一种基于频率分组的多信道CSMA协议中最优信道数确定方法与流程

本发明涉及一种基于频率分组的多信道非持续载波侦听多址接入协议中确定最优信道数的方法，属于物联网随机接入技术领域。

背景技术：

机器通信是物联网时代最为基础的通信方式，主要的特征是在大量设备节点间独立的无人类干扰地进行无缝的数据交换。机器通信的应用领域包含生活的方方面面，如智能家庭、智慧健康、智能电网及工业自动化等。这些应用的最大的特点就是节点数量非常巨大，举个例子，在智能电表领域，半径为2km的圆形小区中，电表数量就可能高达35760个，在这样的环境中，怎样保证大量节点能够在短时间内成功接入是至关重要的问题。

目前有很多针对降低接入时延或降低冲突概率的分组接入方式，主要包括按时间分组、按空间分组和按频率分组。按时间分组的方法中最常见的是时分多址，该方式中每个节点将被分配到全部的带宽及部分时间。与之形成对比的是常见的按频率分组的方式，即频分多址，在这种方式中，每个节点将被分配到全部的时间和部分的带宽。在k.s.ko等人的论文中，介绍了一种基于空间分组的方法，其特征是利用与基站距离不同的节点其距离参数值也不一样的特点，根据距离参数值判断不同判断节点的位置，从而进行分组。但是上面几种方式都存在一些缺陷，在时分多址和频分多址中，资源分配方式是固定的，不能够适应在机器通信通信中激活节点数量一直变化的情况。而按照空间分组的方式要求节点的位置是固定不变的，这大大限制了应用的范围，众所周知，物联网中存在着大量的移动节点，因此这种方式也不能适用于机器通信通信。

技术实现要素：

本发明的目地在于提出一种基于频率分组的多信道非持续载波侦听多址接入协议中确定最优信道数的方法，基于频率分组的多信道非持续载波侦听多址接入协议能够降低在机器通信中负载很大时节点接入的时延，本方法可以通过根据负载的大小改变传输信道数从而使该协议一直处于最优的工作状态。

本发明提供了一种基于频率分组的多信道非持续载波侦听多址接入中确定最优信道数的方法，其技术方案为：基站通过检测小区中节点随机接入的频率确定当前基站的节点接入负载情况，各节点使用基于频率分组的多信道非持续载波侦听多址接入方式与基站进行通信，为了保证节点与基站之间的低时延通信，基站根据负载变化情况预测下一段时间的平均负载，并确定最优的信道数，保证通信的低时延。该方法包括如下步骤：

(1)基站根据小区中节点数量及每个节点的数据包发送频率确定初始最优信道数，并通过下行广播信道广播最优信道数nopt。

(2)需要发送数据的节点侦听下行广播信道，获得最优信道数的值，计算出自己所处的信道及所许可的频带，并利用非持续载波侦听多址接入协议进行数据传输。

(1)基站根据一段时间内的瞬时负载估计出下一时段的平均负载，并利用该平均负载计算下一时段的最优信道数，重复第(2)、(3)步骤，直至收敛。

在步骤(1)中，计算最优信道数的具体方法为：

其中，表示当函数取得最小值时自变量n的取值，n表示信道数，d表示数据包大小，单位为kbit，ωm和snr分别表示总带宽和当n＝1时的接收端信噪比。psucc表示数据包成功传输的概率，数据包成功传输需要有两个条件，分别是在数据包发送时信道状态要为空闲并且在数据开始发送后的一段时间内整个小区不能有其他节点发送数据，若另一个节点没能侦听到信道繁忙开始发送数据，则会与当前发送的数据包产生冲突导致接入失败。令pi和ps分别表示发送时信道空闲和发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，和psucc＝pi*ps，gn表示每个信道中的负载，计算方法为m表示小区中节点个数，r表示各个节点申请接入的频率，n表示信道数。t＝τp+δd+δ，τp表示数据包传输时间，δd表示其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ表示数据包从节点到基站的传播时延。θb和θf分别表示因为信道忙和在发送后一段时间内有其他节点发送数据而导致失败时浪费的时间。

在步骤(2)中，节点根据以下方法确定所在信道：各节点则在内部随机生成一个0到1范围内的随机数，若生成的随机数在范围内时，则处于第一个信道，若生成的随机数在范围内时，则处于第二个信道，依次类推。许可频带的计算方法为：

fi表示第i个信道中节点的许可传输频率范围，f1和f2分别表示整个频带的起止频率。

在步骤(3)中，基站估计下一段时间负载所用的公式为：其中g(t)表示基站端成功接入请求的次数随时间变化的函数，t1和t2分别表示基站统计数据包接入数的起止时间点，(t2-t1)为统计的时间长度，在基站初始化时，可将t1设为0，t2设为统计时间段的长度，则为统计时间段内基站每秒钟成功接收到的接入请求，psucc表示接入成功概率，两者的比值即为在统计时间段内每秒钟所有节点尝试接入的次数。

