CN107197534A - 一种适用于环境能量收集的aloha协议设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，具体为：sink节点广播报文给周围的邻居传感器节点，所述报文包括争用概率；活跃的邻居传感器节点收到报文后，就随机生成一个介于[0,1]的随机数x；若x小于争用概率，则发送数据分组；否则，继续保持接收状态；通过使用贝叶斯公式，sink节点利用数次轮询的结果，推测出了sink节点周围存在的最可能的活跃的邻居传感器节点数，从而得到协议的争用概率，能使网络达到最佳性能；同时相比于其他协议，具有更高的吞吐量，也更加公平，并且减小了时延。
Description
技术领域
本发明属于无线传感网络技术领域，特别涉及基于环境能量收集ALOHA协议设计方法。
背景技术
ALOHA协议分为时隙ALOHA和纯ALOHA两种类型。
(1)时隙ALOHA。
网络中的所有节点是时隙同步的，当某个节点有新分组要发送时，它会等到下一个时隙开始并在该时隙传输。
如果没有碰撞，该节点成功地传输它的分组，不需要考虑重传。如果发生碰撞，该节点在时隙结束之后检测到这次碰撞，并在后续的每个时隙中都以概率p进行重传，直到该分组被无碰撞地传输出去。
(2)纯ALOHA
当某个节点第一次有分组要发送时，立即发送。如果产生碰撞，则以概率p重传，以概率1-p等待一个时隙(传输一个分组所需时间)。此后都以概率p传输下一个分组，或者以概率1-p等待下一个时隙。
概率轮询协议
以往基于环境中能量收集的无线传感器网络MAC协议的研究中提出了一种概率轮询协议，具体协议过程为：sink节点广播报文给周围的传感器节点，这个报文中不是像轮询协议一样包含某个特定的节点ID号，而是告知周围的传感器节点它们可以发送数据的概率，称为争用概率pc。活跃的传感器节点收到概率轮询分组后，就随机生成一个介于[0,1]的随机数x。若x＜pc，则发送数据分组；否则，它会继续保持接收状态，除非它的剩余能量连一次活跃周期的耗能都不足以支撑。
这个协议更像是时隙ALOHA协议的改进版本，至少按照大类划分，此协议属于随机接入协议。并且概率轮询协议中分析了最大化吞吐量的最佳争用概率pc＝1/Nactive，其中Nactive是sink节点周围活跃的邻居节点数量，此结论与上文中时隙ALOHA达到最大效率要满足的条件一致。Z.A.Eu等人先后在单跳和多跳WSNs场景下提出了两种不同的动态争用概率调整方案，以期实现sink节点发送的分组中包含的概率就是pc＝1/Nactive：
1.“和式增加积式减少”(Additive-Increase Multiplicative-Decrease,AIMD)：利用plin(“和式增加”因子)和pmd(“积式减少”因子)来对争用概率pc进行调整，他们研究的场景下结论是当plin＝0.01和pmd＝0.5时，网络具有最高的吞吐量。
2.ENAN：在后续多跳版本的协议中，利用pc＝1/nest,nest≥1来调整争用概率，其中nest是sink节点估计的活动邻居数(Estimated Number of Active Neighbors,ENAN)。如果相邻节点处于活跃状态并且可以响应轮询分组，则认为它是活跃的邻居节点。节点只需要估计活跃邻居的数量，而不需要知道它们的身份，所以不需要使用能量消耗大的邻居发现机制。第i个轮询分组中的nest值取决于第(i-1)个轮询分组的结果：如果恰好一个节点响应，nest保持不变；如果多个活动邻居做出响应，nest加1，因为它可能被低估；如果没有节点响应，nest减1(最小值为1)，因为它可能被高估了。分组传输结果分类器可以用于区分是由于冲突还是信道条件不好引起的分组丢失。
但是上述概率轮询协议中两种争用概率调整方案都太过绝对，sink节点会因为某一个时隙的冲突或空闲就对pc进行调整。哪怕周围活跃节点数从来没有变过，pc也不能正确地收敛到1/Nactive，而是在不停地波动。
由图1可以看出当周围的传感器节点个数大于等于2时，采用上述两种争用概率调整方案，一个最优的pc有超过50％的概率在下一次轮询时不再是最优。随着节点数趋近无穷，此概率趋近于1-1/e＝0.632。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提出了一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，每个节点的发送概率依然由sink节点来决定；但sink节点周围活跃的邻居传感器节点数使用贝叶斯公式来估计，sink节点利用数次轮询的结果来推测周围最可能存在的活跃的邻居传感器节点数，将活跃的邻居传感器节点数的倒数作为下一报文中的发送概率。
