解决短距离无线物联网隐藏终端问题的信道接入方法与流程

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种解决短距离无线物联网隐藏终端问题的信道接入方法。

背景技术：

随着电子技术的发展和各种便携式通信设备等电子产品的增加，人们对于电子产品之间及其与其他设备之间的信息交互有了强烈的需求。通过一个小型的、短距离的无线网络来提供各种服务，实现在任何时候、任何地点、与任何人进行通信并获取信息是使用便携式设备并满足流动工作的人们的通信需求。尤其在特殊的场合，那些移动通信距离不远，移动网络覆盖成本很大，比如大山之间，矿井下面，或者隧道之间等等场所，短距离、低成本、便携式的无线通信成为一种迫切的需求。短距离无线通信已经成为现代无线通信的不可或缺的组成部分，其发展越来越引起人们的注意。基于802.15.4标准设计的短距离无线通信技术的基础推动了短距离无线物联网的发展。但是，根据大量文献的调查结果证明，在短距离无线通信网络中终端节点互相侦听不到的概率为41％，即短距离无线通信网络中每个终端节点成为网络中其他终端的隐藏终端的概率为41％，这就是典型的隐藏终端问题。隐藏终端问题会造成无线网络系统低效的数据传输，当前经典的802.15.4短距离无线通信协议采用csma/ca(carriersensemultipleaccess/collisionavoidance)传输模式并无任何解决隐藏终端问题的措施。

现有的短距离无线通信协议中mac层csma/ca算法没有任何解决网络中隐藏终端问题的措施。在csma/ca算法中要发送数据前会先回退一段时间然后经过连续两次侦听信道，若两次信道均为空闲就立即发送数据，否则该节点一直侦听信道直到达到最大重传次数，丢弃该数据包。在原协议中，所有节点接入到网络中的概率都是一样的，此时若一个节点与多个节点都存在隐藏关系，当该节点发送数据时就会大概率的和其他节点发送的数据产生碰撞，导致重传，浪费了网络资源增加了网络时延。

技术实现要素：

本发明提供了一种解决短距离无线物联网隐藏终端问题的信道接入方法，对终端节点区分优先级，将碰撞概率大的那些节点分配高优先级，率先接入信道。这样就可以减少信道中不必要的重传包数，同时能够降低网络时延。

一种解决短距离无线物联网隐藏终端问题的信道接入方法，该方法包括：

步骤一，协调器收集终端节点的隐藏关系：网络中所有节点采用一轮轮询发包方式向网络中其它节点发送数据包，若其余节点能够在本地接收到发端数据，则在本地隐藏终端列表中将发送端标记为0，即不存在隐藏关系；否则标记为1,表示本地节点与发端节点互为隐藏终端；轮询发包结束后，每个终端将自己的隐藏终端列表上报给协调器，协调器完成隐藏节点的统计工作；

步骤二，协调器基于隐藏关系计算终端节点的干扰因子，干扰因子λ的计算方法如下：

λ＝α+β

其中，α为隐藏因子，β为距离因子，b代表当前节点在星型网络中组成的隐藏终端对数目；n表示为星型网络中总的终端数目；d表示当前终端与中心协调器之间的距离；range表示节点的最大侦听距离；

步骤三，协调器根据干扰因子的值将所有节点划分为两个优先级；

步骤四，协调器按优先级向无线物联网中的每个终端节点设置执行csma/ca算法时的初始退避窗口大小，使优先级高的节点优先接入信道；

步骤五，基于csma/ca协议进行数据通信。

步骤三包括：

根据干扰因子的值将所有节点划分为两个优先级：

设置执行csma/ca算法时的初始退避窗口大小包括：

初始化退避窗口的大小是以参数macminbe决定的，分配算法如下：

本发明的有益效果在于：

本发明基于隐藏关系与传输距离设计优先级，根据优先级设置节点退避因子从而解决隐藏终端问题，使得具有较高概率与网络中其余终端形成隐藏关系的节点优先传输数据，减轻该节点对其余节点产生的影响，提高系统的总体吞吐量，可以提高短距离无线通信网络的吞吐量同时有效降低了网络端到端时延。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法与原始csma/ca算法系统容量对比仿真图；

图3为本发明方法与原始csma/ca算法系统端到端时延对比仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

短距离无线物联网中广泛使用的通信协议是csma/ca协议。本发明在基于对csma/ca协议侦听退避工作模式充分研究，根据终端节点成为隐藏终端概率大小区分节点优先级，并根据节点的优先级确立csma/ca协议中初始退避因子的大小。方案的整体思路是在若干个终端节点同时发送数据包时，优先级越高的终端节点其csma/ca中设置初始化退避因子越小，即其竞争信道的竞争窗口越短，越有可能获得信道；优先级越低的终端节点其csma/ca中设置初始化退避因子越大，即其竞争信道的竞争窗口越长，获得信道的概率越小。短距离无线物联网信道接入方法流程图如图1所示。下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

解决短距离无线物联网隐藏终端问题的信道接入方法包括：

步骤一，协调器收集终端节点的隐藏关系。

在短距离低速率的无线通信网络中，根据设备的通信能力可以分为两种设备：全功能设备(full-functiondevice,ffd)和精简功能设备(reduced-functiondevice,rfd)。ffd设备支持ffd设备之间或ffd设备与rfd设备之间的通信，而rfd设备仅支持自身与ffd设备的通信，必须通过ffd设备转发。这个为rfd提供数据转发服务的ffd设备称为该rfd的协调器(coordinator)。

