一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法技术

本发明专利技术公开了一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法，通过数据帧中携带节点队列信息，使节点不必使用RST/CTS就可以得知子节点资源需求信息；通过引入负载因子评估预测接下来一个信标帧周期的业务负载，使节点能够实时选择最适的MAC协议；通过引入两个切换阈值，实现了节点接入机制的平滑切换；通过根据节点负载对节点进行分组，通过在时隙的非传输阶段产生忙音，实现父节点对时敏业务的快速感知与及时调度。本发明专利技术节点能够感知网络负载状态的同时预测接下来一段时间的网络流量，对信道接入机制进行调整，提前进行调度，预防拥塞；当出现拥塞时对子节点进行合理调度，使其能够高效，及时的传输数据，提高链路利用率，提高网络的稳定性。高网络的稳定性。高网络的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法


[0001]本专利技术属于通信
，具体涉及一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法。

技术介绍

[0002]近年来通信技术不断发展，网络规模呈现了巨大化的趋势，并且节点的功能越来越多，网络的兼容性、扩展性越来越强，对于网络来说，在已经存在一个网络的情况下，重新建立一个新的覆盖范围相同的网络是不值得的，在已有网络基础上扩展，添加新的节点导致网络更进一步扩大；同时现在节点越来越智能化，人工成本越来越大，频繁的人为为节点更换电源是不可接受的，由此更需要一个可以支持更多节点通信的高可靠，低开销，低能耗的信道接入机制。
[0003]华南理工大学在申请号为202210275248.3专利文献中提出一种基于混合型接入机制的无线体域网资源分配方法及装置。该方法为降低节点间的竞争冲突，提高信道资源的利用率，并最大化节点传输的吞吐量，提出了一种基于混合型接入机制的无线体域网信道资源分配方案。该方案包括以下步骤：(1)根据数据特征划分节点的优先级，根据优先级划分节点的类型，其中，节点的类型包括紧急节点和普通节点；(2)根据数据缓存变化情况确定发送新数据或旧数据；(3)根据节点的优先级执行退避差异化信道竞争；(4)根据信道状态自适应划分超帧竞争阶段；(5)根据节点传输效用确定非竞争阶段的节点时隙数量；(6)根据节点的传输优先级确定非竞争阶段的节点传输顺序。
[0004]然而，该专利存在的缺陷是：
[0005]1.该方法由于采取退避差异化信道竞争的方式获取信道发送数据帧，对于大规模的网络，会出现大量的竞争冲突。
[0006]2.该方法中虽然考虑时敏业务的传输，但节点只能在竞争阶段初期竞争信道及发送数据，并且由于没有节点通知其邻节点，会导致时敏业务的传输效率不高，浪费时隙资源。
[0007]3.该方法由于采用被动的处理方法，若由下层节点预约，上层节点处理，节点不能主动发现网络中拥塞情况，缓解已经出现的拥塞需要付出很大的代价。