本发明采用的技术方案是：一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，具体为：sink节点广播报文给周围的邻居传感器节点，所述报文包括争用概率；活跃的邻居传感器节点收到报文后，就随机生成一个介于[0,1]的随机数x；若x小于争用概率，则发送数据分组；否则，继续保持接收状态；
活跃的邻居传感器节点数的倒数作为下一次报文中的争用概率；
所述活跃的邻居传感器节点数通过使用贝叶斯公式，sink节点利用数次轮询的结果来确定。
进一步地，所述活跃的邻居传感器节点数的确定过程包括以下步骤：
A1、如果sink节点周围有n个活跃的邻居传感器节点，收到sink节点的广播报文后，所有活跃的邻居传感器节点都不发送数据的概率为：
pidle＝(1-pc)n
A2、设事件An表示有n个活跃的邻居传感器节点，事件B表示Num次轮询有Numidle次空闲，则有：
A3、由贝叶斯公式，有：
A4、P(An|B)最大值所对应的n值就是sink节点周围存在的活跃的邻居传感器节点数。
进一步地，还包括：当传感器节点的能量不足以支撑一次活跃周期的耗能时，传感器节点进入充电状态。
本发明的有益效果：本发明提出的适用环境能量收集的ALOHA协议；通过使用贝叶斯公式，sink节点利用数次轮询的结果，推测出了sink节点周围存在的最可能的活跃节点数，从而得到的ALOHA协议的争用概率，能使网络达到最佳性能；同时相比于其他协议，具有更高的吞吐量，也更加公平，并且减小了时延。
附图说明
图1为本发明实施例提供的达到最优争用概率pc后的调整概率；
图2为本发明实施例提供的基于环境中能量收集的WSNs拓扑示意图；
图3为本发明实施例提供的节点个数变化时的吞吐量；
图4为本发明实施例提供的节点个数变化时的公平性；
图5为本发明实施例提供的节点个数变化时的分组间到达时间间隔；
图6为本发明实施例提供的能量收集速率变化时的吞吐量；
图7为本发明实施例提供的能量收集速率变化时的公平性；
图8为本发明实施例提供的能量收集速率变化时的分组间到达时间间隔。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
为便于理解，本实施例基于以下单跳的网络模型对本发明的技术内容进行阐述。
能量累积模型
由于能量收集的效率低下，利用现有的能量收集器，远远不能满足无线传感器节点工作时的能耗。因此，每个环境中能量收集传感器节点有两种状态：
(i)充电：在该状态下节点不进行任何操作，只累积存储收集到的能量；
(ii)活跃：在这种状态下，节点存储了足够的能量，能够正常地进行收发操作，同时继续从环境中收集能量。
本申请沿用一种简单的能量管理方案，即只要节点具有足够的能量Ethreshold，可以活跃时长tactive，节点就转换到活跃状态，之后它又进入充电状态。
所需存储的能量称为能量阈值，可以表示为Ethreshold＝max(Prx,Ptx)tactive，其中Ptx和Prx分别是节点的接收、发射功率，tactive是每个唤醒周期中的活跃时长，可以表示为tactive＝nindexttx，其中ttx分组传输时间，nindex是***参数，本实施例中nindex设置为20。
拓扑结构
网络拓扑结构：如图2所示，为单跳星型网络，包含一个sink节点和N个传感器节点，每个传感器节点可以和sink节点直接通信；
sink节点：由电力线供电，是网络的数据汇集点；
传感器节点：每个节点都具备能量收集和存储功能，能量来自于环境中的能量。所有节点的数据传输具有相同的优先级。
本发明提出一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，其中每个节点的发送概率依然由sink节点来决定。基于sink节点由电力线供电这一事实，它可以尽可能地承担网络的能量开销。但sink节点周围活跃的邻居传感器节点数使用贝叶斯公式来估计，sink节点利用数次轮询的结果来推测周围最可能存在的活跃的邻居传感器节点数，将活跃的邻居传感节点数的倒数作为下一报文中的发送概率；本申请的技术方案为：一种适用环境能量收集的ALOHA协议，具体为：sink节点广播报文给周围的邻居传感器节点，所述报文包括争用概率；活跃的邻居传感器节点收到广播报文后，就随机生成一个介于[0,1]的随机数x；若x小于争用概率，则发送数据分组；否则，继续保持接收状态；当传感器节点的能量不足以支撑一次活跃周期的耗能时，该传感器节点进入充电状态。