有益效果

1.本发明能够将整个频带分为n个子频带，降低每个子频带中参与竞争的节点的数目，提高接入成功的概率，降低时延和提高能量效率、频谱效率。

2.本发明能够不断调整分组数n，以使得整个系统的性能一直处于最优的状态中，进而延长整个网络的生命周期。

附图说明

图1为本发明实例中使用的机器通信网络模型图。

图2为本发明实例中一种基于频率分组的非持续载波侦听多址接入协议中确定最优信道数方法流程图。

图3为本发明实例中检测节点实施上行随机接入流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的一种基于频率分组的非持续载波侦听多址接入协议中确定最优信道数方法实例进行详细描述。

图1为本发明实施例中适用的机器通信网络模型图，如图1所示，本发明适用于“基站节点+检测节点”的机器通信网络场景，该类型机器通信网络场景具有的特点包括：

1、监测节点负责采集周边环境数据，并上传至基站节点。

2、监测节点在机器通信网络中随机分布，监测节点与基站节点进行数据交换时可直接通信，不需要中继节点。

3、监测节点单次上传数据量较小，节点采集数据的时间具有规律性。

4、监测节点为电池型设备，节点能源有限，基站对能源供应无限制性要求。

5、监测节点具备可休眠特性，即网络中激活节点的数量是变化的。

本发明实例中，适用于机器通信通信的一种基于频率分组的非持续载波侦听多址接入协议中确定最优信道数方法需要多个步骤。如图2所示，一种基于频率分组的非持续载波侦听多址接入协议中确定最优信道数方法的具体实施过程有如下步骤：

步骤一：基站估计信道负载并根据公式计算初始的最优信道数nopt。

步骤二：节点根据接收到的信道信息计算所处信道及许可频带。

步骤三：各节点根据分配到的上行资源使用非持续载波侦听多址接入协议进行上行随机接入。

步骤四：基站实时统计成功接入次数。

步骤五：每隔一段时间基站根据平均负载计算最优的nopt。

步骤六：重复步骤二、三、四、五。

在上述步骤一中，本发明对机器通信通信中初始最优信道数的计算方法为：

其中，表示当函数取得最小值时自变量n的取值，n表示信道数，d表示数据包大小，单位为kbit，ωm和snr分别表示总带宽和当n＝1时的接收端信噪比。psucc表示数据包成功传输的概率，数据包成功传输需要有两个条件，分别是在数据包发送时信道状态要为空闲并且在数据开始发送后的一段时间内整个小区不能有其他节点发送数据，若另一个节点没能侦听到信道繁忙开始发送数据，则会与当前发送的数据包产生冲突导致接入失败。令pi和ps分别表示发送时信道空闲和发送一段时间内没有其他节点发送数据的概率，和psucc＝pi*ps，gn表示每个信道中的负载，计算方法为m表示小区中节点个数，r表示各个节点申请接入的频率，n表示信道数。t＝τp+δd+δ，τp表示数据包传输时间，δd表示其他节点能侦听到信道忙的侦听时延，δ表示数据包从节点到基站的传播时延。θb和θf分别表示因为信道忙和在发送后一段时间内有其他节点发送数据而导致失败时浪费的时间。

在步骤二中，节点根据以下方法确定所在信道：各节点则在内部随机生成一个0到1范围内的随机数，若生成的随机数在[0,1/n)范围内时，则处于第一个信道，若生成的随机数在[1/n,2/n)范围内时，则处于第二个信道，依次类推。许可频带的计算方法为：

fi表示第i个信道中节点的许可传输频率范围，f1和f2分别表示整个信道的起止频率。

在步骤三中，各节点当有数据需要发送发送时，就依据所在的信道利用相应的频带使用非持续载波侦听多址接入的方法进行上行随机接入。具体方法如下，当有数据需要发送时，节点侦听在所分配到的频带内是否有其他节点在传输数据，若有其他节点传输数据，则随机等待一段时间再次侦听信道忙闲状态，若侦听到信道空闲，则立即发送数据，若信道仍然繁忙，则继续等待一段时间后侦听，直到信道空闲立即发送数据为止。

在步骤四和五中，基站估计下一段时间负载所用的公式为：其中g(t)表示基站端成功接入请求的次数随时间变化的函数，t1和t2分别表示基站统计数据包接入数的起止时间点，(t2-t1)为统计的时间长度，在基站初始化时，可将t1设为0，t2设为统计时间段的长度，则为统计时间段内基站每秒钟成功接收到的接入请求，psucc表示接入成功概率，两者的比值即为在统计时间段内每秒钟所有节点尝试接入的次数。

在步骤六中，利用估计出的下一时间段平均负载再次根据步骤一中的方法计算最优的信道数nopt，并重复步骤二到步骤五。

图3为本发明中一个实施例的监测节点的随机接入申请时序图，如图所示，某一节点在开始运行后判断是否有数据需要传输，如果没有，则继续监测。如果有数据需要传输，则接收下行控制信道中包含的关于信道和频率等信息。接收完毕后侦听信道，若信道忙，则随机等待一段时间后再次侦听信道忙闲，直到侦听到信道空闲后立即传输数据，传输完毕后再次判断是否有数据需要发送，若有，则继续上述过程，若没有数据需要发送，则继续监测。