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专利号: 2019105103399
申请人: 曲阜师范大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的实现方法包括:

采用预约通信机制,通过让其余待发节点向当前发送节点传输控制帧,然后让当前发送节点把其余待发节点的地址添加到数据包中来预约它们共同的接收节点,从而让接收节点可以在完成当前通信后按需进行唤醒等待;

采用自适应传输机制,让接收节点收到来自其它节点的数据包后,根据其内部消息队列的拥塞情况自适应地保持唤醒,然后直接向它的下一跳节点发送前导帧,以尽快地转发自己内部的消息;

采用节点失效通知机制,通过发送节点获取失效通知、接收节点发送失效通知和邻居节点发送失效通知相结合的机制,提高网络的通信效率。

2.根据权利要求1所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的节点进行预约通信的过程包括以下步骤:S1:网络中的节点采用异步唤醒的方式,即节点按照自己的侦听/睡眠调度表进行侦听和睡眠,发送节点包括第一类发送节点、第二类发送节点和第三类发送节点;

S2:若第一类发送节点有数据要向目标节点进行传送,当第一类发送节点唤醒且侦听到信道空闲时,则发送一系列短的P前导帧,以便第一类发送节点可以一直获得信道占用权且等待目标节点的唤醒,同时第一类发送节点初始化其内部的PreP计数器为0;

S3:若第二类发送节点唤醒后侦听到了第一类发送节点发送的P前导帧,且发现帧中目标节点的地址与自己内部待发消息的目标节点地址相同时,则第二类发送节点在侦听到前导帧之后的第一个时间间隔内给第一类发送节点发送一个PreP帧,用于通知第一类发送节点它也要传输消息给目标节点,然后第二类发送节点将保持唤醒以等待第一类发送节点的回复消息;

S4:当第二类发送节点侦听到第一类发送节点回复的PrP帧时,则第二类发送节点根据PrP帧中PreP字段的值计算自己的随机退避时间并设置自己的NAV值,然后进入睡眠状态,直到NAV值减为0时唤醒;

S5:当目标节点由睡眠状态转入唤醒状态,侦听到第一类发送节点发送的P前导帧时,则立即回复一个ACK确认帧,以便与第一类发送节点建立握手,并初始化其内部的PreP计数器为0;

S6:第一类发送节点收到目标节点的ACK帧后,立即将添加有向第一类发送节点发送PreP帧节点地址的DATA帧传输给目标节点,且将第一类发送节点的PreP计数器清零;

S7:当目标节点收到第一类发送节点发送的DATA帧后,回复一个ACK帧给第一类发送节点进行接收确认,并且目标节点会把DATA帧中的数据消息放入自己内部的消息队列中,同时目标节点把DATA帧中其余待发节点的地址添加到目标节点内部的预约通信表中,并将其PreP计数器的值设置为预约通信节点的个数;

S8:当第一类发送节点与目标节点通信结束后,目标节点会保持唤醒一段时间,以等待第二类发送节点及其它待发节点向其传输消息;

S9:若第二类发送节点唤醒后侦听到信道此时正忙,则节点会持续保持侦听,等待信道由忙变为空闲时再给目标节点发送PP帧,若第二类发送节点唤醒后侦听到信道空闲,则第二类发送节点向目标节点发送PP帧;

S10:若第三类发送节点唤醒后侦听到第二类发送节点发送的PP帧,且发现帧中目标节点的地址与自己内部待发消息的目标节点地址相同时,则第三类发送节点在侦听到PP帧之后将保持唤醒以等待目标节点给第二类发送节点发送的回复消息。

3.根据权利要求2所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的节点进行预约通信的过程还包括以下步骤:S11:当目标节点接收到第二类发送节点发送给目标节点的PP帧时,将其PreP计数器的值减1,并将该第二类发送节点从目标节点内部的预约通信表中删除,并回复一个PACK帧给第二类发送节点,以便与第二类发送节点建立握手,同时该PACK帧可以告知拟向该目标节点发送消息的其它发送节点,该目标节点预约通信列表中剩余待通信节点的个数;

S12:第三类发送节点侦听到目标节点给第二类发送节点发送的PACK帧后,根据帧中的PreP值计算自己的随机退避时间并设置自己的NAV值,然后进入睡眠状态,直到NAV值减为0时唤醒;

S13:若第二类发送节点向目标节点发送一系列的PP帧,但一直没有收到目标节点的PACK回复帧时,则第二类发送节点根据节点失效通知机制判断目标节点是否已失效,并进行相应地操作;

S14:第二类发送节点收到目标节点的PACK帧后,向目标节点传输DATA帧;

S15:目标节点接收到来自第二类发送节点的DATA帧后,回复一个ACK帧给第二类发送节点进行接收确认;

S16:目标节点与第二类发送节点通信完毕后,目标节点查看自己节点内部的预约通信表是否还有其它预约通信的节点,若有,则继续处于唤醒状态,以等待预约通信列表中的待发节点向其传输消息,若预约通信表空,则目标节点会继续唤醒一段时间,等待其它未在预约通信列表中的待发节点向其传输消息;

