专利名称：一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法
一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法技术领域
本发明属于无线网络领域，特别涉及无线网络分布式网同步退避参数优化方法。
技术背景
在分布式无线网络环境中，节点采用分布式竞争广播同步信标帧的方式实现网络节点间的时间同步。分布式网同步过程由节点自发完成，不依赖于网络中心节点的控制，因而具有组网快速灵活、可靠性高和抗毁性强的优势。近年来，该方法已广泛应用于各类分布式无线网络，为时分多址信道接入控制、分布式节点休眠、分布式数据融合等应用提供网同步支持，例如美军和北约组织广泛应用的Linkl6数据链，IEEE802. 11无线局域网能量节省模式(Power Saving Model, PSM),物联网信息采集与融合等。
附图1给出了分布式网同步过程的流程图，其具体步骤如下
步骤1:网络中的每个节点在区间
内随机选择一个整数作为同步退避计数器的初始值，其中W为分布式网同步退避参数。
步骤2 :若节点检测到信道持续空闲一个退避时隙长度的时间，则将同步退避计数器的值递减I ;若节点检测到信道变忙，则将当前退避计数器的值挂起；当节点同步退避计数器的值递减至O后，则广播携带本地时间信息的同步信标帧。
步骤3 :节点广播同步信标帧结束后，在W个时隙长度的时间内继续监听信道，若在上述侦听时间内节点侦听到信道变忙，则判定自身同步信标帧广播失败，并尝试接收其他节点广播的同步信标帧。
步骤4 :若节点成功收到其他节点广播的同步信标帧，则将自身的时间设置为同步信标帧中保存的时间，并在W个时隙长度内侦听信道；若节点接收同步信标帧失败，则恢复同步退避计数器的挂起值，并按照步骤2中的法则广播自身的同步信标帧。
步骤5 :若所有节点在W个时隙长度内侦听信道保持空闲，则分布式网同步过程结束。
由上述分析可知，退避参数W的取值对分布式网同步的性能有重要影响。在参与同步的网络节点数量一定的条件下，如果W的取值过大，则会延长节点在网同步过程中的等待时间，导致网同步完成时间过长；反之，如果W的取值过小，则会使得节点在竞争广播同步信标帧过程中的冲突加剧，同样也会降低分布式网同步过程的效率。为了获得最佳的分布式网同步效率，本发明采用离散马尔可夫链对上述分布式网同步过程进行建模，得到网同步过程完成时间数学期望的表达式，并通过数值搜索法得到网同步退避参数的最优取值。发明内容
本发明的目的是针对无线网络分布式网同步算法，提出一种退避参数优化方法， 从而获得最佳的分布式网同步效率。为了实现该目的，本发明所采用的 步骤是
步骤1:采用二维离散马尔可夫链对分布式网同步过程进行建模，节点在离散马尔可夫链中的状态用二维随机变量{s(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示节点在同步过程中所处的阶段，当S(t) = O时,表示节点处在广播同步信标巾贞之前的退避阶段；当s(t) = i时，表示节点与其他i个节点同时完成退避过程并同时广播同步信标帧后，处在第i类侦听阶段；b(t)表示节点当前退避计数器的剩余值；根据节点状态之间的转移关系得出离散马尔可夫链非空一步状态转移概率。步骤2 :根据离散马尔可夫链非空一步状态转移概率，得出退避阶段和侦听阶段的稳态概率分布，并利用稳态概率分布的归一化条件求出节点在单位时隙内广播同步信标帧的概率。步骤3 :将节点分布式网同步过程完成时间分为两部分，即节点首次广播同步信标帧之前经历的时间和节点首次广播同步信标帧之后经历的时间；根据节点在单位时隙内广播同步信标帧的概率，采用迭代法分别确定上述两部分时间长度的数学期望；将两部分时间长度的期望相加即可得到分布式网同步过程完成时间的期望。步骤4:根据分布式网同步过程完成时间期望的表达式，通过数值搜索法确定给定网络规模条件下分布式网同步退避参数的最优取值。本发明提出的无线网络分布式网同步退避参数优化方法已经在EXata网络仿真环境中实现。网络节点在单跳传输范围之内；考虑不同网络规模条件，网络节点总数量分别为20，30，40和50 ;物理层采用DSSS模型，信道传输速率为2Mbit/s ;网络层采用静态路由，传输层采用Μ)Ρ协议；节点晶振偏差为IOppm ;网同步周期为ls，仿真时间为300s。附图3给出了在不同网络规模条件下，通过改变分布式网同步退避参数W得到的分布式网同步过程完成时间的仿真值与本发明得到的计算值的对比。仿真值与计算值的一致性说明了本发明在不同退避参数W的取值条件下确定分布式网同步过程完成时间方法的有效性。在同步退避参数W 变化的条件下，本发明得到的分布式网同步过程完成时间计算值为凹函数，说明了本发明采用数值搜索法确定分布式网同步退避参数最优取值的有效性。
