[发明专利]一种适用于环境能量收集的ALOHA协议设计方法

说明书

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p_c。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＜p_c，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p_c＝1/N_active，其中N_active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p_c＝1/N_active：

1.“和式增加积式减少”(Additive-Increase Multiplicative-Decrease,AIMD)：利用p_lin(“和式增加”因子)和p_md(“积式减少”因子)来对争用概率p_c进行调整，他们研究的场景下结论是当p_lin＝0.01和p_md＝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p_c＝1/n_est,n_est≥1来调整争用概率，其中n_est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n_est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，n_est保持不变；如果多个活动邻居做出响应，n_est加1，因为它可能被低估；如果没有节点响应，n_est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p_c进行调整。哪怕周围活跃节点数从来没有变过，p_c也不能正确地收敛到1/N_active，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p_c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