專利名稱：基于退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳輸技術領域的方法，具體是一種基于退避指數(shù)的動態(tài) 調(diào)整方法。
背景技術：
對于降低無線網(wǎng)絡的能量消耗，前人做了大量的工作。 一部分研究工作是基 于功率控制方案，降低網(wǎng)絡在發(fā)送階段消耗的能量來減少網(wǎng)絡的總能耗；而另一些人則通過改進CSMA-CA (載波偵聽點接入-沖突避免)機制降低無線網(wǎng)絡的碰撞或者重傳概率，從而減少網(wǎng)絡耗能。IEEE 802.15.4 (美國電子和電氣工程師協(xié)會關于無線個人局域網(wǎng)路的技術標準)設定BE(退避指數(shù))的最小默認值為3，則每次CSMA-CA開始時，退避時間在0到2^e-l之間隨機選擇。經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，A.-C. Pang等在《proceedings of IEEEGlobecom2004》(2004年世界通信大會)(第三巻第1580- 1584頁)上發(fā)表的"Dynamic Backoff for Wireless Personal Networks"(無線個域網(wǎng)的動態(tài)退避方案)，該文中提出兩種新的方案來處理退避指數(shù)BE，第一種方案的具體方法為當CSMA-CA結束時判斷信道接入狀態(tài)，如果成功，則將此次傳輸中的BE值保存，在下次CSMA-CA開始的時候以此保存的BE值作為初始值。另外一種方案的具體方法為保存每次CSMA-CA過程中成功接入信道時的BE值，在下次CSMA-CA開始時，將之前幾次的BE值進行加權平均后作為當前的BE初始值。該文獻給出的仿真結果證明，改進后的兩種方案都提高了網(wǎng)絡的吞吐量性能，其中第二種方案對性能的提高更為顯著。其不足在于，文章只是從提高吞吐量角度考慮進行退避指數(shù)的修改，并沒有就能量問題進行分析討論。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供了一種基于退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方 法，使其通過修改CSMA-CA過程中的退避機制，動態(tài)調(diào)整初始競爭窗的選擇范圍降低網(wǎng)絡碰撞和重發(fā)，從而降低LR-WPAN網(wǎng)絡的能耗消耗。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明判斷網(wǎng)絡上一超幀或者上一次傳 輸狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整當前的退避指數(shù)初始值，如果一個節(jié)點在上一超幀時間內(nèi)有數(shù) 據(jù)傳輸成功，或者在同一超幀中的上一次傳輸成功，則在下一次傳輸開始時，通 過減小初始BE值來減小競爭窗口；相反地，如果在上一超幀時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳 輸成功，或者在同一超幀中的上一次傳輸失敗，在下一幀開始時增加BE的初始 值擴大競爭窗口的大??；如果上述兩種情況都不成立，則將初始BE值重置為和 BLE (節(jié)能模式)下一樣的2。所述BE，其在最小值macMinBE和最大值aMaxBE之間變動，macMinBE在需 要退避時間的條件下為1到3之間的任意一個值，默認值為3,在BLE模式下 macMinBE取為2來節(jié)省能量；最大值aMaxBE為3到8之間的任意值，默認為5。所述減小BE的初始值，具體為將最小值macMinBE重置為 max[lastBE-l， 1] ， lastBE為上一次傳輸過程中BE的初始值。所述增加BE的初始值，具體為將最小值macMinBE重置為 min[lastBE+l， 8] ， lastBE為上一次傳輸過程中BE的初始值。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明是退避算法中基于退避 指數(shù)的動態(tài)調(diào)整，只需在每次CSMA-CA開始之前對BE的初始值進行修改，因此 無需對協(xié)議進行很大的修改。退避指數(shù)BE的最小值可自由變動，如果減小BE 的值，則可選的退避范圍縮短，從而縮短退避時間。


