CN109819505B - 一种网络能效优化的限制接入窗口时隙适配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体涉及到一种网络能效优化的限制接入窗口时隙适配方法，其基于IEEE 802.11ah网络上行链路；所述方法包括以下步骤：接入点根据限制接入窗口时隙分配规则将多个工作站平均分配到各个限制接入窗口时隙中；根据二维马尔科夫链模型，确定每个限制接入窗口时隙中各个工作站在其退避时隙中的成功传输概率和碰撞概率；根据成功传输概率和碰撞概率计算限制接入窗口中的吞吐量、休眠能耗和传输能耗；根据两种能耗之和与吞吐量比值构建能效目标函数；在工作站数量动态变化情况下，通过模拟退火算法选择限制接入窗口能效最优时的限制接入窗口时隙持续时间。通过采用上述方案，能够有效系统吞吐量和能效。

Description

一种网络能效优化的限制接入窗口时隙适配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，特别涉及大量终端设备无线局域网(WirelessLocal Area Network,WLAN)的信道接入机制；具体涉及到基于IEEE802.11ah网络上行链路能效优化的限制接入窗口(Restricted Access Window,RAW)时隙适配方法。

背景技术

随着嵌入式设备的迅速普及，机器与机器(Machine to Machine，M2M)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。这些可扩展智能系统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。针对成本低、功耗小、工作量小和潜在的大数量通讯终端以及每个终端偶发的数据传输的特点，目前基于移动性和人为交互需求的人与机器(Human toMachine，H2M)和人与人(Human to Human，H2H)无线网络通信模式已不能满足当前的需求。

IEEE 802.11无线局域网标准组提出了IEEE 802.11ah来支持低功耗WIFI。与现有的M2M通信技术相比，工作在低于1GHz的免许可频段、能够在1Km范围内提供不小于100kbps的数据传输速率、支持大量密集部署的能量受限的终端设备。因而IEEE 802.11ah可以使大规模传感器网络实现低功耗的数据传输。

IEEE 802.11ah网络主要由工作站(Station，STA)和接入点(Access Point，AP)组成。一个AP可关联多达8192个STA,其中大部分STA预计由电池供电，因此节能机制的设计非常重要。为了支持大规模STA的需求，IEEE 802.11ah引入了更有效的信道接入控制和避免碰撞的方法,该方法是在带有传输机会(Transmit Opportunity，TXOP)的增强分布式信道接入(Enhance Distributed Channel Access，EDCA)的基础上引入RAW,旨在减少同时进行随机接入的STA数量。RAW是一种新的MAC层功能，用于低功耗WIFI，以减少冲突。RAW限制了一组可以接入信道的设备，并在一段时间内允许设备进行尝试，从而实现大量设备的有效网络通信。

在RAW机制中，AP在信标间隔中分配一个或多个RAW，RAW划分为一个或多个相等的时隙。AP将允许竞争无线媒体的STA分配到RAW时隙中。STA在目标信标传输时间(TargetBeacon Transmission Time,TBTT)唤醒并侦听AP周期性地广播的RAW参数集(RAWParameter Set，RPS)信息元素，其包括是否允许使用RAW、RAW开始时间和RAW持续时间等。如果STA有上行缓冲数据并被允许在RAW时隙中访问无线媒体，则STA在其分配的RAW时隙开始时竞争信道直到到达时隙的边界。STA采用二进制指数退避的方式减少碰撞。当STA成功竞争到信道时，STA先向AP发送PS-Poll帧请求上行链路通信，为响应PS-Poll帧AP发送ACK帧进行响应，接收到ACK帧的STA则向AP发送上行缓冲数据帧，并等待AP发送ACK帧进行确认。

