CN113645692B - 一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法，其包括建立分布式竞争的多子载波FDC协议，在无线分布式竞争过程中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争，通过多子载波FDC协议排除子集关系使所有节点达成全局共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时。应用本发明可以通过排除子集关系使所有节点达成共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时，从而达成全局共识以及减少仲裁时间。

Description

一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法。
背景技术
物联网(IoT)最近在学术界和工业界都受到了广泛关注，并且有望对我们的日常生活产生根本性的影响。在典型的物联网场景中，大量的物联网节点通常采用无线分布式竞争协议进行数据传输。因此，如何设计一种高效且冲突极低的无线协议非常重要。众所周知，在经典的时域至频域(time-to-frequency，T2F)协议中，每个节点在其随机选择的一个子载波上发信号进行竞争。T2F减少了传统的时域竞争的耗时，但当节点数很大时，它会导致许多竞争冲突(即，多个节点选择相同的子载波)。
在物联网(IoT)中，许多无线节点收集数据(例如感测到的环境状态)，然后通过竞争将其传输到无线接入点(AP)进行进一步处理。这需求一种高效且无冲突的无线竞争协议用于数据传输。
基于常规时域竞争的IEEE 802.11无线局域网络吞吐效率低下，例如，虽然物理层(PHY)数据速率已从1Mbps增加到1Gbps，但发送1500字节的MAC有效负载的吞吐量效率(即时间比例)已从80％降低到10％以下；同时，对于一个存在30个节点的网络，时域竞争开销已从不足15％增加到超过50％。为了支持更大的网络规模，一种流行的方法(例如802.11ah中的方法)是通过分组来限制参与信道竞争的节点数量。但是，这种方法主要减轻了竞争引起的冲突开销，仍然保留了作为时间开销的主要来源时域竞争机制。
近年来，频域竞争(FDC)协议被提出以从根本上解决吞吐效率低下的问题。FDC机制将竞争操作从常规时域迁移到频域，并且有将竞争耗时从150s减少到10.4s的潜力，从而极大地降低了竞争开销。FDC使用正交频分复用(OFDM)子载波进行信道竞争。根据竞争中使用的子载波数量，可以将FDC协议分为单子载波FDC协议和多子载波FDC协议。
在单子载波FDC协议，例如，在T2F中，每个节点从可用子载波中随机选择一个，然后在其选择的子载波上发信号，同时监听所有被激活(有信号)的子载波。通过对所有活跃的子载波索引进行排序，每个节点可以独立地推断它是否是胜利者(即选择了最小序号的活跃子载波的节点)。
例如，在图1(a)中，节点A选择子载波5，节点B选择子载波4，在侦听所有活跃子载波后，因为每个节点都可以区分自己所选之子载波与其他节点所选之子载波，节点A明确推断出其竞争失败，节点B明确推断出其胜利。但是，如果只有少数子载波可被用于竞争(例如，由于功率泄漏，在802.11a/g中只有64个子载波中的8个子载波用于竞争)，当节点数很大时，单子载波FDC协议将导致很高的Type-1冲突概率(即多个节点选择相同的最小子载波而同时传输数据)。
为了解决Type-1冲突问题，多子载波FDC协议(例如，WiFi-BA)被提出来。在这种协议中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争。例如，在图1(b)中，节点A选择子载波0、4和5，而节点B选择子载波0、4、5和7。给定一组子载波，从中选择多个子载波的方式远多于从中选择单个子载波的方式。因此，与单子载波FDC协议相比，多子载波FDC协议可以极大地降低Type-1型冲突发生的概率，从而可以支持更多节点竞争。
在多子载波FDC协议中，节点无法轻易达成全局共识，因为一个节点选择的子载波的集合可能是另一个节点选择的子载波集合的子集，因此节点无法将其所选的子载波集合与其他节点所选之集合区分开。在图1(b)的示例中，节点A选择的子载波集合{0，4，5}是节点B选择的子载波集合{0，4，5，7}的子集。在单小区网络中，当两个当节点在它们选择的子载波上发信号时，它们会同时观察到一个活跃的子载波集{0，4，5，7}。考虑一个简单的匹配机制：当节点发现其选择的子载波集合与它观察到的活跃子载波集合匹配时，它便推断出它已竞争胜利并开始在下一个时隙中传输数据；否则，它将继续在下一个时隙中继续竞争信道。然后，根据这种机制，由于节点A和B所选子载波的集合之间存在包含关系，它们无法达成共识。在图1(b)的示例中，节点A因没有实现匹配而推断出它竞争失败；并且由于无法推断出节点B已经是胜利者，它将继续发送竞争信号。相反，节点B因实现了匹配而推断出它已竞争胜利；并且由于无法推断节点A会继续竞争，它将开始传输数据。
基于分布式竞争的协议(例如多子载波FDC)中，如果节点无法就仲裁结果达成全局共识，则将导致Type-2冲突：获胜者开始传输数据，而失败者继续传输竞争信号。Type-2冲突将导致严重的信道浪费。这促使我们设计一种竞争共识机制，以完全且有效地排除Type-2冲突。
FDC协议是适用于各种大量节点共存下的IoT应用的高效无线竞争协议，它受到了极大的关注，并且可以在[H.Al-Mefleh and O.Al-Kofahi,“Frequency-domaincontention and polling MAC protocols in IEEE 802.11wireless networks:Asurvey,”Comput.Commun.,vol.129,pp.1–18,2018.]中找到关于它的详尽综述。下面，根据单子载波和多子载波FDC概述相关工作，并关注竞争仲裁的问题。
在单子载波FDC的研究中，[S.Sen,R.R.Choudhury,and S.Nelakuditi,“Listen(on the frequency domain)before you talk,”in Proceedings of the 9th ACMSIGCOMM Workshop on Hot Topics in Networks,2010,pp.1–6.]的作者提出了第一个FDC(称为T2F)协议，该协议将竞争操作从时域迁移到频域。他们之后提出了一种被称为Back2F的协议[S.Sen,R.Roy Choudhury,and S.Nelakuditi,“No time to countdown:Migratingbackoff to the frequency domain,”in Proceedings of the 17th annualinternational conference on Mobile computing and networking,2011,pp.241–252.]来处理T2F中的竞争公平性问题。从那时起，各种协议被提出用于改进FDC和利用FDC的功能。例如，[H.Zhang,Q.Zhao,Z.Ma,and F.Xu,“Design and analysis of weightedfrequency-domain contention in wireless LANs,”IEEE Access,vol.5,pp.1639–1648,2017.]和[H.Zhang,Q.Zhao,P.Dang,H.Dai,and Z.Ma,“A weighted T2F scheme forWLANs,”in Mobile and Wireless Technology 2015,Springer,2015,pp.75–82]中的作者提出了在FDC中支持服务区分。[X.Feng,J.Zhang,Q.Zhang,and B.Li,“Use yourfrequency wisely:Explore frequency domain for channel contention and ACK,”in2012Proceedings IEEE INFOCOM,2012,pp.549–557.]中的作者将整个子载波划分为具有不同功能的部分，以实现细粒度的子载波接入。
另外，[K.Wu et al.,“hJam:Attachment transmission in WLANs,”IEEETrans.Mob.Comput.,vol.12,no.12,pp.2334–2345,2012.]中的作者提出了一种附属传输方法来减少竞争开销；在此方法中，一个节点可在另一个节点进行数据传输的同时在唯一分配的一个子载波上发送它的传输请求。在单小区单子载波FDC网络中，因为每个节点可以将其选择的子载波与其他节点区分开，所有节点都可以轻松地就仲裁结果达成全局共识，从而所有失败者都将退出竞争。但是，如前所述，基于单子载波的竞争机制可能导致高的Type-1型冲突发生的概率。
