CN113194424B - 工业物联网中基于中断概率的raw分组接入方法 - Google Patents

工业物联网中基于中断概率的raw分组接入方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线通信领域，提供了一种工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法。为更加合理地为对节点分组、提高网络的吞吐量并降低时延，提高网络的性能，本发明包括以下几个步骤：A、通过IEEE 802.11ah协议中原始的快速关联机制，接入点与节点建立关联；B、接入点收集所关联的节点信息，并计算与节点间信道的中断概率；C、根据A和B获取的信息，接入点为各个节点计算所需的时隙长度；D、接入点对节点进行重分组，并将分组结果发送给节点。本发明主要应用于使用了IEEE 802.11ah协议的工业物联网中。

Description

工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法
技术领域
本发明属于无线通信领域下无线信道接入子领域，尤其是涉及一种工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法。
背景技术
IEEE 802.11ah是为满足物联网中远距离传输的需求，从IEEE 802.11ac修改而来的无线网络协议。针对工业物联网中节点的大规模接入问题，IEEE 802.1ah协议引入了限制访问窗口((RestrictedAccessWindow，RAW)机制。RAW机制将接入的节点分到多个组中，并为每组设置访问窗口。在RAW内又分为多个时隙，RAW组内各节点又被平均分配到各时隙中。因此各个RAW组之间在时域上是隔离的，每个节点只允许在其所在的RAW组的访问窗口中参与竞争信道。而在访问窗口内，RAW组内节点是随机竞争的。在原始的IEEE 802.11ah协议中，与接入点(AccessPoint，AP)连接的节点被平均随机分配到若干个RAW分组中，RAW组中的时隙数量和时隙持续时间固定且相同。RAW机制将确定信道访问与随机信道访问结合，即减小了节点之间的竞争，有保障了节点对信道的公平竞争，为IIoT中节点的大规模接入提供了有效的解决方案。
在原始的IEEE 802.11ah协议中，与AP连接的节点被平均随机分配到若干个RAW分组中，RAW组中的时隙数量和时隙持续时间固定且相同。原始的IEEE 802.11ah并没有根据负载的不同，针对不同的节点采用不同的分组策略。由于节点只能在规定的时隙中竞争信道，一方面，若时隙中节点负载较小，节点只占用了时隙中少部分时长便完成了数据传输，这会造成时隙信道资源的浪费；另一方面，若时隙中节点负载较大，在时隙结束前节点没有完成传输，节点会继续占用下一个时隙继续传输，这会减少下一时隙中节点的传输时长，进而影响到网络的吞吐量和传输时延。此外，节点对RAW时隙长度的需求不仅仅取决于节点的负载，还取决于由于比特差错而重传帧的耗时。
为了提高RAW机制的效率并降低节点能耗，发明专利《基于物联网协议的信道接入的改进方法》(专利号CN201510789190.4)设计了原始RAW机制的改进方法，根据网络中节点的数量，动态调整RAW窗口大小。然而这种方法只考虑了节点的数量，并没有考虑到不同节点的负载和信道的状态等因素，若节点的负载较大，则RAW窗口大小可能无法满足需求。针对大规模IEEE 802.11ah网络中节点碰撞问题，发明专利《大规模监测传感网RAW重分组实现及周期性传输分组方法》(专利号CN201910605040.1)设计了根据节点的负载大小和发包间隔计算每个节点预计占用信道的时间，并以此为基础调整RAW窗口大小和窗口内时隙长度的方法。这种方法虽然考虑了节点的负载大小，但是没有考虑到信道的状态，若信道质量较差，则有可能发生数据包重传，所设置时隙长度无法将满足传输需求。