在802.11ah协议中，RAW时隙持续时间和RAW内限制接入的STA数量没有标准的定义，但其都会影响能效。当涉及相同STA的RAW时隙持续时间较长时，STA处于活跃模式的时间会较长，导致产生不必要的空闲能耗并浪费信道资源；而当涉及相同STA数量的RAW时隙持续时间较短或当大量STA竞争与有限的RAW时隙时，则碰撞概率会很高，导致效率低下以及因碰撞导致多次退避从而消耗更多的能耗；但如果RAW所涉及的STA数量较少，则降低信道利用率、浪费了信道资源。因此，现有的RAW机制很难满足实际系统的性能要求。

发明内容

本发明旨在克服上述机制中的不足，提出了一种IEEE 802.11ah网络能效优化的RAW时隙适配机制，以最大化RAW上行链路能效为目标，基于二维马尔科夫链模型分析STA的成功传输概率和碰撞概率，建立关于RAW时隙持续时间的能效目标函数，在STA数量动态变化下，通过模拟退火算法选择RAW能效最优时的RAW时隙持续时间，从而提高系统吞吐量和能效。

为实现上述目的，本发明提供一种IEEE 802.11ah网络能效优化的RAW时隙适配机制，具体为一种网络能效优化的限制接入窗口时隙适配方法，其基于IEEE 802.11ah网络上行链路；包括以下步骤：

S1、接入点根据限制接入窗口时隙分配规则将多个工作站平均分配到各个限制接入窗口时隙中；

S2、根据二维马尔科夫链模型，确定每个限制接入窗口时隙中各个工作站在其退避时隙中的成功传输概率和碰撞概率；

S3、根据成功传输概率和碰撞概率计算限制接入窗口中的吞吐量、休眠能耗和传输能耗；

S4、根据两种能耗之和与吞吐量比值构建能效目标函数；

S5、在工作站数量动态变化情况下，通过模拟退火算法选择限制接入窗口能效最优时的限制接入窗口时隙持续时间。

进一步的，步骤S2中成功传输概率的计算公式包括：

其中，

在第i个限制接入窗口时隙中，有数据发送时，退避时隙中有且仅有一个数据传送成功的概率；n_i表示第i个限制接入窗口时隙中分配的工作站数量，τ_i表示第i个限制接入窗口时隙内n_i个工作站随机选择退避时隙发送的概率；p_i的值为在第i个限制接入窗口时隙中同一退避时隙内n_i-1个工作站中至少有一个发送而导致碰撞的概率，

表示在第i个限制接入窗口时隙中n_i个工作站以概率τ_i发送数据时退避时隙中至少有一个工作站进行传输的概率。

进一步的，步骤S2中碰撞概率的计算公式包括：

其中，

表示在第i个限制接入窗口时隙的退避时隙中，两个或两个以上的工作站同时传输发生碰撞的概率；n_i表示第i个限制接入窗口时隙中分配的工作站数量，τ_i表示第i个限制接入窗口时隙内n_i个工作站随机选择退避时隙发送的概率。

进一步的，步骤S3中限制接入窗口中的吞吐量的计算公式包括：

其中，S_i为第i个限制接入窗口时隙中的归一化吞吐量，即为第i个限制接入窗口时隙内成功传输数据帧有效载荷的百分比；E[P]表示数据帧平均大小，T_slot表示RAW时隙持续时间，

表示在第i个限制接入窗口时隙中工作站进行传输的概率，

表示在第i个限制接入窗口时隙中数据发送成功的概率，

表示第i个限制接入窗口时隙中有效成功传输数据包个数的最大值。

进一步的，步骤S3中限制接入窗口中的休眠能耗的计算公式包括：

其中，

表示第i个限制接入窗口时隙中进行信道接入的n_i个工作站的休眠能耗；n_i表示第i个限制接入窗口时隙中分配的工作站数量，N_RAW表示限制接入窗口时隙数，T_slot表示限制接入窗口时隙持续时间；σ表示退避时隙的持续时间，E_sl表示工作站在退避时隙中休眠所需的能耗。

