CN107466072B - 基于地理位置信息的多信道并行协商mac协议实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，涉及多信道并行传输条件下的无线传感器网络领域，对原LPR‑MAC协议在多信道并行协商过程中存在的信道冲突问题进行了分析，利用节点地理位置信息这一关键因素给出LPRLI‑MAC协议的邻居表和P‑坚持算法，解决了多对多和多对一的信道冲突问题，优化了多个发送端在多信道上的并行协商策略，降低了多个并行传输间的冲突概率，提高了数据传输率。

Description

基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法
技术领域
本发明属于在多信道并行传输条件下的无线传感器网络领域，具体涉及一种基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法。
背景技术
无线传感器网络(wireless sensor netwoks,WSN)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点,通过无线通信方式形成的一种多跳的自组织网络***。多信道MAC通信协议中,网络内的众多节点分散于不同的信道,减少了通信竞争,特别是并行协商的多信道MAC通信协议，克服了控制信道的瓶颈问题,极大地提高了网络的吞吐量和网络的抗干扰性。
无线传感器网络MAC协议控制着有限的网络信道资源分配。一些经典的多信道MAC协议虽然在一定程度上提高了数据传输效率，但都遇到了控制信道的瓶颈问题，改进空间受限，针对这一问题，研究人员提出了若干多信道并行传输类MAC协议，如低功率并行交汇MAC协议(LPR-MAC)，其利用时间片的划分和伪随机跳频序列的信道切换，在不影响当前正在进行的数据通信的前提下，在多个信道上同时并行传输，提高了信道利用率。但随着节点数量的增加，该协议对于并行传输传输链路在信道上的冲突问题没有给出针对性的解决方案，导致其改进效果远低于理想值。
当前对于多信道并行传输的解决方法有很多种，其中LPR-MAC协议采用多信道并行协商的方式，但是LPR-MAC协议存在多个发送端对多个接收端发起通信和多个发送端对一个接收端发起通信这两类信道冲突问题，导致其对于并行协商的性能和并行传输的效率没有达到理想效果，本发明针对上述问题，引入“地理位置信息”这一要素，对邻居表和P-坚持算法两方面进行改进，提出了基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议(LPRLI-MAC)。该协议在现有的邻居表中加入了节点地理位置信息，通过该信息计算出节点间距离，利用该距离值，P-坚持算法给出了新的概率计算公式，距离越近，节点坚持发送的概率越大，从而处理了多个发送端在单一信道上的冲突问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决LPR-MAC协议在多个发送端对多个接收端发起通信和多个发送端对一个接收端发起通信这两类信道冲突问题，提出的基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法。
本发明是通过以下技术方案实现的，基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，具体包括如下步骤：
(1)建立网络并初始化相关参数，每一个节点建立自己的邻居表，随机选择一个时间片作为自己的固定接收周期，并根据同一个伪随机序列产生器结合自身的mac地址产生的自己的伪随机跳频序列，即信道切换序列；
(2)建立和更新邻居表；
(3)假定节点S想要对节点R发起数据通信，则通过查询邻居表知道目标节点R的接收周期时间片序号Tr、伪随机跳频序列和位置坐标，在通过R的跳频序列计算出下一个接收周期节点R所处的信道号，通过自身坐标和节点R的坐标计算出两个节点之间的距离；
(4)在时间片Tr，发送端S开机，并广播一个信标信息，其中包含本次将要发起的数据通信的目标节点在时间片Tr时所处的信道标号，与此同时，侦听信道中是否有其他节点发送的信标信息，从而进行两种情况的判断：是否有其他的发送端(节点S1)与自己的目标节点相同；是否有其他的发送端(节点S2)的目标节点R2与自己的目标节点R虽然不同，但是在时间片Tr时，节点R2和节点R的伪随机跳频序列恰好重叠，也即，节点R2和节点R在时间片Tr时处于同一条信道；
