一种基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法与流程
本发明属于分布式计算领域，更具体地，涉及一种基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法。
背景技术：
分布式计算研究对于无线网络的发展发挥着日益重要的作用。分布式计算具有局部运行和并行运行的特性，其中，局部运行特性表现为局部通信、局部协调和局部计算，且无需全局信息，可极大降低网络的通讯负载和运行成本；并行运行特性则可加速网络任务的完成、提高网络运行效率。因此，分布式计算被广泛应用于物联网、传感器网络等大规模无线网络中。
随着无线网络的发展，为了克服无线网络中分布式计算设计和分析需要考虑干扰而产生的复杂化问题，并解决分布式计算设计对干扰模型的依赖，mit的分布式计算领域权威学者nancylynch教授等人于2009年提出“抽象媒体访问控制层”(theabstractmaclayer，absmac)概念，在网络物理层和应用层之间加入抽象媒体访问控制层，由该控制层处理无线干扰、传输冲突、信道竞争等通信因素，提供稳定可靠的局部广播传输并反馈给应用层完成局部广播传输的时间。抽象媒体访问控制层的引入使得应用问题的分布式计算无需直接处理网络物理层的通信因素，从而摆脱了对具体网络和干扰模型的依赖，简化算法的设计和分析。抽象媒体访问控制层根据具体应用的传输要求，定义了两种需要完成的局部广播：(1)单传输局部广播，要求节点在一定时间内能够成功收到一条邻居节点的消息；(2)全邻域局部广播，要求节点可以收到所有邻居节点的消息。
在单跳网络中发送节点和接收节点距离为一跳。在多跳网络中发送节点发送的消息可能会经过中间的一些中继节点传递到一跳以外的区域，使得对信息传递的分析变得复杂，相应的局部广播方法也会变得更为复杂。
目前，基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法主要考虑的干扰模型分为两类，一类是基于图干扰模型，一类是基于物理干扰模型。这两类干扰模型都只考虑了同时传输消息的节点之间产生的相互干扰，或环境固有的基础噪声干扰，却没有考虑环境因素导致的某个区域产生的不确定性的阻塞情况。此外，应用于多跳网络时，现有的抽象媒体访问控制层的局部广播方法较为复杂。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，其目的在于，在阻塞情况下实现基于抽象媒体访问控制层的局部广播，并降低多跳网络中局部广播的复杂程度。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，用于实现无线网络的局部广播，无线网络中每个节点中维护有一个消息元组，消息元组包括消息发送概率、轮次计数以及阻塞时间窗口；本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，包括：
(1)根据局部广播总轮数确定在当前轮次发送消息的目标网格；
(2)目标网格内的各节点按照其消息元组中的消息发送概率随机发送广播消息，同时所述目标网格内未发送消息的节点接收其邻居节点发送的广播消息；
(3)根据目标网格内广播消息的接收情况调整目标网格内各节点的消息发送概率；
(4)根据阻塞情况调整目标网格内各节点的消息元组，以提高局部广播成功的概率，从而完成当前轮次的局部广播；
其中，广播消息中封装有发送节点的消息元组，网格由无线网络划分而成，每个网格分配有一个标号，标号相同的网格的广播范围互不相交，且在每一个轮次，其中一个标号所对应的所有网格均被确定为目标网格。
本发明通过将无线网络划分为网格，并将每一个轮次的局部广播限定在网格内部，使得局部广播的过程中，各节点只需要根据接收到的局部信息进行本地计算即可完成相应的调整，有效减小了局部广播的计算量；此外，由于具有相同标号的网格的广播范围互不相交，且在每一个轮次，只有一个标号所对应的网格被确定为目标网格，使得网格以tdma的方式进行广播，保证了在多跳网络环境下，每一个目标网格内的节点不会受到其相邻网格内节点的影响，从而使得分析可在单跳环境中进行，有效降低了多跳网络中局部广播的复杂程度。
进一步地，步骤(3)包括：
若目标网格内信道为空，即既没有阻塞，也没有节点发送广播消息，说明了节点的消息发送概率过小，则增大目标网格内各节点的消息发送概率，并将各节点的阻塞时间窗口减1；
若目标网格内信道不为空，且未发送消息的节点成功接收到其邻居节点的广播消息，说明周围节点的消息发送概率过大，则将接收节点的消息元组更新为所接收广播消息中的消息元组；在消息元组更新结束后减小目标网格内各节点的消息发送概率，并将各节点的阻塞时间窗口减1；
若目标网格内信道不为空，且未发送消息的节点未接收到其邻居节点的广播消息，则不调整消息发送概率。
进一步地，步骤(4)包括：
将目标网格内各节点的轮次计数加1；
若轮次计数大于阻塞时间窗口的大小，且节点所属网格内的信道不为空，说明由于节点的消息发送概率过大而导致信道中存在干扰，则减小同一网格内未发送消息的节点的消息发送概率，并重新设置轮次计数为1；