进一步的，步骤S3中限制接入窗口中的传输能耗的计算公式包括：

其中，

表示第i个限制接入窗口时隙中进行信道接入的n_i个工作站的传输能耗；

表示时隙i中有效成功传输数据包个数的最大值；

表示在第i个限制接入窗口时隙中工作站进行传输的概率，

表示在第i个限制接入窗口时隙中数据发送成功的概率，T_s、T_c分别表示成功传输和碰撞所需的平均时间，E_id、E_su、E_co依次表示退避时隙中空闲、碰撞和传输的平均能耗。

进一步的，步骤S4中能效目标函数的计算公式包括：

其中，N_RAW表示限制接入窗口时隙数，S_i表示第i个限制接入窗口时隙中的吞吐量，

表示在第i个限制接入窗口时隙中n_i个工作站的休眠能耗，

表示第i个限制接入窗口时隙中n_i个工作站的传输能耗。

本发明的有益效果：

1、本发明在建立能效目标函数时考虑设备的休眠机制，能够有效减少STA的能耗，同时在设备数量动态变化情况下采用模拟退火算法自适应调整RAW的时隙持续时间，提高RAW上行链路的吞吐量和能效。

2、在保证设备的服务质量和系统公平的前提下，本发明的RAW时隙适配机制的能效性能比能量感知自适应机制以及现有RAW机制的高于10％。

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

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合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。

在大规模IEEE 802.11ah网络中，一个AP关联大量单跳拓扑结构的STA。如图1所示，信标间隔由RAW组成，RAW被划分N_RAW＝8个时隙，AP根据RAW时隙分配规则将STA平均分配到RAW时隙中。STA在时隙内开始时都有一个数据帧用于上行链路通信。AP在TBTT内周期性的广播STA的RPS信息元素，所有STA在TBTT时唤醒并侦听获取RAW调度信息，然后进入休眠状态直到其被分配的RAW时隙。STA在分配的RAW时隙开始时基于EDCA接入方式竞争信道直到到达时隙的边界。为减少碰撞，STA采用二进制指数退避的方式。

如图2所示的IEEE 802.11ah MAC层数据传输示例。当STA成功竞争到信道时，STA先向AP发送PS-Poll帧请求上行链路通信，为响应PS-Poll帧AP发送ACK帧进行确认。然后STA发送上行数据帧并等待AP发送的ACK帧。

本实施例提出了一种IEEE 802.11ah网络能效优化的RAW时隙适配机制，如图3所示，具体包括以下步骤：

确定RAW中的STA数量，将STA平均分配大RAW时隙中，根据时隙中的STA数量，计算出成功传输概率和碰撞概率；计算RAW中的吞吐量、休眠能耗以及传输能耗；根据能耗之和与吞吐量的比值，构建出能效函数，初始化时隙持续时间，T_slot＝T_max，判断T_slot是否大于0，若是，则T_slot＝T_slot-1，否则，输出最大能效及其对应的T_slot，判断STA数量是否变化，若是则更新STA数量，重复上述步骤；否则结束该流程。

在本发明实施例中，将i记作RAW时隙i的索引，i∈{1,2,...,i,...N_RAW}。假定在RAW时隙i中分配n_i个STA。为了便于理解，忽略无线信道的捕获效应和误码率问题以及隐藏终端问题，即数据包产生碰撞仅发生在两个或两个以上的STA在同一退避时隙内同时发送的情况。考虑RAW中时隙持续时间远大于时隙内随机退避的时间，RAW时隙中可能会有多次退避和传输，这和IEEE 802.11的饱和状态相似。因此RAW时隙中STA的传输行为可以通过饱和状态下IEEE802.11的传输行为来近似。

当n_i个工作站在同一个时隙中进行信道接入时，其通过随机退避过程来竞争。令m为最大退避级数，W＝W_min，把m代入W_max＝2^mW中，则W_j＝2^jW_min，j∈(0,m)。在退避计时器时间递减到零的时刻，STA开始传输数据包。当数据包成功传输后，STA以概率p₀保持空闲，以概率1-p₀产生一个新的数据包，启动新的退避计数值。概率p₀描述网络的非饱和程度，p₀越大网络的非饱和程度越高。n_i个STA在时隙i中随机选择退避时隙发送数据的概率表示为：