技术实现思路

[0008]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法，节点能够感知网络负载状态的同时预测接下来一段时间的网络流量，对信道接入机制进行调整，提前进行调度，预防拥塞；当出现拥塞时对子节点进行合理调度，使其能够高效，及时的传输数据，同时出现时敏数据时能够快速感知并完成传输，提高链路利用率，提高网络的稳定性。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0010]通过数据帧中携带节点队列信息，使节点不必使用RST/CTS就可以得知子节点资
源需求信息；通过引入负载因子评估预测接下来一个信标帧周期的业务负载，使节点能够实时选择最适的MAC协议；通过引入两个切换阈值，实现了节点接入机制的平滑切换；通过根据节点负载对节点进行分组，通过在时隙的非传输阶段产生忙音，实现父节点对时敏业务的快速感知与及时调度。
[0011]一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法，包括以下步骤；
[0012]步骤1：节点统计本节点所包含子节点的类型与个数(路由节点和感知节点)，并根据马尔可夫过程相关理论分析计算切换为调度接入机制的切换阈值1，执行步骤2；
[0013]步骤2：统计本节点所包含的子节点的业务负载，并根据节点时钟分辨率确定时敏业务分组的分组个数以及每个分组内最大成员个数，并执行步骤3；
[0014]步骤3：在每个节点，根据业务负载从大到小对其子节点进行排序，并按照排序为每个子节点选取能够满足时敏业务所允许最大时延的分组，将分组结果通过信标帧广播告知子节点，并执行步骤4；
[0015]步骤4：节点产生时敏业务时，若节点信道接入机制为竞争接入，则选取空闲时隙及时从子节点向父节点上传时敏数据；若节点信道接入机制为父节点调度接入，则判断节点的下一个发送时隙能否满足时敏业务的时延要求，若可以满足，则节点在下一个发送时隙从子节点向父节点上传时敏数据，若不能满足，执行步骤5；
[0016]其中，步骤3是前期准备工作，步骤4是当出现了一种情况时，节点应该怎样处理事件；
[0017]步骤5：节点产生时敏数据，在节点所在分组的对应时刻产生忙音，父节点根据忙音产生时隙及忙音时刻所在具体位置确定产生时敏数据的节点编号，并在下行时隙构建命令帧或在ACK帧中携带调度信息，使产生时敏业务的节点在接下来的时隙上传数据；
[0018]其中，父节点给所有子节点分组，当子节点产生时敏数据时，并且父节点要求子节点调度上传数据，节点被父节点分配的上传时隙不能满足时敏业务的时延要求时，子节点在父节点分配的分组所对应的时隙寻找对应位置产生信道忙音，父节点根据忙音产生的时隙及位置确定时那个节点产生了时敏数据；
[0019]步骤6：节点统计各节点的业务负载，选取节点在竞争接入时负载不为零的平均业务负载作为切换阈值2；
[0020]步骤7：节点根据收到的数据帧中携带的队列信息字段收集各子节点的队列信息，并计算衡量当前业务负载的业务负载因子；数据帧为父节点根据子节点上传的数据帧中携带的队列信息字段；
[0021]若节点当前使用竞争接入机制，则：
[0022]如果业务负载因子小于切换阈值1，使用竞争接入，执行步骤8；
[0023]如果业务负载因子大于切换阈值1，使用调度接入，执行步骤9；
[0024]若节点当前使用调度接入机制，则：
[0025]如果业务负载因子小于切换阈值2，使用竞争接入，执行步骤8；
[0026]如果业务负载因子大于切换阈值2，使用调度接入，执行步骤9；
[0027]步骤8：节点在信标帧中为已知存在待发送数据的节点分配时隙，其余空闲时隙有各节点竞争接入；
[0028]步骤9：节点计算为每个路由节点分配(父节点为子节点分配时隙)的时隙个数，使
用加权轮询的方式为子路由节点分配时隙，若时隙可以满足各路由节点时隙需求，则在剩余时隙调度感知节点；若时隙不能满足各路由节点时隙需求，则按照子节点负载比例减少各节点分配的时隙个数，节点将最终时隙分配结果放在信标帧中广播告知子节点；
[0029]步骤10：当节点检测到信道中有数据传递，但节点未解析出有效数据时，节点认为信道中产生碰撞，当节点在一个信标帧周期内检测到多次碰撞时，直接改变接入机制为调度接入，在信标帧中调度所有路由节点。