在多子载波FDC的研究中，有两种类型的竞争仲裁：集中式仲裁和分布式仲裁。在前者中，每个节点在随机选择的多个子载波上发信号，而中央实体(例如AP)确定获胜者。示例包括D-Fi[S.Lee,J.Choi,J.Yoo,and C.-K.Kim,“Frequency diversity-aware Wi-Fiusing OFDM-based Bloom filters,”IEEE Trans.Mob.Comput.,vol.14,no.3,pp.525–537,2014.]，Medley[F.Lu,G.M.Voelker,and A.C.Snoeren,“Managing contention withMedley,”IEEE Trans.Mob.Comput.,vol.14,no.3,pp.579–591,2014.]和Muqmac[Z.Zhang,“Analog bloom filter and contention-free multi-bit simultaneous query forcentralized wireless networks,”IEEEACM Trans.Netw.,vol.25,no.5,pp.2916–2929,2017.]。在后者中，每个节点在随机选择的多个子载波上发信号，同时监听所有被激活的子载波并独立仲裁出获胜者。[P.Huang,X.Yang,and L.Xiao,“WiFi-BA:Choosingarbitration over backoff in high speed multicarrier wireless networks,”in2013Proceedings IEEE INFOCOM,2013,pp.1375–1383.]和[P.Huang,X.Yang,and L.Xiao,“Dynamic channel bonding:Enabling flexible spectrum aggregation,”IEEETrans.Mob.Comput.,vol.15,no.12,pp.3042–3056,2016.]中的作者提出了WiFi-BA，它是最具代表性的多子载波分布式FDC协议。WiFi-BA有效降低了Type-1型冲突发生的可能性，但引入了Type-2型冲突，因为它没有考虑子载波选择之间的复杂关系。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种能够达成全局共识以及减少仲裁时间的物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法。
为了实现上述主要目的，本发明提供的一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法，该方法包括以下步骤：建立分布式竞争的多子载波FDC协议，在无线分布式竞争过程中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争；通过多子载波FDC协议排除子集关系使所有节点达成全局共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时；其中，建立节点获胜者竞争至最后一个非零比特位的竞争共识机制，以达成全局共识，在竞争共识机制下，每个节点根据所有观察到的活跃子载波索引将其选择的子载波索引映射到一个二进制集，然后根据该二进制集竞争信道，直至获胜者竞争到其二进制集的最后一个非零比特位，获胜者会迫使那些所选子载波集是最大子载波集的子集的节点退出竞争，以使得所有节点达成共识。
进一步的方案中，在无线分布式竞争过程中，各个节点使用发送天线在其选定的子载波上发送竞争信号，同时使用侦听天线接收源于所有节点的叠加竞争信号以标识所有被激活的子载波。
更进一步的方案中，在竞争共识机制中，通过比较其自身选择的子载波和观察到的活跃子载波，每个节点独立地通过非空子载波检测阶段和非零逐位仲裁阶段两个阶段确定该节点是否赢得信道，仅当该节点推断出胜利时，才执行后续操作。
更进一步的方案中，所述非空子载波检测阶段包括：在该阶段，每个节点检测所有非空子载波，即被所有节点激活的子载波。
更进一步的方案中，在每个节点检测所有非空子载波时，每个节点执行以下操作：选择多个子载波：首先均匀地选择一个非全零的k位代码，其中0到k-1的位从左到右标记，然后将这k位代码映射到k个子载波，其中，bit＝1表示已选择相应的子载波，bit＝0表示未选择相应的子载波；选定多个子载波上的信号：将bit＝0馈送到未被选择的子载波，将物理层符号1+0i馈送到被选择的子载波，然后执行快速傅里叶逆变换IFFT以生成一个OFDM符号，并通过发射天线传输该OFDM符号；检测所有活跃的子载波：节点在所选择的子载波上发信号时，会通过侦听另一条天线从所有节点接收叠加的OFDM符号，然后执行快速傅立叶变换FFT，其中，快速傅立叶变换FFT的结果为频谱上所有叠加的OFDM符号的子载波；执行叠加的子载波频谱的逆映射，并获得一个叠加二进制码。
更进一步的方案中，所述非零逐位仲裁阶段包括：在这个阶段，每个节点首先根据在第一阶段获得的叠加二进制代码的非零比特位从左到右标记仲裁时隙；然后，根据选择的代码在逐个时隙中执行竞争仲裁，其中，在每个仲裁时隙中，若对应的比特位为1，该节点将在其选择的多个子载波上发信号，同时侦听该信道以更新其接收到的叠加二进制代码；若对应的比特位为0，则侦听该信道；若感知信道忙则退出竞争，其中，在仲裁过程中，随着失败节点相继退出竞争，其余节点将更新其接收的叠加二进制代码并删除更多的空闲时隙，仲裁过程一直进行到最后一个时隙为止。
更进一步的方案中，以节点A，B和C为例，当节点A，B和C争夺该信道时，在竞争的第一阶段之后，叠加的二进制代码是01011110，接下来，所有节点逐个执行竞争仲裁；在时隙0和1中，节点A，B和C传输各自的OFDM符号，由于它们对应的比特位为1，并且更新的叠加代码保持不变，这三个节点将在下一个时隙继续执行仲裁，因为叠加的代码与它们各自的代码不匹配；在时隙2中，节点A和C的第4比特位为1，因此分别发送其OFDM符号，此时，节点B由于其第4比特位为0而不进行任何传输，并且由于其侦听到信道是忙碌的而退出竞争，同时，节点A和C将原始叠加代码01011110更新为01011010，然后叠加代码的第5比特位从1变为0，因此，只有比特位第1、3、4和6位为1，并且仲裁时隙的总数从5个减少到4个；叠加的代码与节点A的代码匹配，但与节点B的代码不匹配，节点A和C继续竞争以排除所有子集关系；在时隙3中，节点A由于其第6比特位为1而发送了其OFDM符号，而节点C由于其第6比特位为0而侦听了该信道而不进行发送，因此，节点C感知到信道繁忙，因此退出竞争，而节点A由于到达了最后一个非零比特位而获胜，其中，节点C的子载波集合是节点A的子载波集合的子集。
更进一步的方案中，所述根据该二进制集竞争信道具体包括：所有观察到的活跃子载波索引的集合是{0,4,5,7}，根据该集合，节点A将其集合{0,4,5}映射到A*：{1,1,1,0}，并且将在时隙0、1和2中发送其竞争信号，其中，A*[0]＝A*[1]＝A*[2]＝1表示发送，在时隙3中侦听；同样，节点B将其集合{0,4,5,7}映射到B*：{1,1,1,1}，并将在时隙0至3中发送其竞争信号；如节点A感测到时隙3中信道处于繁忙状态，则退出竞争，而节点B将在下一个时隙中安全地传输数据。
更进一步的方案中，所述竞争共识机制为胜者宣告机制，即胜者在专用子载波上宣告了胜利，以达成全局共识，其具体包括：每个节点随机选择一个非全零即k-1位的二进制代码进行竞争；在非空子载波检测和非零按位仲裁两个阶段之后增加了一个获胜者声明阶段，其中，子载波0至k-2用于信道竞争，子载波k-1用于宣布获胜者。
更进一步的方案中，若节点发现自己的代码和接收到的叠加代码之间匹配，该节点就会进入获胜者声明阶段，在该阶段中，该节点通过在下一个时隙中的子载波k-1上发信号来声明自己的胜利，当听到该声明的所有其他节点退出此轮竞争；其中，多子载波FDC协议采用k-1个子载波进行竞争。
由此可见，本发明利用无线广播和多子载波选择的性质设计高效的多子载波FDC协议，该多子载波FDC协议允许许多节点加入竞争，在无线分布式竞争中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争，即使所有节点都能互相感知，由于子载波选择之间的包含关系，它们仍然很难就仲裁结果达成共识。因此，本发明的一种高效的多子载波FDC协议，该协议可以通过排除子集关系使所有节点达成共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时。
