一种机器类通信网络短包随机接入的分布式能效优化方法

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种机器类通信网络短包随机接入的分布式能效优化方法。

背景技术：

机器类通信的一些关键任务应用例如控制信息的传输一般以短数据包形式进行。短包传输的信令开销相较于数据包承载来说更低，由于这一特征，短包传输使无授权接入竞争力更优。但是短包传输也会带来信道容量的损失和较高误码率。目前在有限码长编码体系下点对点通信的信道容量损失已经有一些精确的近似结果。

对于机器类通信网络中的节点，有限的电池能量是限制其生命周期的主要因素。那么如何在节点有限的电池能量限制下最大化成功传输的数据包数量就是提高节点能量效率的一个优化方向。去中心化的分布式的随机接入方式在发射机端没有信令开销，也无需侦听信道。从这个角度看随机接入能够一定程度地提升能量效率。但采用随机接入的方式会无法避免地导致数据包在接收机端产生碰撞导致传输失败。即便在数据包的传输过程中没有产生碰撞，在有限码长编码体系下接收机也不能保证解码完全正确。在使用随机接入方式和短包传输体系下提高节点能量效率对网络参数的调整提出了很高的要求。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种机器类通信网络短包随机接入的分布式能效优化方法，提高节点能量效率。

本发明所采用的第一技术方案是：一种机器类通信网络短包随机接入的分布式能效优化方法，包括以下步骤：

s1、发射节点以q0的初始接入概率向接收节点传输数据包，并根据对应接收节点反馈的确认字符数目统计预设时间内的成功传输概率，得到当前成功传输概率

s2、发射节点根据当前成功传输概率估计当前接入该网络中的节点总数

s3、发射节点基于网络中的节点总数计算在当前网络状况下满足最小生命周期约束并能够使得发送数据包最多的成功传输概率，得到最优成功传输概率；

s4、发射节点根据最优成功传输概率计算出当前网络状况下发射节点最优的初始接入概率

s5、发射节点将最优的初始接入概率替代初始接入概率q0；

s6、每个发射节点每间隔预设时间，重复步骤s1-s5。

进一步，对于发射节点，在队列头包的传输经历了i次失败后，节点将以qi＝q0q(i)的接入概率再次接入信道，发射节点可以通过一段时间内接收节点反馈的信令类型及数量统计出成功传输概率公式表示为：

其中，ack为一段时间内发射节点统计到的确认字符数，st为一段时间内发射节点统计到的尝试发射总次数，q(i)为关于i的初值为1的单调非增函数。

进一步，所述发射节点根据当前成功传输概率估计当前接入该网络中的节点总数这一步骤，公式表示为：

上式中，在给定每个数据包编码的信息比特数和数据包的块长度的情况下，ε是一个常数。

进一步，发射节点在生命周期内可发送的数据包总数的表达式如下：

其中，e是节点初始能量，n是时隙长度，pt、pw分别是发射状态与等待状态的功率，p代表该节点整个生命周期内的成功传输概率。

进一步，给定以时隙为单位的t0，它表征网络中节点的最小生命周期，在满足节点最小生命周期约束t≥t0的条件下，为了最大化节点在其生命周期内可发送的数据包个数，这个发射节点的最优初始接入概率的表达式如下：

上式中，pm、pl分别表示t0在对应阈值范围时满足最小生命周期约束并能够使得发送数据包最多的成功传输概率，m表示网络中节点队列头包的重传限制。

进一步，成功传输概率pm的表达式如下：

进一步，成功传输概率pl的表达式如下：

本发明方法的有益效果是：本发明通过发射节点需根据各自统计到的成功传输概率估计网络状况，从而分布式地调整各自的初始接入概率，以实现在最小生命周期约束下最优化节点能量效率。

附图说明

图1是大规模机器类通信网络及其传输过程的示意图；

图2是本发明一种机器类通信网络短包随机接入的分布式能效优化方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

