CN112954818A

CN112954818A - 一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法

Info

Publication number: CN112954818A
Application number: CN202110441029.3A
Authority: CN
Inventors: 李强; 李祥; 邓淑桃; 彭波; 李新民
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-06-11
Anticipated expiration: 2041-04-23
Also published as: CN112954818B

Abstract

本发明提供了一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，包括以下步骤：系统负载从0开始增加，优先级个数为n，数据接入信道在不同状态下将系统负载分为n+1个阶段。无退避阶段为阶段1：系统负载从0开始增加，直到成功概率降低到99％，得到信道最大信道接入负载；最低优先级退避阶段为阶段2：阶段2将最低优先级的数据从退避10％到100％全部退避，得到整个阶段2的信道接入负载与系统负载的关系。其余更高优先级退避阶段为阶段3至n+1：在各个阶段依次将当前优先级的数据从10％到100％全部退避，得到退避阶段时优先级n的成功概率与系统负载的关系。有效地提高复杂环境下高优先级业务的接收成功概率和降低业务平均时延。

Description

一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信技术领域，尤其涉及一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法。

背景技术

复杂环境主要包括各种抢险救灾环境、强电磁干扰环境和弱信道连接环境。抢险救灾环境主要有地震、抗洪和救火环境，通信时延低，特效业务消息服务需求高是其必须的通信需求。强电磁干扰环境主要体现在变电站，其受电磁干扰严重，弱信道连接环境主要包括无人地区和地底矿区等。在复杂环境下通信，其中介质访问控制(Medium AccessControl,MAC)协议描述了数据链节点发送数据包时接入无线信道的规则，MAC协议性能的好坏将直接影响到整个数据链通信传输的能力。而业务接入信道方法的不同是区分是MAC协议的一种主要方法。

根据复杂环境下环境的特性，MAC协议需要满足支持多种业务服务，有些业务的信息传输概率不低于99％，并且其信息端到端时延最短。目前主流的MAC协议从业务接入信道方式的角度，可以分为基于调度类的MAC协议、基于竞争类的MAC协议和混合类的MAC协议。

基于调度类的MAC协议主要有TDMA协议和轮询类MAC协议，但是因为复杂环境下业务服务需求高，信道多变的特点，TDMA协议和轮询类MAC协议都需要频繁建立信道链路，会造成一定的信道资源浪费。基于竞争类的MAC协议主要有ALOHA协议和载波侦听型协议，但是因为ALOHA协议无法保证信道的分组不发生碰撞，载波侦听型协议需要频繁的侦听信道，由此现有的MAC协议的信道接入方法都不满足复杂环境下需求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，能够有效的提高复杂环境下高优先级业务的接收成功概率和降低业务平均时延。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，包括以下步骤：

S1、确定优先级个数n，将系统负载L从0开始增加，并根据数据接入信道时的状态，确定系统负载L与信道接入负载CL的关系；

S2、根据所述系统负载L与信道接入负载CL的关系，确定针对系统负载L从0开始增加，直至业务接收成功率降低至99％时的最大信道接入负载CLm；

S3、根据所述最大信道接入负载CLm，将最低优先级的数据从退避10％至100％全部退避，得到最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系；

S4、根据最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，得到退避阶段时优先级i的成功概率Pi与系统负载L的关系，完成面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法。

本发明的有益效果是：本发明在复杂环境下通过将业务进行优先级划分，使得在复杂环境中，高优先级业务能够与其他业务进行区分，使其接入信道的概率增加，并且通过对信道接入的状态进行划分，能够在合适的时间退避合适的优先级业务。退避优先级低的业务，高优先级业务能够保持99％以上的接收成功概率，而且高优先级业务所占总业务的比例较低，所包含的业务包较小，退避的低优先级业务不多，能够有效的提高在复杂环境应用中高优先级业务的接收成功概率。本发明通过对无退避阶段和退避阶段的详细分析，通过详细的实现步骤，为所述方法在复杂环境应用中实现高优先级业务的高接收成功概率提供支撑作用。通过对所述方法各个优先级的接收成功率关键性能指标，进行数学推导，得到数学表达式。通过表达式，可知对于不同优先级i而言，其在不同的信道负载下会执行是否退避，退避概率多少的操作。通过数据自适应接入信道，使信道负载稳定在99％传输成功概率下的信道负载，能够有效的提高复杂环境应用中信道利用率。