进一步的，本发明揭示了多子载波选择之间的包含关系是影响多子载波FDC协议中节点达成共识的关键因素。此外，本发明量化了竞争不达成共识的严重性。
进一步的，本发明提出了一种被称为“M-T2F”的高效多子载波FDC协议，并证明了M-T2F能够达成竞争的共识。其中，M-T2F通过排除包含关系使所有节点都能达成共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时。此外，M-T2F支持许多节点进行传输，但竞争冲突较少。
进一步的，本发明经过大量的仿真验证了本发明理论模型的准确性和M-T2F的效率，并表明M-T2F在冲突概率、吞吐量、延迟和公平性方面优于相关设计。
所以，本发明对多子载波FDC协议的仲裁机制提供了全面而深入的理解，包括如何达成全局共识以及如何减少仲裁时间，每个节点在多个随机选择的子载波上发信号进行竞争，并分析其共识的达成，受益于多子载波选择的组合，M-T2F在引入更少冲突的前提下支持更多的节点进行传输，M-T2F通过排除子集关系使所有节点都能达成共识，并通过利用无线广播特性来缩短竞争耗时。
附图说明
图1是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中单子载波(a)以及多子载波FDC(b)的原理图。
图2是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中M-T2F协议的原理图。
图3是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝8时，M-T2F协议的实例原理图。
图4是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中M-T2F-D协议(竞争共识机制)的原理图。
图5是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中Type-1(a)和Type-2(b)冲突的原理图。
图6是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中优胜者的代码及其一个包含在非零位按位仲裁中的节点的原理图。
图7是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝4、8、12时，Type-2冲突概率与节点数n的关系原理图。
图8是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝8时，仿真的冲突概率与节点数n的关系原理图。
图9是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝12时，仿真的冲突概率与节点数n的关系原理图。
图10是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝8时，仿真归一化吞吐量与节点数n的关系原理图。
图11是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝8时，仿真的MAC接入延迟与节点数n的关系原理图。
图12是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中k＝8时，仿真的Jain公平指数与窗口大小的关系原理图。
图13是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中按位时隙标记的原理图。
图14是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中代码A的十进制数大于代码B的十进制数的原理图。
图15是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例中四种竞争节点类型的原理图。
图16是本发明一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法实施例的流程框图。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1至图16，本发明的一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法，如图16所示，该方法包括以下步骤：
步骤S1，建立分布式竞争的多子载波FDC协议，在无线分布式竞争过程中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争。
步骤S2，通过多子载波FDC协议排除子集关系使所有节点达成全局共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时。
其中，建立节点获胜者竞争至最后一个非零比特位的竞争共识机制，以达成全局共识，在竞争共识机制下，每个节点根据所有观察到的活跃子载波索引将其选择的子载波索引映射到一个二进制集，然后根据该二进制集竞争信道，直至获胜者竞争到其二进制集的最后一个非零比特位，获胜者会迫使那些所选子载波集是最大子载波集的子集的节点退出竞争，以使得所有节点达成共识。
在无线分布式竞争过程中，各个节点使用发送天线在其选定的子载波上发送竞争信号，同时使用侦听天线接收源于所有节点的叠加竞争信号以标识所有被激活的子载波。
在竞争共识机制中，通过比较其自身选择的子载波和观察到的活跃子载波，每个节点独立地通过非空子载波检测阶段和非零逐位仲裁阶段两个阶段确定该节点是否赢得信道，仅当该节点推断出胜利时，才执行后续操作。
所述非空子载波检测阶段包括：在该阶段，每个节点检测所有非空子载波，即被所有节点激活的子载波。
在每个节点检测所有非空子载波时，每个节点执行以下操作：选择多个子载波：首先均匀地选择一个非全零的k位代码，其中0到k-1的位从左到右标记，然后将这k位代码映射到k个子载波，其中，bit＝1表示已选择相应的子载波，bit＝0表示未选择相应的子载波；选定多个子载波上的信号：将bit＝0馈送到未被选择的子载波，将物理层符号1+0i馈送到被选择的子载波，然后执行快速傅里叶逆变换IFFT以生成一个OFDM符号，并通过发射天线传输该OFDM符号；检测所有活跃的子载波：节点在所选择的子载波上发信号时，会通过侦听另一条天线从所有节点接收叠加的OFDM符号，然后执行快速傅立叶变换FFT，其中，快速傅立叶变换FFT的结果为频谱上所有叠加的OFDM符号的子载波；执行叠加的子载波频谱的逆映射，并获得一个叠加二进制码。
所述非零逐位仲裁阶段包括：在这个阶段，每个节点首先根据在第一阶段获得的叠加二进制代码的非零比特位从左到右标记仲裁时隙；然后，根据选择的代码在逐个时隙中执行竞争仲裁，其中，在每个仲裁时隙中，若对应的比特位为1，该节点将在其选择的多个子载波上发信号，同时侦听该信道以更新其接收到的叠加二进制代码；若对应的比特位为0，则侦听该信道；若感知信道忙则退出竞争，其中，在仲裁过程中，随着失败节点相继退出竞争，其余节点将更新其接收的叠加二进制代码并删除更多的空闲时隙，仲裁过程一直进行到最后一个时隙为止。
以节点A，B和C为例，当节点A，B和C争夺该信道时，在竞争的第一阶段之后，叠加的二进制代码是01011110，接下来，所有节点逐个执行竞争仲裁；在时隙0和1中，节点A，B和C传输各自的OFDM符号，由于它们对应的比特位为1，并且更新的叠加代码保持不变，这三个节点将在下一个时隙继续执行仲裁，因为叠加的代码与它们各自的代码不匹配；在时隙2中，节点A和C的第4比特位为1，因此分别发送其OFDM符号，此时，节点B由于其第4比特位为0而不进行任何传输，并且由于其侦听到信道是忙碌的而退出竞争，同时，节点A和C将原始叠加代码01011110更新为01011010，然后叠加代码的第5比特位从1变为0，因此，只有比特位第1、3、4和6位为1，并且仲裁时隙的总数从5个减少到4个；叠加的代码与节点A的代码匹配，但与节点B的代码不匹配，节点A和C继续竞争以排除所有子集关系；在时隙3中，节点A由于其第6比特位为1而发送了其OFDM符号，而节点C由于其第6比特位为0而侦听了该信道而不进行发送，因此，节点C感知到信道繁忙，因此退出竞争，而节点A由于到达了最后一个非零比特位而获胜，其中，节点C的子载波集合是节点A的子载波集合的子集。
所述根据该二进制集竞争信道具体包括：所有观察到的活跃子载波索引的集合是{0,4,5,7}，根据该集合，节点A将其集合{0,4,5}映射到A*：{1,1,1,0}，并且将在时隙0、1和2中发送其竞争信号，其中，A*[0]＝A*[1]＝A*[2]＝1表示发送，在时隙3中侦听；同样，节点B将其集合{0,4,5,7}映射到B*：{1,1,1,1}，并将在时隙0至3中发送其竞争信号；如节点A感测到时隙3中信道处于繁忙状态，则退出竞争，而节点B将在下一个时隙中安全地传输数据。