为了解决上述RAW机制中的问题，需要引入一种直接评价信道质量的指标，评估由于链路层的比特差错而重传的概率，并需要综合考虑不同节点的不同负载，进而直接地计算出节点发送数据和重传数据的耗时。在计算各个节点所需的RAW时隙时长度后，需要将时隙长度需求相同的节点重新分组到同一个RAW组中，进而实现提高信道资源的利用率，保证网络整体的性能。
发明内容
使用IEEE 802.11ah协议的工业物联网并没有根据节点的业务负载及信道的质量等因素针对不同节点采用不同的分组策略，针对由此引发的信道资源浪费、网络吞吐量下降及传输时延增加的问题，本发明提出了基于中断概率的RAW分组接入方法，按照节点发包的速率、数据包大小和数据传输的中断概率，为节点设置合理的时隙长度，再将时隙长度相同的节点被分配到同一个RAW组中，设置合适的RAW时长。
本发明的技术方案：
工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，步骤如下：
A、通过IEEE 802.11ah协议中原始的快速关联机制，接入点与节点建立关联；
具体为：
A1、接入点完成初始化，随后根据当前关联节点的数量，周期性生成一个在区间[1,1022]中的阈值，放入信标帧中，并向节点广播信标帧；
A2、节点完成初始化，并随机生成一个与步骤A.1中区间相同的随机阈值，若该随机阈值小于接收到的信标中的阈值，则接入点向AP发送关联请求；
A3、接入点根据接收到的关联请求，为节点分配关联标识(AssociationID，AID)，并发送包含AID信息的关联响应。
B、接入点收集所关联的节点信息，并计算与节点间信道的中断概率；
具体为：
B1、各个节点根据自身业务的不同，将各自不同的发送速率信息ri、数据包大小信息及发送数据包间隔信息Δt发送给下一个节点或接入点；
B2、节点搜集可用信道的信噪比信息，并发送给下一个节点或接入点；
B3、接入点根据收集到的信噪比和中继节点个数信息，计算从接入点到各个节点之间信道的中断概率Pout。
其中，对于没有中继节点的数据传输，计算中断概率的表达式如公式(1)。
其中，为所需计算的直接数据传输的中断概率，rth为设定的门限信噪比，/>为接入点到节点之间的平均信噪比。
对于有M个中继节点的再生中继系数据传输，计算中断概率的表达式如公式(2)。
其中，为所需计算的M个中继节点的中断概率，m为中继节点的个数，/>表示第l个中继节点转发时信道的信噪比。
C、根据步骤A和步骤B获取的信息，接入点为各个节点计算所需的时隙长度；
具体为：
C1、接入点根据发送速率ri、数据包大小计算发包所需时间，计算公式为公式(3)和(4)。
tp＝td+tDIFS+tSIFS+tACK+h(4)
其中，tp为所需计算的发包所需时间，tDIFS为等待信道空闲时间，tSIFS为回复确认帧(Acknowledge Frame，ACK)的间隔时间，tACK为ACK帧的传输时间ε为计数器计时结束所需的时间；
C2、接入点根据信标间隔时间TBI和节点的发包间隔Δt，计算不考虑由于信道质量差而造成重传所需的时间，节点在一个信标间隔时间内发送数据所需时间。计算公式为公式(5)：
Tp＝tp*TBI/Δt(5)
其中，Tp为所需计算的发送数据所需时间；
C3、接入点根据计算出的与各个节点间的中断概率，调整每个节点的发送数据所需时间。计算公式如公式(6)：
其中，为以微秒为单位的调整后的节点发送数据所需时间；
C4、接入点根据节点发送数据所需时间，计算时隙计数器的大小。计算公式如公式(7)：
其中，C′为所需计算的时隙计数器的值，。
D、接入点对节点进行重分组，并将分组结果发送给节点；
具体为：
D1、接入点根据所关联的节点根据时隙长度(时隙计数器大小)，对节点重分组为RAW＝{RAW1，RAW2,…,RAWn}，每个RAW组中节点的时隙长度相同，各个RAW组之间时隙长度不同；
D2、接入点根据步骤D1中重分组结果，为分组后的节点重新分配AID，使相同RAW组中节点的AID连续，并将重新分配的AID发送给各个节点；
D3、将分组结果写入RAW参数集合(RAWParameterSet，RPS)帧中，并将RPS帧广播给各个节点；