S17:目标节点在接收完来自预约通信表中其它节点的消息后,若在继续唤醒的时间内没有收到其它未在预约通信列表中的待发节点发送的消息时,则目标节点会根据自适应传输机制向它的下一跳节点传输消息;

S18:若第三类发送节点唤醒后侦听到信道此时正忙,则节点会持续保持侦听,等待信道由忙变为空闲时再给目标节点发送PP帧,若第三类发送节点唤醒后侦听到信道空闲,则第三类发送节点向目标节点发送PP帧,其后第三类发送节点与目标节点的通信过程同第二类发送节点与目标节点的通信过程。

4.根据权利要求2所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的当第一类发送节点侦听到来自第二类发送节点的PreP帧后,包括以下步骤:S21:第一类发送节点将自己内部的PreP计数器加1,PreP计数器记录了想要给目标节点传输消息的其余待发节点的数量,PreP的当前值记录了待发节点是第几个给第一类发送节点发送Prep帧的节点;

S22:第一类发送节点发送一个PrP帧,既能作为给第二类发送节点的回复消息以通知给第二类发送节点它在预约通信列表中的次序,又能作为前导帧发送给目标节点以等待目标节点的唤醒;

S23:第二类发送节点根据接收的PrP帧中返回的计数器的值为自己计算一个随机退避时间,以让第二类发送节点在第一类发送节点与目标节点通信时先进入睡眠状态,节省能耗;

S24:第一类发送节点把第二类发送节点以及其余向第一类发送节点发送PreP帧的节点的地址添加在DATA帧中;

其中,第二类发送节点以及其它待发送节点计算随机退避时间的公式如下所示:

BackTime=INT(random()*SleepTime)+i*durDATA

其中INT表示取整数,random()表示(0,1)之间的一个随机小数,SleepTime表示节点的睡眠周期长度,i表示第二类发送节点以及其它待发送节点收到的PrP帧或PACK帧中PreP字段的值,durDATA表示传输一个DATA帧的时间。

5.根据权利要求1所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的预约通信机制中控制帧包括:P前导帧,PP帧,ACK帧,PACK帧,PreP帧,PrP帧以及PF帧。

6.根据权利要求1所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的自适应传输机制具体包括以下步骤:S31:当L>=Lthd时,表示当接收节点收到来自其它节点的数据后,此时它内部消息队列中缓存的数据较多,即拥塞情况比较严重,则接收节点需要保持唤醒且占用信道直接向它的下一跳节点发送一系列的P前导帧,等待其下一跳节点的唤醒,以尽快转发自己内部的数据;

S32:当L<Lthd时,表示当接收节点在收到来自其它节点的数据后,此时它内部消息队列中缓存的数据较少,即拥塞情况一般,则接收节点可以立即睡眠,然后等到它下一个唤醒周期到来时再向它的下一跳节点转发消息;

其中:L为节点内部消息队列长度参数,Lthd为让接收节点判断是否在接收完数据包后立即向它的下一跳节点发送前导帧的阈值。

7.根据权利要求1所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的节点失效通知机制包括发送节点获取失效通知的机制、接收节点发送失效通知的机制和邻居节点发送失效通知的机制。

8.根据权利要求7所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的发送节点获取失效通知的机制包括:若发送节点在本周期内发送前导帧的总时间已经大于接收节点的睡眠周期,但一直没有收到任何的回复消息时,此时发送节点会立即停止发送前导帧,然后进入睡眠状态,等待下一个唤醒周期到来时继续向接收节点发送前导帧;当发送节点已在它的3个唤醒周期内向接收节点发送前导帧却仍没有收到回复时,发送节点把接收节点的地址添加到自己内部的节点失效表中,同时,发送节点会立即查看路由表中是否还有其它的接收节点,若有则选择向另一个接收节点传输消息。

9.根据权利要求7所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的接收节点发送失效通知的机制包括:当接收节点内部的消息队列为空且电池能量即将消耗殆尽时,则接收节点会立即唤醒,且无论信道忙还是空闲,接收节点都会连续不间断的广播一个MTE帧,直到节点失效时为止;若其它节点唤醒后侦听到MTE帧时,则把MTE帧中节点的地址保存在自己内部的节点失效表中,且以后不再向此节点发送任何消息。

10.根据权利要求7所述的低延迟高吞吐量的异步ALT-MAC协议的实现方法,其特征在于:所述的邻居节点发送失效通知的机制包括:在发送节点发送前导帧的过程中,若其它邻居节点唤醒且侦听到了前导帧,则邻居节点立即查看自己内部的节点失效表中是否包含前导帧中接收节点的地址,若包含则邻居节点会在侦听到前导帧后的第一个时间间隔内给发送节点发送一个NTE帧;当发送节点接收到该NTE帧时,则立即停止向接收节点发送前导帧,且把接收节点的地址保存到自己内部的节点失效表中;同时,发送节点会立即查看路由表中是否还有其它的接收节点,若有则选择向另一个接收节点传输消息。