[發(fā)明專利]一種低占空比無線體域網(wǎng)CSMA/CA沖突分析的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610064655.4
• 申請(qǐng)日: 2016-01-29
• 公開（公告）號(hào): CN105792272A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫詠梅;魏忠誠;紀(jì)越峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W24/06
• 分類號(hào): H04W24/06;H04W74/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種低占空比無線體域網(wǎng)CSMA/CA (CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)的沖突分析方法。該方法 主要用于非飽和業(yè)務(wù)多個(gè)體域網(wǎng)共存的環(huán)境，是一種最壞情況下，由包長和拓?fù)鋬蓞?shù)所 決定的CSMA/CA沖突概率分析模型。

背景技術(shù)

低功率無線網(wǎng)絡(luò)，如移動(dòng)ad-hoc網(wǎng)，無線傳感網(wǎng)以及無線體域網(wǎng)等，由于其普適性 和靈活性，被認(rèn)為眾多領(lǐng)域中最具潛在應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)之一。其中，無線體域網(wǎng)最接近于人 的生活，受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。

無線體域網(wǎng)是由多個(gè)部署在人體周圍或者植入人體體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過對(duì)生 理信息，如心電圖ECG、腦電圖EEG、肌電圖EMG等，和非生理信息，如GPS、加速度等的收集，并 傳輸至hub節(jié)點(diǎn)，由hub節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步上傳至Internet或信息管理中心等而形成的網(wǎng)絡(luò)。和傳 統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò)一樣，為節(jié)省資源、延長網(wǎng)絡(luò)生命期，無線體域網(wǎng)經(jīng)常采用低占空比的信道接 入方式。低占空比的信道接入把幀分為活動(dòng)階段(ActivePhase)和睡眠階段(Sleep Phase)，并將數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)壓縮至較小的活動(dòng)階段完成，一定程度放大了數(shù)據(jù)沖突問題的 嚴(yán)重性。另外，由于人體的移動(dòng)性，多個(gè)體域網(wǎng)同時(shí)存在造成了更加強(qiáng)烈的沖突問題。因此， 如何設(shè)計(jì)有效的沖突分析方法是研究共存環(huán)境下信道接入機(jī)制、解決沖突問題等面臨的重 要挑戰(zhàn)。

CSMA/CA是解決沖突問題的主要方法，尤其在多個(gè)體域網(wǎng)共存的情況下，能夠有效 避免網(wǎng)間交互的需求。低占空比無線體域網(wǎng)CSMA/CA的沖突分析方法主要包括以下幾個(gè)方 面的側(cè)重：1)側(cè)重于刻畫退避過程；2)側(cè)重于刻畫數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征；3)側(cè)重于預(yù)測(cè)功能和評(píng)估 精度。其中，側(cè)重于刻畫退避過程的沖突分析方法是一種較為傳統(tǒng)的沖突分析方法，通過對(duì) 退避窗口大小進(jìn)行狀態(tài)抽象，建立描述退避窗口大小變化的馬爾科夫鏈模型，以分析窗口 大小的穩(wěn)態(tài)概率，以及所對(duì)應(yīng)的沖突概率。該方法適用于業(yè)務(wù)、拓?fù)涞认鄬?duì)較為穩(wěn)定的網(wǎng) 絡(luò)，該方法建立在較強(qiáng)相關(guān)性假設(shè)的基礎(chǔ)之上，即下一個(gè)狀態(tài)和當(dāng)前狀態(tài)相關(guān)；側(cè)重于刻畫 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特征的沖突分析方法是無線體域網(wǎng)沖突分析中的一個(gè)主要方面，IEEE802.15.6 將體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分為八個(gè)優(yōu)先級(jí)，不同的數(shù)據(jù)具有不同的優(yōu)先傳輸權(quán)，該方法一般用 于分析信道接入技術(shù)在不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的性能；側(cè)重于預(yù)測(cè)功能和評(píng)估精度的沖突分析方 法主要用于預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)沖突的強(qiáng)度和變化，一般通過建立預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)沖突所處的等級(jí)，并 通過優(yōu)化和調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，一定程度上解決沖突問題。然而，以上方法受業(yè)務(wù)分布、退避策 略、數(shù)據(jù)等級(jí)等因素的制約，并且沒有考慮低占空比信道接入幀結(jié)構(gòu)的影響；綜上所述，各 種方法均適用于特定的應(yīng)用需求，不能滿足低占空比無線體域網(wǎng)的沖突分析需求；

在低占空比的無線體域網(wǎng)中，沖突是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能降低的主要原因。節(jié)點(diǎn)密集性、 業(yè)務(wù)復(fù)雜性、低占空比和拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性是CSMA/CA在共存體域網(wǎng)中沖突較高的主要原因；同 時(shí)，也是無線體域網(wǎng)沖突分析的主要挑戰(zhàn)。首先，低占空比的信道接入方式能夠?qū)⒈姸嗟臉I(yè) 務(wù)分布轉(zhuǎn)換成一種類似突發(fā)的負(fù)載模型，該突發(fā)式的負(fù)載一般聚集在活動(dòng)階段的開始處。 因此，不同周期活動(dòng)階段中的數(shù)據(jù)通信可以認(rèn)為是相對(duì)獨(dú)立的。其次，傳統(tǒng)沖突分析一般致 力于分析評(píng)估信道接入時(shí)的平均沖突概率。然而，由于不同周期活動(dòng)階段中數(shù)據(jù)通信的相 互獨(dú)立性，活動(dòng)階段中存在最壞情況沖突概率的證明以及并對(duì)該概率進(jìn)行分析評(píng)估顯得更 加重要。因此，如何設(shè)計(jì)有效的適用于低占空比無線體域網(wǎng)最壞情況下的沖突概率分析方 法，是一個(gè)非常值得研究的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明研究CSMA/CA在無線體域網(wǎng)信道接入時(shí)的沖突問題。本發(fā)明首先提出一種 證明低占空比無線體域網(wǎng)各周期中數(shù)據(jù)通信過程近似獨(dú)立性的方法，旨在說明非飽和業(yè)務(wù) 下低占空比無線體域網(wǎng)的沖突問題的分析更適合采用經(jīng)典概率模型。其次，本發(fā)明提出一 種證明活動(dòng)階段中存在最壞情況沖突概率的方法，旨在說明最壞情況沖突概率分析在低占 空比無線體域網(wǎng)沖突分析中的重要性。最后，本發(fā)明從微觀的角度(由隱藏終端和暴露終端 分別引起的直接沖突和交錯(cuò)沖突)給出低占空比無線體域網(wǎng)沖突概率分析方法，通過公式 推導(dǎo)論證沖突概率與包長和拓?fù)渲g的關(guān)系；在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明論證由隱藏終端引起的 交錯(cuò)沖突占據(jù)CSMA/CA沖突中的主導(dǎo)。