圖1是不同業(yè)務負載下的能耗性能比較曲線圖； 圖2是不同CBR大小下的能耗性能比較曲線圖； 圖3是不同業(yè)務負載下的吞吐量性能比較曲線圖； 圖4是不同CBR大小下的吞吐量性能比較曲線圖； 圖5是不同業(yè)務負載下的碰撞概率性能比較曲線圖； 圖6是不同CBR大小下的碰撞概率性能比較曲線圖； 圖7是不同業(yè)務負載下的重發(fā)概率性能比較曲線圖； 圖8是不同CBR大小下的重發(fā)概率性能比較曲線圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護 范圍不限于下述的實施例。步驟一，IEEE802. 15. 4協(xié)議中規(guī)定BE值在最小值macMinBE和最大值aMaxBE 之間變動，aMaxBE設為8， macMinBE設為1。步驟二，動態(tài)調(diào)整退避指數(shù)BE，具體為首先判斷該次傳輸是不是新的超幀開始，如果是則進行以下的步驟-第1步、如果上一超幀過程中沒有數(shù)據(jù)成功傳輸，則在此次超幀開始將macMinBE重置為min[lastBE+l， 8];第2步、如果上一超幀過程中有數(shù)據(jù)成功傳輸，則將macMinBE的值重置為 和BLE (節(jié)能模式)下一樣的2。如果不是新的超幀開始，則進行以下的步驟第1步、如果上次傳輸成功，在下一次傳輸時將macMinBE重置為 max[lastBE-1，1];第2步、如果上次傳輸失敗，則將macMinBE的值重置為和BLE模式下一樣 的2。本實施例方法中，macMinBE的值可以根據(jù)之前的傳輸狀況在macMinBE的最 小值1和aMaxBE之間動態(tài)的選擇。因此碰撞概率和重發(fā)概率都會降低，尤其是 在網(wǎng)絡比較擁擠的時候，下面從有效能量消耗、吞吐量、碰撞概率、重發(fā)概率四 個方面來比較本實施例方法的性能。1、有效能量消耗性能比較用ns-2 (網(wǎng)絡仿真)的仿真結果來驗證本實施例方法。在仿真模型中，網(wǎng) 絡范圍為15n^l5m， 1個PAN協(xié)調(diào)器與10個節(jié)點通信，并且只考慮上行通信。所 有的節(jié)點都是固定的，而且彼此都在通信范圍內(nèi)，因此可以不用考慮隱藏終端的 問題。所有的實驗結果都是取20組實驗數(shù)據(jù)的平均，并且取95%的置信區(qū)間。定義網(wǎng)絡平均消耗能量為網(wǎng)絡中每個節(jié)點消耗的能量的總和與協(xié)調(diào)器所接 收到的來自其他節(jié)點的數(shù)據(jù)量總和的比率，即協(xié)調(diào)器接收每個有效數(shù)據(jù)量平均消耗的網(wǎng)絡能量(單位mj/byte),具體的計算公式如下艦—cy乂 (1)" 、朋其中Et一表示為網(wǎng)絡中所有節(jié)點消耗的總能量，S為協(xié)調(diào)器的吞吐量，tsim 表示仿真的總時間。如圖1所示，是不同方案下業(yè)務負載對功耗的不同影響。從圖中可以看出， 本實施例方法中每字節(jié)消耗的能量都要比原來的低。在原有方案中，當負載小于 30 bytes時，能耗隨著負載的增加而降低；當負載大于30bytes，能耗維持在大 約0. 036 mj/byte不變。本實施例方法中，能耗一直保持在大約0. 02 mj/byte， 約為原來能耗的55%。如圖2所示，CBR大小對功耗的不同影響，本實施例方法同樣顯示了性能的 提高。當CBR大小是10byte時，能耗大約為0.024 mj/byte，而原來方案能耗 要達到0.05 mj/byte，因此本實施例方法在此條件下顯示了明顯的性能提高。 當CBR大小逐漸增加時，能耗都在減小，而本實施例方法變化的平緩一些。當包 的大小達到100 bytes時，能耗依然低于原來方案大約0. 01 mj/byte。2、吞吐量性能比較圖3顯示的是本實施例方法和IEEE 802. 15. 4的退避方案中業(yè)務負載對吞吐 量的不同影響，這里的吞吐量指的是整個網(wǎng)絡中的平均吞吐量。當業(yè)務負載從 10 kbps到100 kbps變化時，IEEE 802. 15. 4的吞吐量只在從40 kbps到52 kbps 很小的范圍內(nèi)波動。采用了改進的退避方案后，隨著負載增加，吞吐量性能的提 高越明顯。當負載比較小時吞吐量大約只增加了 12kbps;而當負載在60 kbps 以上時，吞吐量達到78kbps，比原來的方案提高了約50%。如圖4所示，是兩種方案中CBR大小對吞吐量的不同影響，包的大小從10 Bytes到100 Bytes變化。當CBR大小只有10 Bytes時，原有方案中的吞吐量 大約是36kbps，改進方案的吞吐量大約提高20kbps;當包的大小增加，吞吐量 都在增加，但是原有方案增加地更多一些。因此當包的大小在80 Bytes以上時， 兩者的性能差異就不是很明顯了，但是改進方案還是保持10kbps的優(yōu)勢。3、 碰撞概率性能比較圖5顯示了業(yè)務負載對碰撞幾率的影響。圖中顯示本實施例方法和現(xiàn)有技術 方法中碰撞幾率在所有的業(yè)務負載的情況下都幾乎保持常量，本實施例方法將整 個網(wǎng)絡的碰撞概率從13.4%降到5%。從該性能變化，可以解釋本實施例方法在吞 吐量和能耗性能上的提高。在無線個域網(wǎng)中，碰撞過程的能量消耗約占整個通信 過程的25%，而低碰撞率則意味著低能耗以及高吞吐量。因此本實施例方法能夠 明顯的提高網(wǎng)絡的吞吐量并且降低能量消耗。圖6為本實施例方法和現(xiàn)有技術方法中不同CBR大小下的碰撞概率性能比 較。本實施例方法降低了數(shù)據(jù)碰撞的概率，同時隨著數(shù)據(jù)包大小的增加減低了兩 種方案中數(shù)據(jù)碰撞概率的差距。因此本實施例方法可以得到更高的吞吐量和更低 的能量消耗，但是當CBR大小增加時，性能改善則沒有這么明顯。4、 重發(fā)概率性能比較重發(fā)概率的分析同樣可以解釋吞吐量和能耗性能的改變。 