[发明专利]一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法

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1.一种基于二次碰撞概率模型的自适应异步无线唤醒方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：建立信道二次碰撞概率模型，估算无线网络中节点监测到信道繁忙和唤醒请求碰撞造成的丢包率α、延迟时间T_A和总平均能量消耗E_A；

S2：通过建立阈值自适应选择机制，更新终端节点的阈值序列；

S3：数据发送成功或达到重传次数上限时，记录当前退避次数k和退避指数BE；当节点唤醒接收器匹配地址错误时，重置退避计时器，并进行下一个退避阶段；并计算当前平均传输负载大小DS对网络中终端节点进行更新；

所述步骤S1具体包括：

使用考虑服务时间指数分布的马尔可夫链M/G/1/2队列模型，引入二次碰撞和有限队列因素，并使用C_T次短暂的CCA空闲信道检测对信道状态进行评估，当检测到信道繁忙时能快速进行退避；再考虑到基于副载波调制的唤醒模块与主收发器模块共用天线在同一信道通信以增加唤醒请求传输范围，所以得到二次碰撞概率模型：

其中，C_T为CCA信道检测计时器初始值，α为C_T次信道检测执行完后检测到信道繁忙的概率，N表示节点数量，包含N-1个终端节点和1个汇聚节点，E[Γ]是节点直到发送最后一个数据一共所发的数据包数量，T_CCA是进行一次信道检测CCA的时间，T_ta是成功发送数据占用信道的时间，T_tc是数据发送碰撞时占用信道的时间，λ是数据包平均到达速率，E[D_HoL]是节点退避窗口开始到发送数据或达到重传次数上限的平均延迟；D(k)是第k+1次退避时检测到信道繁忙所用的信道检测次数，c(k)是直到第k+1次才成功发送唤醒请求的概率，d(k)是直到第k+1次才发送唤醒请求但产生碰撞的概率，表示为：

c(k)＝α^k(1-β),d(k)＝α^kδ(1-α)

其中，k是当前退避次数，M是节点允许的最大重传次数，β＝α+δ(1-α)为信道繁忙概率与碰撞概率的和，δ(1-α)为唤醒请求发送后产生碰撞的概率；c_sum为成功发送数据的平均概率和，d_sum为数据发送时产生碰撞的平均概率和，其分别表示为：

两个以上的节点同时进行信道空闲检测的概率表示为：

其中，T_slot是电磁波传输延迟，CCA检测时间和收发段切换延迟的和，T_CCA是进行一次信道检测CCA的时间，w_k是退避时间和信道检测所花平均时间；δ是检测到信道空闲的概率，T_TA是发送数据所需要的时间，包括占用信道的时间和未占用的时间，表示为T_TA＝T_wuc+T_on+T_h+T_l+T_SIFS+T_ACK，其中，T_wuc为唤醒请求传输时间，T_on为MCU从休眠状态切换到正常工作状态所需时间，T_h为数据头部传输所需时间，T_l为数据场传输所需时间，T_SIFS为帧间隔，T_ACK为确认帧传输所需时间；

唤醒后发送数据的平均延迟表示为：

T_A＝(1-β^M+1)T_S+α^M+1T_L+(β^M+1-α^M+1)T_C

计算出M+1次中每次出现计数器值不为0的概率

其中，每次碰撞的概率占总概率的比例P_B＝1-P_C，表示k+1次中有k+1-v次在信道检测阶段第一次没有检测到，但在C_T减到0前检测到信道繁忙，T_L是达到重传次数上限所消耗的时间，表示为：

其中，T_BO是退避消耗的单位时间,W_k是第k次退避时退避时间上限；T_S是成功发送数据所需要的退避和信道检测时间，T_C是发送数据产生碰撞所消耗的时间，所以T_S、T_C分别表示为：

其中，T_TC是发送数据后产生二次碰撞所消耗的时间；同理，退避、信道检测和数据传输的总平均能量消耗E_A表示为

E_A＝(1-β^M+1)E_S+α^M+1E_L+(β^M+1-α^M+1)E_C

其中，E_L是达到重传次数上限丢弃数据包所消耗的能量，表示为：

其中，E_BO是退避消耗的能量，E_CCA是进行一次信道检测消耗的能量；E_S是成功发送数据所需要的退避和信道检测能量，E_C是发送数据产生碰撞所消耗的能量，分别表示为：

其中，E_HoL是从数据包到达至成功发送所需要消耗的能量，E_L退避到达次数上限丢弃数据包所消耗的能量，E_TA是数据在传输过程中所消耗的能量，E_TC是数据传输时产生碰撞所消耗的能量，P_LB是M+1次检测时信道都为繁忙和信道检测到空闲但唤醒请求产生二次碰撞的概率和；

能量效率和丢包率综合指标表示为：

其中，T_l是发送数据负载所需要的时间，W_factor是能效权重因子，P_LA是M+1次检测信道都为繁忙的概率；最后，终端节点会根据信道当前状态、延迟、丢包率和记录信息选择当下一次送唤醒请求所需要使用的协议和退避窗口大小；

所述步骤S3具体包括：终端节点首先初始化当前退避次数k为1，每次退避次数k自加1；初始化退避指数BE的值为CBE；节点先获取当前退避次数k，如果小于阈值TS，则采用直接信道检测模式；如果大于阈值TS，节点则先进行退避，当退避计时器为0时进入信道检测状态；终端节点采用多次短时空闲信道检测，每次检测完毕C_T自减，C_T值为0时代表信道检测阶段结束；如果其中某一次检测到信道为繁忙时，认为当前有其他节点正在通信，需要进行下一次退避过程，直到退避次数k大于最大尝试次数；当全部检测都显示信道为空闲时，则代表该节点可以进行发送唤醒请求的操作；

每次成功传输数据或达到重传次数上限时，记录当前的退避次数和退避指数，并使用近几次发送数据的退避次数通过加权算法计算出W_k；并且当终端节点的唤醒收发器WuR之前收到过其他节点的唤醒信息时，标识符置1，表示当前有其他节点正在传输数据，以增加退避时间；考虑对历史传输数据所用的退避次数进行加权计算，由此得到公式：

W_k＝θ₁k₁+θ₂k₂+θ₃k₃+θ₄k₄+θ₅k₅

其中，下标数字越小表示时间离当前的时间越近，θ表示每个退避次数的加权因子系数，W_k表示历史加权退避次数。