CN110337125B - 一种5g网络中的工作站重分组方法 - Google Patents

一种5g网络中的工作站重分组方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种5G网络中的工作站重分组方法，包括将所有工作站的PS‑Poll帧开始传输时间作为隐藏节点的检查指标，检测网络中的隐藏节点关系；在接入点获得工作站的PS‑Poll帧开始传输时间后，确定工作站之间的隐藏节点关系，构建隐藏关系矩阵；接入点将工作站上报的预期业务需求量化为不同的业务级别，构建工作站的预期业务需求表；将预期业务需求表集成到隐藏节点关系矩阵中，形成对隐藏节点的潜在影响具有全面认识的隐藏业务表；在每个TBTT期间根据检测到的隐藏业务表对工作站进行重分组；本发明的STA重分组方法的吞吐量比现有的随机分组方法的吞吐量提升了40％。

Description

一种5G网络中的工作站重分组方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种5G网络中的工作站重分组方法。
背景技术
随着嵌入式设备的迅速普及，物联网(Internet of Things，IoT)通信正在成为包括智能城市、智能抄表、医疗监控、农业监测和工业自动化等在内的各种新兴智能服务的主要通信模式。这些可扩展智能***的新应用和服务需要将大量智能设备(传感器、机器人、控制器等)连接在一起。针对大规模终端节点的物联网应用，如何有效地将大量终端连接到同一接入点(Access Point，AP)是研究的重点。IEEE 802.11ah网络主要由工作站(Station，STA)和AP组成。一个802.11ah AP在1Km通信范围内可关联多达8192个STAs，从而形成一个关联大量设备和覆盖大面积的网络。在这样大规模的网络中，可能存在大量的隐藏设备，导致严重的冲突问题，从而限制了***性能。在随机部署网络的情况下，任意两个节点设备相互隐藏的概率增加到40％，当部署的节点设备数量达到8000个时，隐藏节点对的期望数量将达到1311 836个。此外，当节点设备进入节能(Power Save，PS)模式时，隐藏节点问题会更加显著。由于802.11ah网络中大多数STA都在省电模式下运行，STAs会在同一时间唤醒并监听AP发送的信标，并尝试发送节能轮询(Power Save-Polling，PS-Poll)帧请求上行链路传输，因而会导致多次冲突。为了最小化设备冲突，IEEE 802.11ah在带有传输机会(Transmit Opportunity，TXOP)的增强分布式信道接入(Enhance DistributedChannel Access，EDCA)的基础上引入限制接入窗口(Restricted Access Window，RAW)机制来实现基于分组的竞争方案。其中，AP将STA划分成组，并给每个组分配一个RAW时隙，属于同一组的STAs在分配的RAW时隙内竞争信道，且STA仅在分配的时隙中处于唤醒状态，在其余时隙中均休眠。以往的研究主要集中在提高基于分组的竞争方案性能上，如通过调整RAW时隙数或RAW持续时间以获得最佳性能，但在这些研究中，假设网络是完全连接的，即网络中不存在隐藏节点问题，这意味着现有的基于分组的竞争机制不能有效地解决隐藏节点问题，并且IEEE 802.11ah标准中没有指定具体的STA分组方案，而现有的STA分组方法通常只是将STA随机分配到不同的组中。这种随机分配方法对于具有高业务需求的STAs会导致组内潜在冲突的增加。
发明内容
本发明旨在克服上述技术上的不足，在基于竞争的载波侦听多路访问/冲突避免(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)制下，以最小化隐藏节点问题造成的传输冲突为目的，提出了一种5G网络中的工作站重分组方法，包括：
S1、将所有工作站的节能轮询帧开始传输时间作为隐藏节点的检查指标，检测网络中的隐藏节点关系；
S2、在接入点获得工作站的PS-Poll帧开始传输时间ti后，确定工作站之间的隐藏节点关系，构建隐藏关系矩阵；
S3、接入点将工作站上报的预期业务需求量化为不同的业务级别，构建工作站的预期业务需求表；
