一種網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法與流程

2023-05-30 06:21:41 1

本發明涉及無線傳感網及無線個域網領域，特別涉及一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法。

背景技術：

進入21世紀，人們對無線通信的技術要求隨著網絡技術的提高越來越高。特別是近兩年，隨著各式各樣的無線終端設備層出不窮，人們對短距離通信也有了更高層次的要求，而IEEE802.15.4標準因為其低成本、低速率、低能耗以及部署簡單的眾多特點受到了眾多廠家和消費者的青睞。提供系統所需可靠性的同時降低能量消耗成為基於IEEE802.15.4網絡的軍事，工業及醫療應用的主要設計指標。

IEEE 802.15.4是CSMA/CA機制接入信道，在一定程度上可以減少來自不同網絡節點的數據分組碰撞，但隨著網絡負載的逐漸增大，IEEE 802.15.4採用的固定網絡參數所造成的自適應能力差將表現的更為明顯，從而使得網絡可靠性惡化。針對這一問題並基於傳統的單包接收機制物理層，Francesco等人提出了一種依賴於應答機制的動態自適應算法ADAPT；Park等人基於節點行為的馬爾科夫模型推導最優退避參數，但需要各節點已知網絡條件並局限於特定的數據通信類型；Brienza等人基於ADAPT算法並結合歷史記錄情況設計了一種更加快速準確的退避參數自適應算法，但需要額外的節點存儲及計算能力。

綜上所述，目前已知的針對IEEE 802.15.4協議可靠性的自適應優化方法存在以下缺陷：各節點需要了解準確的網絡參數；依賴於應答機制，因此引起額外的等待時間及能量消耗，而且不適用於信標不使能網絡和無確認機制網絡；僅局限於單包接收機制，沒有考慮基於MIMO，SIC等技術的多包接收機制。

因此，需要一種基於多包接收機制物理層的自適應優化方法來滿足無確認機制的無線傳感網應用層的要求。

技術實現要素：

本發明旨在提供了一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，包括IEEE802.15.4CSMA/CA在多包機制下動態估計並調整接入參數中的最小退避指數、最大退避指數和最大退避次數，以及信道接入成功概率和數據包傳輸成功概率，所述信道接入成功概率和所述數據包傳輸成功概率的乘積為數據分組投遞率，其特徵在於:網絡允許目的節點同時成功接收r個數據分組，通信節點設置CCA檢測閾值rc(rc小於等於r)，在CCA期間統計並更新的五個變量，包括進入退避的數據包數NCCA，CCA失敗的次數NCCAB，CCA成功時通信節點數超過CCA檢測閾值rc的累計數NCCAI2B1，CCA成功時通信節點數不超過CCA檢測閾值rc的累計數NCCAI2B2，CCA成功的次數NCCA2I。網絡內節點不需要應答機制也無需重傳，僅憑CCA偵聽結果即可估計出數據分組傳輸成功率，並根據所估計的成功率動態的調整最小退避指數和最大退避次數，當正在通信的節點數不大於CCA檢測閾值時，具體的參數調整過程包括：

S1.判斷所估計的發包成功率的值是否小於target，target為網絡用戶對網絡所設定的發包成功率的期望值，若所估計發包成功率小於target，執行S11，否則，執行S12；

S11.判斷最小退避指數是否小於MinBEMax，MinBEMax為最小退避指數的最大值，若最小退避指數小於MinBEMax則最小退避指數加1，否則執行S111；

S111.判斷最大退避次數是否小於MaxBackoffsmax，MaxBackoffsmax為最大退避次數的最大值，若最大退避次數小於MaxBackoffsmax，則最大退避次數加1；

S12.判斷最大退避次數是否大於最大退避次數的最小值，若是，則最大退避次數減1，否則，執行S121；

S121.判斷最小退避指數是否大於最小退避指數的最小值，若是，最小退避指數減1。

進一步地，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：網絡中的節點能實現同步多包接收，節點無法知道發包是否成功，但可以通過自身CCA偵聽來估計發包成功的概率，所述數據包發送成功的概率為1-NCCAI2B1/(NCCA2I+NCCAI2B1+NCCAI2B2)。

進一步地，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：所述信道接入概率的估計值為1-NCCAB/NCCA。

進一步地，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：所述參數調整過程在超幀結束後執行。

進一步地，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：MaxBackoffsmin的值為1，MaxBackoffsmax的值為10，MinBEmin的值為1，MinBEmax的值為7。

進一步地，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：所述最小退避指數的初始值為3，所述最大退避次數的初始值4，所述最大退避指數值為10。

通過本發明的方法，滿足了支持多包傳輸的無線個域網對通信可靠性的要求，並改善網絡的能量效率。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

圖1示出了本發明的實現流程圖。

圖2示出了默認參數設置的IEEE 802.15.4MAC協議(DPS)和本發明方法各(MBADAPT)多包能力的投遞成功率比較。

圖3示出了默認參數設置的IEEE 802.15.4MAC協議(DPS)和本發明方法(MBADAPT)各多包能力的數據分組平均能耗比較。

圖4示出了本發明方法(MBADAPT)將CCA檢測閾值設置為3時動態網絡參數(在100和200個BI時分別加入15個節點，在300和400個BI時分別關閉15個節點)下採用本發明方法的投遞率的估計值和實際值的比較。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。

