基于区分服务的IEEE802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法技术

本发明专利技术属于无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于区分服务的IEEE802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，包括将到达节点的数据业务划分为高优先级和低优先级，每个节点维护高优先级队列和低优先级队列两个队列；设置第一贪婪率，按照第一贪婪率从低优先级队列中选择业务进入高优先级队列进行信道接入；构建强化学习模型，将无线传感器作为智能体，根据智能体在各个状态下执行的动作得到的奖励构建奖励值表；利用构建的强化学习模型进行信道接入；本发明专利技术综合考量不同优先级数据以及信道接入情况以及退避参数的选择等因素，能有效提高不同优先级数据的信道接入效率，降低网络时延。延。延。

【技术实现步骤摘要】
基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法


[0001]本专利技术属于无线传感器网络
，具体涉及一种基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能带有冲突避免的载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，CSMA/CA)退避方法。

技术介绍

[0002]目前，物联网设备已广泛应用于各行各业，如医疗救援、精准农业、环境监测等领域，而物联网设备的大规模使用主要依赖于无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的发展。WSN利用无线通信技术，比如WIFI、蓝牙、LoRa、ZigBee等，可以便捷的传输物联网设备采集到的数据。其中ZigBee技术凭借自组网、低功耗、低成本、低复杂度等优势，已被广泛应用于智慧城市、智能农业等物联网场景。ZigBee技术的实现基于IEEE802.15.4标准协议，该协议定义了物理层(Physical Layer，PHY)和媒体访问控制层(Medium Access Control Layer，MAC)的规范，适用于短距离、低速率、低功耗的WSN网络。在IEEE802.15.4协议中，MAC层采用超帧结构来组织信道占用的时间分配，超帧周期为两次信标帧之间的时间，并由活跃期和非活跃期组成。节点的通信是在活跃期采用载波监听多路访问/冲突避免，机制或者保证时隙(Guaranteed Time Slot，GTS)机制进行信道接入，节点在非活跃期进入休眠状态。/>[0003]在WSN网络中，事件触发性的数据与周期性采集的数据对传输延迟的要求具有显著差异，需要确保紧急数据传输的实时性和可靠性。为了给紧急业务提供实时通信服务，IEEE 802.15.4协议采取GTS机制，以免竞争的方式进行信道接入，但是GTS机制存在以下限制：首先，节点发送的GTS请求和GTS撤销命令需要在竞争访问阶段(Contention Access Period，CAP))采用CSMA/CA机制和数据帧竞争信道的使用权，对于时间敏感事件的传输，协调器由于无法及时接收节点的GTS请求，从而增加了节点使用GTS时隙的时延；其次，每个超帧中GTS时隙最多只有7个，限制了GTS机制在大规模网络中的使用。
[0004]总之，如何为IEEE 802.15.4网络提供更好的区分服务，并实现一种高效的信道接入机制来降低网络时延以及提高可靠性，成为了亟待解决的问题。现研究者主要从改进GST机制和CSMA/CA机制入手，对该问题展开研究。众多学者提出的改进GTS机制算法在有限的GTS资源中寻求更优的GTS分配方法，在网络性能上都获得了一定的优势，但是由于802.15.4协议本身的限制，GTS机制只能为少量的节点提供实时通信，无法满足大多数网络节点对于提供区分服务的要求，因此时隙范围更大的竞争访问期也成为了研究的重点。
[0005]竞争访问期主要采用CSMA/CA机制进行信道接入，由于同一时间信道只允许一个节点进行数据传输，于是为了避免冲突，在CSMAC/CA机制中采用二进制退避算法。在设备使用CSMA/CA机制接入时，首先会维护三个变量：后退次数(Number of Backoff，NB)、竞争窗口长度(Content Window，CW)和后退指数(BAckoff Exponent，BE)。后退次数在每次信道接入失败时会增1重发，直到系统定义的上限最大后退次数macMaxCSMABackoff；竞争窗口的长度表示设备在进行信道接入前需要进行空闲信道评估(Clear Channel Assessment，
CCA)的次数；后退指数表示每次退避的时长就从(0，2
BE
‑
1)范围内随机延迟一个退避周期。
[0006]CSMA/CA机制每次监听信道忙时，都会以二进制指数方式增加退避窗口的大小随着网络负载的不断增大，CSMA/CA机制的二进制退避算法没有展现很好的鲁棒性，CSMA/CA机制采用盲退避策略，退避指数BE和竞争窗口CW的盲目增加会影响网络的接入，使得网络冲突、重传的概率升高，导致节点发包失败，造成网络堵塞。另外，CSMA/CA机制无法及时响应特殊时延要求的业务需求，紧急数据(GTS请求帧、命令帧、携带告警信息数据帧等)需和普通数据帧共同竞争时隙进行发送，导致紧急业务数据时延增大，无法及时传递。

