基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法
【专利摘要】本发明针对IEEE802.15.4MAC协议中的标准时隙CSMA/CA(carriersense?multiple?access?with?collision?avoidance)机制不能提供数据流区分服务的问题，提出一种基于优先级的网络负载动态自适应参数调整DAPA-CSMA/CA算法。该算法根据应用实时性的需求为不同的节点分配不同的优先级，优化协议参数配置以实现区分服务，并通过动态调整退避指数来自适应网络流量变化，在此基础上，结合马尔可夫原理对DAPA-CSMA/CA算法的信道竞争过程进行理论分析。本发明提出的算法具有较强的网络自适应能力，可以降低节点间的碰撞，减少丢包率、时延及能耗，更好的满足无线传感器网络在实时监测环境中对高服务质量的要求。
【专利说明】基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络介质访问控制(MAC, Media Access Control)子层处理技术，尤其涉及基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法，为IEEE802.15.4标准中CSMA/CA接入机制优化的方法，属于无线网络通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002]IEEE802.15.4是无线传感器网络常用的工业界标准。它以其在物理层的能量高效和鲁棒性以及其在媒体接入控制(media access control,MAC)子层的灵活性,成为目前无线传感器网络的常用底层通信协议。IEEE802.15.4MAC协议采用标准时隙CSMA/CA机制竞争信道，在一定程度上可以减少数据的碰撞，但该算法仅适用于低负载情况，随着网络负载的增大，存在数据包冲突概率高、时延大、能耗过多等问题，且协议参数配置固定，网络自适应能力差，对不同的数据流无法提供优先级区分服务。
[0003]目前已有不少研究和改进是基于IEEE802.15.4CSMA/CA回退机制，如通过为不同的应用数据流设置合适的回退参数(如退避次数NB、退避指数EB、竞争窗口大小WC等)来实现优先级调度策略从而达到区分服务。文献“肖卓凌，何晨，蒋铃鸽.带睡眠机制的IEEE802.15.4MAC协议性能分析[J],上海交通大学学报，2010，44 (8): 1103-1108.”提出了一种IEEE802.15.4MAC协议实时应用中基于时隙分析的精确建模方法，可以准确预测网络性能。文献“高瑞霞.面向信息物理系统的IEEE802.15.4MAC协议分析及优化[D].大连:大连理工大学，2011.”提出了面向信息物理融合系统应用的信息区分服务机制SDA-CSMA/CA (service differentiat1n and adaptiveCSMA/CA),但缺乏对该机制的理论分析。文献“蔡雅平，白光伟.一种用于提高802.15.4网络性能的区分服务模型[J].计算机科学，2011，38(7):61-65.”使用马尔可夫(Markov)建模，分析竞争接入时段CAP (content1naccess per1d)下的性能服务,提出了一种基于区分服务的改进IEEE802.15.4机制以支持高服务质量的要求。文献“Lee H G, Lee K H, Ryu S H, et al.An efficient slotted CSMA/CA algorithm for the IEEE 802.15.4LR-ffPAN[C]//2011Internat1nal Conferenceon Informat1n Networking(ICOIN).Piscataway, NJ, USA:1EEE, 2011:488-493.提出了基于退避指数和竞争窗口的两种优先级区分服务机制，基于离散时间的Markov链分析这两种机制的性能，但只支持两种优先级。文献“Park PG, Di Marco P, Fisch1neC，et al.Modeling and optimizat1n of the IEEE802.15.4protocol for reliableand timely communicat1ns[J].1EEE Transact1ns on parallel and distributedsystems, 2013，24(3): 550-564.”针对可靠性和实时性的需求，对IEEE802.15.4进行建模和优化，并采用Markov过程进行性能分析。文献“李瑞芳，罗娟，李仁发.适于无线多媒体传感器网络的MAC层退避算法[J].通信学报，2010，31 (11):107-116.”提出了适用于无线多媒体传感器网络的服务区分动态退避算法SDDB (service differentiat1n dynamicbackoff)，通过对不同优先级业务采取不同的退避方式，实现合理退避及业务优先级区分服务。
[0004]IEEE802.15.4中的时隙CSMA/CA机制主要包含3个参数:NB、EB和WC，这3个参数决定了整个算法的进程，如图1所示，其中“mac battery life extens1n”为“
金?:。IEEE802.15.4标准对于时隙CSMA/CA机制的参数并没有强制设定，存在一定的灵活性，且NB、EB、WC相关值的设定将对整个时隙CSMA/CA算法的性能产生较大的影响，具体如下:
[0005]1)WC:即空闲信道评估(clear channel assessment, CCA)执行次数，CCA 使数据在信道的传送时可避免信道冲突和串音，但是需以牺牲时延为代价，CCA执行次数越多，所花费的时间越多，同时，在不同的信标级数BO (macBeaconOrder)和超巾贞级数SO(macSuperframe Order)取值及网络负载下，CCA延迟对于网络吞吐量也会有所影响。