本發明旨在提供了一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，包括IEEE802.15.4CSMA/CA在多包機制下動態估計並調整接入參數中的最小退避指數、最大退避指數和最大退避次數，以及信道接入成功概率和數據包傳輸成功概率，所述信道接入成功概率和所述數據包傳輸成功概率的乘積為數據分組投遞率，其特徵在於:網絡允許目的節點同時成功接收r個數據分組，通信節點設置CCA檢測閾值rc(rc小於等於r)，在CCA期間統計並更新的五個變量，包括進入退避的數據包數NCCA，CCA失敗的次數NCCAB，CCA成功時通信節點數超過CCA檢測閾值rc的累計數NCCAI2B1，CCA成功時通信節點數不超過CCA檢測閾值rc的累計數NCCAI2B2，CCA成功的次數NCCA2I。網絡內節點不需要應答機制也無需重傳，僅憑CCA偵聽結果即可估計出數據分組傳輸成功率，並根據所估計的成功率動態的調整最小退避指數和最大退避次數，當正在通信的節點數不大於CCA檢測閾值時，具體的參數調整過程包括：

S1.判斷所估計的發包成功率的值是否小於target，target為網絡用戶對網絡所設定的發包成功率的期望值，若所估計發包成功率小於target，執行S11，否則，執行S12；

S11.判斷最小退避指數是否小於MinBEMax，MinBEMax為最小退避指數的最大值，若最小退避指數小於MinBEMax，則最小退避指數加1，否則執行S111；

S111.判斷最大退避次數是否小於MaxBackoffsmax，MaxBackoffsmax為最大退避次數的最大值，若最大退避次數小於MaxBackoffsmax，則最大退避次數加1；

S12.判斷最大退避次數是否大於最大退避次數的最小值，若是，則最大退避次數減1，否則，執行S121；

S121.判斷最小退避指數是否大於最小退避指數的最小值，若是，最小退避指數減1。

作為優選方案，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：網絡中的節點能實現同步多包接收，節點無法知道發包是否成功，但可以通過自身CCA偵聽來估計發包成功的概率，所述數據包發送成功的概率為1-NCCAI2B1/(NCCA2I+NCCAI2B1+NCCAI2B2)。

作為優選方案，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：所述信道接入概率的估計值為1-NCCAB/NCCA。

作為優選方案，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：所述參數調整過程在超幀結束後執行。

作為優選方案，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：MaxBackoffsmin的值為1，MaxBackoffsmax的值為10，MinBEmin的值為1，MinBEmax的值為7。

作為優選方案，根據權利要求1所述的一種IEEE802.15.4網絡MPR投遞率半盲自適應優化方法，其特徵在於：所述最小退避指數的初始值為3，所述最大退避次數的初始值4，所述最大退避指數值為10。

本發明採用了Matlab仿真軟體對默認參數設置的IEEE 802.15.4MAC協議(DPS)和本發明方法進行實施比較。實施比較基於星型單跳網絡拓撲結構，設置超幀參數BO＝13，SO＝10，假設所有源節點每個超幀開始時刻均產生20個數據分組，並設定每個數據分組的長度為120個字節。每次仿真時長為500個超幀

圖2顯示了默認參數設置的IEEE 802.15.4MAC協議(DPS)和本發明方法多包能力設置為5，CCA檢測閾值rc分別設置為1、2、3、4(rc＝1、2、3、4)時的投遞成功率比較。從圖中可以看出，對於本發明方法，當目標數據包發包成功率設置為80％時，可以自適應調整退避參數，能將數據包發包成功率穩定在目標值以上，因此改善了網絡通信的可靠性。

圖3顯示了默認參數設置的IEEE 802.15.4MAC協議(DPS)和本發明方法多包接收能力r設置為5，CCA檢測閾值rc分別設置為1-4時數據包平均能耗。從圖中可以看出，本發明方法在CCA檢測閾值下數據包平均能量消耗相較於默認參數設置的IEEE 802.15.4MAC協議(DPS)而言，有明顯的降低，特別是當節點數目逐漸變多時節能的效果更加顯著。

圖4示出了本發明方法CCA檢測閥值rc設置為3時在動態網絡參數(在100和200個BI時分別加入15個節點，在300和400個BI時分別關閉15個節點)下網絡中節點的分組投遞率的實際值(actual)和估計值(estimate)，可以看出每個BI結束後根據投遞率估計值和實際值的比較調整退避參數使節點投遞率保持穩定，並且在網絡拓撲變化時能迅速的自適應調整，網絡波動很小。

結合圖2至圖4的結果可知，本發明方法在多包通信的基礎上不僅改善了網絡通信的可靠性，並且降低了能耗，能快速適應拓撲變化。