CN111405678A - 一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的csma-ca方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA‑CA方法，属于通信协议领域。该方法包括以下步骤：S1：说明业务帧结构与帧控制字段的补充信息；S2：固定随机退避延迟时间窗；S3：优先级设计与编码；S4：帧间隔设计与虚拟载波侦听机制设定；S5：算法运行。本发明与传统unslotted CSMA‑CA算法相比在平均帧碰撞率、平均能耗方面的性能提升分别为30％和40％左右；在固定码率吞吐量方面，业务密度较高时传统unslotted CSMA‑CA算法会产生强烈的性能劣化，而本发明中优先级与虚拟载波侦听的加入虽然在流程上增加了复杂度，但随着业务密度升高，吞吐量平稳上升，能保证数据有效传输。

Description

一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法

技术领域

本发明属于通信协议领域，涉及一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法。

背景技术

传统物联网通信协议MAC层多采用IEEE 802.15.4MAC层协议标准，其中提出了最为经典的CSMA-CACarrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，免冲突的载波侦听多路访问控制方式)算法。经典CSMA-CA算法分为slottedCSMA-CA算法与unslotted CSMA-CA算法两种，算法框图如图1。

传统unslotted CSMA-CA算法在进行退避之前并未检测信道中传输数据的情况，这就使得在信道内业务密度较高的场景下，算法会在执行初期经历多轮随机退避后的CCA(Clear Channel Assessment，空闲信道检测)失败，一旦CCA失败，退避延迟窗口就会增大，就有更高的概率造成空等待，浪费时间资源，进而大大影响算法性能。

目前针对unslotted CSMA-CA算法的优化方案较少，多数CSMA-CA优化算法主要针对slotted CSMA-CA算法，从统计学习与性能检测辅助两方面对算法进行改善：

(1)基于统计学习的更新规则改进：

较早的是MILD(Multiplication Increase Linear Decrease，乘性增加线性减少)，通过修改退避窗口变化，减小了乘性递增性；之后J.Dend等人提出了一种线性/乘性增加线性减少LMILD算法，并验证了其优于MILD和BEB算法；再之后Aad Imad，Qiang Ni等人提出SD(Slow CW Decrease)算法，适应网络中节点数目多，网络负荷大的情况；Ai-Chun Pang等人提出了MBS+EWMA(Memorized Backoff Scheme with Exponentially WeightedMoving-Average)算法，针对数据历史传输情况优化BE值。基于EWMA算法，国内也研究了多种针对不同应用场景的优化算法。

(2)基于网络性能参数检测的BE调整策略：

Bianchig等人基于Karlman滤波器的原理，提出了一种动态估计BEB退避算法中竞争节点数n的算法；Qiao D等人提出了P-MAC(Priority-based fai MAC)算法，根据每个节点实时监测到当前的网络状态和吞吐量来动态调整BE值；蒋子峰等人提出了一种DA-CSMA/CA算法，根据吞吐量情况动态改变初始竞争窗口大小和动态退避次数；王月平等人提出P-CSMA/CA算法，引入概率机制来实现退避窗口选择的问题。

以上对于CSMA/CA算法两个方向的改进，前者需要大量的计算资源与存储资源，后者需要检测设备检测业务进行中的多种参数，并不适用于物联网中低功耗、低复杂度的背景。且slotted CSMA-CA需要竞争访问时段内单位竞争时隙相同，CCA(Clear ChannelAssessment，空闲信道检测)只能在时隙起始时间点执行，不适用于物理资源较灵活的协议标准中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法。采用需求计算资源与存储资源较低的虚拟载波侦听与优先级机制，提高在高业务密度场景下时间资源的利用效率，减少数据发送的失败几率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的免冲突的载波侦听多路访问控制方式CSMA-CA方法，该方法包括以下步骤：