sink节点周围活跃的邻居传感器节点总数的倒数作为下一次报文中的争用概率；
所述活跃的邻居传感器节点总数通过使用贝叶斯公式，sink节点利用数次轮询的结果来确定；具体为：
为了最大化网络的吞吐量，sink节点希望尽可能准确地推测周围活跃的邻居传感器节点数，本发明使用贝叶斯公式，sink节点利用数次轮询的结果来推测周围最可能存在的活跃的邻居节点数，在周围邻居传感器节点数比较稳定的情况下可以达到很好地效果。
为便于说明，假设sink节点统计了Num个争用概率为pc的发送过程，其中没有传感器节点响应(即信道空闲)的次数为Numidle。初始时刻，sink节点对于周围邻居传感器节点个数的先验知识为节点数是[0,N]的均匀分布，其中N是周围所有的传感器个数。
考虑某一次发送情况，如果有n个邻居传感器节点活跃，收到sink节点的广播报文后，所有活跃的邻居传感器节点都不发送数据的概率为：
pidle＝(1-pc)n (1)
设事件An表示有n个活跃的邻居传感器节点，事件B表示Num次轮询有Numidle次空闲，理论上有：
由贝叶斯公式，有：
由公式(3)可以求得活跃的邻居传感器节点个数最可能的取值，即P(An|B)最大时，所对应的n值就是sink节点周围活跃的邻居传感器节点数最可能的取值；根据确定的n值得到下一次广播报文中的pc＝1/n。
以下通过选择少量的节点数量来进行枚举，来论证本申请方法的有效性。假设sink节点周围节点总数为10，有几个活跃的邻居传感器节点未知，sink节点首先发送的争用概率pc＝1/10。
假如周围真实的活跃邻居传感器节点数为n，n∈[1,10]，初始时刻，sink节点广播争用概率为1/10，即每个节点都以1/10概率发送，由于环境中能量收集速率是一个缓慢变化的过程，而传感器节点的活跃周期在毫秒级别，所以本实施例中假设统计100次发送过程，在此过程中可以认为周围节点数较为稳定。同理本申请的方法同样适用于多跳网络场景，每个sink节点按照本申请提出的方法估计自己周围活跃邻居节点的数量，从而得到下一报文中的争用概率。
通过matlab仿真100次发送过程，统计空闲的次数如表1所示。
表1节点实际个数对应的统计空闲次数
| 节点实际个数 | 统计的空闲次数 |
| 1 | 91 |
| 2 | 83 |
| 3 | 77 |
| 4 | 61 |
| 5 | 64 |
| 6 | 58 |
| 7 | 40 |
| 8 | 45 |
| 9 | 39 |
| 10 | 34 |
本发明想达到的效果是，在未知活跃邻居传感器节点实际个数的情况下，统计了100次发送结果，由这个结果来推测周围最可能的活跃邻居节点个数，即活跃邻居节点的估计数。
以空闲次数为91为例：
考虑某一次轮询，如果有n个邻居节点活跃，n∈[1,10]，收到sink节点的广播报文后，所有节点都不发送数据的概率为：
pidle＝(1-pc)n (4)
根据上式列出10种节点个数的情况下，一次发送空闲的概率如表2所示，即所有节点都不发送数据的概率，表2中的数据均四舍五入保留两位小数：
表2活跃节点个数对应的一次发送空闲的概率
| 活跃节点个数 | 一次发送空闲的概率pidle |
| 1 | 0.90 |
| 2 | 0.81 |
| 3 | 0.73 |
| 4 | 0.66 |
| 5 | 0.59 |
| 6 | 0.53 |
| 7 | 0.48 |
| 8 | 0.43 |
| 9 | 0.39 |
| 10 | 0.35 |
设事件An表示有n个活跃邻居节点，事件B表示Num次轮询有Numidle次空闲，有：
由贝叶斯公式，有：
根据上面的公式，计算得到统计100次，有91次空闲发生的情况下，节点个数对应的预计准确的概率如表3所示：
表3节点个数对应的预计准确的概率
显然，会选择最可能的情况，即认为周围活跃的节点数只有1个。而根据先前统计信息的实际情况，确实周围活跃的节点个数是1。
预计过程不一一详述，根据上述分析可以根据统计结果来预计活跃节点数如表4所示：
表4根据统计结果来预计活跃节点数
| 节点实际个数 | 统计的空闲次数 | 预计节点个数 |
| 1 | 91 | 1 |
| 2 | 83 | 2 |
| 3 | 77 | 3 |
| 4 | 61 | 5 |
| 5 | 64 | 4 |
| 6 | 58 | 5 |
| 7 | 40 | 9 |
| 8 | 45 | 8 |