(5)若两种情况都不存在，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；
(6)若两种情况中存在任何一种的话，则根据P-坚持算法，计算本次坚持发送数据的概率P，若计算出的概率值大于给定的阈值，则节点都以P的概率坚持原本的数据发送，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；否则，可能会与其他的发送端在该条信道上发生冲突；若结果是放弃本次数据发送，则节点都以1-P的概率进行退避，根据一个随机函数退避一个随机的时间，然后再次发起数据传输；
(7)在发送端S在完成本次数据通信之后，切换回自己的伪随机跳频序列后，本轮多信道并行协商MAC协议的时序结束。
所述基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法的步骤(1)中的所有节点不断的通过广播的形式向其他邻居节点发送自己的邻居表信息，经过网络建立初期的一段维护和更新邻居表，每一个节点的邻居表中都包含了周围邻居节点的时间片选择、伪随机跳频序列和地理位置信息等相关信息。
所述基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法的步骤(6)根据P-坚持算法的计算本次坚持发送数据的概率Pi，对Pi的计算方法式为：
Figure GDA0002664781430000021
其中，Pi表示某一个发送端Si坚持发起本次数据通信的概率；Di表示发送端Si与目标节点间的距离；Ri表示发送端Si的额定发送功率半径；ε是一个修正参数；Pi的计算方法式中的Di一定是小于Ri的，否则，不可能进行数据通信。
所述P-坚持算法要根据具体实施LPRLI-MAC时，时间片和信道的数量而定，其用来降低Pi的数值，否则，如果每一个发送端都以一个较大的概率坚持发送数据的话，不但数据冲突问题不能解决，对于P-坚持算法改进没有意义。
所述基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，根据对Pi的计算方法式可知地理位置信息或节点间距离来决定概率Pi的大小。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，对原LPR-MAC协议在多信道并行协商过程中存在的信道冲突问题进行了分析，利用节点地理位置信息这一关键因素给出LPRLI-MAC协议的邻居表和P-坚持算法，解决了多对多和多对一的信道冲突问题，优化了多个发送端在多信道上的并行协商策略，降低了多个并行传输间的冲突概率，提高了数据传输率。
附图说明
图1为本发明实施例1涉及的多发送端多接收端信道冲突问题分析示意图；
图2为本发明实施例1涉及的多发送端单接收端信道冲突问题分析示意图；
图3为本发明实施例1的邻居表示意图；
图4为本发明实施例1的流程框图；
图5为本发明实施例2中3种协议在不同网络负载下的平均吞吐量的比较曲线；
图6为本发明实施例2中3种协议在不同网络负载下的平均端到端延迟的比较曲线；
图7为本发明实施例2中3种协议协议在不同节点规模下的平均吞吐量的比较曲线；
图8为本发明实施例2中3种协议协议在不同节点规模下的平均端到端延迟的比较曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照例图,对本发明进一步详细说明。
实施例1
对于多信道下并行传输类MAC协议，国内外学者都在积极的研究，并根据不同的应用场合，提出了多种新型和改进型MAC协议。本发明以LPR-MAC协议为基础，针对其多个发送端对多个接收端发起通信和多个发送端对一个接收端发起通信这两类信道冲突问题，给出针对性的解决方案，提出了基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议，可以用LPRLI-MAC表示，对于多信道并行协商过程存在的问题分析。多信道MAC协议在具体的某一单信道上仍然是按照单信道MAC协议的思路进行数据通信，即在一条信道上，每一时间段内只能有一个数据链路在进行数据传输，否则就会发生通信拥塞和数据冲突。