S4、将预期业务需求表集成到隐藏节点关系矩阵中，形成对隐藏节点的潜在影响具有全面认识的隐藏业务表；
S5、在每个目标信标传输时间(Target Beacon Transmission Time，TBTT)期间根据检测到的隐藏业务表对工作站进行重分组。
进一步的，检测网络中的隐藏节点关系包括：若ti为限制接入窗口时隙内工作站i第一次传输PS-Poll帧的开始时间，tj为限制接入窗口时隙内工作站j第一次传输PS-Poll帧的开始时间，当ti与tj差的绝对值大于TA时，则认为工作站i与工作站j互为隐藏节点，其中，TA是同一时隙STAs之间的最大传输时延，表示为TA＝tback-off+δ，tback-off表示工作站i与工作站j第一次选择退避窗口的绝对差值，δ表示802.11ah网络的传播时延。
进一步的，限制接入窗口时隙内工作站i第一次传输PS-Poll帧的开始时间ti的获取方法包括：在同一信标周期内的其他限制接入窗口或最佳工作区域发送显式控制帧。
进一步的，构建隐藏关系矩阵包括：将工作站i与工作站j的载波监听关系kij作为隐藏关系矩阵中的第i行第j列的元素，其中工作站i与工作站j的载波监听关系kij表示为：
Figure BDA0002036856210000031
其中，TA是同一时隙两个工作站之间的最大传输时延，表示为TA＝tback-off+δ，tback-off表示工作站i与工作站j第一次选择退避窗口的绝对差值，δ表示802.11ah网络的传播时延。当kij＝0，则表示工作站i和工作站j能相互感知，当kij＝1，则表示工作站i和工作站j互为隐藏节点。
进一步的，在每个TBTT期间根据检测到的隐藏业务表对工作站进行重分组包括：
S51、根据工作站的业务级别对工作站进行降序排列，并将业务级别最高的工作站依次分到空的组中，直到每个组中都有一个工作站；
S52、计算剩余工作站中业务级别最高的工作站给每个组带来的隐藏业务，并将其分配到附加隐藏业务量最少的组中；
S53、如果工作站对多个组具有相同的影响，可以进行多种分配选择，则采用类维特比算法，即将工作站的序列作为观测序列、工作站分配到组中的序列作为状态序列，设置维特比窗口大小W，从工作站序列中选择前W个工作站，通过维特比算法得到最小附加隐藏业务相关联的最优路径，然后根据最优路径决定工作站的分配；
S54、重复步骤S51～S53直到将所有工作站都分配到组中。
本发明的有益效果：
1、在数据传输过程中获取网络中的潜在隐藏节点对以及STAs的业务需求，不需要改变协议标准的框架结构，并且也可用于媒体接入控制(Medium Access Control，MAC)协议支持分组的其他基于竞争的无线网络；
2、引入了隐藏业务表来最小化网络中的潜在隐藏业务，采用维特比算法实现对STA的重分组，在保证设备的服务质量和***公平的前提下，本发明的STA重分组方法的吞吐量比现有的随机分组方法的吞吐量提升了40％。
附图说明
图1为本发明中限制接入窗口结构示意图；
图2为本发明中采用的IEEE 802.11ah MAC层数据传输示例图；
图3为本发明的方法流程图；
图4为本发明实施例的仿真实验结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种5G网络中的工作站重分组方法，如图3，包括以下步骤：
S1、将所有工作站的PS-Poll帧开始传输时间作为隐藏节点的检查指标，检测网络中的隐藏节点关系；
S2、在接入点获得工作站的PS-Poll帧开始传输时间ti后，确定工作站之间的隐藏节点关系，构建隐藏关系矩阵；
S3、接入点将工作站上报的预期业务需求量化为不同的业务级别，构建工作站的预期业务需求表；
S4、将预期业务需求表集成到隐藏节点关系矩阵中，形成对隐藏节点的潜在影响具有全面认识的隐藏业务表；
S5、在每个TBTT期间根据检测到的隐藏业务表对工作站进行重分组。
其中，在每个TBTT期间根据检测到的隐藏业务表对工作站进行重分组又具体包括以下步骤：
S51、根据工作站的业务级别对工作站进行降序排列，并将业务级别最高的工作站依次分到空的组中，直到每个组中都有一个工作站；