| 9 | 39 | 9 |
| 10 | 34 | 10 |
由上表可知，在10种节点情况下，有6种都预测准确，在预测不完全正确的情况时，也与实际邻居节点个数相差不大。通过论证可知本申请的争用概率调整方案是有效可行的。
以下通过MATLAB仿真来说明本申请技术方案相比于其他协议的优势。
假设sink节点收到来自邻居节点i的数据包速率为Ri，吞吐量指sink节点收到数据包的速率：
公平性采用Jain's公平指数度量。
公平指数F介于0到1之间。如果每个传感器节点的速率Ri相同，那么F＝1；如果只有一个邻居节点向sink节点发送数据包，那么当N→∞时，F→0。
在500米乘500米的区域上随机部署N个EH传感器节点，一个sink节点。每个数据分组(sd)大小为100字节，轮询分组(sp)和确认分组(sack)均为15个字节。传感器节点的传输速率(α)为250kbps。
参考商业能量收集器的数据表和测量经验，平均能量收获率(λ)从1mW变化到10mW。节点接收数据时功率为72.6mW(Prx)，传输数据功率为83.7mW(Ptx)，表5总结了仿真参数。本发明仿真结果中的每个数据点，都是用不同种子通过10次100秒的仿真得到的。
表5基于环境中能量收集的WSNs的MAC协议仿真参数表
当能量收集率固定为2mW，节点数的数量从10个变化到200个时，五种协议相应的吞吐量、公平性和分组间到达时间间隔分别如图3、图4、图5所示。
CSMA协议的吞吐量在节点数超过60后，反而随节点数的增加而下降。原因是当节点数增加时，一个时隙中参与竞争的节点数增加，而协议没有设计冲突避免机制，所以使得碰撞加剧，网络的吞吐量下降。由于仿真时使每个节点的能量收集速率都相等，所以当网络节点数较多时，有一些节点可能会始终同步地进行充电、发送，从而这些节点一直不能发送数据，造成协议的公平性降低。
CSMA/CA协议的吞吐量比CSMA协议高，因为它加入了冲突避免机制，当有大量节点存在时，可以通过退避方案来减少冲突。并且一旦节点侦听到信道忙就进入充电状态，减小了侦听信道消耗的能量。但是当节点数增多时，公平性急剧下降，原因是回退指数最大值为+∞，某些节点随机选择到了比其他节点更长的回退时长，一直不能进行数据发送。
轮询协议的吞吐量在节点数超过20后，就基本没有变化了，并且吞吐量一直是最小的。这是因为节点大部分时间都在充电状态，处于接收状态的时间非常短，轮询时随机选择节点的ID，该节点刚好处在接收状态的概率很低。
对于概率轮询协议，吞吐量仅略低于CSMA/CA，但比上述三种MAC协议的公平性都更好。
而本发明中提出的一种适用于环境能量收集的ALOHA协议相比于其他所有协议，具有更高的吞吐量，也更加公平。原因是sink节点通过多次的统计信息，推测了周围最可能的活跃节点数，使ALOHA中的发送概率p可以使网络达到最佳性能。
当节点数固定为100个，能量收集率从1mW变化到10mW的过程中，网络吞吐量、公平性和到达时间间隔如图6、图7、图8所示。
除了CSMA，其他每种协议的吞吐量都随平均能量收集速率的增加而增加，因为传感器节点需要更少的时间来收集能量，可以更频繁地进行传输。但是对于CSMA来说，节点更频繁地传输意味着更多的冲突，所以吞吐量反而随着能量收集速率的增加而降低。
CSMA/CA的吞吐量相当稳定，但是节点的退避时间没有进行优化，节点间的退避时长差距大，公平性较低。
对于轮询协议，平均能量收集速率增加时，节点需要的充电时长变短，轮询成功的概率增加，所以吞吐量随着能量收集速率的增加而增加。
对于概率轮询，争用概率随着活动节点的数量的增加而减少，反之亦反，由此比较有效地避免的碰撞。
而本发明中提出的一种适用于环境能量收集的ALOHA协议在优化了概率轮询协议中的争用概率，相比于概率轮询，使网络的性能进一步改善。此外，ALOHA协议在对于每个节点来说也都是高度公平的。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (3)
1.一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，其特征在于，具体为：sink节点广播报文给周围的邻居传感器节点，所述报文包括争用概率；活跃的邻居传感器节点收到报文后，就随机生成一个介于[0,1]的随机数x；若x小于争用概率，则发送数据分组；否则，继续保持接收状态；
活跃的邻居传感器节点数的倒数作为下一次报文中的争用概率；
所述活跃的邻居传感器节点数通过使用贝叶斯公式，sink节点利用数次轮询的结果来确定。