S1：说明业务帧结构与帧控制字段的补充信息；

S2：固定随机退避延迟时间窗；

S3：优先级设计与编码；

S4：帧间隔设计与虚拟载波侦听机制设定；

S5：算法运行。

可选的，在所述S1中，业务帧结构包括帧控制和帧载荷。

可选的，所述S1中，补充信息包括信息、对应的字段长度和对应的意义；

所述信息包括：报文优先级、确认重传标识位、帧载荷长度和帧类型；

所述对应的字段长度分别为：4、1、可变和4

所述对应的意义分别为：本条业务帧优先级编码值、本条帧是否需求选择确认重传机制、具体协议中规定的帧载荷长度、0为业务帧，1为ACK。

可选的，所述S2中，为确保信道空闲可以接入，CSMA/CA算法在进行空闲信道评估CCA成功后，随机退避延迟一段时间重新CCA，若仍成功则接入信道并发送报文，若失败则剩余退避次数BC减1，退避延迟计算BT公式：

BT＝rand(0,2^BE-1)

恒定竞争窗口，每次随机退避延迟后的CCA失败不会造成BE值自加1，其目的是配合虚拟载波侦听机制与优先级机制。

可选的，所述S3中，为防止不同节点同时争夺信道资源，所有节点在进行信道接入前会执行优先级解析；信道被划分为8个信道优先级，用PS0，PS1，PS2编码表示；

报文根据重要程度和时延需求以同样方案被划分优先级，只有报文的优先级P比信道优先级PS高时，节点才能够接入信道发送报文；

信道优先级会以特定周期归0，并不断被被每一个成功接入信道发送的业务帧帧控制部分中所携带的报文优先级数值刷新；信道优先级不会大于6；

报文优先级除了初始赋值外，还会动态调整；每次P>PS的判别失败都会让报文优先级提高1级；每次经过随机退避节点发送报文后，会等待报文接收方回传确认，一旦传输失败，即报文发送方未收到确认报文，或确认报文CRC错误，节点就会重传数据，假设重传次数为N，则报文最多有N次重传的机会，每次发送失败，节点重新接入信道需要较长时间，同时节点的发送队列中还会添加新的报文，每次处理重传的同时，将报文的优先级提高1级；一旦退避失败，将报文优先级提高1级；当优先级达到最大值时，保持不变。

可选的，所述S4中，帧间隔包括竞争帧间隔CFI、回应帧间隔RFI、扩展帧间隔EFI和载荷帧间隔LFI。

可选的，所述S4中，虚拟载波侦听机制为：物理层在仅接收到一个完整的帧控制后上报并解析其中信息，以实现虚拟载波侦听机制。

可选的，所述S5中，算法最开始会访问虚拟载波定时器中当前的计数值，并等待本次虚拟载波侦听定时器归零，之后根据本次发送数据帧控制中的“报文优先级”字段设置本次算法流程的保温优先级P，重传次数N，退避次数BC，之后进行P与PS的比较，若P不大于PS则“报文优先级”字段的值自加1，并结束本次算法流程，待发送帧等待下次调度发送；若P较大则首先检查退避次数BC是否为0，若非0则进入发送就绪状态，若为0则说明退避次数用尽，检查重传次数N是否为0，若重传次数为0则说明重传次数用尽，将报文丢弃，若不为0则重传次数自减1，重新设置BC值，重新进行优先级比较及后续流程；

进入发送就绪状态后，进行随机延迟退避，之后进行CCA；若CCA成功则发送数据，若CCA失败则P自加1，重新进行优先级比较以及后续流程；是否进行ACK检测是根据本次发送是否采用确认重传机制来决定的。

本发明的有益效果在于：

本发明与传统unslotted CSMA-CA算法相比在平均帧碰撞率、平均能耗方面的性能提升分别为30％和40％左右；在固定码率吞吐量方面，业务密度较高时传统unslottedCSMA-CA算法会产生强烈的性能劣化，而本发明中优先级与虚拟载波侦听的加入虽然在流程上增加了复杂度，但随着业务密度升高，吞吐量平稳上升，能保证数据有效传输，性能提升约50％。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为传统CSMA-CA算法总框图；

图2为帧间隔；

图3为本发明算法框图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA算法，以虚拟载波侦听机制预估信道中本次数据发送完成之后产生信道空闲的时间点，并且划分业务帧优先级，进一步减少业务帧发送碰撞的概率，提高信道内业务密度较高的场景下算法的性能