至此，经过A到D，完成了工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法。
本发明的有益效果：
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明在工业物联网中应用了RAW机制，将接入的节点分配到不同的RAW组中，各个RAW组在不同的时间内占用信道，节点只能在其所属的RAW组占用信道时传输数据，进而降低了网络中节点的碰撞，提高了网络中可接入的节点数量以及网络的吞吐量，对大规模工业物联网的搭建有重要意义。
2、本发明设计的工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，该方法计算了各节点间数据传输的中断概率，并根据负载大小、发包间隔和中断概率等参数为对节点进行更加合理地分组，解决了传统RAW分组策略浪费信道资源和无法满足节点传输需求的问题，既提高了信道资源的利用率，又提高了网络的吞吐量、降低了网络的传输时延，对提高工业物联网的性能有重要意义。
附图说明
图1是本发明中RAW分组接入方法的工作示意图。
图2是本方法的流程图。
图3是本系统所适用的网络拓扑图。
图4为使用本发明中的RAW分组方法与原始RAW分组方法接入时吞吐量对比。
图5为使用本发明中的RAW分组方法与原始RAW分组方法接入的时延对比。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
图1是本发明中RAW分组接入方法的工作示意图。在图1中，不同长度的矩形代表不同种类的节点，各类节点的发包间隔和数据包大小等特性不同。此外，每个矩形由被虚线分割成的两部分组成，虚线左侧部分代表节点理论上所需的时隙长度，虚线右侧代表受信道质量影响而重传所需的时隙长度。矩形的长代表所需时隙长度，相同种类的节点计算出的时隙计数器在同一区间，被分配到的相同的RAW组中。不同RAW组内时隙持续时间不同，RAW分组时长也不同。由图1可以看出，本发明中的RAW分组接入方法可以为节点按照需求和数据传输质量分配时隙资源，保障数据传输效率的同时也提高了信道资源的利用率。
图2是本方法的流程图，包括以下步骤：
步骤301：节点与接入点建立关联；
步骤302：接入点搜集关于节点的发包间隔、数据包大小及信道的信噪比等信息；
步骤303：接入点根据信噪比计算与各个节点间数据传输的中断概率；
步骤304：接入点判断是否已经为全部节点计算所需时隙长度，若存在则转至步骤305，否则转至步骤307；
步骤305：接入点根据收集到的信息计算不考虑因传输质量差而重传的时隙长度；
步骤306：接入点根据步骤305计算的时隙长度和步骤303计算的中断概率，计算考虑了因数据传输质量差而重传所需的时隙长度，转至步骤304；
步骤307：接入点为全部节点根据计算出的时隙长度重分组；
步骤308：接入点根据重分组的结果为同一个RAW组中的节点重新分配连续的AID；
步骤309：将分组结果和为节点分配的新的AID写入RPS帧中并将RPS帧广播给各个节点；
图3是本发明所适用的网络拓扑图。图3中，在以接入点为圆心，覆盖范围R为半径的圆内，随机均匀分布40个节点。不同颜色代表不同类型的节点。节点均匀分布在网络中，并且发送功率和环境中的噪声都保持相同。相同类型的节点在相同数据传输质量的条件下，计算出的所需的时隙长度相同。
图4是使用本发明中的RAW分组方法与原始RAW分组方法接入时吞吐量对比。使用图3中的网络拓扑，其他网络参数如表1。可以看出，随着发送功率的逐渐增加，两种方法下网络的吞吐量都在逐渐升高。使用本发明中的方法，网络的吞吐量相比于使用原始的RAW接入方法有一定的提升。
图5是使用本发明中的RAW分组方法与原始RAW分组方法接入的时延对比。使用图3中的网络拓扑，其他网络参数如表1。可以看出，随着发送功率的逐渐增加，两种方法下网络的时延都在逐渐降低。使用本发明中的方法，网络的时延相比于使用原始的RAW接入方法更低一些。