[0030]所述步骤1中，计算切换为调度接入机制的切换阈值1，是根据网络的局部拓扑以及子节点类型，假定每个节点的网络负载，根据马尔可夫相关理论，计算出在不同负载下的包信道接入概率与节点的吞吐量，并与子节点产生包的数量对比，选取吞吐量与子节点包产生数量相等下的最大负载作为切换阈值1。
[0031]所述步骤2节点确定每个分组内最大成员个数，是节点根据时隙长度，传输数据包的时间长，节点的时钟精确度确定每个时隙的非发送时间长，由此确定每个分组的成员个数，根据时敏业务的时延要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤；步骤1：节点统计本节点所包含子节点的类型与个数，并根据马尔可夫过程相关理论分析计算切换为调度接入机制的切换阈值1，执行步骤2；步骤2：统计本节点所包含的子节点的业务负载，并根据节点时钟分辨率确定时敏业务分组的分组个数以及每个分组内最大成员个数，并执行步骤3；步骤3：在每个节点，根据业务负载从大到小对其子节点进行排序，并按照排序为每个子节点选取能够满足时敏业务所允许最大时延的分组，将分组结果通过信标帧广播告知子节点，并执行步骤4；步骤4：节点产生时敏业务时，若节点信道接入机制为竞争接入，则选取空闲时隙及时从子节点向父节点上传时敏数据；若节点信道接入机制为父节点调度接入，则判断节点的下一个发送时隙能否满足时敏业务的时延要求，若可以满足，则节点在下一个发送时隙从子节点向父节点上传时敏数据，若不能满足，执行步骤5；步骤5：节点产生时敏数据，在节点所在分组的对应时刻产生忙音，父节点根据忙音产生时隙及忙音时刻所在具体位置确定产生时敏数据的节点编号，并在下行时隙构建命令帧或在ACK帧中携带调度信息，使产生时敏业务的节点在接下来的时隙上传数据；步骤6：节点统计各节点的业务负载，选取节点在竞争接入时负载不为零的平均业务负载作为切换阈值2；步骤7：节点根据收到的数据帧中携带的队列信息字段收集各子节点的队列信息，并计算衡量当前业务负载的业务负载因子；若节点当前使用竞争接入机制，则：如果业务负载因子小于切换阈值1，使用竞争接入，执行步骤8；如果业务负载因子大于切换阈值1，使用调度接入，执行步骤9；若节点当前使用调度接入机制，则：如果业务负载因子小于切换阈值2，使用竞争接入，执行步骤8；如果业务负载因子大于切换阈值2，使用调度接入，执行步骤9；步骤8：节点在信标帧中为已知存在待发送数据的节点分配时隙，其余空闲时隙有各节点竞争接入；步骤9：节点计算为每个路由节点分配的时隙个数，使用加权轮询的方式为子路由节点分配时隙，若时隙可以满足各路由节点时隙需求，则在剩余时隙调度感知节点；若时隙不能满足各路由节点时隙需求，则按照子节点负载比例减少各节点分配的时隙个数，节点将最终时隙分配结果放在信标帧中广播告知子节点；步骤10：当节点检测到信道中有数据传递，但节点未解析出有效数据时，节点认为信道中产生碰撞，当节点在一个信标帧周期内检测到多次碰撞时，直接改变接入机制为调度接入，在信标帧中调度所有路由节点。2.根据权利要求1所述的一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法，其特征在于，所述步骤1中，计算切换为调度接入机制的切换阈值1，是根据网络的局部拓扑以及子节点类型，假定每个节点的网络负载，根据马尔可夫相关理论，计算出在不同负载下的包信道接入概率与节点的吞吐量，并与子节点产生包的数量对比，选取吞吐量与子节点包产生数量相等下的最大负载作为切换阈值1。
3.根据权利要求1所述的一种传感器网络中负载感知的自适应多址接入方法，其特征在于，所述步骤2节点确定每个分组内最大成员个数，是节点根据时隙长度，传输数据包的时间长，节点的时钟精确度确定每个时隙的非发送时间长，由此确定每个分组的成员个数，根据时敏业务的时延要求，确定分组的个数，具体计算如下：N＝t
time
‑
s
/t
slot
n＝t
slot
‑
free
/t
min
其中N表...

【专利技术属性】
技术研发人员：史琰，姚翰文，盛敏，李建东，刘俊宇，郑阳，文娟，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：