[发明专利]基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络介质访问控制(MAC，Media Access Control)子层处理技术，尤其涉及基于优先级的网络负载动态自适应参数调整方法，为IEEE802.15.4标准中CSMA/CA接入机制优化的方法，属于无线网络通信技术领域。 

背景技术

IEEE802.15.4是无线传感器网络常用的工业界标准。它以其在物理层的能量高效和鲁棒性以及其在媒体接入控制(media access control，MAC)子层的灵活性，成为目前无线传感器网络的常用底层通信协议。IEEE802.15.4MAC协议采用标准时隙CSMA/CA机制竞争信道，在一定程度上可以减少数据的碰撞，但该算法仅适用于低负载情况，随着网络负载的增大，存在数据包冲突概率高、时延大、能耗过多等问题，且协议参数配置固定，网络自适应能力差，对不同的数据流无法提供优先级区分服务。 

目前已有不少研究和改进是基于IEEE802.15.4CSMA/CA回退机制，如通过为不同的应用数据流设置合适的回退参数(如退避次数NB、退避指数EB、竞争窗口大小WC等)来实现优先级调度策略从而达到区分服务。文献“肖卓凌,何晨,蒋铃鸽.带睡眠机制的IEEE802.15.4MAC协议性能分析[J].上海交通大学学报,2010,44(8):1103-1108.”提出了一种IEEE802.15.4MAC协议实时应用中基于时隙分析的精确建模方法，可以准确预测网络性能。文献“高瑞霞.面向信息物理系统的IEEE802.15.4MAC协议分析及优化[D].大连：大连理工大学，2011.”提出了面向信息物理融合系统应用的信息区分服务机制SDA-CSMA/CA(service differentiation and adaptiveCSMA/CA)，但缺乏对该机制的理论分析。文献“蔡雅平,白光伟.一种用于提高802.15.4网络性能的区分服务模型[J].计算机科学,2011,38(7):61-65.”使用马尔可夫(Markov)建模，分析竞争接入时段CAP(contention access period)下的性能服务，提出了一种基于区分服务的改进IEEE802.15.4机制以支持高服务质量的要求。文献“Lee H G,Lee K H,Ryu S H,et al.An efficient slotted CSMA/CA algorithm for the IEEE 802.15.4LR-WPAN[C]//2011International Conference on Information Networking(ICOIN).Piscataway,NJ,USA:IEEE,2011:488-493.”提出了基于退避指数和竞争窗口的两种优先级区分服务机制，基于离散时间的Markov链分析这两种机制的性能，但只支持两种优先级。文献“Park PG,Di Marco P,Fischione C,et al.Modeling and optimization of the IEEE802.15.4protocol for reliable and timely communications[J].IEEE Transactions on parallel and distributed systems,2013,24(3): 550-564.”针对可靠性和实时性的需求，对IEEE802.15.4进行建模和优化，并采用Markov过程进行性能分析。文献“李瑞芳,罗娟,李仁发.适于无线多媒体传感器网络的MAC层退避算法[J].通信学报,2010,31(11):107-116.”提出了适用于无线多媒体传感器网络的服务区分动态退避算法SDDB(service differentiation dynamic backoff)，通过对不同优先级业务采取不同的退避方式，实现合理退避及业务优先级区分服务。 

IEEE802.15.4中的时隙CSMA/CA机制主要包含3个参数：NB、EB和WC，这3个参数决定了整个算法的进程，如图1所示,其中“mac battery life extension”为“                                                  。IEEE802.15.4标准对于时隙CSMA/CA机制的参数并没有强制设定，存在一定的灵活性，且NB、EB、WC相关值的设定将对整个时隙CSMA/CA算法的性能产生较大的影响，具体如下：