结合图1所示，首先分析多个发送端分别对多个接收端发起通信的信道冲突问题。假定节点R1和节点R2都随机选择了时间片4作为自己的接收周期。当前的时间片序号为4，节点R1和节点R2分别根据自己的伪随机跳频序列，都切换到了信道0并且开机等待接收数据，此时节点S1有数据要对节点R1发送，节点S2有数据要对节点R2发送，则二者就会在信道0上产生数据冲突，这就是多个发送端分别对多个接收端发起通信的信道冲突问题。
其次，分析多个发送端同时对一个接收端发起通信的信道冲突问题。如图2所示，假定节点R随机选择了时间片4作为自己的接收周期，当前的时间片序号为4，节点R根据自己的伪随机跳频序列，切换到了信道0并且开机等待接收数据，此时节点S1有数据要对节点R发送，节点S2也有数据要对节点R发送，则二者就会在信道0上产生数据冲突，这就是多个发送端同时对一个接收端发起通信的信道冲突问题。
对于多信道并行协商冲突问题解决方案。通信拥塞和数据冲突问题是多信道并行协商类MAC协议的3个典型问题之一。在前面描述的多个发送端分别对多个接收端发起通信的信道冲突问题以及多个发送端同时对一个接收端发起通信的信道冲突问题可以归结为数据通信在单一信道的冲突问题，从而通过一个统一的解决思路一起解决。
结合图2所示，首先邻居表的改进。在邻居表中加入节点的地理位置信息，用来在后续的控制算法中计算每个节点间的距离，从而进行有效的退避策略；邻居表包含内容有：邻居节点随机选择的时间片序号，每个邻居节点的伪随机跳频序列，每个节点的mac地址以及邻居节点的地理位置信息。
其次，P-坚持算法的改进。很多场合都会用到P-坚持算法的思想，简单来说，P-坚持算法就是指在解决问题的过程中遇到选择问题，以概率P坚持原本的决策执行下去，即以1-P的概率放弃原本的决策，转向其他的方法。在无线传感器网络中，MAC协议经常要处理信道竞争和数据冲突问题，P-坚持算法是一种常见的解决思路，例如，在单信道MAC协议中，在同一时间段内，节点S1和节点S2同时要发起数据通信，则可以采用P-坚持算法，节点S1和节点S2都以P的概率坚持原本的数据发送，即节点S1和节点S2都以1-P的概率进行退避。
在LPRLI-MAC中，利用邻居表中的每一个邻居节点的坐标可以计算出每一对节点间的距离，利用这个距离信息来改进P-坚持算法。假定在LPRLI-MAC协议的执行过程中发生了中提到的数据冲突问题，发送端Si通过计算得到自己与接收端Ri的距离Di，发送端Si以概率Pi坚持继续向节点Ri发送数据，Pi的计算方法为式如下：
Figure GDA0002664781430000051
其中，Pi表示某一个发送端Si坚持发起本次数据通信的概率，Di表示发送端Si与目标节点间的距离，Ri表示发送端Si的额定发送功率半径，特别说明，Di一定是小于Ri的，否则，不可能进行数据通信，ε是一个修正参数，根据具体实施LPRLI-MAC时，时间片和信道的数量而定，其用来降低Pi的数值，否则，如果每一个发送端都以一个较大的概率坚持发送数据的话，不但数据冲突问题不能解决，那么对于P-坚持算法改进也就没有意义了，比如，网络节点部署规模为20个节点，每个超帧包含时间片为5个，虽然节点选择时间片是随机的，但合理的推测是每个时间片上有4个节点，即有4个节点选择同一时间片作为自己的接收周期，那么最大的冲突概率是4个节点在某次到达时间片时，恰好按照各自的伪随机跳频序列都切换到了同一条信道上，那么就有4个接收节点处在同一条信道上，若此时恰好发生了4.1.1节和4.1.2节的问题，则每个发送端以25％的概率坚持自己本次的发送时较为合理的。
根据地理位置信息或者说节点间距离来决定概率Pi的大小，原因在于，两个节点如果距离更近，那么发送端发出的数据信号强度在到达接收端时衰减的更小，从而两个节点之间数据传输成功的可能性更大，这样改进的P-坚持算法更符合MAC协议的实施过程中各个节点间的实际情况，即两个节点距离越近，发送端坚持发送的概率越大，这样在最大程度的提升LPRLI-MAC协议数据传输的成功率，从而提升LPRLI-MAC协议的性能。
结合图4所示，是本发明基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法的流程框图，具体包括如下步骤：
(1)建立网络并初始化相关参数，每一个节点建立自己的邻居表，随机选择一个时间片作为自己的固定接收周期，并根据同一个伪随机序列产生器结合自身的mac地址产生的自己的伪随机跳频序列，即信道切换序列；