S52、计算剩余工作站中业务级别最高的工作站给每个组带来的隐藏业务，并将其分配到附加隐藏业务量最少的组中；
S53、如果工作站对多个组具有相同的影响，可以进行多种分配选择，则采用类维特比算法，即将工作站的序列作为观测序列、工作站分配到组中的序列作为状态序列，设置维特比窗口大小W，从工作站序列中选择前W个工作站，通过维特比算法得到最小附加隐藏业务相关联的最优路径，然后根据最优路径决定工作站的分配；
S54、重复步骤S51～S53直到将所有工作站都分配到组中。
在本实施例中，考虑在半径为R的圆形AP覆盖区域内，一个AP关联n个工作站的802.11ah网络，且所有STA都是由电池供电。工作站在省电模式下运行，并在AP覆盖范围内均匀分布，且各个工作站之间静止或移动速度很慢。
如图1所示，将STA划分成RAW时隙数M＝8个组，每组分配一个RAW时隙，每个RAW时隙的持续时间相同。假设IEEE 802.11ah网络中主要为上行链路通信，即STA将缓冲数据传输给AP。STA在TBTT定期唤醒获取RAW调度信息，如果STA存在缓冲数据，则在其分配的RAW时隙中基于EDCA机制传输PS-Poll帧请求上行链路通信，否则处于休眠状态直至下一信标间隔的TBTT。如图2所示的IEEE 802.11ah MAC层数据传输示例。当AP成功接收到PS-Poll帧时，向STA发送ACK帧进行应答，如果STA没有接收到ACK帧，则重新传输PS-Poll帧直至到达最大重传次数。当STA接收到ACK帧后就向AP发送缓冲数据并等待AP发送的ACK帧进行确认。
本实施例提出了一种基于IEEE 802.11ah网络的STA重分组方法，具体包括以下步骤：
通过检测PS-Poll帧的开始传输时间来获取STA之间的载波监听关系，构建隐藏节点关系矩阵；收集STAs上报的预期业务需求，将STA的业务需求量化为不同的业务级别，构建STA的预期业务需求表；将预期业务需求表集成到隐藏节点关系矩阵中，形成对隐藏节点的潜在影响具有全面认识的隐藏业务表；根据STA的业务级别对STA进行降序排列，并将业务级别最高STA依次分到空的组中，直到没有空组；计算剩余STAs中业务级别最高STA给每个组带来的隐藏业务，判断STA是否对多个组具有相同的影响，若是，则采用类维特比算法分配STA，否则，将STA分配到附加隐藏业务量最少的组中，判断所有STA是否分配完，若是则结束流程，否则重复上述分配STA的过程。
在本发明实施例中，将ti记作RAW时隙内STA i第一次传输PS-Poll帧的开始时间，kij为STA i与STA j的载波监听关系。为了便于理解，忽略无线信道的捕获效应和误码率问题。由于隐藏节点对只在上行传输中能检测到，因此使用PS-Poll帧的开始传输时间作为隐藏节点的检测指标。如果STA i与STA j第一次发送PS-Poll帧的时序重叠，则判断STA i与STA j互为隐藏节点对。设ti为RAW时隙内STA i第一次传输PS-Poll帧的开始时间，kij为STAi与STA j的载波监听关系，如果kij＝0表示STA i和STA j能相互感知；kij＝1则表示STA i和STA j互为隐藏节点。因此kij可表示为：
Figure BDA0002036856210000061
其中，TA是同一时隙STAs之间的最大传输时延，表示为TA＝tback-off+δ，tback-off表示工作站i与工作站j第一次选择退避窗口的绝对差值，δ表示802.11ah网络的传播时延。
AP可通过记录开始接收STA i发送PS-Poll帧的时间戳来获得ti，从而在任意两个STAs之间找到隐藏的节点关系，但由于AP无法从传输失败的PS-Poll帧中获取时间戳，并且在上行链路通信中，AP无法获取STA的业务需求。因此，STA需要将其AID、ti和预期的业务需求反馈给AP。考虑两种反馈方式：第一种方式是修改802.11ah标准中的PS-Poll帧结构；第二种是在同一信标周期内的其他RAWs或最佳工作区域发送显式控制帧。对于第一种方式，需要在PS-Poll帧中增加一个用于ti的8字节字段和用于业务需求的2字节字段，在大规模的网络中，修改的PS-Poll帧显著增加了开销，并且第一种方式还需对802.11ah规范进行修改，因此在本章中采用第二种反馈方式。考虑到STA是静态的或移动速度很慢，网络中的隐藏节点关系不会改变，而STA业务需求是动态的。因此，通过在前一信标间隔内发送显示控制帧将信息反馈给AP。