本发明的具体技术方案：

1)业务帧结构与帧控制字段补充信息说明

本算法的执行要求业务帧结构如表1：

表1帧结构

帧控制

帧载荷

其中帧控制中配合算法执行应补充如表2信息：

表2帧控制中补充字段信息

2)固定的随机退避延迟时间窗

为确保信道空闲可以接入，CSMA/CA算法在进行CCA(Clear Channel Assessment，空闲信道评估)成功之后，应随机退避延迟一段时间重新CCA，若仍成功则可接入信道并发送报文，若失败则剩余退避次数(BC)减1。退避延迟计算(BT)公式：

BT＝rand(0,2^BE-1)

在传统的退避机制中，每一次退避后的CCA失败，BE值都会自加1，这就会使退避窗口的值翻倍，这增加了传输成功率，但也带来了传输延迟的缺点。在本设计中，恒定竞争窗口，每次随机退避延迟后的CCA失败不会造成BE值自加1，其目的是配合虚拟载波侦听机制与优先级机制，保证节点公平竞争信道时间资源。

3)优先级设计与编码

为进一步防止不同节点同时争夺信道资源，所有节点在进行信道接入前会执行优先级解析。信道会被划分为8个信道优先级，用PS0，PS1，PS2编码表示，如表3所示。

表3优先级编码

优先级数值	PS0	PS1	PS2
				0	0	0	0
1	0	0	1
				2	0	1	0
…	…	…	…
				7	1	1	1

报文也根据重要程度和时延需求以同样方案被划分优先级，只有报文的优先级(P)比信道优先级(PS)高时，节点才可接入信道发送报文。

信道优先级会以特定周期归0，并不断被被每一个成功接入信道发送的业务帧帧控制部分中所携带的报文优先级数值刷新。信道优先级不会大于6。

报文优先级除了初始赋值外，还会动态调整。每次P>PS的判别失败都会让报文优先级提高1级；每次经过随机退避节点发送报文后，会等待报文接收方回传确认，一旦传输失败，即报文发送方未收到确认报文，或确认报文CRC错误，节点就会重传数据，假设重传次数为N，则意味着报文最多有N次重传的机会，每次发送失败，节点重新接入信道需要较长时间，同时节点的发送队列中还会添加新的报文，造成阻塞，因此每次处理重传的同时，还会将报文的优先级提高1级；退避失败也会造成数据的阻塞，因此一旦退避失败，也将报文优先级提高1级。当优先级达到最大值时，保持不变。

4)帧间隔

本发明确定了4种数据传输空隙的帧间隔：CFI(Competitive Frame Interval，竞争帧间隔)，RFI(Response Frame Interval，回应帧间隔)，EFI(Extended FrameInterval，扩展帧间隔)，LFI(Load Frame Interval，载荷帧间隔)，是对传统IEEE802.15.4MAC层标准中帧间隔定义的扩展，帧间隔具体定义如图2。

其中ACK结构与帧控制相同，作为确认重传机制中接收方给发送方回复的确认成功接收标识。

5)虚拟载波侦听机制

传统协议栈物理层会把整条帧接收后上报给MAC层，再由MAC层解析后逐层上报。本发明要求物理层在仅接收到一个完整的帧控制后即可上报并解析其中信息，以实现虚拟载波侦听机制。

虚拟载波侦听机制为接收流程中的一个子流程，会根据接收到的帧控制中携带的“确认重传标识位”字段、“帧载荷长度”和“帧类型”字段，按照上文中提到的帧间隔设计，结合自身物理层实际的编码调制速度与系统处理时间补偿值来设定虚拟载波定时器长度，并启动该定时器。虚拟载波定时器长度设定方案如表4。

表4虚拟载波侦听定时器长度设定值

虚拟载波侦听机制中，还会根据帧控制中携带的“报文优先级”字段信息设置本地信道优先级，以供优先级机制执行。

6)算法总体流程

算法总体流程图如图3。

算法说明：

算法最开始会访问虚拟载波定时器中当前的计数值，并等待本次虚拟载波侦听定时器归零，之后根据本次发送数据帧控制中的“报文优先级”字段设置本次算法流程的保温优先级P，重传次数N，退避次数BC，之后进行P与PS的比较，若P不大于PS则“报文优先级”字段的值自加1，并结束本次算法流程，待发送帧等待下次调度发送；若P较大则首先检查退避次数BC是否为0，若非0则进入发送就绪状态，若为0则说明退避次数用尽，检查重传次数N是否为0，若重传次数为0则说明重传次数用尽，将报文丢弃，若不为0则重传次数自减1，重新设置BC值，重新进行优先级比较及后续流程。