若轮次计数大于阻塞时间窗口的大小，且节点所属网格内的信道为空，说明相比于实际的网络阻塞而言，消息元组中的阻塞时间窗口设置过小，则将阻塞时间窗口的大小增大k，并重新设置轮次计数为1；
若轮次计数不大于阻塞时间窗口的大小，则阻塞时间窗口的大小保持不变；
其中，k为大于或等于1的整数。
根据阻塞情况调整节点的消息元组，尤其是调节节点的消息发送概率，能够保证节点发送广播消息的公平性，使得在存在阻塞的情况下，整个无线网络局部广播的吞吐量性能仍维持在一个较好的水平内。
进一步地，网格的宽度为：
其中，r为节点的广播半径。
进一步地，本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，还包括：
重复执行步骤(1)～(4)直至无线网络中每个节点均接收到一条广播消息；
获得重复执行的轮数t，从而得到抽象媒体访问控制层单传输局部广播的时延为ds＝t。
更进一步地，本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，还包括：
获得无线网络中具有最多邻居节点的节点im，并获得其邻居节点个数δ，从而得到抽象媒体访问控制层全邻域局部广播的时延为df＝δ·t。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，通过将无线网络划分为网格，并将每一个轮次的局部广播限定在网格内部，使得局部广播的过程中，各节点只需要根据接收到的局部信息进行本地计算即可完成相应的调整，有效减小了局部广播的计算量；此外，由于标号相同的网格的广播范围互不相交，且在每一个轮次，只有一个标号所对应的网格被确定为目标网格，使得网格以tdma的方式进行广播，保证了在多跳网络环境下，每一个目标网格内的节点不会受到其相邻网格内节点的影响，从而使得分析可在单跳环境中进行，有效降低了多跳网络中局部广播的复杂程度。
(2)本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，通过节点消息元组中的阻塞时间窗口预测网络阻塞情况，并根据实际阻塞情况实时更新阻塞时间窗口的大小，使得在实现抽象媒体访问控制层的局部广播时能够预测网络阻塞带来的干扰，保证由于阻塞导致信道阻塞时合适地调整节点的消息发送概率，从而提高局部广播成功的概率。
(3)本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，能够获得抽象媒体访问控制层的单传输局部广播时延和全邻域局部广播时延，具有较强的实际应用意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的网格划分示意图；
图2为本发明实施例提供的节点发送范围示意图；
图3为本发明实施例提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法流程图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，用于实现无线网络的局部广播，无线网络中每个节点中维护有一个消息元组，消息元组包括消息发送概率、轮次计数以及阻塞时间窗口；本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，包括：
(1)根据局部广播总轮数确定在当前轮次发送消息的目标网格；其中，网格由无线网络划分而成，每个网格分配有一个标号，标号相同的网格的广播范围互不相交，且在每一个轮次，其中一个标号所对应的所有网格均被确定为目标网格；
在一个可选的实施方式中，网格划分完成后，可对网格进行依次编号，在每一个轮次，可根据标号的顺序采用轮询的方式确定具体的目标网格；
网格的宽度为：
(2)目标网格内的各节点按照其消息元组中的消息发送概率随机发送广播消息，同时目标网格内未发送消息的节点接收其邻居节点发送的广播消息；
广播消息中封装有发送节点的消息元组；
(3)根据目标网格内广播消息的接收情况调整目标网格内各节点的消息发送概率；
目标网格内节点接收广播消息可能存在三种情况：目标网格内信道为空，此时既没有阻塞，也没有节点发送广播消息；目标网格内信道不为空，目未发送消息的节点成功接收到其邻居节点的广播消息，此时，在各接收节点的邻居范围(广播范围)内，有且只有一个节点成功发送广播消息；目标网格内信道不为空，且未发送消息的节点未接收到其邻居节点的广播消息，此时有可能是有多个节点同时发送广播消息而产生干扰，也有可能是由于存在敌手阻塞而导致的；
在一个可选的实施方式中，步骤(3)具体包括：
若目标网格内信道为空，即既没有阻塞，也没有节点发送广播消息，说明了节点的消息发送概率过小，则增大目标网格内各节点的消息发送概率，并将各节点的阻塞时间窗口减1；
若目标网格内信道不为空，目未发送消息的节点成功接收到其邻居节点的广播消息，说明周围节点的消息发送概率过大，则将接收节点的消息元组更新为所接收广播消息中的消息元组；在消息元组更新结束后减小目标网格内各节点的消息发送概率，并将各节点的阻塞时间窗口减1；
若目标网格内信道不为空，且未发送消息的节点未接收到其邻居节点的广播消息，则不调整消息发送概率；
在调整阻塞时间窗口大小时，保证阻塞时间窗口不小于0；