所述竞争共识机制为胜者宣告机制，即胜者在专用子载波上宣告了胜利，以达成全局共识，其具体包括：每个节点随机选择一个非全零即k-1位的二进制代码进行竞争；在非空子载波检测和非零按位仲裁两个阶段之后增加了一个获胜者声明阶段，其中，子载波0至k-2用于信道竞争，子载波k-1用于宣布获胜者。
若节点发现自己的代码和接收到的叠加代码之间匹配，该节点就会进入获胜者声明阶段，在该阶段中，该节点通过在下一个时隙中的子载波k-1上发信号来声明自己的胜利，当听到该声明的所有其他节点退出此轮竞争；其中，多子载波FDC协议采用k-1个子载波进行竞争。
在本实施例中，M-T2F协议采用OFDM技术，是用于单小区无线网络(其中每个节点可以互相听到)的多子载波FDC协议。在M-T2F协议中，一个OFDM符号时间被称为时隙，并且整个时间轴被分割成一系列时隙。在所有的OFDM子载波中，一个节点在频域竞争中仅采用k个子载波，以避免由于功率泄漏引起的干扰。每个节点有两根天线：一根用于发射，另一根用于侦听。侦听天线只是通过物理距离(例如，前者距离后者2英尺)来减少对其发射天线的自信号的接收，而无法像无线全双工那样完全消除它(无线全双工要求使用昂贵的硬件)。
在M-2F协议中，节点执行以下三个过程进行数据传输，如图2所示：
空闲信道评估(CCA)：在此过程中，节点使用侦听天线确定信道是繁忙还是空闲。仅当在预定的CCA时间内检测到信道空闲时，它才会执行后续操作。
分布式竞争：在此过程中，节点使用发送天线在其选定的子载波上发送竞争信号，同时使用侦听天线接收源于所有节点的叠加竞争信号以标识所有被激活的子载波。本发明提出竞争至最后一个非零位的机制，以达成全局共识。在这种机制中，通过比较其自身选择的子载波和观察到的活跃子载波，每个节点独立地通过两个阶段确定它是否赢得信道：非空子载波检测阶段和非零逐位仲裁阶段，它仅当推断出胜利时，才执行后续操作。
数据传输：在此过程中，节点可以使用两个天线在所有OFDM子载波上发送和接收数据。在此过程中，节点首先发送数据帧，然后在SIFS时间之后接收ACK。
在上述这三个过程中，分布式竞争过程与传统竞争协议的分布式竞争过程最不同。下面，首先提出的竞争机制的基本思想，然后详细介绍其两个阶段，最后介绍M-T2F-D。
在FDC中，本发明从左到右标记子载波0到k-1，节点从k个子载波中随机选择一些进行竞争。等效地说，节点选择一个随机的非全零k位二进制码进行竞争，其中位i＝1(0)，0≤i≤k-1表示选择(未选择)子载波i。在图1(a)的示例中，节点A选择的二进制码00000100，该码代表其选择了子载波5。在设计竞争机制时，需要考虑以下两个问题。
第一个问题是：谁是获胜者。请注意，本实施例的二进制代码可以转换为十进制数。本实施例将获胜者定义为选择了最大十进制数的节点。实际上，在T2F中，选择了最小子载波索引的获胜者也是选择了最大十进制数的节点。在图1(a)的T2F示例中，节点A选择子载波5，其代码为00000100(十进制为4)；节点B选择了子载波4，其代码是00001000(十进制为8)，因此B是获胜者。在图1(b)的示例中，对于多子载波FDC，节点A选择了子载波集{0,4,5}，其代码为10001100(十进制为140)。节点B选择了子载波集{0,4,5,7}，其代码为10001101(十进制141)，因此B是获胜者。
第二个问题是：如何就谁是获胜者达成共识。对于多子载波FDC，本实施例解释了简单的匹配机制无法达成共识。为了解决此问题，本实施例提出了竞争至最后一个非零位的机制，以达成全局共识(在定理2中得到证明)。在这种机制下，每个节点根据所有观察到的活跃子载波索引将其选择的子载波索引映射到一个二进制集，然后根据该二进制集竞争信道。特别地，获胜者竞争直到其二进制集的最后一个非零比特位。这样，获胜者会迫使那些所选子载波集是最大子载波集的子集的节点退出竞争。因此，所有节点都达成共识。在图1(b)的示例中，所有观察到的活跃子载波索引的集合是{0,4,5,7}。根据该集合，节点A将其集合{0,4,5}映射到A*：{1,1,1,0}(代表子载波0、4和5被选择，但子载波7未被选择)并且将在时隙0、1和2中发送其竞争信号(A*[0]＝A*[1]＝A*[2]＝1表示发送)，但在时隙3中侦听(A*[3]＝0表示侦听)。同样，节点B将其集合{0,4,5,7}映射到B*：{1,1,1,1}，并将在时隙0至3中发送其竞争信号。结果，节点A感测到时隙3中信道处于繁忙状态，因此退出竞争，而节点B将在下一个时隙中安全地传输数据。
如图3所示，该图介绍了实现上述达成共识之思想的两个阶段：
(1)非空子载波检测：
在该阶段，每个节点检测所有非空子载波，即被所有节点激活的子载波，为此，每个节点执行以下操作：
选择多个子载波：首先均匀地选择一个非全零的k位代码，其中0到k-1的位从左到右标记。然后将这k位映射到k个子载波，其中bit＝1(0)表示已选择(未选择)相应的子载波。在图3(a)的示例中，节点A选择01011010，代表它选择了子载波1、3、4和6。
选定多个子载波上的信号：将0馈送到未被选择的子载波、将物理层符号1+0i馈送到被选择的子载波，然后执行快速傅里叶逆变换(IFFT)以生成一个OFDM符号，最后通过发射天线传输此OFDM符号。
检测所有活跃的子载波：节点在所选择的子载波上发信号时，会侦听另一条天线以从所有节点接收叠加的OFDM符号，然后执行FFT。FFT的结果为频谱上所有叠加的OFDM符号的子载波(即，所有节点选择的子载波)。最后，它执行叠加的子载波频谱的逆映射，并获得一个叠加二进制码。在图3(a)的示例中，叠加二进制代码是01011110，因此子载波1、3、4、5和6都是活跃子载波。
(2)非零按位仲裁：
在这个阶段，每个节点首先根据在第一阶段获得的叠加二进制代码的非零比特位从左到右标记仲裁时隙(例如，图3(b)中的Arbit_slot＝0、1、2、3、4)。然后，它根据选择的代码在逐个时隙中执行竞争仲裁。也就是说，在每个仲裁时隙中，如果对应的比特位为1(例如，节点A的对应于图3(b)中的Arbit_slot＝0比特位为1)，它将在其选择的多个子载波上发信号，同时侦听信道以更新其接收到的叠加二进制代码。如果对应的比特位为0，则侦听该信道；若感知信道忙则退出竞争。在仲裁过程中，随着失败节点相继退出竞争，其余节点将更新其接收的叠加二进制代码并删除更多的空闲时隙，从而大幅减少了竞争时间。仲裁过程一直进行到最后一个时隙(与叠加代码的最后一个非零比特位相对应)为止。
在图3的示例中，节点A，B和C争夺该信道。在竞争的第一阶段之后，叠加的二进制代码是01011110(图3(a)，因此每个节点根据非零比特位(即位1，从左到右)标记仲裁时隙0到4。3至6)的叠加代码。接下来，所有节点逐个执行竞争仲裁。
在时隙0和1中，节点A，B和C传输各自的OFDM符号，因为它们对应的比特位(即比特位1和3)为1，并且更新的叠加码保持不变(图3(b)-(c))。这三个节点将在下一个时隙继续执行仲裁，因为叠加的代码与它们各自的代码不匹配。
在时隙2中，节点A和C的第4比特位为1，因此分别发送其OFDM符号。此时，节点B由于其第4比特位为0而不进行任何传输，并且由于其侦听到信道是忙碌的而退出竞争，如图3(d1)所示。同时，节点A和C将原始叠加代码01011110更新为01011010，然后叠加代码的第5比特位从1变为0。因此，只有比特位1、3、4和6为1，并且仲裁时隙的总数从5个减少到4个，如图3(d2)所示。目前，叠加的代码与节点A的代码匹配，但与节点B的代码不匹配。因此，节点A和C应该继续竞争以排除所有子集关系。
在时隙3中，节点A因为其第6比特位为1而发送了其OFDM符号，而节点C由于其第6比特位为0而侦听了该信道而不进行发送，如图3(e)所示。因此，节点C感知到信道繁忙，因此退出竞争，而节点A由于到达了最后一个非零比特位而获胜。在此示例中，节点C的子载波集合是节点A的子载波集合的子集。这意味着节点C的非零比特位数总数少于节点A的总数，因此节点C在仲裁过程结束时肯定会退出竞争。
当然，本实施例仅通过叠加代码的非零比特位执行竞争仲裁。如果叠加码的一位等于0，则根据仲裁规则，没有一个发送竞争信号而使信道保持空闲状态(在相应的仲裁时隙中)。删除这些零比特位不仅不会影响竞争结果，还可以节省所有节点在这些空闲时隙中继续监听消耗的时间和能量。更重要的是，如果不删除这些空闲时隙，则当信道的空闲时间大于CCA时间时，失败者(已退出当前竞争)将发送新一轮竞争信号。这些竞争信号将导致更多冲突，因为它们可能会与当前仲裁阶段的信号发生冲突。
如图4所示，在M-T2F中，为了达成共识，竞争最后一个非零比特位机制的本质是获胜者迫使所有其他节点退出竞争。现在，本实施例介绍作为M-T2F变体的M-T2F-D。这个设计中提出了胜者宣告机制——胜者在专用子载波上宣告了胜利，以达成共识。在M-T2F-D中，将k个子载波划分为两个部分：