进一步地，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、确定优先级个数n以及各优先级业务包的比例；

S102、将系统负载L从0开始增加，从数据接入信道时状态的不同，将系统负载L划分为n+1个阶段；

S103、根据所述划分阶段，确定系统负载L与信道接入负载CL的关系。

上述进一步方案的有益效果是：将业务进行优先级划分，使得在复杂环境中，高优先级业务能够与其他业务进行区分，使其接入信道的概率增加，并且通过对信道接入的状态进行划分，能够在合适的时间退避合适的优先级业务。

再进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：

S201、根据所述系统负载L与信道接入负载CL的关系，当系统负载L从0开始增加，直至业务接收成功率从100％降低至99％时，无退避阶段结束，进入退避阶段；

S202、根据所述退避阶段，确定业务接收成功率高于99％时的系统负载L与接收成功率Pn的关系；

S203、根据所述退避阶段，确定业务接收成功率为99％时系统负载Ln与信道接收负载CL的关系，确定最大信道接入负载CLm。

上述进一步方案的有益效果是：通过对无退避阶段和退避阶段的分析，得到理想情况下业务接收成功率高于99％时，系统负载L与接收成功率Pn的关系，业务接收成功率为99％时系统负载Ln与信道接收负载CL的关系，并确定最大信道接入负载CLm。通过得到上述关系与参数，为所述方法有效性提供支撑作用。

再进一步地，所述步骤S202中系统负载L与接收成功率Pn的关系的表达式如下：

其中，Ln表示优先级n完全退避时的系统负载，L(n-1)表示优先级n-1完全退避时的系统负载，num表示阶段2至n+1中信道接入的状态。

上述进一步方案的有益效果是：通过对所述方法的接收成功率关键性能指标，进行数学推导，得到数学表达式。通过表达式，可知对于优先级而言，其在信道负载小于Ln时，保持大于99％的接收成功率。在信道负载为Ln至L(n-1)时，优先级i的接收成功率开始下降，直至信道负载大于L(n-1)后接收成功率降为0。达到通过退避低优先级业务，保障高优先级业务的接收成功概率。

再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、基于系统负载Ln，对最低优先级n进行退避；

S302、针对信道接入负载CL等于最大信道接入负载CLm时，将最低优先级n退避10％，得到当前时刻信道接入负载CL与系统负载L的关系；

S303、判断最低优先级n是否全部退避，若是，则得到最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，若则，返回步骤S302。

上述进一步方案的有益效果是：通过对退避阶段中各个阶段的详细分析，对各个阶段的退避方法及其对应的优先级退避效果进行了阐述。通过详细的实现步骤，为所述方法在复杂环境应用中实现高优先级业务的高接收成功概率提供支撑作用。

再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：

S401、根据最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，确定高优先级退避阶段下信道接入负载CL与系统负载L的关系；

S402、根据最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，确定阶段n+1下信道接入负载CL与系统负载L的关系；

S403、根据步骤S401与步骤S402确定的关系，计算得到整体退避阶段中系统负载L与信道接入负载CL的关系；

S404、根据所述整体退避阶段中系统负载L与信道接入负载CL的关系，得到退避阶段时优先级i的成功概率Pi与系统负载L的关系，完成面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法。

上述进一步方案的有益效果是：通过对退避阶段的详细分析，得到理想情况下整体退避阶段中系统负载L与信道接入负载CL的关系,优先级i的成功概率Pi与系统负载L的关系。通过得到上述关系，为所述方法有效性提供支撑作用。

再进一步地，所述步骤S404中退避阶段时优先级n的成功概率Pi与系统负载L的关系的表达式如下：

其中，i表示优先级序列号。

上述进一步方案的有益效果是：通过对所述方法各个优先级的接收成功率关键性能指标，进行数学推导，得到数学表达式。通过表达式，可知对于不同优先级i而言，其在不同的信道负载下会执行是否退避，退避概率多少的操作。通过数据自适应接入信道，达到退避低优先级业务，保障高优先级业务的接收成功概率的目的。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本实施例中信道接入流程示意图。

图3为本实施例中退避阶段信道接入流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1-图2所示，本发明一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其实现方法如下：