其中，概率τ_i表示RAW时隙i内n_i个STA随机选择退避时隙发送的概率，其取决于未知的条件碰撞概率p_i。p_i的值为在RAW时隙i中同一退避时隙内n_i-1个STA中至少有一个发送而导致碰撞的概率。若每个STA都以相同且独立的概率τ_i发送一个数据包，则可得时隙i中条件碰撞概率为：

n_i个STA都在分配的时隙中竞争，并以传输概率τ_i发送数据，RAW时隙i的退避时隙中至少有一个STA进行传输的概率可表示为：

在RAW时隙i中，有数据发送时，退避时隙中有且仅有一个数据传送成功的概率表示为：

进一步的，

因而，在RAW时隙i的退避时隙中，两个或两个以上的STA同时传输发生碰撞的概率为：

由于关联的STA数量范围较广，实验仿真出来的吞吐量真实数据差距较大，因此为了提高图标的可观性，采用归一化的吞吐量。设S_i为RAW中时隙i中的吞吐量，定义为时隙i内成功传输数据帧的有效载荷的百分比。则可将S_i表示为

其中，E[P]表示数据帧平均大小，T_slot表示时隙的持续时间，

表示时隙i下可有效成功传输数据包个数的最大值，表示为：

其中，

表示向下取整，T_s、T_c表示在退避时隙中成功传输数据和碰撞所需的平均时间，σ是一个退避时隙时间。由于具有大规模、轻量级数据的STA在基本接入机制的性能比RTS/CTS接入机制的好。因此在基本接入机制下，T_s、T_c可表示为：

T_s＝T_DIFS+T_ps-poll+T_data+2×T_ack+3×T_SIFS

T_c＝T_DIFS+T_ps-poll

其中，T_DIFS，T_SIFS，T_ack，T_ps-poll和T_data分别是DIFS，SIFS，ACK帧，PS-Poll帧和数据包的持续时间。

根据IEEE 802.11ah的RAW机制，STA在RAW中除了在其允许进行信道接入的时隙中是处于活跃状态之外，其余时间都处于休眠状态。因此，RAW时隙i中进行信道接入的n_i个STAs的休眠能量消耗可表示为：

其中，N_RAW表示RAW时隙数，E_sl表示STA在退避时隙中休眠所需的能耗。

对于有缓冲数据需要发送而处于活跃状态的STA，在传输数据的过程中可能以不同的概率处于传输状态、碰撞状态或空闲状态。基于不同的状态，STAs在RAW时隙i中的传输能量消耗表示为：

其中，E_id、E_su、E_co分别表示在退避时隙中空闲、碰撞和传输的平均能量消耗；在基本接入机制下，传输模式用于发送PS-Poll和DATA，接收模式是接收ACK，而其他所有时序都被认为是空闲的。因此成功能耗和碰撞能耗可分别表示为：

E_s＝(T_DIFS+3×T_SIFS)×P_i+2×T_ack×P_r+(T_ps-poll+T_data)×P_t

E_c＝T_DIFS×P_i+T_ps-poll×P_t

其中，P_i、P_t、P_r分别表示空闲、传输和接收模式的功耗。

n_i个STAs尝试在RAW时隙期间进行上行链路通信时，其能量消耗包括休眠能量消耗和传输能量消耗。因此，RAW中STAs消耗的整体能量消耗表示为：

RAW的能效可通过其提供的吞吐量和整体能量消耗来评估，可表示为：

根据STA数量与能效的曲线关系，用智能优化算法求解STA数量动态变化下的最佳RAW时隙持续时间来最大化RAW上行链路能效。由于模拟退火算法适用于大规模组合优化问题的通用而有效的近似算法，具有描述简单、使用灵活、运行效率高和较少受到初始条件约束的特点，因此本发明利用模拟退火算法进行问题的算法设计。