在众多协调器中，有一个称为pan网络协调器(pancoordinator)的ffd设备，是网络的主控器。pan网络协调器除了直接参与数据收发外，还要完成成员地址分配、链路质量管理以及数据融合等任务。星型拓扑以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器通信。具体地，本发明的网络拓扑采取星型网络。

网络中所有终端节点采用一轮轮询发包方式向网络中其它节点发送数据包，若其余节点能够在本地接收到发端数据，则在本地隐藏终端列表中将发送端标记为0，即不存在隐藏关心；否则标记为1,表示本地节点与发端节点互为隐藏终端。轮询发包结束后，每个终端将自己的隐藏终端列表上报给协调器，协调器完成隐藏节点的统计工作。

在ns3离散事件仿真平台上搭建星型网络结构。在本实施例中，在星型网络中终端节点有20个，1个协调器。终端节点和协调器的侦听范围100米。

仿真实验参数设计：

采用ns3网络仿真器进行仿真，测试初始化退避因子bemin、最大重传次数nb、空闲信道评估次数cw。参数选择如下表1所示。

表1

步骤二，协调器基于隐藏关系计算终端节点的干扰因子。

影响节点优先级的主要因素就是该节点与其他节点存在的隐藏关系。因此本发明提出了基于隐藏终端关系的优先级算法的设计。

从星型网络的实际情况分析得知一个节点能够大概率与其他终端节点发生碰撞，主要有两个因素：1)在该星型网络中该节点与其他节点形成的隐藏终端对数目。2)该终端节点与中心协调器之间的距离。这两个条件都是值越大，该节点对其他节点的影响越大。因此将这两个条件综合起来作为该节点对其他节点产生的影响因子并以此来对节点进行分组。隐藏因子α、距离因子β和干扰因子λ的计算方法如下：

λ＝α+β

式中b代表当前节点在星型网络中组成的隐藏终端对数目；n表示为星型网络中总的终端数目取20；d表示当前终端与中心协调器之间的距离；range表示节点的最大侦听距离，根据实际情况仿真，该处取100米。20个节点的干扰因子的计算结果如表2所示。

表2

步骤三，协调器根据干扰因子的值将所有节点划分为两个优先级。

由干扰因子的算法设计过程可知，本发明主要是针对节点的隐藏关系和节点与协调器之间的距离这两个因素进行了归一化处理，因此干扰因子λ满足0≤λ≤2。当λ≥1时就说明该节点存在很大的碰撞概率会与其它节点发送的数据发生碰撞，因此，为了简化mac协议的复杂度，本发明主要根据干扰因子的值将所有节点划分为两个优先级：

在一些文献中提出了区分优先级的退避算法，算法中每个节点维护一个加权数据量，退避窗口与加权数据量乘正比。在发送相同的数据时，高优先级节点加权数据量的增加值较小，这样就保证了高优先级节点接入信道的能力强于低优先级节点。根据此原理设计了本发明的优先级分配策略。

步骤三：协调器按优先级向无线物联网中的每个终端节点设置执行csma/ca算法时的初始退避窗口大小，使优先级高的节点优先接入信道。

本发明基于区分优先级的退避算法，并结合csma/ca算法中节点发送数据前会先退避一段时间的特性，提出了按优先级分配初始退避窗口大小的方法。在csma/ca算法中初始化退避窗口的大小是以参数macminbe决定的。分配算法如下：

如图2所示，为优先级算法与原始csma/ca算法系统容量对比仿真图，其中priority代表本发明的优先级算法，hn表示原始未解决隐藏终端问题的csma/ca算法，横坐标trafficload表示每一秒传输的数据帧数，纵坐标goodput表示成功传输的有效数据比特数。当网络负载较小时，优先级算法与csma/ca算法的吞吐量并无明显差别，但是当网络负载递增时，在优先级算法中由于高优先节点采用了较短的初始退避窗口有效降低了节点发包之间的碰撞概率，吞吐量比原有的csma/ca算法提高了21％。

如图3所示，为优先级算法与csma/ca算法系统端到端时延对比仿真图，其中priority代表本发明的优先级算法，hn表示原始未解决隐藏终端问题的csma/ca算法，横坐标trafficload表示每一秒传输的数据帧数，纵坐标latency表示数据延迟时间。当网络负载较小时，优先级算法与csma/ca算法的端到端时延并无明显差别，但是随着网络负载的逐渐增多，优先级算法的统计时延明显小于原有的csma/ca算法的统计时延。主要存在两方面的原因：首先优先级算法在算法本质上已经对于高优先级的节点采取较低的初始回退时间减少了时延。其次，在优先级算法中高碰撞概率的节点优先接入信道，降低了其与其他节点数据产生碰撞的概率，减少了网络中重传数据包的数量，因此大大降低了系统中端到端的时延。

本发明基于隐藏关系与传输距离设计优先级，根据优先级设置节点退避因子从而解决隐藏终端问题，使得具有较高概率与网络中其余终端形成隐藏关系的节点优先传输数据，减轻该节点对其余节点产生的影响，提高系统的总体吞吐量。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。