(2)建立和更新邻居表；
(3)假定节点S想要对节点R发起数据通信，则通过查询邻居表知道目标节点R的接收周期时间片序号Tr、伪随机跳频序列和位置坐标，在通过R的跳频序列计算出下一个接收周期节点R所处的信道号，通过自身坐标和节点R的坐标计算出两个节点之间的距离；
(4)在时间片Tr，发送端S开机，并广播一个信标信息，其中包含本次将要发起的数据通信的目标节点在时间片Tr时所处的信道标号，与此同时，侦听信道中是否有其他节点发送的信标信息，从而进行两种情况的判断：是否有其他的发送端(节点S1)与自己的目标节点相同；是否有其他的发送端(节点S2)的目标节点R2与自己的目标节点R虽然不同，但是在时间片Tr时，节点R2和节点R的伪随机跳频序列恰好重叠，也即，节点R2和节点R在时间片Tr时处于同一条信道；
(5)若两种情况都不存在，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；
(6)若两种情况中存在任何一种的话，则根据P-坚持算法，计算本次坚持发送数据的概率P，若计算出的概率值大于给定的阈值，则节点都以P的概率坚持原本的数据发送，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；否则，可能会与其他的发送端在该条信道上发生冲突；若结果是放弃本次数据发送，则节点都以1-P的概率进行退避，根据一个随机函数退避一个随机的时间，然后再次发起数据传输；
(7)在发送端S在完成本次数据通信之后，切换回自己的伪随机跳频序列后，本轮多信道并行协商MAC协议的时序结束。
实施例2
通过2组仿真实验和分析实验结果，对比McMAC协议、LPR-MAC协议和LPRLI-MAC协议的性能指标，以绘图的形式直观的验证了LPRLI-MAC协议对于平均端到端延迟和平均吞吐量两项性能的改进效果，LPRLI-MAC协议显著的降低了平均端到端延迟，提高了平均吞吐量。
首先，在不同的网络负载条件下，对比分析3种协议的两个性能指标。结合图5所示，给出了3种协议在不同的网络负载条件下平均吞吐量的变化情况，图中一共有3条线，分别为McMAC协议、LPR-MAC协议和LPRLI-MAC协议3种协议的变化情况，可以看出，网络负载在2.5Mbps之前LPRLI-MAC协议没有明显优势，反而McMAC协议略优，这是因为在网络负载量不大的情况下，LPRLI-MAC协议进行的一系列算法控制会导致协议性能稍有降低，而在网络负载量超过2.5Mbps之后，LPRLI-MAC协议的优势则显现出来；网络负载在4Mbps之前，3条曲线整体都呈现上升趋势，这是因为随着网络负载的不断增大，无线传感器网络中的信道得到了更充分的利用，平均吞吐量也随之上升，然而在网络负载量超过4Mbps并不断增大时，3种协议都出现了吞吐量下降的情况，这是因为无线传感器网络的负载能力是有限的，在网络负载量不断增大时，会导致MAC协议整体性能的下降。总体看来，LPRLI-MAC协议在一定的网络负载范围内是明显优于LPR-MAC协议的，这也说明了LPRLI-MAC对于原协议的改进是有效果的。
结合图6所示，给出了3种协议在不同网络负载条件下的平均端到端延迟的比较曲线。展示了3种协议在不同的网络负载条件下平均端到端延迟的变化情况，图中一共有3条线，分别为McMAC协议、LPR-MAC协议和LPRLI-MAC协议3种协议的变化情况，3条曲线整体都呈现上升趋势，这是因为随着数据传输率的不断增大，网络中同一时间段内的数据包数量增多，无线传感器网络中的节点间发生数据传输冲突和数据重传的可能性也随之增加，导致平均端到端传输延迟增加。在数据传输率较小时，3种协议的表现很接近，LPRLI-MAC协议的平均端到端延迟还要略大，但随着数据传输率的增大，McMAC协议平均端到端延迟大幅度增加，而LPRLI-MAC协议在该性能上要优于LPR-MAC协议。
