一种太赫兹协议中随机接入竞争窗口确定算法

1.本发明涉及通信技术领域，是一种针对太赫兹协议中随机接入竞争窗口确定算法。


背景技术：

2.当前太赫兹通信协议中，在竞争窗口的选择方面，主要采用cama/ca机制的beb（binary exponential backoff）二进制指数退避算法。先在最小竞争窗口内选择退避窗口数值，当发生传输碰撞后，增大竞争窗口，并在更大竞争窗口范围内选择退避窗口。这种模式初始阶段的碰撞概率是最大，对于高负载情况下的网络冲突和重传问题没有很好的解决。而且，由于ieee 802.15.3c协议中信道访问期（cap）的长度是预先确定的，二进制退避算法在重传后退避窗口呈指数增长的特性，使得所选择的退避时隙较大,导致在确定窗口内传输受到限制。
3.在ieee 802.15.3c标准中，mac层采用超帧结构来组织信道占用的时间分配，，其中超帧结构主要由三部分构成，信标时期（beacon period）、cap时期（contention access period）、ctap时期（contiguous time allocation period）。在信标时期，pnc（piconet coordinator）发送信标帧（beacon frame），它包含网络的重要信息，终端设备（device）通过接收信标帧来同步自己的时钟，并获取网络的相关信息，在cap时期，终端设备向pnc发送时隙请求命令，请求获得时隙分配在ctap时期用于数据传输，在ctap时期，如果设备获得了时隙分配，在ctap时期可以进行数据传输。
4.终端设备接收到pnc发送的信标帧后，它可以从信标帧中获取有关超帧结构和通信参数的信息，这些信息可以用于确定cap的长度。然而，由于cap的长度被确定，节点在该超帧的cap内完成所有的退避过程时会面临一些问题，特别是涉及到beb（binary exponential backoff）算法。在高负载情况下，例如节点数量增多或数据量增加时，退避冲突的概率会增加。这可能导致更多的碰撞和时延。然而，由于超帧结构的限制，部分节点可能无法在该超帧的cap内完成退避过程。
5.现有的优化方案，一般采用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cw等)来实现优先级调度策略从而达到区分服务。随着网络负载的不断增大，这种优先级调度策略没有展现很好的鲁棒性，简单变化的三个参数限制了节点进行信道接入的效率，使得网络冲突、重传的概率升高，导致节点发包失败，造成网络堵塞。