(1)子载波0至k-2用于信道竞争。
(2)子载波k-1用于宣布获胜者。
M-T2F-D遵循M-T2F的基本协议框架，但以下几点除外：
每个节点随机选择一个非全零(k-1)位的二进制代码(而不是k位的代码)进行竞争，M-T2F-D在非空子载波检测和非零按位仲裁两个阶段之后增加了一个获胜者声明阶段，如图4所示。
只要节点发现自己的代码和接收到的叠加代码之间匹配，它就会进入胜利者声明阶段。在该阶段中，节点通过在下一个时隙中的子载波k-1上发信号来声明自己的胜利。听到此声明的所有其他节点退出此轮竞争。
然而，本实施例的M-T2F-D采用k-1个子载波进行竞争，而不是M-T2F中的k个子载波，子载波数量的减少将增加Type-1冲突。
在实际应用中，在基于竞争的分布式协议中，节点首先执行竞争过程，然后执行数据传输过程。在竞争过程结束时，所有节点都应达成以下共识。
1.至少有一名获胜者。
2.当获胜者传输数据时，所有失败者都应保持沉默。
如果达成共识1但违背共识2，则存在两种类型的冲突：
Type-1冲突，如图5(a)所示，即一个以上的获胜者同时传输时发生的冲突。
Type-2冲突，如图5(b)所示，即当获胜者和失败者同时传输时发生的冲突。
在图5的示例中，假设传输一次802.11a帧。这里，由短训练字段(STF)，长训练字段(LTF)和信号字段组成的802.11a帧的PHY头部被用于时间/频率同步和相位补偿。当发生Type-1或Type-2冲突时，它将破坏802.11aPHY头部的多个字段，从而导致无法解码随后的MAC协议数据单元(MPDU)。
如果达成共识1和2，则仅存在Type-1冲突。
对于多子载波FDC，每个节点选择一个多子载波集进行竞争。多子载波集之间的复杂关系导致Type-1和Tpye-2冲突。下面，首先定义多子载波集之间的四个关系，然后分析违背共识2的严重性，最后证明本实施例的M-T2F和M-T2F-D可以达成共识1和2。
在本实施例中，多子载波集之间的四个关系如下：
根据M-T2F和M-T2F-D，一个多子载波集合唯一地对应于一个k位二进制码。因此，二进制码之间的关系充分表征了子载波集之间的关系。以8位二进制代码为例，本实施例定义了四个关系：
相同关系，如果两个代码相同，则它们具有相同的关系，例如10101010与10101010相同。
包含关系，如果代码A的一位设置为1，而代码B的相应位也设置为1，但反之不亦然，则这两个代码具有包含关系，即代码B包含代码A。例如10101010包含10101000。此外，如果节点B的代码包含节点A的代码，将节点B称为包含节点，将节点A称为被包含节点。
交叉关系，如果将代码A的一位设置为1，而代码B的相应位并不总是设置为1，且反之亦然，则这两个代码具有交叉关系。例如，10101010和10100101彼此交叉。
完全不同的关系，如果将代码A的一位设置为1，而代码B的相应位肯定不会设置为1，且之亦然，则这两个代码是完全不同的关系。例如，00101010和00010101完全不同。
本实施例的两个代码之间的任何关系都属于上述四个关系之一。特别地，相同的关系导致Type-1冲突。如果采用匹配机制(如图1(b)所示)，包含关系可能会导致Type-2冲突。当包含关系和交叉关系并存时，交叉关系将延迟Type-2冲突发生的时间(在下面的引理2(d)中得到证明)。最后，完全不同的关系指示节点在下一个时隙中继续竞争。
在本实施例中，若达成共识1但违背共识2。为了量化Type-2冲突的影响，本实施例揭示了M-T2F的变体——M-T2F-M。M-T2F-M采用与M-T2F相同的协议框架，除了用匹配机制替换了竞争至最后一个非零位机制。具体而言，前者遵循后者两个阶段的主要操作。区别在于：无论是在阶段1还是阶段2中，只要节点发现其选择的子载波集与观察到的活动子载波集之间匹配，它就推断其胜利并开始在下一个时隙中传输数据。否则，它将在下一个时隙中继续竞争信道。
在M-T2F-M中，如果多子载波选择之间存在包含关系，则所涉及的节点无法将其子载波选择与其他节点区分开，如图1(b)所示。结果，使用匹配机制，这些节点仅根据他观察到的本地信息做出决策，因此缺乏全局视野，从而违反了共识2，本实施例的引理1总结了这一结果。
引理1：在单小区网络中，M-T2F-M可以达成共识1，但无法达成共识2。
在本实施例中，违背共识2将导致Type-2冲突。下面，引理2概述了M-T2F-M中Type-2冲突的发生，它揭示了分析Type-2冲突概率的复杂性。
引理2：在一个n节点共存的单小区M-T2F-M网络中，节点随机选择二进制代码进行竞争以产生获胜者，Type-2冲突具有以下属性：
(a)代码的包含关系并不总是触发Type-2冲突，尽管这是根本原因。
(b)如果发生了Type-2冲突，则它肯定是在非零按位仲裁阶段发生。
(c)当一个代码包含所有其他代码时，如果发生Type-2冲突，则该冲突肯定发生在非零位仲裁阶段的开头。
(d)当获胜者的代码包含某些代码并且也与其他代码交叉时，如果发生Type-2冲突，则该冲突肯定发生在非零按位仲裁阶段的中间。
在本实施例中，从理论上分析Type-2冲突概率。在单小区网络中，所有获胜者的行为都相同。为了关注影响Type-2冲突的最重要因素，在计算Type-2冲突概率时，此时考虑只有一个获胜者且仅存在Type-2冲突的竞争过程。请注意，当Type-1和Type-2冲突同时存在时，即使消除了Type-2冲突，Type-1冲突仍然会发生。下面的定理1根据协议参数(即竞争中可用的子载波数k)和网络参数(即竞争节点数n)明确表示了Type-2冲突概率。
定理1：在一个n节点共存的单小区M-T2F-M网络中，考虑一个每个节点采用k个子载波进行竞争、只有一个获胜者、并且仅存在Type-2冲突的竞争过程。然后，通过如下公式计算Type-2冲突概率：
其中，
在图7中，对于k＝8，Type-2冲突概率随节点数n的增加而增加，并且在n＝20时大于0.16。它表明，代码之间的包含关系将导致严重的Type-2冲突。
接下来，定理2和定理3分别证明M-T2F和M-T2F-D可以达到共识1和2。
定理2：在单小区网络中，M-T2F可以达成共识1和2，从而排除所有Type-2冲突。
证明：首先，证明M-T2F可以达成共识1。可以通过遵循引理1的两个声明来做到这一点。关键点如下。由于所有此类节点的行为都相同，假定只有一个节点发现其代码和叠加代码之间匹配。如引理1的声明1所述，只有该节点及其可能包含的节点可以幸存。然后，只有该节点才能竞争至叠加代码的最后一个非零的比特位并且成为获胜者
其次，证明M-T2F可以达成共识2。要完成证明，只需要证明M-T2F可以排除所有包含的节点即可。在下面的证明中，只需要考虑一个获胜者及它的一个包含节点(因为所有获胜者的行为相同，并且所有被包含的节点具有相似的行为)。
如图1所示，优胜者的代码及其一个包含在非零位按位仲裁中的节点，其中0≤i<k1，*为0或1。令k1表示获胜者的k位代码的非零比特位的个数。因为M-T2F采用了非零按位仲裁，所以只需要考虑获胜者的这k1个非零比特位和被它包含节点的相应的k1个比特位，如图6所示，假设比特i位被包含节点的第一个零比特位。那么肯定有i<k1；否则被包含节点也是获胜者、与只有一个胜利者的假设相矛盾。结果，在仲裁时隙i中，获胜者将发送竞争信号，而被包含的节点将感知该时隙忙而不进行传输且退出竞争。通过让获胜者执行仲裁直到最后一个非零比特位并应用相同的推理，可以得出所有被包含的节点必定会在仲裁阶段结束时退出竞争的结论。
定理3：在单小区网络中，M-T2F-D可以达成共识1和2，从而排除所有Type-2冲突。
证明：首先，证明M-T2F可以达成共识1。这一证明与引理1相同。
其次，证明M-T2F-D可以达成共识2。在单小区网络中，每个节点都可以听到其余节点发送的信号。当获胜者在第(k-1)个子载波上发出信号时，所有其他节点(包括获胜者所包含的节点)都可以听到此信号并退出竞争。因此，M-T2F-D可以排除所有包含的节点，从而达成共识2。
在本实施例中，将通过仿真验证理论结果(即定理1)的准确性和验证设计效率，并比较M-T2F、M-T2F-D、WiFi-BA。在这里，WiFi-BA除了不会在竞争中删除空闲时隙之外，与本实施例定义的M-T2F-M相同。
在仿真中，基于Matlab R2016a实现了上述三个MAC协议。考虑一个饱和且n个节点共存的单小区网络，其中每个节点始终具有要传输的数据帧且AP仅充当接收器。默认情况下，将k设置为8，时隙长度设置为3.2s，CCA时间设置为7.6s。此外，根据802.11a，将SIFS时间设置为10μs，设置为54Mbps，设置为6Mbps。＝假设一个数据帧有1500个字节，一个ACK帧有38个字节。然后，帧传输时间为222μs(＝1500字节/)，ACK时间为50.7μs(＝38字节/)。每个节点都会继续重传其被冲突的帧，直到确认该帧被成功发送为止。为简单起见，还假设不成功的传输耗时等于成功的传输耗时。
