送完成后清空节点记录的RTS报文源节点地址与功率等级信息。本信道接入方案包括两次竞争，这里竞争成功指的是第一次竞争，即RTS竞争。接收节点成功收到RTS报文时，即表明发送该RTS报文的节点赢得了该次RTS竞争。
C、对于低功率竞争，竞争等待超时时间为：
其中是节点接收CBM报文所需时间，是低功率竞争窗口上限，是节点发送竞争报文(Contention Message，CM)所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间。
D、对于高功率竞争，竞争等待超时时间为
其中是高功率竞争窗口上限。
E、以优化平均时延为例，竞争窗口上限和计算如下：
甲、参照图2.a，可以得到该协议马尔科夫过程的状态转移矩阵如图2.b。
其中bi,j是节点处在第i次重试且后退步数为j的状态的概率，因此可以求出该马尔科夫过程平稳分布的bi,0即节点处在第i次重试且后退步数为0的状态的概率；pc是节点传输发生冲突的概率；pfail是节点功率竞争失败的概率，根据报文优先级高低分别为和设τ是节点竞争RTS的概率，则有
乙、低优先级竞争失败概率：
其中N是接收节点的邻居节点数。高优先级竞争失败概率：
其中ρ是高优先级报文在总报文中所占比例。
因此，可以得到pc和τ的关系
对于低优先级报文：
对于高优先级报文：
需要注意，在RTS竞争阶段时报文不区分优先级共同竞争，因此两种报文冲突概率的第一部分(1-(1-τ)N-1)是相同的。
丙、RTS竞争阶段至少有一个节点在一时槽内发送数据的概率为
而恰有一个节点在一时槽内发送数据的概率，即RTS竞争成功的概率为
因此低功率报文和高功率报文竞争成功概率分别为
和
或统一表示为
丁、一次成功和失败传输所造成信道忙的时间分别为
Ts＝DIFS+RTS+SIFS+CTS+SIFS+RTS+SIFS+CTS+DATA+SIFS+ACK
Tc＝DIFS+RTS+SIFS+CTS+SIFS+RTS+SIFS+CTS
因此节点等待一个时槽实际消耗的平均时间为
其中σ是一个时槽的长度，这里设定为20ms。于是报文平均接入延迟时间为
E[D]＝E[X]·E[slot]+E[Y]·E[cont]
其中E[X]是至成功传输为止历经时槽数的期望，E[Y]是至成功传输为止参与功率竞争次数的期望，E[cont]是功率竞争时间期望，对于低功率竞争和高功率竞争分别有
和
E[X]和E[Y]分别为
最后，通过求E[D]的最小值，即可求出和
步骤103：节点收到CBM报文，若没有待发送报文或待发送报文目的节点不是该CBM报文源节点，或节点不处于空闲、等待超时或后退状态，则丢弃该CBM报文。否则分如下两种情况：
A、节点处于空闲或后退状态，判断待发送报文优先级，即：
甲、若节点接收到CBM的竞争类型为高功率，且待发报文不是高优先级报文，则丢弃该CBM，否则节点挂起当前状态，进入竞争状态，在区间中随机选取整数CWH作为后退基数，后退CWH·Tslot时间。
乙、若节点接收倒CBM的竞争类型为低功率，挂起当前状态，进入竞争状态，在区间中随机选取整数CWL作为后退基数，后退CWL·Tslot时间。
丙、节点到达后退时间，向目的节点发送竞争报文CM，CM报文的格式与RTS报文格式相同，其中功率类型设置为节点收到CBM的竞争功率类型。
丁、节点状态转为竞争超时状态，高功率竞争与低功率竞争的竞争超时时间分别为
高功率超时：
低功率超时：
其中是节点接收CM报文所需时间，是节点传输竞争结束报文(ContentionEnd Message，CEM)所需时间，节点超时后恢复之前被挂起的状态，数据传输功率设置为禁止。
B、节点处于等待超时状态，如果接收到CBM中记录的竞争成功节点地址不与自身地址相同则丢弃该报文，否则：
甲、如果接收到CBM的竞争功率类型为高功率，则将本节点数据传输功率设置为高功率，否则配置为低功率。
乙、节点进入等待超时状态，CBM竞争功率类型为高功率和低功率时超时时间分别为
高功率超时：
低功率超时：
超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该报文，否则进入后退状态，后退基数CWr从区间(0,2r·CWmin]中随机选取。
步骤104：节点收到CM报文时若不处于竞争等待状态，则丢弃该报文，否则记录该CM报文源节点地址和功率等级，执行竞争结束过程。节点若到达竞争等待超时时间，执行竞争结束过程。竞争结束过程为：
A、节点进入竞争结束状态，并广播竞争结束报文CEM，CEM报文格式与CBM报文相同，如果已记录CM报文信息，则将CEM报文竞争成功节点地址和功率等级设置为CM报文源节点地址和功率等级，否则设置为无效的缺省值，CEM广播结束后将记录的CM报文源节点地址和功率信息清空。
B、节点进入等待数据超时状态，超时时间为
其中是节点接收CEM报文所需时间，是节点传输数据所需时间。
C、节点到达等待数据超时时间，则恢复之前挂起的状态，挂起状态设置为空闲状态。