图1为本发明实施例中使用的大规模机器类通信网络以及发射-接收节点对传输过程的示意图。该类型通信网络场景具有的特点包括：1、网络处于饱和状态，且该网络没有中心节点。发射节点一直有数据包等待发送。网络中的所有发射-接收节点对共享同一个信道，且接收节点的接收机模型使用碰撞模型。2、发射-接收节点对在网络中随机分布，每个数据包的发送持续一个时隙，并且确定字符信令会在该时隙末尾反馈给发射节点。3、同一个网络中的发射节点使用相同的退避机制和丢包机制，即退避函数和重传限制相同。

参照图2，为了降低大规模机器类通信网络中发射-接收节点对传输数据包的单位能耗并保证节点有足够长的生命周期，要求每个发射节点使用有限的初始能量向接收节点成功传输尽可能多的数据包，以期在最小生命周期约束下最大化节点能量效率，本发明提供了一种机器类通信网络短包随机接入的分布式能效优化方法，该方法包括以下步骤：

s1、发射节点以q0的初始接入概率向接收节点传输数据包，并根据对应接收节点反馈的确认字符数目统计一段时间内的成功传输概率，得到当前成功传输概率

s2、发射节点根据当前成功传输概率估计当前接入该网络中的节点总数

s3、发射节点基于网络中的节点总数计算在当前网络状况下满足最小生命周期约束并能够使得发送数据包最多的成功传输概率，得到最优成功传输概率；

具体地，最优成功传输概率包括成功传输概率pm和成功传输概率pl。

s4、发射节点根据最优成功传输概率计算出当前网络状况下发射节点最优的初始接入概率

s5、发射节点将最优的初始接入概率替代初始接入概率q0；

s6、每个发射节点每间隔一段时间，重复步骤s1-s5。

具体地，在步骤s1和s3中，发射节点仅需通过统计自身的数据包传输成功情况就可以估计当前的网络状况，并根据网络状态实时优化传输策略以最大化能量效率。每个发射-接收节点对分布式地检测网络状况并调整自身传输策略，不需要与其他节点对进行信息交互。

进一步作为本方法的优选实施例，对于发射节点，在队列头包的传输经历了i次失败后，节点将以qi＝q0q(i)的接入概率再次接入信道，发射节点可以通过一段时间内接收节点反馈的信令类型及数量统计出成功传输概率公式表示为：

其中，ack为一段时间内发射节点统计到的确认字符数，st为一段时间内发射节点统计到的尝试发射总次数，q(i)为关于i的初值为1的单调非增函数。

进一步作为本方法的优选实施例，所述发射节点根据当前成功传输概率估计当前接入该网络中的节点总数这一步骤，公式表示为：

上式中，在给定每个数据包编码的信息比特数和数据包的块长度的情况下，ε是一个常数。

具体地，此处ε是有限码长编码体系下，由于数据包块长度较短导致的接收机解包错误概率。

进一步作为本方法优选实施例，能量效率可以描述为：节点在其生命周期内可成功发送的数据包总数。它可以进一步解释为节点的吞吐量和它生命周期的乘积，发射节点在生命周期内可发送的数据包总数的表达式如下：

其中，e是节点初始能量，n是时隙长度，pt、pw分别是发射状态与等待状态的功率，p代表该节点整个生命周期内的成功传输概率。

进一步作为本方法优选实施例，给定以时隙为单位的t0，它表征网络中节点的最小生命周期，在满足节点最小生命周期约束t≥t0的条件下，为了最大化节点在其生命周期内可发送的数据包个数，这个发射节点的最优初始接入概率的表达式如下：

上式中，pm、pl分别表示t0在对应阈值范围时满足最小生命周期约束并能够使得发送数据包最多的成功传输概率，m表示网络中节点队列头包的重传限制。

进一步作为本方法的优选实施例，成功传输概率pm的表达式如下：

进一步作为本方法的优选实施例，成功传输概率pl的表达式如下：

另外，在本发明中，假设网络处于饱和状态，即发射节点一直有数据包等待发送。网络内的所有发射-接收节点对共享同一个信道，且接收节点的接收机模型使用碰撞模型，这意味着若在某个时隙内，若网络中有且仅有一个发射-接收节点对发送数据包时，该时隙内的数据包发送成功。若网络中有两个或以上发射-接收节点对同时发送数据包，则此次发送失败。每个数据包的发送持续一个时隙，并且确定字符信令会在该时隙末尾反馈给发射节点。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。