图1是分布式网同步过程的流程图；图2是本发明采用的二维马尔可夫链模型状态转移图；图3是本发明的仿真和计算结果图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。本发明提出的无线网络分布式网同步退避参数优化方法已经在无线网络仿真环境EXata中实现，并通过仿真结果证明了该方法的有效性。下面给出本发明的具体实施步骤步骤1:采用离散马尔可夫链对分布式网同步过程进行建模。针对分布式网同步过程，构建如附图2所示的二维离散马尔可夫链模型。任一节点的状态用二维随机变量{s(t)，b(t)}表示。其中，s(t)表示节点在同步过程中所处的阶段,当s(t) = O时,表示节点处在广播同步信标巾贞之前的退避阶段,当S (t) =i时,表示节点与其他i个节点同时完成退避过程并同时广播信标帧后，处在第i类侦听阶段；b(t)表示节点当前退避计数器的剩余值。附图2中其余各变量的含义如下η:网络中节点的数量；W 分布式网同步退避参数；q :节点在广播同步信标帧之前的退避过程中，成功收到其他节点广播的同步信标帧的概率；P1:节点与网络中其他i个节点同时完成广播同步信标帧之前的退避过程，并同时广播同步信标帧的概率；P (Si):节点在第i类侦听阶段成功收到其他节点广播的同步信标帧的概率；P (Ci):节点在第i类侦听阶段接收其他节点广播的同步信标帧失败的概率。用P(i I j)表示状态j到i的一步状态转移概率，则附图2所示的离散马尔可夫链非空一步状态转移概率可以表示为
权利要求
1.一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法，所采用的步骤是步骤1:采用二维离散马尔可夫链对分布式网同步过程进行建模，节点在离散马尔可夫链中的状态用二维随机变量{s(t)，b(t)}表示；其中，s(t)表示节点在同步过程中所处的阶段，当S(t) = O时,表示节点处在广播同步信标巾贞之前的退避阶段；当s(t) = i时, 表示节点与其他i个节点同时完成退避过程并同时广播同步信标帧后，处在第i类侦听阶段；b(t)表示节点当前退避计数器的剩余值；根据节点状态之间的转移关系得出离散马尔可夫链非空一步状态转移概率；步骤2 :根据离散马尔可夫链非空一步状态转移概率，得出退避阶段和侦听阶段的稳态概率分布，并利用稳态概率分布的归一化条件求出节点在单位时隙内广播同步信标帧的概率；步骤3 :将节点分布式网同步过程完成时间分为两部分，即节点首次广播同步信标帧之前经历的时间和节点首次广播同步信标帧之后经历的时间；根据节点在单位时隙内广播同步信标帧的概率，采用迭代法分别确定上述两部分时间长度的数学期望；将两部分时间长度的期望相加即可得到分布式网同步过程完成时间的期望；步骤4 :根据分布式网同步过程完成时间期望的表达式，通过数值搜索法确定给定网络规模条件下分布式网同步退避参数的最优取值。
2.根据权利要求1所述的一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法，其特征在于二维离散马尔可夫链非空一步状态转移概率的具体确定方法为定义以下变量 η :网络中节点的数量；W :分布式网同步退避参数；q 节点在广播同步信标帧之前的退避过程中，成功收到其他节点广播的同步信标帧的概率；P1:节点与网络中其他i个节点同时完成广播同步信标帧之前的退避过程，并同时广播同步信标帧的概率；P (Si):节点在第i类侦听阶段成功收到其他节点广播的同步信标帧的概率；P(Ci):节点在第i类侦听阶段接收其他节点广播的同步信标帧失败的概率；P(i I j):状态j到i的一步状态转移概率；离散马尔可夫链非空一步状态转移概率可以表示为
3.根据权利要求1所述的一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法，其特征在于节点在单位时隙内广播同步信标帧概率的具体确定方法为用τ表示节点在单位时隙内广播同步信标帧的概率，用Pm表示马尔可夫链的稳态概率分布，即 Pi, j = Iimt ^00Pis (t) = i,b(t) = j}，i e [O, ff], j e
,则退避阶段和侦听阶段的稳态概率分布可分别用式(2)和式(3)表示，SP
4.根据权利要求1所述的一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法，其特征在于分布式网同步过程完成时间数学期望的具体确定方法为用T表示分布式网同步过程完成时间；分别用δ和ε表示空闲退避时隙长度和同步信标帧的传输时间；用Pidle表示节点在退避阶段的退避过程中监听信道空闲的概率，其值可通过节点在单位时隙内广播同步信标帧概率确定，即 Pidle=Q-T)1"1 (11)则退避阶段时隙长度σ的期望值可表示为
全文摘要
本发明公开了一种无线网络分布式网同步退避参数优化方法。该方法采用二维离散马尔可夫链对分布式网同步过程进行建模，根据非空一步状态转移概率得出分布式网同步过程退避阶段和侦听阶段的稳态概率分布，并利用稳态概率归一化条件求出节点在单位时隙内广播同步信标帧的概率。然后将节点分布式网同步过程完成时间分为两部分，即节点首次广播同步信标帧之前经历的时间和节点首次广播同步信标帧之后经历的时间，并采用迭代法确定分布式网同步过程完成时间的数学期望。最后根据时间期望表达式，通过数值搜索法确定给定网络规模条件下分布式网同步退避参数的最优取值。无线网络仿真环境EXata中的仿真实验证明了该方法的有效性。
文档编号H04W24/06GK103068033SQ20131003297
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者雷磊, 戚龙飞, 蔡圣所, 张雅静, 罗诚, 张婷, 李科艳, 陈晓明 申请人:南京航空航天大学