在AP获得每个RAW时隙内的STA ti后，根据kij确定RAW时隙中STA之间的隐藏节点关系，更新隐藏节点关系矩阵。隐藏节点关系矩阵中的所有元素初始都设置为0，在更新隐藏节点关系矩阵时，如果kij＝1，即STA i与STA j互为隐藏关系，则元素(i,j)置为1；反之如果kij＝0，元素(i,j)置为0，表示STA i与STA j能相互感知。隐藏节点矩阵是对称的，其在每一信标间隔的TBTT处更新直至包含AP所有关联节点的隐藏节点关系。
除了隐藏节点信息，AP还收集STA反馈的预期业务需求。AP将STA的业务需求量化为不同的业务级别，构建STA的预期业务需求表，如表1所示，表中的数字表示预期的业务需求，数字越大表示STA的业务需求越多，有更多的缓冲数据需要发送。
表1 STA的预期业务需求表
Figure BDA0002036856210000071
在物联网网络中，业务需求也可以基于STA的类型，AP通过STA的类型将其匹配到特定的业务级别。如果两个STAs互为隐藏节点，则其在尝试传输过程中可能会导致冲突。为了尽量减少冲突带来的影响，应将活动的隐藏节点对分到不同的组中，并根据预期业务需求表，最小化组内的隐藏业务。将预期业务需求表集成到隐藏节点表中，形成对隐藏节点的潜在影响具有全面认识的隐藏业务表。
根据隐藏业务表对STA进行重分组，分组算法主要有集中式动态规划和分布式迭代更新算法两种，其中，集中式动态规划算法主要优势是可以依据全局信息获得最大的整体效益，但其算法复杂度一般较高；而分布式迭代更新算法具有更低的算法时间复杂度，但只能获得次优***整体效益，且在迭代过程中可能无法收敛。因此本发明采用集中式的类维特比算法，依据全局信息对STA进行重分组。
在收集了上述隐藏节点关系矩阵和STA预期业务需求表后，在每个TBTT期间根据检测到的隐藏节点和预期业务需求对STA进行重分组。STA重分组的算法描述为：首先根据STA的业务级别对STA进行降序排列，并将业务级别最高的STA依次分到空的组中，直到每个组中都有一个STA；然后计算剩余STA中业务级别最高的STA给每个组带来的隐藏业务，并将其分配到附加隐藏业务量最少的组中，如果STA对多个组具有相同的影响，可以进行多种分配选择，则采用类维特比算法。维特比算法实际是用动态规划(Dynamic Programming，DP)求解隐马尔科夫模型预测问题，即用动态规划求概率最大的路径(最优路径)。维特比算法描述为：从时刻t＝1开始，依次计算在时刻t的状态为i时的每条部分路径的最大概率，直到得到时刻t＝T时状态为i的每条路径的最大概率。然后，根据时刻t＝T的最大概率即为最优路径的概率p*，从终结点
Figure BDA0002036856210000081
开始，由后向前逐步求得结点
Figure BDA0002036856210000082
得到最优路径
Figure BDA0002036856210000083
本发明将STA的序列作为观测序列、STA分配到组中的序列作为状态序列，设置维特比窗口大小W，从STA序列中选择前W个STAs，通过维特比算法得到最小附加隐藏业务相关联的最优路径，然后根据最优路径决定STA的分配；最后使用相同的方法将所有STAs都分配到组中。
为了进一步说明STA重分组方法的有效性，下面对本发明的吞吐量性能进行仿真验证，图4为Matlab 2014a环境下本发明STAs数量与吞吐量的曲线关系图。在IEEE802.11ah网络环境中，仿真参数设置如下：AP传输距离为1Km，数据帧的平均大小为256bytes，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)符号持续时间为40us,基本速率为650kbps，PS-Poll帧大小为240us，ACK大小为240us，退避时隙持续时间为52us，SIFS为160us，DIFS为264us,最大退避级数为5，最小窗口数为15，RAW的时隙数为8，RAW时隙持续时间为235ms，维特比窗口大小为20。