一種基於時隙csma-ca退避算法的優化方法
2023-12-11 17:10:17
一種基於時隙csma-ca退避算法的優化方法
【專利摘要】本發明公開一種基於時隙CSMA-CA退避算法的優化方法，引入了優先級的設置，使發送節點比較重要的命令幀和較短的數據幀能儘早發送、數據幀能一次性儘早地發完，減少信道競爭使用的節點和競爭帶來的時延；將確認幀的接收納入流程，判斷發送成功與否，使通信過程更加完整；採用動態調整macMinBE的方法，對BE初始值進行設置，根據網絡負載和上一次傳輸任務的信道空忙情況以及任務發送成功與否來自適應調節：當信道較忙時macMinBE的值增大，可以減少數據碰撞的概率；當信道較閒時macMinBE的值縮小，縮短退避時間，一定程度上減少了時延，降低功耗，提高網絡的吞吐量。
【專利說明】-種基於時隙CSMA-CA退避算法的優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線通信傳輸【技術領域】，更具體地，涉及一種基於IEEE802. 15. 4a標 準的時隙CSMA-CA退避算法的優化方法。
【背景技術】
[0002] CSMA-CA(衝突避免的載波監聽多路訪問）退避算法指的是在多個無線節點同時 嘗試與協調器通信時，判斷信道的空忙情況，避免節點之間數據相互碰撞的信道接入方法。 在不同應用條件和標準下，其流程也會有所差異。
[0003] IEEE802. 15. 4a標準的CSMA-CA算法工作流程分為時隙（Slotted)和非時隙 (Unslotted)兩種方式。在實際使用中，根據使用情況一般只能確定使用其中的一種方式。 這裡著重描述關於時隙方式下的CSMA-CA算法，其流程圖如圖1所示。時隙方式是由協調 器發送信標幀進行同步，節點相互競爭隨後的時隙來接入信道，信標幀中也有指定一些時 隙的具體使用情況。協議中設定時隙方式下BE (退避指數）的最小默認值為macMinBE = 3,每次CSMA-CA開始時，退避時間需要在[0,2ma?-l]個隨機退避周期之間選擇；CW。（競 爭窗口長度初始值）的默認值為2,每個CSMA-CA算法過程至少需要執行兩次CCA才能接入 信道。
[0004] 時隙方式雖然一定程度上可以合理利用信道，但對於突發性和隨機性的傳輸要求 無法及時執行。當負載較輕時，macMinBE的值將影響節點發送數據的平均時延；當負載較 重時，有多個節點同時都需要發送較多數據包時，初始化的設定macMinBE較小容易導致衝 突的發生和重傳的概率急速上升，信道的有效傳輸效率下降，如果不能及時將數據包發送 出去，造成需要重發數據的節點增加，競爭更加激烈，惡性循環，傳輸效率更加下降，嚴重時 將導致系統反應遲鈍甚至癱瘓，大大制約了網絡的實時性和吞吐量。
【發明內容】
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明的目的是：提供一種基於時隙CSMA-CA退避算法 的優化方法，建立了一個具有優先級信號處理以及動態調節參數功能的時隙CSMA-CA馬爾 可夫鏈數學模型，通過修改其退避機制--對優先級信號採用優先級處理、根據信道擁塞 情況動態調節相關參數的方法，以降低數據信號的碰撞和重發，從而降低網絡的能量消耗， 提高網絡的實時性和吞吐率，獲得優於原協議CSMA-CA算法的性能指標。
[0006] 本發明所採用的技術方案是：當某節點需要發送數據幀或者命令幀時，進入時隙 CSMA-CA退避算法，採用高優先級信號/普通信號兩種級別來區分數據的級別，並根據上一 次傳輸任務時的信道擁塞情況和任務是否成功的情況來動態調節macMinBE參數，其優化 後的流程圖如圖2所示，具體包括以下幾個步驟：
[0007] (1)初始化：對於高優先級信號CW。的值設為1，對於普通信號CW。的值設為2,退 避次數NB的值設為0 ;CW的值設為CWm BE的值設為macMinBE ;
[0008] (2)定位退避周期起始邊界，等待下個退避時隙的起始邊界；
[0009] (3)在[0,2BE-1]區間內取一個隨機整數，並延遲對應該隨機整數個退避周期時隙 的時長；
[0010] (4)在退避周期時隙邊界處執行空閒信道估計CCA檢測，判斷當前信道是否空閒， 若為非空閒狀態，則跳轉到步驟6 ;若為空閒狀態，則進入步驟5 ;
[0011] (5)CW的值自減1 ;判斷當前CW是否為0,如果為0,則表示該次CSMA-CA競爭信道 成功並允許節點接入信道，跳轉到步驟7 ;如果不為0,則跳轉到步驟4 ;
[0012] (6)NB的值自增1，CW設置為CWQ，BE設置為min(BE+l，macMaxBE);判斷NB的值 是否超過macMaxCSMABackoffs (最大CSMA-CA退避次數限制），如果沒超過，則跳轉到步驟 3 ;如果超過最大退避次數，則表示該次CSMA-CA競爭信道失敗，向上層報錯，進入步驟10 ;