步骤105：节点收到CEM报文时，节点若不处于竞争超时或等待超时状态或待发送报文目的节点不是该CEM报文源节点，则丢弃该CEM报文，否则：
A、如果接收到CEM中记录的竞争成功节点地址与自身地址相同则将数据传输功率配置为与CEM竞争功率等级相同。
B、如果数据传输功率未被设置为禁止，则依据已设置的数据传输功率向目的节点发送数据报文，并将数据传输功率设置为禁止，节点进入等待超时状态，超时时间为：
其中是节点接收数据所需时间，是节点传输回执报文(ACKnowledgement，ACK)所需时间。
C、超时后重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该报文，否则再次进入后退状态，后退基数CWr从区间(0,2r·CWmin]中随机选取。
步骤106：节点收到数据报文时，若不处于空闲、后退或等待超时状态则丢弃该数据报文，否则接收完成报文后发送ACK报文，恢复之前挂起的状态，挂起状态设置为空闲状态。
步骤107：节点收到ACK报文时，若不处于等待超时状态则丢弃该数据报文，否则恢复之前被挂起的状态，挂起状态设置为空闲状态。
下面将通过具体的实例对本发明所述的功率区分多路访问的低延迟分批竞争介质访问控制协议进行仿真实验并给予说明。
本实例在无线网络模拟平台WSNet环境中进行仿真实验，实验分别采用4个传输节点和6个传输节点两种拓扑，节点部署在2km x 2km的区域内。其中接收节点固定于(1,1)的位置上，传输节点分布如图3所示。表1描述了本发明实验参数的详细信息。
表1参数配置表
本实验采用antenna_omnidirectionnal天线模型、greedy路由协议和free-space信道模型进行通信。实验使用energy_linear模型(节点发送和接收数据时的功率分别为21.5mw和7mw)评估电量消耗。实验中各节点位置固定不变，网络流量为饱和状态。实验根据高优先级报文在总报文中所占不同比例分为6组进行，每组实验重复1000次,每次各传输节点分别发送1000个数据包，数据包的大小为10000Bytes。
实验比较了本发明实例与802.15.6的优先级区分的CSMA/CA协议的方法[1]，并从接入时延、丢包率和能量效率这3个性能指标评估本发明所述基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议。本实验所涉及的3个性能指标说明如下：
接入时延：是数据包从进入节点的数据包发送队列队头开始，到节点接收到数据发送成功回执为止所经过的时间；
丢包率：接收节点未正常接收到的数据包数占发送节点所发送的数据包数的百分比；
能量效率：整个网络平均成功收到一个数据包所消耗的能量。
图4显示了接入时延随着高优先级报文数在总报文数中占比逐渐增高时的变化。叉号标志的曲线为本发明所述的基于SIC的优先级区分的分布式无线传感网介质访问控制协议的接入时延变化情况，三角标号的曲线为现有的802.15.6区分优先级CSMA/CA的接入时延变化情况，圆圈标号的曲线为本发明所述的基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议的理论计算接入时延。从图4中可以看到，本发明的平均接入时延低于现有协议，特别是当高优先级报文比例较高时。相比于依靠调整后退窗口大小区分优先级的方法，在高优先级报文占比达到30％的条件下，本发明方法能将接入时延降至65％-80％，其中低优先级报文接入时延降至60％-70％；如果高优先级报文占比不超过50％，本发明方法能将高优先级报文接入时延降至60％。这主要原因是本发明利用不同的发送功率在接收端实现了功率域上的多用户区分，相当于提升了网络容量。在高优先级报文较少的情况下，本发明能基本实现高优先级报文随到随发，利用高传输功率使得高优先级报文能平行于低优先级报文传输；如果高优先级报文较多，就表示能利用高功率并行传输的报文增多，使得信道利用率提升，从而降低报文的平均接入延迟。
图5显示了丢包率随着高优先级报文数在总报文数中占比逐渐增高时的变化。叉号标志的曲线为本发明所述的基于SIC的优先级区分的分布式无线传感网介质访问控制协议的丢包率变化情况，三角标号的曲线为现有的802.15.6区分优先级CSMA/CA的丢包率变化情况，从图5中可以看到，本发明的丢包率明显低于已有方法。与依靠调整后退窗口大小来区分优先级方法相比，本发明的总丢包率下降约60％-90％，其中高优先级报文丢包率下降超过95％。这主要是因为传统方法给高优先级报文赋予较小的后退窗口以使其获得更多信道接入机会，这会在高优先级报文数量较多时极大增加高优先级报文发生冲突的概率。相比之下，本方法利用功率区分并行传输报文，避免了高优先级报文较多时冲突过多的问题。