下面，根据冲突概率，吞吐量，延迟和公平性展示了的结果。
如图7所示，图7绘制了当k＝4、8、12时，当节点数n从2变到40时，WIFI-BA的Type-2冲突概率。在该图中，“ana”曲线显示了理论结果(如定理1所示)，“sim”曲线显示了仿真结果，其中每个仿真值都是100000次仿真运行结果的平均值。从该图可知，对于每个k，“ana”曲线与相应的“sim”曲线匹配得很好，这证明本实施例的理论结果非常准确。
此外，当k＝4时，随着n的增加，Type-2的冲突概率会先增加然后减少。原因如下：随着n的增加，Type-2冲突概率将增加到最大值然后保持不变，因为该概率主要由包含关系控制并且一个固定的k值确定包含关系的最大数量。但是，Type-2的冲突概率受Type-1的冲突概率的影响，因为总的Type-2的冲突概率是由两种情况下的冲突贡献的：(a)仅存在Type-2的冲突时；(b)当Type-1和Type-2冲突共存时。在此图中，显示的是涉及情况(a)的Type-2冲突概率。当n小时，Type-2冲突比Type-1冲突占优势，这解释了为什么Type-2冲突概率随着n从4增加到12而增加。但是，当n大时，Type-1冲突为在Type-2冲突中占主导地位(这意味着高Type-2冲突概率会由于包含关系而涉及情况(b))，而总Type-2冲突概率达到最大值然后保持恒定。结果，涉及情况(a)的Type-2冲突概率降低。这解释了为什么Type-2冲突概率随着n从12增加到40而降低。
当k＝8和12时，Type-2的冲突概率随n的增加而增加。如上所述，在Type-1冲突占优势之前，涉及情况(a)的Type-2冲突将继续增加。
如图8所示，通过仿真比较了当节点数n从10变为300时M-T2F、M-T2F-D和WIFI-BA的总冲突概率。在此图中，WIFI-BA的总冲突概率等于其Type-1和Type-2冲突概率之和；而M-T2F和M-T2F-D的总冲突概率等于它们各自的Type-1冲突概率，因为它们完全排除了Type-2冲突。从该图可以看出，每个协议的冲突概率都随着n的增加而增加，对于每个n，都有以下观察结果：
WIFI-BA的Type-2冲突非常严重，如WIFI-BA和M-T2F采用k位代码进行信道竞争。在WIFI-BA中会发生Type-1和Type-2冲突，而在M-T2F中，仅发生Type-1冲突。因此，给定k和n，WIFI-BA的Type-2冲突概率等于WIFI-BA中和M-T2F中总冲突概率之差。例如，当n＝50时，WIFI-BA的Type-2冲突概率约为0.25，这是一个非常大的值。此外，图7还显示了WIFI-BA中Type-2冲突的严重性。
M-T2F是这三种协议中最好的，而M-T2F-D比WIFI-BA更好，M-T2F-D仅采用k-1个子载波进行信道竞争，而其他两种协议采用k个子载波。因此，尽管M-T2F和M-T2F-D都排除了Type-2冲突，但与WIFI-BA相比，M-T2F不会添加Type-1冲突概率，而M-T2F-D会添加Type-1冲突概率。
图9重复了图8中的实验，除了将k＝设置为12。将图9与图8进行比较，有以下观察结果：
适当增加k会大大降低Type-1冲突概率。例如，当n＝300时，如M-T2F曲线所示，当k从8增加到12时，Type-1冲突概率从0.48降低到0.018。
当k稍大时，附加的Type-1冲突(由M-T2F-D引入)不显著。例如，如图9所示，当n＝300且k＝12时，M-T2F-D的Type-1冲突概率为0.071，而WIFI-BA和M-T2F的Type-1冲突概率为0.018。这也意味着当k大时，M-T2F-D和M-T2F具有非常相似的性能。
尽管M-T2F-D引入的Type-1冲突比WIFI-BA多，但M-T2F-D的总冲突概率远小于WIFI-BA。主要原因是M-T2F-D完全排除了主导总冲突概率的Type-2冲突。
图10通过仿真比较了当节点数n在10到300之间变化时，M-T2F、M-T2F-D和WIFI-BA的归一化吞吐量。在仿真中，将归一化吞吐量设置为所有已传输帧的有效负载的传输时间之和除以总仿真时间。从该图可以看出，每个协议的标准化吞吐量随n的增加而降低。对于每个n，有以下观察结果：
M-T2F实现了三个协议中最大的标准化吞吐量，并且即使n很大，其仍可以保持较高的标准化吞吐量值(例如，当n＝170时该值为0.7)。
M-T2F-D比WIFI-BA具有更高的归一化吞吐量。
如图11所示，图11通过仿真比较了当n在10到300之间变化时，M-T2F、M-T2F-D和WIFI-BA的MAC层接入延迟，其中一个数据帧的MAC接入延迟被定义为：一个数据帧成为节点缓冲区的第一个数据帧到AP成功接收该数据帧之间的间隔时间。可以看出，与WIFI-BA相比，M-T2F-D和M-T2F显著降低了MAC接入延迟。这是因为本实施例提出的协议会删除所有空闲时隙，并同时完全排除Type-2冲突。
图12通过仿真比较了窗口大小变化变化时M-T2F、M-T2F-D和WIFI-BA的Jain公平指数。此处，将窗口大小z定义为成功接收第一个侦和成功接收第z+1个帧之间的间隔。
Jain公平指数其中，ri表示节点i超过窗口大小的归一化吞吐量。J越高，公平性越好。当J＝1时，实现了完美的公平性(即，每个节点在单位时间内以相等的概率发送一个帧)。从该图可以看出，M-T2F和M-T2F-D的Jain公平指数高于WIFI-BA。这是因为前两个协议完全排除了Type-2冲突。
简而言之，所有这些增益都源自于竞争时间的减少和Type-2冲突的排除。
具体的，本实施例完成了引理1至2和定理1的证明。为便于说明，在这些证明中，采用以下新的时隙标记方法。
按位时隙标记：每个节点从左到右标记比特位0至k-1，并为每个比特位i(0≤i≤k-1)标记一个相应的仲裁时隙i。这样的标记仅出于解释的目的，因此每个节点都不会在这些时隙中发送竞争信号，竞争信号的叠加码的对应比特位为0。如图13所示，图13重复了图3(a)，但新增了名为Arbit_slot*的行，该行显示了按位时隙标记的示例。其中，在图2.中，按位时隙标签的示例，如Arbit_slot*中所示。
引理1的证明：
本实施例采用按位时隙标记方法。下面，首先证明M-T2F-M可以达成共识1。在M-T2F-M中，每个节点随机选择一个非全零的k位代码进行竞争。当将这些二进制代码转换成十进制数字并按降序对其进行排序时，第一个是最大十进制数字，通过下面的声明1和2完成证明。
如图14所示，代码A的十进制数大于代码B的十进制数，其中*表示编码的A和B的对应位相同。
声明1：获胜者是选择最大十进制数的人。令DEC(x)为k位代码x的十进制数。假定节点A选择一个代码code A，并且DEC(code A)是所有选择的十进制数字中的最大值。考虑代码code B，其中DEC(code B)<DEC(code A)。然后根据二进制到十进制的转换规则，存在比特位i(0≤i≤k-1)使得code A的比特位i为1而code B的比特位i为0，同时code A的比特位j(0≤j≤i-1)等于code B的比特位j，如图14所示。code B有3种类型：(i)code B包含在code A中，(ii)code B与code A交叉且(iii)code B与code A完全不同。只要节点A尚未发现其代码和叠加的代码之间能匹配，竞争就将继续。在竞争过程中，这些代码类型为(ii)或(iii)的节点肯定会退出。这是因为在如图14所示的时隙j中，节点A将发送竞争信号，而这些节点将不发送且会感知信道忙，从而退出竞争。因此，只有那些代码类型为(i)的节点才可以与节点A共存。根据匹配机制，节点A将实现匹配，从而成为获胜者。
声明2：至少有一名获胜者。声明1指出选择最大十进制数的节点是获胜者。所有被选择的十进制中都存在一个最大的值保证了获胜者的存在。此外，多个节点可能会选择相同的最大十进制数，因此可能会有多个获胜者。
接下来证明M-T2F-M无法达成共识2。图1(b)的示例表明，匹配机制将导致违背共识2的情况出现。
引理2的证明：本实施例采用按位时隙标记方法并且竞争过程包括两个阶段：非空子载波检测和非零位仲裁。假设只有一个获胜者者，因为所有获胜者在单小区网络中的行为都相同。
(a)通过实例证明这一断言。假定节点A的代码为10001100，节点B的代码为10001101。它们形成包含关系，并会导致Type-2冲突，如I.A节所述。然而，如果节点A的代码为00001100，节点B的代码为10001101。它们形成一个包含类型，但不会发生Type-2冲突。原因如下，根据匹配机制，在竞争中，节点A在阶段1推断其胜利，并将在下一个时隙中传输数据。节点B在阶段1推断其失败，然后由于比特位0为0而在下一个时隙中侦听该信道，最终因为感知信道繁忙退出竞争。结果，尽管存在包含关系，Type-2冲突没有发生。