圖7顯示了業(yè)務負載對重發(fā)概率的影響，當負載為10kbps時，本實施例方 法對重發(fā)概率的影響是很小的；當業(yè)務負載增加時，本實施例方法的影響就逐漸 體現(xiàn)出來，而當負載達到100kbps時，重發(fā)概率大約減小到原有方案的一半，而 低的重發(fā)率引起更高的吞吐量和更低的功率消耗。CBR的大小對重發(fā)概率的影響見圖8。本實施例方法中重發(fā)率并不是在所有 的CBR大小上都能體現(xiàn)優(yōu)勢。當包的大小很小時，重發(fā)率的降低非常明顯；然而 當包的大小增加時，這種差距就逐漸的減??；當CBR大小達到60 bytes時，本 實施例方法的重發(fā)率就高于原有方案，而且當CBR大小大于80bytes，重發(fā)率一 直比原來方案高2%左右。如果和碰撞概率的情況相結合，由于本實施例方法的 碰撞概率總是低于原有方案，則吞吐量和能耗的性能還是高于原有方案的。
權利要求
1、一種基于IEEE 802.15.4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，判斷網(wǎng)絡上一超幀或者上一次傳輸狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整當前的退避指數(shù)初始值，如果一個節(jié)點在上一超幀時間內(nèi)有數(shù)據(jù)傳輸成功，或者在同一超幀中的上一次傳輸成功，則在下一次傳輸開始時，通過減小初始退避指數(shù)值來減小競爭窗口；相反地，如果在上一超幀時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸成功，或者在同一超幀中的上一次傳輸失敗，在下一幀開始時增加退避指數(shù)的初始值擴大競爭窗口的大??；如果上述兩種情況都不成立，則將初始退避指數(shù)值重置為和節(jié)能模式下一樣的2。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法， 其特征是，所述退避指數(shù)，其在最小值macMinBE和最大值aMaxBE之間變動，最 小值macMinBE在需要退避時間的條件下為1到3之間的任意一個值，最大值 aMaxBE為3到8之間的任意值。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于IEEE 802. 15. 4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方 法，其特征是，所述退避指數(shù)，其最小值macMinBE默認值為3，在節(jié)能模式下 最小值macMinBE取為2。
4、 根據(jù)權利要求1或2所述的基于IEEE 802. 15. 4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方 法，其特征是，所述退避指數(shù)，其最大值aMaxBE默認為5。
5、 根據(jù)權利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法， 其特征是，所述減小退避指數(shù)初始值，具體為將最小值macMinBE重置為 max[lastBE-l， 1] ， lastBE為上一次傳輸過程中退避指數(shù)BE的初始值。
6、 根據(jù)權利要求1所述的基于IEEE 802. 15. 4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法， 其特征是，所述增加退避指數(shù)的初始值，具體為將最小值macMinBE重置為 min[lastBE+l， 8] ， lastBE為上一次傳輸過程中退避指數(shù)BE的初始值。
全文摘要
一種無線個域網(wǎng)傳輸技術領域的基于IEEE 802.15.4退避指數(shù)的動態(tài)調(diào)整方法，判斷網(wǎng)絡上一超幀或者上一次傳輸狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整當前的退避指數(shù)初始值，如果一個節(jié)點在上一超幀時間內(nèi)有數(shù)據(jù)傳輸成功，或者在同一超幀中的上一次傳輸成功，則在下一次傳輸開始時，通過減小初始退避指數(shù)值來減小競爭窗口；相反地，如果在上一超幀時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸成功，或者在同一超幀中的上一次傳輸失敗，在下一幀開始時增加退避指數(shù)的初始值擴大競爭窗口的大?。蝗绻鲜鰞煞N情況都不成立，則將初始退避指數(shù)值重置為和節(jié)能模式下一樣的2。本發(fā)明降低了低速無線個域網(wǎng)的能耗，改進后的能耗約為原來的60％左右，提高了網(wǎng)絡的吞吐量性能。
文檔編號H04L12/413GK101267377SQ20081003428
公開日2008年9月17日 申請日期2008年3月6日 優(yōu)先權日2008年3月6日
發(fā)明者誠 吉, 徐友云, 王新兵 申請人:上海交通大學