所有STAs运行在省电模式下，并都有用于上行链路传输的数据包。忽略无线信道的捕获效应和误码率问题。在网络中，有三种不同业务需求的STAs：S1、S2和S2，其比例为1:3:6。其中，S1的业务级别比S2的高十倍，S2的业务级别比S3的高十倍。AP覆盖范围下的STA数量从100逐渐递增到1000.仿真结果表明，STA数量越小(小于100)，STA重分组算法与随机分组算法之间的吞吐量差异越小，对应到图中曲线的初始阶段。因此，在轻载网络中，STA重分组算法与随机分组算法吞吐量差异不大。随着STA数量的增加，两种算法的吞吐量都有所下降，但随机分组算法的吞吐量下降更为严重，其在1000个STAs时的吞吐量下降了48％。因为严重的隐藏节点问题，使得STA在传输时发生冲突碰撞，严重时会出现连续碰撞，导致持续的冲突时间非常长，所以吞吐量和能效性能下降明显，而STA重分组算法由于非隐藏设备之间不断增加的冲突碰撞也导致吞吐量性能有所下降。因此，STA重分组算法在大规模网络中能有效的提高网络吞吐量；其中灰色的PS-Poll帧表示已经。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种5G网络中的工作站重分组方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将所有工作站的节能轮询PS-Poll帧开始传输时间作为隐藏节点的检查指标，检测网络中的隐藏节点关系，即若ti为限制接入窗口时隙内工作站i第一次传输节能轮询PS-Poll帧的开始时间，tj为限制接入窗口时隙内工作站j第一次传输节能轮询PS-Poll帧的开始时间，当ti与tj差的绝对值大于TA时，则认为工作站i与工作站j互为隐藏节点，其中，TA是同一时隙两个工作站之间的最大传输时延，表示为TA＝tback-off+δ，tback-off表示工作站i与工作站j第一次选择退避窗口的绝对差值，δ表示802.11ah网络的传播时延；
S2、在接入点获得工作站的节能轮询PS-Poll帧开始传输时间ti后，确定工作站之间的隐藏节点关系，构建隐藏关系矩阵；
S3、接入点将工作站上报的预期业务需求量化为不同的业务级别，构建工作站的预期业务需求表；
S4、将预期业务需求表集成到隐藏节点关系矩阵中，形成对隐藏节点的潜在影响具有全面认识的隐藏业务表；
S5、在每个目标信标传输时间TBTT期间根据检测到的隐藏业务表对工作站进行重分组，包括：
S51、根据工作站的业务级别对工作站进行降序排列，并将业务级别最高的工作站依次分到空的组中，直到每个组中都有一个工作站；
S52、计算剩余工作站中业务级别最高的工作站给每个组带来的隐藏业务，并将其分配到附加隐藏业务量最少的组中；
S53、如果工作站对多个组具有相同的影响，可以进行多种分配选择，则采用类维特比算法，即将工作站的序列作为观测序列、工作站分配到组中的序列作为状态序列，设置维特比窗口大小W，从工作站序列中选择前W个工作站，通过维特比算法得到最小附加隐藏业务相关联的最优路径，然后根据最优路径决定工作站的分配；
S54、重复步骤S51～S53直到将所有工作站都分配到组中。
2.根据权利要求1所述的一种5G网络中的工作站重分组方法，其特征在于，限制接入窗口时隙内工作站i第一次传输节能轮询PS-Poll帧的开始时间ti的获取方法包括：在同一信标周期内的其他限制接入窗口或最佳工作区域发送显式控制帧。
3.根据权利要求1所述的一种5G网络中的工作站重分组方法，其特征在于，构建隐藏关系矩阵包括：将工作站i与工作站j的载波监听关系kij作为隐藏关系矩阵中的第i行第j列的元素，其中工作站i与工作站j的载波监听关系kij表示为：
Figure FDA0003512900980000021
其中，TA是同一时隙STAs之间的最大传输时延，表示为TA＝tback-off+δ，tback-off表示工作站i与工作站j第一次选择退避窗口的绝对差值，δ表示802.11ah网络的传播时延；当kij＝0，则表示工作站i和工作站j能相互感知，当kij＝1，则表示工作站i和工作站j互为隐藏节点。
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