(b)在阶段1中，所有节点都发送竞争信号且都不发送数据，因此不会发生Type-2冲突。在阶段2中，当随机选择的代码存在包含关系时，匹配机制可能会导致Type-2冲突发生。
(c)如果一个代码包含所有其他代码，则在第1阶段，通过匹配机制，获胜者推断其胜利并在下一个时隙中传输数据，而所有被包含的节点将在下一个时隙中继续竞争。假设在阶段2的时隙0中没有发生Type-2冲突，这意味着所有被包含的节点的位0为0，因此这些节点将感知信道繁忙并退出竞争。因此，不会发生Type-2冲突，这与给定的条件相矛盾。请参考图1(b)的示例。
(d)通过矛盾证明这一点。假设Type-2冲突发生在第2阶段的时隙0中。这意味着获胜者在第1阶段实现了一个匹配，因此其代码包含所有其他节点的代码，这与它与其它一些代码交叉的条件相矛盾。请参考图3的示例。
证明定理1：采用按位时隙标记方法并且在竞争过程包括两个阶段：非空子载波检测和非零位仲裁。本实施例按照以下四个部分给出证明。
第1部分，根据引理2(b)，声称Type-2冲突仅发生在阶段2的这k个时隙(即时隙0至k-1)中。
第2部分，第2部分，应用第1部分的声明，可以如下公式计算Type-2冲突概率(每一个获胜者都经历相同的Type-2冲突概率)：
第三部分，通过以下三个步骤计算在第0个时隙中发生Type-2冲突且获胜者为第l个节点的概率P：
P(Type-2 occurs in slotO,the winner is node l)。
步骤1：Type-2冲突发生在时隙0中的事实意味着以下几点；
(i)存在一个在时隙0中传输数据的获胜者。
(ii)获胜者的代码包含所有其他竞争节点的代码，因此获胜者在阶段1中获胜。
(iii)至少有一个被包含的节点，其位0为1。
在这种情况下，可以将所有竞争节点分为三种类型：
Type-WIN(即Twin)，它是指在时隙0中传输数据的获胜者。由于上述(ii)-(iii)点，获胜者的比特位0为1。
Type-CTN(即Tctn)，它指比特位0为1的被包含节点。
Type-OTH(即Toth)，它指比特位0为0的被包含节点。
步骤2：定义以下变量。
i:获胜者的第1到k-1比特位中的“1”的个数，其中1≤i≤k-1。
t:Type-CTN节点的数目，其中1≤t≤n-1。t的上限为n-1，因为网络有一个获胜者。
步骤3：计算概率如下公式：
其中，在上面的表达式中，2k-1是获胜者所有可能的非全零k位代码的总数。现在，对每个术语进行如下解释。
表示获胜者在第1到k-1比特位取1且其位0为1的联合概率。
是从n-1个节点中选择t个Type-CTN节点的方式的总数。
表示获胜者的代码包含所有n-1个节点的代码的概率，条件是获胜者的bit 0为1并且它选择了从1到k-1比特位都为1的Twin_code。右手边的第一个/>表示一个Type-CTN节点选择了一个被包含的代码且该代码的第1至k-1个比特位不全为1的概率。第二个/>表示一个Type-OTH节点选择了第1到k-1比特位不全为0的被包含代码的概率。
第4部分，计算Type-2出现在时隙q中，获胜者为节点l的概率P(Type-2 occurs inslot q,the winner is node l),其中1≤q≤k-1和1≤l≤n。令C表示叠加的代码，并假定其一些比特位如下公式：
其中，1≤i≤q-1，在计算概率时只需考虑C的非零位并且i＝q-1时的概率与i<q-1时的概率相同，下面假设i＝q并通过下面的四个步骤计算概率。
步骤1：当在时隙q中发生Type-2冲突时，有以下六个断言。
断言1，至少存在一个被获胜节点所包含的节点，其第q-1个比特位为1、第q个比特位为1。该节点(与时隙q中的获胜者冲突)就是这样的节点。它的第q-1个比特位为1；否则它将在时隙q-1之后退出竞争。它的位q为1，因为只有此值指示它在时隙q中发送竞争信号。
断言2，优胜者的q-1和q位为1，因为它包含一个被包含的q-1位和q位为1的节点(在断言1中有解释)。
断言3，如果节点在时隙q-1之前没有退出竞争，则该节点的第0到q-2个比特位与获胜者的相应的比特位相同。考虑j∈[0，q-2]。如果获胜者的第j个比特位为0，但节点的第j个比特位为1，则获胜者将在时隙j之前或之中退出；这违反了获胜者在时隙q中传输数据的事实。如果获胜者的第j个比特位为1，但节点的第j个比特位为0，则该节点会在时隙j之前或之中退出；这违反了该节点不在时隙q-1之前退出的事实。
断言4。至少存在一个具有以下3个属性的节点：(i)其第0到q-2个比特位与获胜者的位相同，(ii)其第q-1个比特位为0，并且(iii)其第q+1至k-1个比特位与获胜者的比特位位交叉或完全不同。获胜者在第q-1个时隙中获胜的事实意味着，至少一个节点在时隙q-1中退出，因此获胜者的代码与时隙q-1中的叠加代码匹配。这样的节点根据断言3具有属性(i)、因为只有此值使它能够感知信道忙碌并退出而具有属性(ii)、因为这些值的存在使它无法在时隙q-1之前实现匹配而具有属性(iii)。
断言5。如果节点在时隙q-1之前退出竞争，则该节点的第0到q-2个比特位所对应的十进制数小于获胜者的第0到q-2个比特位所对应的十进制数。否则，如果它们相等，则节点将不会在时隙q-1之前退出；这违反了节点在时隙q-1之前退出的事实。如果前者大于后者，则获胜者将在时隙q-1之前退出；这违反了获胜者在时隙q中传输数据的事实。例如，假设q＝2，则节点的第0和1个比特位为11(十进制为3)、获胜者的第0和1个比特位为01(十进制为1)或10(十进制为2)。然后获胜者在时隙0或1退出。
步骤2，当在时隙q中发生Type-2冲突时，根据以上五个断言，可以将所有竞争节点分为四种类型，如图15所示。
Type-WIN(即Twin)，根据断言2，它指的是第q-1和q个比特位为1的获胜者。
Type-CTN(即Tctn)，根据断言1，它指的是第q-1和q个比特位为1的被获胜者包含的节点。
Type-CRS(即Tcrs)，它指的是具有断言4中提到的属性(i)至(iii)的节点。
Type-OTH(即Toth)，它是指上述节点以外的节点，此类型包括两个子类型：Type-OTH-1和Type-OTH-2。Type-OTH-1(即Toth1)是指时隙0到q-2中退出的节点。结果，根据断言5，这些节点的第0到q-2个比特位所相应的十进制数小于获胜者第0到q-2个比特位所相应的十进制数。Tpye-OTH-2(即Toth2)指的是没有在时隙q-1之前退出、且第q-1和q个比特位分别为1和0、或者第q-1个比特位为0的节点。前者将在时隙q中退出，而后者将时隙q-1中退出。根据断言3，这些节点的第0到q-2个比特位与获胜者的第0到q-2个比特位相同。它们的第q+1到k-1个比特位被获胜者的第q+1到k-1个比特位包含或与获胜者的第q+1到k-1个比特位相同。
步骤3：当时隙q中发生Type-2冲突时，定义以下变量：
h：获胜者第0到q-2个比特位所对应的十进制数，其中0≤h≤2q-1-1。
i：获胜者的第q+1至k-1个比特位中的“1”的数目，其中1≤i≤k-q-1。
t：Type-CTN节点的数目，其中1≤t≤n-2。t的上限是n-2，因为网络有一个获胜者。并且根据断言4，至少有一个Type-CRS节点。
y：Type-CRS节点的数量，其中1≤t≤n-t-1。y的上限为n-t-1，因为网络具有1个获胜者和t个Type-CTN节点。
n-1-t-y：Type-OTH节点的数量。这是因为网络有1个获胜者，t个Type-CTN节点和y个Type-CRS节点。
步骤4:计算概率如下公式：
其中，在上面的表达式中，解释每个术语如下：
是获胜者在第q+1到k-1个比特取“1”的联合概率，且h是给定值；/>是从n-1个节点中选择t个Type-CTN节点的总数；/>是在q、l和h的值被给定且获胜者选择了一个Twin_code(第q+1值k-1个比特位全为1)的情况下，一个Type-CTN节点选择了一个代码(第q+1值k-1个比特位不全为1且被获胜者的第q+1值k-1个比特位包含)的概率；/>是从n-t-1个节点中选择y个Type-CRS节点的方式的总数；/> 表示在q、l和h的值被给定且胜利者选择一个Twin_code(第q+1至k-1比特位全为1)的情况下，一个Type-CRS节点选择了一个代码(第q+1到k-1的位与获胜者的第q+1到k-1的位交叉或完全不同)的概率。
这里，2i+1表示Type-CRS节点为第q个比特位和那些i个比特位(获胜者中的这些比特位为1并且在第q+1至k-1比特位中)选取值时所有可能取值的总数。2k-q-1-i-1表示Type-CRS节点将这些位(获胜者的这些比特位为0且在第q+1至k-1个比特位之间)中的至少一个比特位设置为1的总数。