S1、确定优先级个数n，将系统负载L从0开始增加，并根据数据接入信道时的状态，确定系统负载L与信道接入负载CL的关系。

本实施例中，多优先级信道接入方法为系统负载L从0开始增加，此时优先级个数为n，数据接入信道在不同状态下，将系统负载L分为n+1个阶段。从数据退避方面看，分为无退避阶段和退避阶段。多优先级信道接入方法为数据接入信道时，先判断信道的状态，根据不同的状态与业务包自身的优先级高低进行对比，来判断数据是否能接入信道还是进行退避。本发明依据复杂环境下对信道接入的需求对信道的状态的划分，所述需求为高负载环境或弱信道连接时，高优先级业务能够有99％的成功概率。因此对信道状态的划分为将系统负载的强弱对应信道状态的优劣，系统负载高时信道状态差，应该退避低优先级的业务。其实现方法如下：

S101、确定优先级个数n以及各优先级业务包的比例。

本实施例中，确定优先级个数为n，n为大于等于2的整数，且优先级1为最高优先级，优先级n为最低优先级。各个优先级业务包的比例为1:1:1:,...,:1，各个优先级业务包数量一致。

S102、将系统负载L从0开始增加，从数据接入信道时状态的不同，将系统负载L划分为n+1个阶段。

本实施例中，数据接入信道不同状态将系统负载L分为n+1个阶段(n为优先级个数)，从数据退避方面看，第一个阶段为所有数据均不退避，其余n个阶段均有数据进行退避。使用num代表阶段2至n+1中信道接入的状态，num的值从1至n*10，每十个对应一个阶段，假设各个优先级的业务量相同。

S103、根据划分阶段，确定系统负载L与信道接入负载CL的关系。

本实施例中，根据阶段划分，阶段1为无数据退避阶段，阶段2为优先级n进行退避，以此类推阶段m，m大于1，为优先级n-m+2进行退避，由此系统负载在各个优先级完全退避时的最大值为Ln，例如L2为优先级2完全退避时的系统负载。

S2、根据所述系统负载L与信道接入负载CL的关系，确定针对系统负载L从0开始增加，直至业务接收成功率降低至99％时的最大信道接入负载CLm。

本实施例中，无退避阶段也为阶段1：系统负载L从0开始增加，直到成功概率降低到99％的时刻的系统负载L，此时理论和仿真得到的信道最大信道接入负载为CLm。其实现方法如下：

S201、根据所述系统负载L与信道接入负载CL的关系，针对系统负载L从0开始增加，直至业务接收成功率从100％降低至99％时，无退避阶段结束，进入退避阶段。

本实施例中，确定无退避阶段时系统负载与业务接收成功概率的关系，系统负载L从0开始增加，接收成功概率从100％开始降低，直到成功概率降低到99％时刻，无退避阶段结束，系统负载L继续增加，进入退避阶段。

本实施例中，系统负载L从0开始增加，所有优先级业务包均不进行退避，随到随发，由于系统负载的渐渐增加，业务包开始碰撞，导致业务接收成功概率降低，当降低至99％时，将最低优先级进行退避，进入退避阶段的阶段2。

S202、根据所述退避阶段，确定业务接收成功率高于99％时的系统负载L与接收成功率Pn的关系。

本实施例中，业务接收成功概率高于为99％时，业务包处于随到随发状态。通过业务包的发包规律，可以计算出碰撞概率，从而得到当前的系统负载L与接收成功概率Pn的关系，如式(1)所示：

本实施例中，业务接收成功概率为99％时，此时的系统负载L1为信道最大接入负载CLm，当信道接入负载CL大于CLm时，就不能保证业务接收成功概率大于99％，如式(2)所示。

S3、根据所述最大信道接入负载CLm，将最低优先级的数据从退避10％至100％全部退避，得到最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系。