技术实现要素：

6.基于ieee 802.15.3c协议，基于cap超帧结构，本发明分析给出两种竞争窗口确定算法，分别为剩余cap确定竞争窗口算法和剩余竞争窗口叠加算法。
7.剩余cap确定竞争窗口算法主要包括如下步骤：
8.step1、节点确定竞争窗口数值w等于cap长度数值cap
slot
；
9.step2、节点在（0，w-2）范围内随机选择退避时隙s，通过预留2个时隙来确保ack帧的传输可靠性，然后启动退避时隙递减过程，当退避时隙数值递减到0，节点启动数据传输；
10.step3、当节点判断自身数据传输发生碰撞，并且 (w-s)大于2，则节点确定竞争窗口数值w=(w-s-2)，然后转入step2。
11.剩余竞争窗口叠加算法主要包括如下步骤：
12.step1、根据传输次数n和cap时隙长度cap
slot
确定时隙长度w
l
=cap
slot
/n，令 w=w
l
，退避时隙叠加值s
total
=0；
13.step2、节点在（0，w-2）范围内随机选择退避时隙s，通过预留2个时隙来确保ack帧的传输可靠性，令s
total = s
total + s，并启动退避过程；
14.step3、当节点在第i次传输过程中判断发生碰撞，若i小于n，节点确定竞争窗口数值w=（w
l
*（i+1）-s
total-2i），然后转入step2。
15.本发明的特点及有益效果。
16.本发明中，剩余cap确定竞争窗口算法，通过初始竞争窗口采用cap数值，达到最大窗口范围，节点在该窗口范围内选择退避时隙，并在传输碰撞后选择剩余cap数值作为竞争窗口，这种模式最大限度地降低了初始碰撞概率，最大限度保证了在该时期内数据发送给目标节点。剩余竞争窗口叠加算法，针对固定竞争窗口范围的模式，剩余竞争窗口叠加算法通过将此次固定竞争窗口范围叠加上次未用竞争窗口时隙数量，确定新的竞争窗口大小，进而确定退避窗口数值，该方法降低了碰撞概率，并提高了数据成功发送的概率。
附图说明
17.图1为ieee 802 .15 .3c超帧结构示意图；
18.图2为剩余cap确定竞争窗口算法示意图；
19.图3为剩余竞争窗口叠加算法示意图；
实施方式
20.基于ieee 802.15.3c中的超帧结构，剩余cap确定竞争窗口算法具体包括以下步骤：
21.step1、pnc向所有devs发送一个信标, 用于确定收到信标的 devs 的 cap 长度；
22.step2、节点确定竞争窗口数值w等于cap长度数值cap
slot
。
23.step3、节点在（0，w-2）范围内随机选择退避时隙s，通过预留2个时隙来确保ack帧的传输可靠性，然后启动退避递减过程，当退避时隙数值递减到0，节点启动数据传输；
24.step4、在退避过程中对信道进行cca检测，若当前信道检测空闲，则退避时隙数值s的长度自减1，并判断退避时隙s的长度的值是否为零，若为零，竞争信道成功，节点获得信道的使用权，否则再次进行信道检测，若信道检测为忙碌，执行step5；
[0025] step5、退避时隙s自减暂停，并对信道进行cca检测，当信道检测出一个完整帧间间隔的空闲时间后，s恢复自减过程，并执行step4；
[0026]
step6、节点在发送帧后，若节点未收到确认帧，推断出发生了碰撞，这时节点进行需要从新发送数据，执行step7；
[0027]
step7、判断（w-s）是否大于2，若是，节点确定竞争窗口数值w=(w-s-2)，执行
step3，否则数据帧发送失败；
[0028]
step8、当重传次数i达到最大重传次数时，该数据帧发送失败，算法终止。
[0029]
剩余竞争窗口叠加算法具体包括以下步骤：
[0030]
step1、pnc向所有devs发送一个信标, 用于确定收到信标的 devs 的 cap 长度；
[0031]
step2、根据传输次数n和cap时隙长度cap
slot
确定时隙长度w
l
=cap
slot
/n，令w=w
l
，退避时隙叠加值s
total
=0；
[0032]
step3、节点在（0，w-2）范围内随机选择退避时隙s，令s
total = s
total + s，并启动退避递减过程，当退避时隙数值递减到0，节点启动数据传输；
[0033]
step4、在退避过程中对信道进行cca检测，若当前信道检测空闲，则退避时隙s的长度自减1，并判断退避时隙s的长度的值是否为零，若为零，竞争信道成功，节点获得信道的使用权，否则再次进行信道检测，若信道检测为忙碌，执行step5；
[0034]
step5、退避时隙s自减暂停，并对信道进行cca检测，当信道检测出一个完整帧间间隔的空闲时间后，s恢复自减过程，并执行step4；
[0035]
step6、节点在发送帧后，若节点未收到确认帧，推断出发生了碰撞，这时节点进行需要从新发送数据，执行step7；
[0036]
step7、当节点在第i次传输过程中判断发生碰撞，若i小于n，节点确定竞争窗口数值w=（w
l
*（i+1）-s
total-2i），然后转入step3；
[0037]
step8、当重传次数i大于n，该数据帧发送失败，算法终止。
[0038]
以上所述仅为本发明比较典型的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种太赫兹协议中随机接入竞争窗口确定算法，基于包含cap（contention access period 争用访问周期）和ctap（channel time allocation period 通道时间分配周期）的超帧结构，其特征在于，运用在cap阶段的剩余cap确定竞争窗口算法和剩余竞争窗口叠加算法两种确定算法。2.根据权利要求1所述的剩余cap确定竞争窗口算法，其特征在于，step1：节点确定竞争窗口数值w等于cap长度数值cap
slot
；step2：节点在 (0,w-2)范围内随机选择退避时隙s，并启动退避时隙递减过程，当退避时隙数值递减到0，节点启动数据传输；step3：当节点判断自身数据传输发生碰撞，并且 (w-s)大于2，则节点确定竞争窗口数值w=(w-s-2)，然后转入step2。3.根据权利要求1所述的剩余竞争窗口叠加算法，其特征在于，step1：根据最大传输次数n和cap时隙长度cap
slot
确定时隙长度w
l
=cap
slot
/n， 令w=w
l
，退避时隙叠加值s
total
=0；step2：第i次传输，节点在（0，w-2）范围内随机选择退避时隙s，令s
total = s
total + s，并启动退避时隙递减过程；step3：当节点在第i次传输过程中判断发生碰撞，若i小于n，节点确定竞争窗口数值w=（w
l
*（i+1）-s
total-2i），然后转入step2。

技术总结
本发明涉及太赫兹通信协议中随机接入竞争窗口确定算法。目前太赫兹协议中IEEE 802.15.3c协议的退避算法是先在最小竞争窗口内选择退避窗口数值，当发生传输碰撞后，增大竞争窗口，并在更大竞争窗口范围内选择退避窗口。这种模式初始阶段的碰撞概率是最大，对于高负载情况下的网络冲突和重传问题没有很好的解决。本发明在CAP阶段中设计剩余CAP确定竞争窗口算法和剩余竞争窗口叠加算法两种确定算法。剩余CAP确定竞争窗口算法通过初始竞争窗口采用CAP数值，并在传输碰撞后选择剩余CAP数值作为竞争窗口，这种模式最大限度地降低了初始碰撞概率，并且最大限度地保证了在该时期内数据发送给目标节点。针对固定竞争窗口范围的模式，剩余竞争窗口叠加算法通过将此次固定竞争窗口范围叠加上次未用竞争窗口时隙数量，确定新的竞争窗口大小，进而确定退避窗口数值，该方法降低了碰撞概率，并提高了数据成功发送的概率。发送的概率。


技术研发人员：蔡银彬 石春 黄子健 黄君珠 阿丽也
受保护的技术使用者：广东技术师范大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/9/25