表示在q、l和h被给定且获胜者选择Twin_code(其第q+1至k-1位中的i位为1)的情况下，一个Type-OTH-1节点选择一个代码(其第0到q-2个比特位所对应的十进制位数小于h)的概率。(h-1)*2k-q+1表示Type-OTH-1节点选择代码(第0到q-2个比特位所对应的十进制数在1和h-1之内，并且其第q-1到k-1个比特位可以取所有可能的值)的方式的总数。1*(2k-q+1-1)表示Type-OTH-1节点选择代码(其第0到q-2个比特位均为0且第q-1到k-1个比特位并非全为0)的方式的总数。
表示在q、l和h被给定且获胜者选择Twin_code(第q+1至k-1个比特位为1)的情况下，一个Type-OTH-2节点选择代码(其第q+1至k-1个比特位被获胜者的第q+1至k-1个比特位包含或与获胜者的第q+1至k-1个比特位相同)的概率。2i+1表示Type-OTH-2节点选择代码(其第0到q-2个比特位所对应的十进制数为h、第q-1个比特位为0且第q至k-1个比特位被获胜者的第q至k-1个比特位包含或与获胜者的第q至k-1个比特位相同)的方式的总数。2i表示Type-OTH-2节点选择代码(其第0到q-2个比特位所对应的十进制数是h、第q-1和q个比特位分别为1和0，并且其第q+1到k-1个比特位被获胜者的第q+1到k-1个比特位包含或与获胜者的第q+1到k-1个比特位相同)的方式的总数。
由此可见，本发明利用无线广播和多子载波选择的性质设计高效的多子载波FDC协议，该多子载波FDC协议允许许多节点加入竞争，在无线分布式竞争中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争，即使所有节点都能互相感知，由于子载波选择之间的包含关系，它们仍然很难就仲裁结果达成共识。因此，本发明的一种高效的多子载波FDC协议，该协议可以通过排除子集关系使所有节点达成共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时。
进一步的，本发明揭示了多子载波选择之间的包含关系是影响多子载波FDC协议中节点达成共识的关键因素。此外，本发明量化了竞争不达成共识的严重性。
进一步的，本发明提出了一种被称为“M-T2F”的高效多子载波FDC协议，并证明了M-T2F能够达成竞争的共识。其中，M-T2F通过排除包含关系使所有节点都能达成共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时。此外，M-T2F支持许多节点进行传输，但竞争冲突较少。
进一步的，本发明经过大量的仿真验证了本发明理论模型的准确性和M-T2F的效率，并表明M-T2F在冲突概率、吞吐量、延迟和公平性方面优于相关设计。
所以，本发明对多子载波FDC协议的仲裁机制提供了全面而深入的理解，包括如何达成全局共识以及如何减少仲裁时间，每个节点在多个随机选择的子载波上发信号进行竞争，并分析其共识的达成，受益于多子载波选择的组合，M-T2F在引入更少冲突的前提下支持更多的节点进行传输，M-T2F通过排除子集关系使所有节点都能达成共识，并通过利用无线广播特性来缩短竞争耗时。
需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例，但发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种物联网情景下基于多载波的高效竞争共识方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
建立分布式竞争的多子载波FDC协议，在无线分布式竞争过程中，每个节点随机选择一个或多个子载波进行竞争；
通过多子载波FDC协议排除子集关系使所有节点达成全局共识，并通过利用无线广播特性来减少竞争耗时；
其中，建立节点获胜者竞争至最后一个非零比特位的竞争共识机制，以达成全局共识，在竞争共识机制下，每个节点根据所有观察到的活跃子载波索引将其选择的子载波索引映射到一个二进制集，然后根据该二进制集竞争信道，直至获胜者竞争到其二进制集的最后一个非零比特位，获胜者会迫使那些所选子载波集是最大子载波集的子集的节点退出竞争，以使得所有节点达成共识；
其中，在无线分布式竞争过程中，各个节点使用发送天线在其选定的子载波上发送竞争信号，同时使用侦听天线接收源于所有节点的叠加竞争信号以标识所有被激活的子载波；
在竞争共识机制中，通过比较其自身选择的子载波和观察到的活跃子载波，每个节点独立地通过非空子载波检测阶段和非零逐位仲裁阶段两个阶段确定该节点是否赢得信道，仅当该节点推断出胜利时，才执行后续操作；
所述非空子载波检测阶段包括：在该阶段，每个节点检测所有非空子载波，即被所有节点激活的子载波；
在每个节点检测所有非空子载波时，每个节点执行以下操作：
选择多个子载波：首先均匀地选择一个非全零的k位代码，其中0到k-1的位从左到右标记，然后将这k位代码映射到k个子载波，其中，bit＝1表示已选择相应的子载波，bit＝0表示未选择相应的子载波；
选定多个子载波上的信号：将bit＝0馈送到未被选择的子载波，将物理层符号1+0i馈送到被选择的子载波，然后执行快速傅里叶逆变换IFFT以生成一个OFDM符号，并通过发射天线传输该OFDM符号；
检测所有活跃的子载波：节点在所选择的子载波上发信号时，会通过侦听另一条天线从所有节点接收叠加的OFDM符号，然后执行快速傅立叶变换FFT，其中，快速傅立叶变换FFT的结果为频谱上所有叠加的OFDM符号的子载波；
执行叠加的子载波频谱的逆映射，并获得一个叠加二进制码；
所述非零逐位仲裁阶段包括：在这个阶段，每个节点首先根据在第一阶段获得的叠加二进制代码的非零比特位从左到右标记仲裁时隙；
然后，根据选择的代码在逐个时隙中执行竞争仲裁，其中，在每个仲裁时隙中，若对应的比特位为1，该节点将在其选择的多个子载波上发信号，同时侦听该信道以更新其接收到的叠加二进制代码；
若对应的比特位为0，则侦听该信道；若感知信道忙则退出竞争，其中，在仲裁过程中，随着失败节点相继退出竞争，其余节点将更新其接收的叠加二进制代码并删除更多的空闲时隙，仲裁过程一直进行到最后一个时隙为止。
2.根据权利要求1所述的高效竞争共识方法，其特征在于：
以节点A，B和C为例，当节点A，B和C争夺该信道时，在竞争的第一阶段之后，叠加的二进制代码是01011110，接下来，所有节点逐个执行竞争仲裁；
在时隙0和1中，节点A，B和C传输各自的OFDM符号，由于它们对应的比特位为1，并且更新的叠加代码保持不变，这三个节点将在下一个时隙继续执行仲裁，因为叠加的代码与它们各自的代码不匹配；
在时隙2中，节点A和C的第4比特位为1，因此分别发送其OFDM符号，此时，节点B由于其第4比特位为0而不进行任何传输，并且由于其侦听到信道是忙碌的而退出竞争，同时，节点A和C将原始叠加代码01011110更新为01011010，然后叠加代码的第5比特位从1变为0，因此，只有比特位第1、3、4和6位为1，并且仲裁时隙的总数从5个减少到4个；叠加的代码与节点A的代码匹配，但与节点B的代码不匹配，节点A和C继续竞争以排除所有子集关系；
在时隙3中，节点A由于其第6比特位为1而发送了其OFDM符号，而节点C由于其第6比特位为0而侦听了该信道而不进行发送，因此，节点C感知到信道繁忙，因此退出竞争，而节点A由于到达了最后一个非零比特位而获胜，其中，节点C的子载波集合是节点A的子载波集合的子集。
3.根据权利要求2所述的高效竞争共识方法，其特征在于：
所述根据该二进制集竞争信道具体包括：所有观察到的活跃子载波索引的集合是{0,4,5,7}，根据该集合，节点A将其集合{0,4,5}映射到A*：{1,1,1,0}，并且将在时隙0、1和2中发送其竞争信号，其中，A*[0]＝A*[1]＝A*[2]＝1表示发送，在时隙3中侦听；
同样，节点B将其集合{0,4,5,7}映射到B*：{1,1,1,1}，并将在时隙0至3中发送其竞争信号；
如节点A感测到时隙3中信道处于繁忙状态，则退出竞争，而节点B将在下一个时隙中安全地传输数据。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高效竞争共识方法，其特征在于：
所述竞争共识机制为胜者宣告机制，即胜者在专用子载波上宣告了胜利，以达成全局共识，其具体包括：
每个节点随机选择一个非全零即k-1位的二进制代码进行竞争；
在非空子载波检测和非零按位仲裁两个阶段之后增加了一个获胜者声明阶段，其中，子载波0至k-2用于信道竞争，子载波k-1用于宣布获胜者。
5.根据权利要求4所述的高效竞争共识方法，其特征在于：
若节点发现自己的代码和接收到的叠加代码之间匹配，该节点就会进入获胜者声明阶段，在该阶段中，该节点通过在下一个时隙中的子载波k-1上发信号来声明自己的胜利，当听到该声明的所有其他节点退出此轮竞争；
其中，多子载波FDC协议采用k-1个子载波进行竞争。
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