图6显示了能量效率随着高优先级报文数在总报文数中占比逐渐增高时的变化。叉号标志的曲线为本发明所述的基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议的能量效率变化情况，三角标号的曲线为现有的802.15.6区分优先级CSMA/CA的能量效率变化情况。相比802.15.6区分优先级CSMA/CA方法，本发明的能耗增加10％～50％，能耗增加幅度随高优先级报文比例增加而增长。这主要是因为，本发明所采用基于SIC的并行传输需要高低功率信号叠加接收，高功率传输信号所消耗的能量比低功率传输所消耗的多。因此，随着能够使用高功率传输的高优先级报文增多，功耗也随之增加。在高优先级报文占比为50％时，对比802.15.6区分优先级CSMA/CA方法，本发明相当于使用了140％的电量将接入时延减少至75％。
本实例的实验结果说明了本发明所述的基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议较现有信道接入协议有更低的接入时延、更低的丢包率和较高的能耗，适用于电量供应较多，但对时延要求较高的工业传感器网络。
本发明所提供的基于SIC的优先级区分的分布式工业无线网介质访问控制协议，综合考虑了数据的接入时延和丢包率，实现低时延、低丢包率信道接入。
以下为与上述方法实施例对应的系统实施例，本实施方式可与上述实施方式互相配合实施。上述实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在上述实施方式中。
本发明还公开了一种分布式工业无线网介质访问控制系统，其中包括：
模块1、分布式工业无线网中欲发送报文的发送节点向接收节点发送传输请求，该接收节点成功接收到该传输请求后，向该发送节点的邻居节点广播功率竞争启动报文；
模块2、该邻居节点根据该功率竞争启动报文中的功率要求，参与功率竞争并发送竞争报文至该接收节点；
模块3、该接收节点收到该竞争报文后，发送竞争结束报文至该邻居节点，该邻居节点根据该竞争结束报文判断其是否竞争成功，若成功，则该邻居节点和该发送节点均发送报文通过功率域上的多路接入被接收节点同时接收，否则仅该发送节点均发送报文至接收节点。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中模块1中该发送节点通过指数后退的竞争，向该接收节点发送该传输请求，具体包括：
模块11、该发送节点开始侦听信道，并在区间中随机选择一个整数CW0作为后退基数，进入后退状态，后退时间为：
其中Tslot是单个时槽持续时间，在后退时持续侦听信道，如果信道忙则暂停后退时间计数，直至信道空闲恢复计数；
模块12、完成后退，发送该传输请求并进入等待超时状态，该传输请求包括待发送报文的功率类型；
模块13、超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该传输请求，否则再次进入后退状态，后退基数从区间中随机选取，CWmin RTS表示第一次参与发送请求竞争报文的发送请求竞争窗口上限，执行该模块11。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中该模块2包括：
模块21、该接收节点判断该功率类型是否属于高功率等级，若是，则开启低功率竞争，否则开启高功率竞争；
模块22、该接收节点进入竞争等待状态，并广播该竞争启动报文，包括竞争功率等级和竞争成功节点地址；
模块23、该邻居节点收到该竞争启动报文，若该竞争功率等级为高，判断该邻居节点的待发报文的优先级是否为低，若是，则继续之前的后退状态，否则该邻居节点进入竞争状态；若该竞争功率等级为低，则该邻居节点直接进入竞争状态；
模块23、进入竞争状态的该邻居节点向该接收节点发送该竞争报文。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中该模块2包括：
模块24、该邻居节点发送该竞争报文后处于竞争超时状态，高功率竞争与低功率竞争的竞争超时时间分别为：
高功率超时时间：
低功率超时时间：
其中是该接收节点接收该竞争报文所需时间，是该接收节点发送该竞争结束报文所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间，是低功率竞争窗口上限，是高功率竞争窗口上限，CWL为低功率后退基数，CWH为高功率后退基数。
所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其中在区间中随机选取整数CWH作为该高功率后退基数；在区间中随机选取整数CWL作为该低功率后退基数。
Claims (10)
1.一种分布式工业无线网介质访问控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、分布式工业无线网中欲发送报文的发送节点向接收节点发送传输请求，该接收节点成功接收到该传输请求后，向该发送节点的邻居节点广播功率竞争启动报文；
步骤2、该邻居节点根据该功率竞争启动报文中的功率要求，参与功率竞争并发送竞争报文至该接收节点；