本实施例中，最低优先级退避阶段为阶段2：阶段2将最低优先级的数据从退避10％到100％全部退避，得到整个阶段2的信道接入负载CL与系统负载L的关系，具体退避阶段的信道接入流程示意图如图3所示。在退避阶段刚开始的阶段2时，将对最低优先级n进行退避，但是不能全部退避，全部退避会导致信道利用率变低，所以在此阶段将分为10个子阶段，优先级n的数据包依次以10％，20％，…，100％的概率进行退避。具体过程为：当信道接入CL＝CLm时，最低优先级n以10％的概率进行退避，系统负载L增加，当信道接入CL＝CLm时，最低优先级n以20％的概率进行退避，后面8个部分每次都增加10％的概率进行退避。直至最低优先级n全部退避，进入阶段3。阶段3至n+1：重复阶段2的过程，在每个阶段时依次将当前优先级的数据从退避10％到100％全部退避。将阶段2至n+1中各个部分为num，num的值从1至n*10，每十个对应一个阶段，假设各个优先级的业务量相同，其实现方法如下：

S301、基于系统负载L1，对最低优先级n进行退避。

本实施例中，根据步骤S203的系统负载L1，此时系统负载L继续增加，但信道接入负载为CL不能继续增加，信道接入负载为CLm，否则超过接收成功概率会低于99％。此时将对最低优先级n进行退避。

S302、针对信道接入负载CL等于最大信道接入负载CLm时，将最低优先级n退避10％，得到当前时刻信道接入负载CL与系统负载L的关系。

本实施例中，具体退避方法为当信道接入负载CL＝CLm时，最低优先级n退避10％，信道接入负载CL降低后，系统负载L增加，得到此时信道接入负载CL与系统负载L的关系。当信道接入CL＝CLm时，最低优先级n退避10％，系统负载L增加，这个过程中信道接入CL为：

其中，L为系统负载，n为优先级个数，num在阶段2的值为1至10。

本实施例中，最低优先级n全部退避时，num＝10，此时信道接入CL1为：

S4、根据最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，得到退避阶段时优先级n的成功概率Pi与系统负载L的关系，完成面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法。

本实施例中，其余更高优先级退避阶段为阶段3至n+1：在各个阶段依次将当前优先级的数据从退避10％到100％全部退避，得到整个退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，推导出退避阶段时优先级n的成功概率Pi与系统负载L的关系，其实现方法如下：

S401、根据最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，确定高优先级退避阶段下信道接入负载CL与系统负载L的关系。

本实施例中，确定阶段3的系统负载L与信道接入负载CL的关系，重复阶段2的过程，在每个阶段时依次将当前优先级的数据从退避10％到100％全部退避，得到阶段3下的信道接入负载CL与系统负载L的关系。当信道接入负载CL再次为CLm时，最低优先级n-1退避10％，系统负载L增加，这个过程中信道接入CL为：

其中，L为系统负载，n为优先级个数，num在阶段3的值为11至20。

最低优先级n-1全部退避时，num＝20，此时信道接入CL2为：

S402、根据最低优先级退避阶段的信道接入负载CL与系统负载L的关系，确定阶段n+1下信道接入负载CL与系统负载L的关系。

本实施例中，确定阶段n+1时系统负载L与信道接入负载CL的关系，重复阶段2的过程，在每个阶段时依次将当前优先级的数据从退避10％到100％全部退避，得到阶段n+1下的信道接入负载CL与系统负载L的关系。当最低优先级2全部退避后，系统负载L增加，最高优先级1退避10％，这个过程中信道接入负载CL为：

其中，L为系统负载，n为优先级个数，num在阶段n的值为(n-1)*10至n*10。

优先级2全部退避时，num＝n*10，此时信道接入CLn为：

本实施例中，整个有退避部分的阶段中退避过程中信道接入CL与num的值的关系为：

num值对于系统负载L是分段存在的，当CL＝CLm，为一个固定值时，可以得到num值与系统负载L的关系为：

本实施例中，各个优先级的成功概率Pi与num值的关系为：

各个优先级的成功概率Pi与系统负载L的关系为：：

本发明通过以上设计，能有效地提高复杂环境下高优先级业务的接收成功概率和降低业务平均时延。

Claims

1.一种面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S101、确定优先级个数n以及各优先级业务包的比例；

3.根据权利要求2所述的面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，所述步骤S202中系统负载L与接收成功率Pn的关系的表达式如下：

5.根据权利要求4所述的面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S301、基于系统负载Ln，对最低优先级n进行退避；

6.根据权利要求5所述的面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的面向复杂环境应用的多优先级自适应信道接入方法，其特征在于，所述步骤S404中退避阶段时优先级n的成功概率Pi与系统负载L的关系的表达式如下：

其中，i表示优先级序列号。