2.根据权利要求1所述的一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，其特征在于，所述活跃的邻居传感器节点数的确定过程包括以下步骤：
A1、如果sink节点周围有n个活跃的邻居传感器节点，收到sink节点的广播报文后，所有活跃的邻居传感器节点都不发送数据的概率为：
pidle＝(1-pc)n
A2、设事件An表示有n个活跃的邻居传感器节点，事件B表示Num次轮询有Numidle次空闲，则有：
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A3、由贝叶斯公式，有：
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A4、P(An|B)最大值所对应的n值就是sink节点周围存在的活跃的邻居传感器节点数。
3.根据权利要求1所述的一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法，其特征在于，还包括：当传感器节点的能量不足以支撑一次活跃周期的耗能时，传感器节点进入充电状态。
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| CN201710330247.3A Pending CN107197534A (zh) | 2017-05-11 | 2017-05-11 | 一种适用于环境能量收集的aloha协议设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107197534A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070014236A1 (en) * | 2005-07-15 | 2007-01-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Voice packet scheduling method for wireless local area network |
| US20140062664A1 (en) * | 2012-04-05 | 2014-03-06 | Ken Gudan | Low power radio frequency communication |
| CN104185237A (zh) * | 2014-08-04 | 2014-12-03 | 西安电子科技大学 | 一种基于蚁群算法的鲁棒优化算法 |
| CN106455026A (zh) * | 2016-11-01 | 2017-02-22 | 北京邮电大学 | 基于能量状态调整工作周期的mac协议实现方法及装置 |
| CN106507496A (zh) * | 2016-11-01 | 2017-03-15 | 北京邮电大学 | 基于能量状态调节竞争概率的mac协议实现方法及装置 |
-
2017
- 2017-05-11 CN CN201710330247.3A patent/CN107197534A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070014236A1 (en) * | 2005-07-15 | 2007-01-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Voice packet scheduling method for wireless local area network |
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| SIJUN DOU: ""A Reliable MAC Protocol for Hybrid Wireless Sensor Networks"", 《WEB OF SCIENCE》 * |
| XU KE: ""Cellular Automata Self-organization Algorithm for Wireless Sensor Network"", 《WEB OF SCIENCE》 * |
| 楚佩佳: ""基于LTE***的UE随机接入过程研究"", 《信息科技辑》 * |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170922 |