具体地，可分别按照p′＝(1+α)p和p′＝(1-β)p的方式增大和减小消息发送概率，p和p′分别表示调整之前和调整之后的消息发送概率，α和β均为根据经验设定的调整参数；
以上调整节点的消息发送概率的方法中，充分考虑了网络阻塞带来的干扰，使得在网络阻塞导致信道阻塞时能适当调整节点的消息发送概率，从而提高局部广播成功的概率；
(4)根据阻塞情况调整目标网格内各节点的消息元组，以提高局部广播成功的概率，从而完成当前轮次的局部广播；
在一个可选的实施方式中，步骤(4)具体包括：
将目标网格内各节点的轮次计数加1；
若轮次计数大于阻塞时间窗口的大小，且节点所属网格内的信道不为空，说明由于节点的消息发送概率过大而导致信道中存在干扰，则减小同一网格内未发送消息的节点的消息发送概率，并重新设置轮次计数为1；
若轮次计数大于阻塞时间窗口的大小，且节点所属网格内的信道为空，说明相比于实际的网络阻塞而言，消息元组中的阻塞时间窗口设置过小，则将阻塞时间窗口的大小增大k(k≥1)，并重新设置轮次计数为1；
若轮次计数不大于阻塞时间窗口的大小，则阻塞时间窗口的大小保持不变；
根据阻塞情况调整节点的消息元组，尤其是调节节点的消息发送概率，能够保证节点发送广播消息的公平性，使得在存在阻塞的情况下，整个无线网络局部广播的吞吐量性能仍维持在一个较好的水平内。
本发明通过将无线网络划分为网格，并将每一个轮次的局部广播限定在网格内部，使得局部广播的过程中，各节点只需要根据接收到的局部信息进行本地计算即可完成相应的调整，有效减小了局部广播的计算量；此外，由于标号相同的网格的广播范围互不相交，且在每一个轮次，只有一个标号所对应的网格被确定为目标网格，使得网格以tdma的方式进行广播，保证了在多跳网络环境下，每一个目标网格内的节点不会受到其相邻网格内节点的影响，从而使得分析可在单跳环境中进行，有效降低了多跳网络中局部广播的复杂程度。
为获得抽象媒体访问控制层单传输局部广播的时延，本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，还包括：
重复执行步骤(1)～(4)直至无线网络中每个节点均接收到一条广播消息；
获得重复执行的轮数t，从而得到抽象媒体访问控制层单传输局部广播的时延为ds＝t。
为获得抽象媒体访问控制层全邻域局部广播的时延，本发明所提供的基于抽象媒体访问控制层的局部广播方法，还包括：
获得无线网络中具有最多邻居节点的节点im，并获得其邻居节点个数δ，从而得到抽象媒体访问控制层全邻域局部广播的时延为df＝δ·t。
应用实例
根据节点的分布区域和广播半径r，以
在初始时刻，为每一个节点初始化一个消息元组s(p,c,t)，其中，p、c和t分别表示节点的消息发送概率、轮次计数和预估的阻塞时间窗口，阻塞时间窗口以轮次为基本单位；阻塞时间窗口t用于预测网络阻塞情况，轮次计数c则用于辅助判断阻塞时间窗口t与实际的网络阻塞情况是否相符，从而动态地、实时地更新阻塞时间窗口t。如图3所示，局部广播的具体方法包括：
(s1)根据局部广播的总轮数和网格的标号，确定在当前轮次发送消息的目标网格；例如，确定标号为12的网格为目标网格；
(s2)12号网格内的各节点按照其消息元组s中的消息发送概率p随机选择是否发送广播消息，若发送消息，则将其消息元组s广播出去；若不发送消息，则接收其邻居节点发送的广播消息；
(s3)根据12号网格内节点接收广播消息的情况，执行如下操作：
若目标网格内信道为空，即既没有阻塞，也没有节点发送广播消息，说明了节点的消息发送概率过小，则按照p′＝(1+α)p的方式增大目标网格内各节点的消息发送概率，并将各节点的阻塞时间窗口减1；
若目标网格内信道不为空，且未发送消息的节点成功接收到其邻居节点的广播消息，说明周围节点的消息发送概率过大，则将接收节点的消息元组更新为所接收广播消息中的消息元组；在消息元组更新结束后按照p′＝(1-β)p的方式减小目标网格内各节点的消息发送概率，并将各节点的阻塞时间窗口减1；p和p′分别表示调整之前和调整之后的消息发送概率，α和β均为根据经验设定的调整参数；
(s4)将12号网格内各节点的轮次计数c加1；
若c＞t，且节点所属网格内的信道不为空，说明由于节点的消息发送概率过大而导致信道中存在干扰，则减小同一网格内未发送消息的节点的消息发送概率，并重新设置轮次计数为1；
若c＞t，且节点所属网格内的信道为空，说明相比于实际的网络阻塞而言，消息元组中的阻塞时间窗口设置过小，则将阻塞时间窗口的大小增大k(k≥1)，并重新设置轮次计数为1；
若c≤t，则阻塞时间窗口的大小保持不变；
(s5)重复执行步骤(s1)～(s4)直至无线网络中每个节点均接收到一条广播消息；获得重复执行的轮数t，从而得到抽象媒体访问控制层单传输局部广播的时延为ds＝t；
(s6)获得无线网络中具有最多邻居节点的节点im，并获得其邻居节点个数δ，从而得到抽象媒体访问控制层全邻域局部广播的时延为df＝δ·t；
若每个网格均完成一次局部广播，则整个网络的局部广播完成并结束广播，否则，重复执行上述步骤，直至整个网络中基于absmac的局部广播完成。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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