[發明專利]一種適用于環境能量收集的ALOHA協議設計方法

在審

• 申請號: 201710330247.3
• 申請日: 2017-05-11
• 公開（公告）號: CN107197534A
• 公開（公告）日: 2017-09-22
• 發明（設計）人: 于秦;胥可
• 申請（專利權）人: 成都瑞灃信息科技有限公司
• 主分類號: H04W74/08
• 分類號: H04W74/08;H04W84/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于無線傳感網絡技術領域，特別涉及基于環境能量收集ALOHA協議設計方法。

背景技術

ALOHA協議分為時隙ALOHA和純ALOHA兩種類型。

(1)時隙ALOHA。

網絡中的所有節點是時隙同步的，當某個節點有新分組要發送時，它會等到下一個時隙開始并在該時隙傳輸。

如果沒有碰撞，該節點成功地傳輸它的分組，不需要考慮重傳。如果發生碰撞，該節點在時隙結束之后檢測到這次碰撞，并在后續的每個時隙中都以概率p進行重傳，直到該分組被無碰撞地傳輸出去。

(2)純ALOHA

當某個節點第一次有分組要發送時，立即發送。如果產生碰撞，則以概率p重傳，以概率1-p等待一個時隙(傳輸一個分組所需時間)。此后都以概率p傳輸下一個分組，或者以概率1-p等待下一個時隙。

概率輪詢協議

以往基于環境中能量收集的無線傳感器網絡MAC協議的研究中提出了一種概率輪詢協議，具體協議過程為：sink節點廣播報文給周圍的傳感器節點，這個報文中不是像輪詢協議一樣包含某個特定的節點ID號，而是告知周圍的傳感器節點它們可以發送數據的概率，稱為爭用概率p_c?；钴S的傳感器節點收到概率輪詢分組后，就隨機生成一個介于[0,1]的隨機數x。若x＜p_c，則發送數據分組；否則，它會繼續保持接收狀態，除非它的剩余能量連一次活躍周期的耗能都不足以支撐。

這個協議更像是時隙ALOHA協議的改進版本，至少按照大類劃分，此協議屬于隨機接入協議。并且概率輪詢協議中分析了最大化吞吐量的最佳爭用概率p_c＝1/N_active，其中N_active是sink節點周圍活躍的鄰居節點數量，此結論與上文中時隙ALOHA達到最大效率要滿足的條件一致。Z.A.Eu等人先后在單跳和多跳WSNs場景下提出了兩種不同的動態爭用概率調整方案，以期實現sink節點發送的分組中包含的概率就是p_c＝1/N_active：

1.“和式增加積式減少”(Additive-Increase Multiplicative-Decrease,AIMD)：利用p_lin(“和式增加”因子)和p_md(“積式減少”因子)來對爭用概率p_c進行調整，他們研究的場景下結論是當p_lin＝0.01和p_md＝0.5時，網絡具有最高的吞吐量。

2.ENAN：在后續多跳版本的協議中，利用p_c＝1/n_est,n_est≥1來調整爭用概率，其中n_est是sink節點估計的活動鄰居數(Estimated Number of Active Neighbors,ENAN)。如果相鄰節點處于活躍狀態并且可以響應輪詢分組，則認為它是活躍的鄰居節點。節點只需要估計活躍鄰居的數量，而不需要知道它們的身份，所以不需要使用能量消耗大的鄰居發現機制。第i個輪詢分組中的n_est值取決于第(i-1)個輪詢分組的結果：如果恰好一個節點響應，n_est保持不變；如果多個活動鄰居做出響應，n_est加1，因為它可能被低估；如果沒有節點響應，n_est減1(最小值為1)，因為它可能被高估了。分組傳輸結果分類器可以用于區分是由于沖突還是信道條件不好引起的分組丟失。

但是上述概率輪詢協議中兩種爭用概率調整方案都太過絕對，sink節點會因為某一個時隙的沖突或空閑就對p_c進行調整。哪怕周圍活躍節點數從來沒有變過，p_c也不能正確地收斂到1/N_active，而是在不停地波動。

由圖1可以看出當周圍的傳感器節點個數大于等于2時，采用上述兩種爭用概率調整方案，一個最優的p_c有超過50％的概率在下一次輪詢時不再是最優。隨著節點數趨近無窮，此概率趨近于1-1/e＝0.632。

發明內容