为了进一步说明RAW时隙适配机制优于RAW时隙固定机制，下面对本发明的RAW上行链路能效进行仿真验证，图4为Matlab 2014a环境下本发明STA数量与RAW上行链路能效的曲线关系图。在IEEE 802.11ah网络环境中，仿真参数设置如下：数据帧的平均大小为256bytes，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，最大时隙持续时间为246.14ms，传输模式的功耗为255mW,接收和空闲模式的功耗为135mW,休眠模式的功耗为1.5mW。网络中没有隐藏节点，信道处于没有通信错误的理想状态，仿真时间为2s，每个时隙中的STA数量从1逐渐递增到100。仿真结果表明，当n<30，吞吐量处于未饱和状态时，三种机制的吞吐量和能效差异很小小，对应图中曲线的初始阶段，三条曲线几乎是重合的。因此，在轻载网络中，RAW时隙适配机制与现有RAW机制性能差异不大。当吞吐量达到饱和状态时，随着STA数量的增长，由于在不同STA数量下能自适应时隙持续时间使得网络能效处于最优值，所提出的RAW时隙适配机制和能量感知自适应机制的吞吐量和能效比现有RAW机制的吞吐量和能效高，而所提出的RAW时隙适配机制中考虑了休眠机制，且其将STA数量平均分配到RAW时隙中，最大限度的减少碰撞和能耗，因而RAW时隙适配机制的能效比能量感知自适应RAW机制的能效高于10％。由此可见，RAW时隙适配机制在大规模网络中能有效的提高网络性能。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种网络能效优化的限制接入窗口时隙适配方法，其基于IEEE 802.11ah网络上行链路；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、接入点根据限制接入窗口时隙分配规则将多个工作站平均分配到各个限制接入窗口时隙中；

S2、根据二维马尔科夫链模型，确定每个限制接入窗口时隙中各个工作站在其退避时隙中的成功传输概率和碰撞概率；

成功传输概率的计算公式表示为：

碰撞概率的计算公式表示为：

其中，

表示在第i个限制接入窗口时隙中，有数据发送时，退避时隙中有且仅有一个数据传送成功的概率；n_i表示第i个限制接入窗口时隙中分配的工作站数量；τ_i表示第i个限制接入窗口时隙内n_i个工作站随机选择退避时隙发送的概率；

表示在第i个限制接入窗口时隙中n_i个工作站以概率τ_i发送数据时退避时隙中至少有一个工作站进行传输的概率；

表示在第i个限制接入窗口时隙的退避时隙中，两个或两个以上的工作站同时传输发生碰撞的概率；

S3、根据成功传输概率和碰撞概率计算限制接入窗口中的吞吐量、休眠能耗和传输能耗；

限制接入窗口中的吞吐量的计算公式表示为：

其中，S_i为第i个限制接入窗口时隙中的归一化吞吐量，即为第i个限制接入窗口时隙内成功传输数据帧有效载荷的百分比；E[P]表示数据帧平均大小，T_slot表示RAW时隙持续时间；

表示第i个限制接入窗口时隙中有效成功传输数据包个数的最大值；

限制接入窗口中的休眠能耗的计算公式表示为：

限制接入窗口中的传输能耗的计算公式表示为：

其中，

表示第i个限制接入窗口时隙中进行信道接入的n_i个工作站的休眠能耗；N_RAW表示限制接入窗口时隙数，T_slot表示限制接入窗口时隙持续时间；σ表示退避时隙的持续时间，E_sl表示工作站在退避时隙中休眠所需的能耗；

表示第i个限制接入窗口时隙中进行信道接入的n_i个工作站的传输能耗；T_s、T_c分别表示成功传输和碰撞所需的平均时间；E_id、E_su、E_co依次表示退避时隙中空闲、碰撞和传输的平均能耗；

S4、根据两种能耗之和与吞吐量比值构建能效目标函数；

能效目标函数的计算公式EE表示为：

S5、在工作站数量动态变化情况下，通过模拟退火算法选择限制接入窗口能效最优时的限制接入窗口时隙持续时间。

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