[0006]2)EB:退避指数值决定了初始退避窗口的大小，EB的值越大，节点初始退避时间越大，即节点进行CCA检测所需等待的时间越长，且EB的不同取值范围([macMinEB, macMax EB])也将影响着网络的端到端时延。随着EB值的增大，当网络负载较小时，网络平均端到端时延增长会较快，此时EB的取值应偏向于取macMin EB，而当网络负载较大时，网络平均端到端时延趋于平缓增长，EB的取值应偏向于取macMax EB。更多情况下，EB的取值更接近于macMinEB和macMax EB两者间的一些值而不止是整数值。
[0007]3) NB:NB的最大取值macMaxCSMABackoffs决定了最大可退避次数，即CCA信道检测结果为忙的次数，随着macMaxCSMABackoffs增加，有效数据率增加，丢包率较小，时延增大。
[0008]IEEE802.15.4时隙CSMA/CA算法过程中，节点传输采用的是先进先出队列FIFO (first input first output)模式。以无线传感器网络的睡眠调度机制为例，使用Markov过程将传感器节点模拟成一个有限的FIFO队列模型,假设活跃时间(active)和睡眠时间(sleep)近似服从指数分布，均值分别为Ta和！；。节点在活跃状态A和睡眠状态S的变化过程可用一个Markov过程来表示。a = I/Ta是状态A到状态S的转移速率，s = I/Ts是状态S到状态A的转换速率。
[0009]α是从环境状态为打开变为关闭的转换率；β是从关闭状态到打开状态的转换率。λ a = λ g+ λ ^是活跃状态下泊松过程的速率，As= Ag是在睡眠状态下泊松过程的速率，M是节点缓冲区大小，μ是参考节点的传输速率。如图2所示。
【发明内容】
[0010]本发明的主要目的在于根据现有文献对ΙΕΕΕ802.15.4MAC协议CSMA/CA机制的研究，针对其不能提供数据流区分服务的问题，提出了一种基于高中低三种优先级的网络负载动态自适应参数调整 DAPA-CSMA/CA (dynamic adaptive parameter adjusting CSMA/CA)方法。本发明提出的算法具有更强的网络自适应性，能降低节点间的碰撞，减少丢包率、时延及能耗，满足无线传感器网络在实时监测环境中不同优先级数据流的服务质量需求。
[0011]本发明采用如下技术方案:
[0012]基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法，其特征在于，预先设定:q为优先级，At为数据传输中发生的碰撞退避次数值即数据重传次数，Ac为数据成功传输后总的节点竞争信道传输次数即碰撞次数，Pcur为当前碰撞系数且P.= AJAt ;设定σ为概率平均值，Pavg为平均碰撞系数且其初始值为0，Plast为上一次的平均碰撞系数Pavg,且满足Pavg=σ.Pcur+(1- σ ).Plast ;设定 macMaxCSMABackoffs 为 NB 的最大取值，EB’last 为上一次 Eb的取值，EB，last的初始值为macMinEB[q]；
[0013]表1
[0014]
【权利要求】
1.基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法，其特征在于，预先设定:q为优先级，At为数据传输中发生的碰撞退避次数值即数据重传次数，A。为数据成功传输后总的节点竞争信道传输次数即碰撞次数，P.为当前碰撞系数且P.= Ac/At ;设定σ为概率平均值，Pavg为平均碰撞系数且其初始值为O, Plast为上一次的平均碰撞系数Pavg,且满足Pavg =σ.Pcur+(1- σ ).Plast ;设定 macMaxCSMABackoffs 为 NB 的最大取值，EB’last 为上一次 Eb 的取值，EB，last的初始值为macMinEB[q]； 表1
其余步骤如下: Stepl:带节点等级标记的数据到达后，根据优先级情况，按照表1设置相关参数，同时初始化WJq]，并将Nb、A。及At初始化为0，Eb采用动态初始化，然后定位到下一个退避时隙边缘并转Step2 ； Step2:根据Eb的取值，在[O,im(2~-l)]范围内产生一个随机退避数进行退避等待，退避等待时间结束后转到Step3 ； Step3:定位到退避时隙边缘，对信道进行CCA检测，并将At自增I。若此时CCA检测的结果为空闲转Step4，否则转Step5 ； Step4:W。自减I后判断此时W。是否为0，若不为O则返回St印3，若为O则表示该节点获得了信道使用权，带节点等级标记的数据将在下一个退避时隙边缘上开始进行传输，并转到Step7 ； St印5:判断Pcur是否大于Pavg,若是，则Eb = I+Eb X (I Pavg-Pcur I )，若否，则Eb取1-EbX (I Pavg-Pcur I)和macMaxEB [q]中的较小值；再将Nb和A。同时自增I，根据节点优先级重新初始化竞争窗口值为WJq]，如果NJmacMaxCSMABackoffs，则向上层报告数据发送失败，算法终止，转Step7 ;否则转Step6 ； St印6:退避等待时隙在[int(2~_i)，iru(2&-l)]中随机产生；
Step7:根据 Pavg = σ.Pcur+(1- σ ).Plast 计算 Pavg[q],根据 Pcur = AjAt 计算 Pcur,令Piast = Pavg[q]，EB，last = Eb,为节点下一次参数调整的Eb动态初始化提供依据。
2.如权利要求1所述的基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法，其特征在于,Stepl中,Eb的动态初始化具体如下:判断Pavg[q] ( macMin EB[q],若是则Eb = macMinEb[q];否则再判断 Pavg[q] SmacMax Eb[q],若是则 Eb = EB，last,若否，则
其中pmin[q]和Pmax[q]分别为Pavg[q]取值范围的上下限。
【文档编号】H04W74/08GK104185298SQ201410437004
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】蒋文贤, 蔡惠娟 申请人:华侨大学