[0013] (7)進入發送狀態，將數據幀或命令幀發送出去；
[0014] (8)數據發送完畢後，確認是否需要等待確認幀應答，如果需要則限時等待表示應 答的確認幀，超時沒有接收到確認幀則認為當前數據發送失敗，向上層報錯，進入步驟10 ; 如果限時內收到確認幀或者是不需要接收確認幀的情況則進入步驟9 ;
[0015] (9)判斷當前是否還有緊跟著需要發送的數據，如果還有數據則跳轉到步驟7 ;如 果沒有數據需要發送則進入步驟10 ;
[0016] (10)動態調節macMinBE參數，CSMA-CA執行結束。
[0017] 上述的高優先級信號是指傳輸的幀為命令幀或者不超過18位元組數的數據幀，以 及成功發送數據後緊跟著還需要發送的數據幀；除上述三種情況外，其餘的數據幀都為普 通信號。
[0018] 在原有協議中macMinBE的值是用戶設定的，而上述macMinBE是可以根據上 一次傳輸任務時的信道擁塞情況和任務的成敗情況來進行動態自適應調節。動態調節 方法如下：定義信道空閒程度的變量L，為上一次發送任務中執行CCA時檢測信道為空 閒的次數（NumOfFree)與上一次發送任務中執行CCA的總次數（NumOfCCA)的比值，即
【權利要求】
1. 一種基於時隙CSMA-CA退避算法的優化方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟： (1) 初始化：將高優先級信號的競爭窗口長度初始值CW。設為1，普通信號的競爭窗口 長度初始值CW。的值設為2 ;退避次數NB的值設為0 ;競爭窗口 CW設為CW。，退避指數BE的 值設為macMinBE ; (2) 定位退避周期起始邊界，等待下個退避時隙的起始邊界； (3) 在[0,2BE-1]區間內取一個隨機整數，並延遲對應該隨機整數個退避周期時隙的時 長； (4) 在退避周期時隙邊界處執行空閒信道估計CCA檢測，判斷當前信道是否空閒，若為 非空閒狀態，則跳轉到步驟6 ;若為空閒狀態，則進入步驟5 ; (5) CW的值自減1 ;判斷當前CW是否為0,如果為0,則表示該次CSMA-CA競爭信道成功 並允許節點接入信道，跳轉到步驟7 ;如果不為0,則跳轉到步驟4 ; (6) NB的值自增1，CW設置為CWQ，BE設置為min(BE+l，macMaxBE);判斷NB的值是否 超過最大CSMA-CA退避次數限制，如果沒超過，則跳轉到步驟3 ;如果超過最大退避次數，則 表示該次CSMA-CA競爭信道失敗，向上層報錯，進入步驟10 ; (7) 進入發送狀態，將數據幀或命令幀發送出去； (8) 數據發送完畢後，確認是否需要等待確認幀應答，如果需要則限時等待接收應答的 確認幀，超時沒有接收到確認幀則認為當前數據發送失敗，向上層報錯，進入步驟10 ;如果 限時內收到確認幀或者是不需要接收確認幀的情況則進入步驟9 ; (9) 判斷當前是否還有緊跟著的需要發送的數據，如果還有數據則跳轉到步驟7 ;如果 沒有數據需要發送則進入步驟10 ; (10) 動態調節參數macMinBE，CSMA-CA執行結束。
2. 根據權利要求1所述的優化方法，其特徵在於，步驟1中所述的高優先級信號是指傳 輸的幀為命令幀或者不超過18位元組數的數據幀，以及當前成功發送數據後緊跟著還需要 發送的數據幀；除了上述三種情況外，其餘的數據幀為普通信號。
3. 根據權利要求1所述的優化方法，其特徵在於，步驟10中所述動態調節參數 macMinBE,具體動態調節方法如下： 當信道比較空閒時，設定macMinBE的值將減小，以縮短數據包的時延；當信道比較忙 時，則設定macMinBE的值將增大，以調節CSMA-CA的競爭窗口，減少碰撞的可能。
4. 根據權利要求1或3所述的優化方法，其特徵在於，參數macMinBE所設定的初始值 為3,其動態調節範圍為[l，macMaxBE]，其中macMaxBE的可設定範圍為[3,8]。
5. 根據權利要求1或3所述的優化方法，其特徵在於，動態調節macMinBE的方法具體 為：引入信道空閒程度的變量L，為上一次發送任務中執行CCA時檢測信道為空閒的次數與 上一次發送任務中執行CCA的總次數的比值，並設定信道空閒上限Lmax和信道空閒下限 Lmin的參考值； 當L > Lmax時，設定macMinBE的值自減1 ;當L < Lmin或者發送失敗時，設定macMinBE 的值自增1 ;當L的值介於兩者之間時，macMinBE的值保持不變。
6. 根據權利要求5所述的優化方法，其特徵在於，信道空閒上限Lmax為0. 7,信道空閒 下限Lmin為0. 3。
【文檔編號】H04W74/08GK104219776SQ201410425036
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】譚洪舟, 黃聰, 趙欽耀, 鍾志鋮, 葉威, 其他發明人請求不公開姓名 申請人:中山大學, 廣州市花都區中山大學國光電子與, 通信研究院