进入发送就绪状态后，会与传统unslotted CSMA-CA算法相同，进行随机延迟退避，之后进行CCA。若CCA成功则发送数据，若CCA失败则P自加1，重新进行优先级比较以及后续流程。是否进行ACK检测是根据本次发送是否采用确认重传机制来决定的。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的免冲突的载波侦听多路访问控制方式CSMA-CA方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：说明业务帧结构与帧控制字段的补充信息；

S2：固定随机退避延迟时间窗；

S3：优先级设计与编码；

S4：帧间隔设计与虚拟载波侦听机制设定；

S5：算法运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：在所述S1中，业务帧结构包括帧控制和帧载荷。

3.根据权利要求2所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：所述S1中，补充信息包括信息、对应的字段长度和对应的意义；

所述信息包括：报文优先级、确认重传标识位、帧载荷长度和帧类型；

所述对应的字段长度分别为：4、1、可变和4

所述对应的意义分别为：本条业务帧优先级编码值、本条帧是否需求选择确认重传机制、具体协议中规定的帧载荷长度、0为业务帧，1为ACK。

4.根据权利要求3所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：所述S2中，为确保信道空闲可以接入，CSMA/CA算法在进行空闲信道评估CCA成功后，随机退避延迟一段时间重新CCA，若仍成功则接入信道并发送报文，若失败则剩余退避次数BC减1，退避延迟计算BT公式：

BT＝rand(0,2^BE-1)

恒定竞争窗口，每次随机退避延迟后的CCA失败不会造成BE值自加1，其目的是配合虚拟载波侦听机制与优先级机制。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：所述S3中，为防止不同节点同时争夺信道资源，所有节点在进行信道接入前会执行优先级解析；信道被划分为8个信道优先级，用PS0，PS1，PS2编码表示；

报文根据重要程度和时延需求以同样方案被划分优先级，只有报文的优先级P比信道优先级PS高时，节点才能够接入信道发送报文；

信道优先级会以特定周期归0，并不断被被每一个成功接入信道发送的业务帧帧控制部分中所携带的报文优先级数值刷新；信道优先级不会大于6；

报文优先级除了初始赋值外，还会动态调整；每次P>PS的判别失败都会让报文优先级提高1级；每次经过随机退避节点发送报文后，会等待报文接收方回传确认，一旦传输失败，即报文发送方未收到确认报文，或确认报文CRC错误，节点就会重传数据，假设重传次数为N，则报文最多有N次重传的机会，每次发送失败，节点重新接入信道需要较长时间，同时节点的发送队列中还会添加新的报文，每次处理重传的同时，将报文的优先级提高1级；一旦退避失败，将报文优先级提高1级；当优先级达到最大值时，保持不变。

6.根据权利要求5所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：所述S4中，帧间隔包括竞争帧间隔CFI、回应帧间隔RFI、扩展帧间隔EFI和载荷帧间隔LFI。

7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：所述S4中，虚拟载波侦听机制为：物理层在仅接收到一个完整的帧控制后上报并解析其中信息，以实现虚拟载波侦听机制。

8.根据权利要求7所述的一种基于虚拟载波侦听和优先级调度的CSMA-CA方法，其特征在于：所述S5中，算法最开始会访问虚拟载波定时器中当前的计数值，并等待本次虚拟载波侦听定时器归零，之后根据本次发送数据帧控制中的“报文优先级”字段设置本次算法流程的保温优先级P，重传次数N，退避次数BC，之后进行P与PS的比较，若P不大于PS则“报文优先级”字段的值自加1，并结束本次算法流程，待发送帧等待下次调度发送；若P较大则首先检查退避次数BC是否为0，若非0则进入发送就绪状态，若为0则说明退避次数用尽，检查重传次数N是否为0，若重传次数为0则说明重传次数用尽，将报文丢弃，若不为0则重传次数自减1，重新设置BC值，重新进行优先级比较及后续流程；

进入发送就绪状态后，进行随机延迟退避，之后进行CCA；若CCA成功则发送数据，若CCA失败则P自加1，重新进行优先级比较以及后续流程；是否进行ACK检测是根据本次发送是否采用确认重传机制来决定的。

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