其次，在不同的节点规模下，对比分析3种协议的两项网络性能指标。结合图7所示，给出了3种协议在不同节点规模下的平均吞吐量的比较曲线。分别展示了3种协议在不同的网络节点部署规模的条件下平均吞吐量的变化情况，图中一共有3条线，自上而下依次为LPRLI-MAC协议、LPR-MAC协议和McMAC协议3种协议的吞吐量变化情况，3条曲线整体都的变化趋势都是先上升后下降，上升是因为在一定程度上节点部署规模的变大会在一定程度上提高信道的利用率，然而随着节点部署的不断增大，无线传感器网络中的节点间发生数据传输冲突和数据重传的可能性也随之增加，导致平均吞吐量下降。可以明显看出LPRLI-MAC协议由于针对OPC方法的问题给出了改进措施和解决方案，使其在平均吞吐量这一MAC协议性能上的表现始终要优于LPR-MAC协议。
结合图8所示，给出了3种协议在不同的网络节点部署规模的条件下平均端到端延迟的变化情况，图中一共有3条线，自上而下依次为McMAC协议、LPR-MAC协议和LPRLI-MAC协议3种协议的变化情况，3条曲线整体都呈现上升趋势，这是因为随着节点部署的不断增大，无线传感器网络中的节点间发生数据传输冲突和数据重传的可能性也随之增加，导致平均端到端传输延迟增加。随着节点规模的增大，LPRLI-MAC协议的性能表现始终要优于LPR-MAC协议。
通过整体的仿真实验结果分析可知，在相同条件下，LPRLI-MAC协议在平均端到端延迟和平均吞吐量两方面性能上要优于LPR-MAC协议，并且由于采用并行协商机制，相比于采用控制信道的传统多信道MAC协议，LPRLI-MAC在性能上显著提升。LPRLI-MAC协议的改进可能带来一定程度上的额外计算成本和存储空间成本，但是当前传感器节点的计算能力、存储能力和续航能力都足以支撑这些要求。尤其是LPRLI-MAC带来的协议性能方面的提升已经通过实验得到了证实，相比于这些性能的提升，增加的额外开销可以忽略不计，或者说这种额外开销的代价是值得的。

Claims (1)

1.基于地理位置信息的多信道并行协商MAC协议实现方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)建立网络并初始化相关参数，每一个节点建立自己的邻居表，随机选择一个时间片作为自己的固定接收周期，并根据同一个伪随机序列产生器结合自身的mac地址产生自己的伪随机跳频序列，即信道切换序列；
(2)建立和更新邻居表；
(3)假定节点S想要对节点R发起数据通信，则通过查询邻居表知道目标节点R的接收周期时间片序号Tr、伪随机跳频序列和位置坐标，再通过R的伪随机跳频序列计算出下一个接收周期节点R所处的信道号，通过自身坐标和节点R的坐标计算出两个节点之间的距离；
(4)在时间片Tr，发送端S开机，并广播一个信标信息，其中包含本次将要发起的数据通信的目标节点在时间片Tr时所处的信道号，与此同时，侦听信道中是否有其他节点发送的信标信息，从而进行两种情况的判断：是否有其他的发送端与自己的目标节点相同；是否有其他的发送端的目标节点R2与自己的目标节点R虽然不同，但是在时间片Tr时，节点R2和节点R的伪随机跳频序列恰好重叠，也即，节点R2和节点R在时间片Tr时处于同一条信道；
(5)若两种情况都不存在，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；
(6)若两种情况中存在任何一种的话，则根据P-坚持算法，计算本次坚持发送数据的概率Pi，若计算出的概率值大于给定的阈值，则节点都以Pi的概率坚持原本的数据发送，则节点S直接切换到目标节点R所在的信道进行正常的多信道上的并行传输；否则，可能会与其他的发送端在该条信道上发生冲突；若结果是放弃本次数据发送，则节点都以1-Pi的概率进行退避，根据一个随机函数退避一个随机的时间，然后再次发起数据传输；
(7)在发送端S在完成本次数据通信之后，切换回自己的伪随机跳频序列后，本轮多信道并行协商MAC协议的时序结束；
所述的步骤(1)中的所有节点不断的通过广播的形式向其他邻居节点发送自己的邻居表信息，经过网络建立初期的一段维护和更新邻居表，每一个节点的邻居表中都包含了周围邻居节点的时间片选择、伪随机跳频序列和地理位置信息；
所述的步骤(6)根据P-坚持算法的计算本次坚持发送数据的概率Pi，对Pi的计算方法式为：
Figure FDA0002664781420000011
其中，Pi表示某一个发送端Si坚持发起本次数据通信的概率；Di表示发送端Si与目标节点间的距离；Ri表示发送端Si的额定发送功率半径；ε是一个修正参数；Pi的计算方法式中的Di小于Ri。
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