技术实现思路

[0007]针对现研究阶段改进算法退避参数自适应程度小，优先级业务的信道接入存在时延高、信道利用率低等问题，对IEEE 802.15.4协议中CSMA/CA算法进行改进，提出一种基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将到达节点的数据业务划分为高优先级和低优先级，每个节点维护高优先级队列和低优先级队列两个队列；
[0009]S2、设置第一贪婪率，按照第一贪婪率从低优先级队列中选择业务进入高优先级队列进行信道接入；
[0010]S3、构建强化学习模型，将无线传感器作为智能体，根据智能体在各个状态下执行的动作得到的奖励构建奖励值表；
[0011]S4、利用构建的强化学习模型进行信道接入。
[0012]进一步的，初始化后退次数和竞争窗口长度时，若为高优先级队列任务则后退次数初始化为高优先级退避次数，竞争窗口长度初始化为2；若为低优先级队列任务则后退次数初始化为低优先级退避次数，竞争窗口长度初始化为3，其中高优先级退避次数小于低优先级退避次数。
[0013]进一步的，利用构建的强化学习模型进行信道接入包括以下步骤：
[0014]初始化传感器节点的奖励值表、学习效率、贪婪率以及奖励值和回退次数；
[0015]判断节点数据包的优先级，根据优先级初始化该数据包的退避指数和竞争窗口长度；
[0016]定位带退避周期，若当前是探索期，则传感器节点依据CSMA/CA算法进行信道接入；如果当前时段是利用期，节点采用ε
‑
greedy策略进行信道接入，以第二贪婪率ε选择从奖励值表中选择奖励值最大时对应的退避指数执行退避。
[0017]进一步的，依据CSMA/CA算法进行信道接入，即在(0,2
BE
‑
1)范围内随机延迟一个退避周期，其中，BE表示退避指数的值。
[0018]进一步的，采用ε
‑
greedy策略进行信道接入，即在(0,1)产生一个随机数n，当n大于设置的第二贪婪率ε的值时，从奖励值表中选择一个奖励值最大对应的退避指数作为当前退避指数，然后在(0,2
BE
‑
1)范围内随机延迟一个退避周期；其中，BE表示退避指数的值。
[0019]进一步的，奖励值表的更新包括：
[0020]在退避周期边界处执行CCA，并判断信道状态；
[0021]若信道为空，则竞争窗口长度自减1，若竞争窗口长度为0，则根据当前接入状态以及退避指本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将到达节点的数据业务划分为高优先级和低优先级，每个节点维护高优先级队列和低优先级队列两个队列；S2、设置第一贪婪率，按照第一贪婪率从低优先级队列中选择业务进入高优先级队列进行信道接入；S3、构建强化学习模型，将无线传感器作为智能体，根据智能体在各个状态下执行的动作得到的奖励构建奖励值表；S4、利用构建的强化学习模型进行信道接入。2.根据权利要求1所述的基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，其特征在于，初始化后退次数和竞争窗口长度时，若为高优先级队列任务则后退次数初始化为高优先级退避次数，竞争窗口长度初始化为2；若为低优先级队列任务则后退次数初始化为低优先级退避次数，竞争窗口长度初始化为3，其中高优先级退避次数小于低优先级退避次数。3.根据权利要求1所述的基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，其特征在于，利用构建的强化学习模型进行信道接入包括以下步骤：初始化传感器节点的奖励值表、学习效率、贪婪率以及奖励值表和回退次数；判断节点数据包的优先级，根据优先级初始化该数据包的退避指数和竞争窗口长度；定位带退避周期，若当前是探索期，则传感器节点依据CSMA/CA算法进行信道接入；如果当前时段是利用期，节点采用ε
‑
greedy策略进行信道接入，以第二贪婪率ε选择从奖励值表中选择奖励值最大时对应的退避指数执行退避。4.根据权利要求3所述的基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，其特征在于，依据CSMA/CA算法进行信道接入，即在(0,2
BE
‑
1)范围内随机延迟一个退避周期，其中，BE表示退避指数的值。5.根据权利要求3所述的基于区分服务的IEEE 802.15.4协议的智能CSMA/CA退避方法，其特征在于，采用ε
‑
greedy策略进行信道接入，即在(0,1)产生一个随机数n，当n大于设置的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭大芹，邓祺盛，苟艳，毛浩宇，谭皓元，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：