表1IEEE 802.11ah网络模拟参数

Claims (5)

1.工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，其特征在于，步骤如下：
A、通过IEEE 802.11ah协议中的快速关联机制，接入点与节点建立关联；
B、接入点收集所关联的节点信息，并计算与节点间信道的中断概率；
C、根据步骤A和步骤B获取的信息，接入点为各个节点计算所需时隙长度；
D、接入点对节点进行重分组，并将分组结果发送给节点。
2.根据权利要求1所述的工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，其特征在于，所述步骤A包括：
A1、接入点完成初始化，随后根据当前关联节点的数量，周期性生成一个在区间[1,1022]中的阈值，放入信标帧中，并向节点广播信标帧；
A2、节点完成初始化，并随机生成一个与步骤A.1中区间相同的随机阈值，若该随机阈值小于接收到的信标中的阈值，则接入点向AP发送关联请求；
A3、接入点根据接收到的关联请求，为节点分配AID，并发送包含AID信息的关联响应；所述的AID为节点分配的关联标识。
3.根据权利要求1所述的工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，其特征在于，所述步骤B包括：
B1、各个节点根据自身业务的不同，将各自不同的发送速率信息ri、数据包大小信息及发送数据包间隔信息Δt发送给下一个节点或接入点；
B2、节点搜集可用信道的信噪比信息，并发送给下一个节点或接入点；
B3、接入点根据收集到的信噪比和中继节点个数信息，计算从接入点到各个节点之间信道的中断概率Pout；
其中，对于没有中继节点的数据传输，计算中断概率的表达式如公式(1)；
其中，为所需计算的直接数据传输的中断概率，rth为设定的门限信噪比，/>为接入点到节点之间的平均信噪比；
对于有M个中继节点的再生中继系数据传输，计算中断概率的表达式如公式(2)；
其中，为所需计算的M个中继节点的中断概率，m为中继节点的个数，/>表示第l个中继节点转发时信道的信噪比。
4.根据权利要求1所述的工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，其特征在于，所述步骤C包括：
C1、接入点根据发送速率ri、数据包大小计算发包所需时间；计算公式为公式(3)和(4)；
tp＝td+tDIFS+tSIFS+tACK+ε(4)
其中，tp为所需计算的发包所需时间，tDIFS为等待信道空闲时间，tSIFS为回复ACK帧的间隔时间，tACK为ACK帧的传输时间，ε为计数器计时结束所需的时间；
C2、接入点根据信标间隔时间TBI和节点的发包间隔Δt，计算不考虑由于信道质量差而造成重传条件下，节点在一个信标间隔时间内发送数据所需时间；计算公式为公式(5)：
Tp＝tp*TBI/Δt(5)
其中，Tp为所需计算的发送数据所需时间；
C3、接入点根据计算出的与各个节点间的中断概率，调整每个节点的发送数据所需时间；计算公式如公式(6)：
其中，为以微秒为单位的调整后的节点发送数据所需时间；
C4、接入点根据节点发送数据所需时间，计算时隙计数器的大小；计算公式如公式(7)：
其中，C′为所需计算的时隙计数器的值。
5.根据权利要求1所述的工业物联网中基于中断概率的RAW分组接入方法，其特征在于，所述步骤D包括：
D1、接入点为所关联的节点根据时隙长度，对节点重分组为RAW＝{RAW1，RAW2,…,RAWn}，每个RAW组中节点的时隙长度相同，各个RAW组之间时隙长度不同；
D2、接入点根据步骤D1中重分组结果，为分组后的节点重新分配AID，使相同RAW组中节点的AID连续，并将重新分配的AID发送给各个节点；所述的AID为节点分配的关联标识；
D3、将分组结果写入RPS帧中，并将RPS帧广播给各个节点。
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