步骤3、该接收节点收到该竞争报文后，发送竞争结束报文至该邻居节点，该邻居节点根据该竞争结束报文判断其是否竞争成功，若成功，则该邻居节点和该发送节点均发送报文通过功率域上的多路接入被接收节点同时接收，否则仅该发送节点均发送报文至接收节点。
2.如权利要求1所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其特征在于，步骤1中该发送节点通过指数后退的竞争，向该接收节点发送该传输请求，具体包括：
步骤11、该发送节点开始侦听信道，并在区间中随机选择一个整数CW0作为后退基数，进入后退状态，后退时间为：
其中Tslot是单个时槽持续时间，在后退时持续侦听信道，如果信道忙则暂停后退时间计数，直至信道空闲恢复计数；
步骤12、完成后退，发送该传输请求并进入等待超时状态，该传输请求包括待发送报文的功率类型；
步骤13、超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该传输请求，否则再次进入后退状态，后退基数从区间中随机选取，CWmin RTS表示第一次参与发送请求竞争报文的发送请求竞争窗口上限，执行该步骤11。
3.如权利要求2所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其特征在于，该步骤2包括：
步骤21、该接收节点判断该功率类型是否属于高功率等级，若是，则开启低功率竞争，否则开启高功率竞争；
步骤22、该接收节点进入竞争等待状态，并广播该竞争启动报文，包括竞争功率等级和竞争成功节点地址；
步骤23、该邻居节点收到该竞争启动报文，若该竞争功率等级为高，判断该邻居节点的待发报文的优先级是否为低，若是，则继续之前的后退状态，否则该邻居节点进入竞争状态；若该竞争功率等级为低，则该邻居节点直接进入竞争状态；
步骤23、进入竞争状态的该邻居节点向该接收节点发送该竞争报文。
4.如权利要求3所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其特征在于，该步骤2包括：
步骤24、该邻居节点发送该竞争报文后处于竞争超时状态，高功率竞争与低功率竞争的竞争超时时间分别为：
高功率超时时间：
低功率超时时间：
其中是该接收节点接收该竞争报文所需时间，是该接收节点发送该竞争结束报文所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间，是低功率竞争窗口上限，是高功率竞争窗口上限，CWL为低功率后退基数，CWH为高功率后退基数。
5.如权利要求4所述的分布式工业无线网介质访问控制方法，其特征在于，在区间中随机选取整数CWH作为该高功率后退基数；在区间中随机选取整数CWL作为该低功率后退基数。
6.一种分布式工业无线网介质访问控制系统，其特征在于，包括：
模块1、分布式工业无线网中欲发送报文的发送节点向接收节点发送传输请求，该接收节点成功接收到该传输请求后，向该发送节点的邻居节点广播功率竞争启动报文；
模块2、该邻居节点根据该功率竞争启动报文中的功率要求，参与功率竞争并发送竞争报文至该接收节点；
模块3、该接收节点收到该竞争报文后，发送竞争结束报文至该邻居节点，该邻居节点根据该竞争结束报文判断其是否竞争成功，若成功，则该邻居节点和该发送节点均发送报文通过功率域上的多路接入被接收节点同时接收，否则仅该发送节点均发送报文至接收节点。
7.如权利要求6所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其特征在于，模块1中该发送节点通过指数后退的竞争，向该接收节点发送该传输请求，具体包括：
模块11、该发送节点开始侦听信道，并在区间中随机选择一个整数CW0作为后退基数，进入后退状态，后退时间为：
其中Tslot是单个时槽持续时间，在后退时持续侦听信道，如果信道忙则暂停后退时间计数，直至信道空闲恢复计数；
模块12、完成后退，发送该传输请求并进入等待超时状态，该传输请求包括待发送报文的功率类型；
模块13、超时后数据传输功率设置为禁止，重试次数r加1，若r超过最大重试次数R，则丢弃该传输请求，否则再次进入后退状态，后退基数从区间中随机选取，CWmin RTS表示第一次参与发送请求竞争报文的发送请求竞争窗口上限，执行该模块11。
8.如权利要求7所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其特征在于，该模块2包括：
模块21、该接收节点判断该功率类型是否属于高功率等级，若是，则开启低功率竞争，否则开启高功率竞争；
模块22、该接收节点进入竞争等待状态，并广播该竞争启动报文，包括竞争功率等级和竞争成功节点地址；
模块23、该邻居节点收到该竞争启动报文，若该竞争功率等级为高，判断该邻居节点的待发报文的优先级是否为低，若是，则继续之前的后退状态，否则该邻居节点进入竞争状态；若该竞争功率等级为低，则该邻居节点直接进入竞争状态；
模块23、进入竞争状态的该邻居节点向该接收节点发送该竞争报文。
9.如权利要求8所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其特征在于，该模块2包括：
模块24、该邻居节点发送该竞争报文后处于竞争超时状态，高功率竞争与低功率竞争的竞争超时时间分别为：
高功率超时时间：
低功率超时时间：
其中是该接收节点接收该竞争报文所需时间，是该接收节点发送该竞争结束报文所需时间，Ttrav是信号在节点之间传播所需时间，是低功率竞争窗口上限，是高功率竞争窗口上限，CWL为低功率后退基数，CWH为高功率后退基数。
10.如权利要求9所述的分布式工业无线网介质访问控制系统，其特征在于，在区间中随机选取整数CWH作为该高功率后退基数；在区间中随机选取整数CWL作为该低功率后退基数。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110958717A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-03 | 皖西学院 | 中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法及系统 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070050240A1 (en) * | 2005-08-30 | 2007-03-01 | Sensact Applications, Inc. | Wireless Parking Guidance System |
| CN101013976A (zh) * | 2007-02-05 | 2007-08-08 | 南京邮电大学 | 无线传感器网络的混合入侵检测方法 |
| CN101056230A (zh) * | 2006-04-14 | 2007-10-17 | 北京大学 | 多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法 |
| CN103052130A (zh) * | 2012-11-20 | 2013-04-17 | 南京邮电大学 | 一种基于粗糙集的无线多媒体传感器网络数据融合方法 |
| CN104053206A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-17 | 哈尔滨工业大学 | 用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由实现方法 |
| CN108901078A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-27 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种电力物联网业务的随机接入优化方法及装置 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070050240A1 (en) * | 2005-08-30 | 2007-03-01 | Sensact Applications, Inc. | Wireless Parking Guidance System |
| CN101056230A (zh) * | 2006-04-14 | 2007-10-17 | 北京大学 | 多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法 |
| CN101013976A (zh) * | 2007-02-05 | 2007-08-08 | 南京邮电大学 | 无线传感器网络的混合入侵检测方法 |
| CN103052130A (zh) * | 2012-11-20 | 2013-04-17 | 南京邮电大学 | 一种基于粗糙集的无线多媒体传感器网络数据融合方法 |
| CN104053206A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-09-17 | 哈尔滨工业大学 | 用于无线体域网或能量受限的小型无线传感网络的可靠节能型层次路由实现方法 |
| CN108901078A (zh) * | 2018-07-05 | 2018-11-27 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种电力物联网业务的随机接入优化方法及装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110958717A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-03 | 皖西学院 | 中心化无线局域网无竞争随机介质访问控制方法及系统 |
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