CN101056230A - 多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，属于无线通信技术领域，尤其涉及无线射频识别技术(RFID)、无线传感器网络。该方法首先在无线动态分布式网络中，按照一定的方式选取若干个主动节点成为临时簇首，根据临时簇首及其相邻的主动节点的通信范围，形成若干个以临时簇首为中心的通信组，在每个通信组中，由临时簇首控制本通信组内主动节点进行通信顺序的预约，得到一个无碰撞的正确通信顺序。各主动节点按照此顺序依次与被动节点通信，从而达到消除相互间干扰的目的。

Description

多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及无线射频识别技术(RFID)、无线传感器网络，是一种无线动态分布式网络中相邻主动节点信息的防碰撞通信方法。

背景技术

在当今无线通信领域有一类无线通信系统日益引起大家的关注，称之为无线动态分布式网络。与传统固定拓扑的中心控制式网络不同，这样的网络拓扑结构动态改变，是一种自组织无线分布式的网络。典型的代表有无线射频识别技术(RFID)、无线传感器网络以及各类低速短距离无线局域网络。

在无线动态分布式网络中，节点可分为主动节点和被动节点两类，其中主动节点通过无线网络与其所控制的被动节点通信。当网络规模较大，网络节点较密时，各主动节点所控制的被动节点范围通常会有一定的交叠。如果多个主动节点同时与其控制的被动节点通信时，相邻主动节点的信号就会在交叠区域内产生相互干扰。这样一来，交叠区域内的被动节点在一段时间内无法与任何主动节点通信，这称为无线动态分布式网络中的多中心信息碰撞问题。因此无线动态分布式网络在工作时，需要有相应的防碰撞机制来避免主动节点之间的信号干扰，协调多个主动节点与被动节点的通信。

目前国际上通信领域中对多个主动节点间的信息防碰撞方法研究尚处于起步阶段，现有的成果主要集中在无线射频识别领域。较为典型的有基于染色原理的Colorwave协议和基于控制信道侦听的PULSE协议。其中Colorwave协议将时间划分成很多阅读时隙，不同的时隙被抽象成了不同的颜色，为相邻主动节点分配时隙的过程就变成了对一定拓扑结构内的节点进行染色的问题。Colorwave协议的主要问题是需要全网的主动节点进行同步，并且当一个主动节点改变颜色时，可能会导致全网的颜色变化，大量消耗系统的功率和资源。而PULSE协议则增加了一个控制信道，以不间断发送信标帧的方式通知周围主动节点，从而避免了主动节点间信息的碰撞。PULSE协议不需要对被动节点做任何改动，但其增加的控制信道会占用系统额外的频率资源，同时在控制信道不断的发送信标帧，也会消耗主动节点更多的能量。

综上所述，当网络存在多个主动节点，而每个主动节点要与其所控制区域内被动节点通信时，各个主动节点之间信号相互碰撞成为亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明致力于提供一种多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其步骤包括：

1、在无线动态分布式网络中，按照一定的方式选取若干个主动节点成为临时簇首，根据临时簇首及其相邻的主动节点的通信范围，形成若干个以临时簇首为中心的通信组；

2、在通信组内，临时簇首发起一个预约，通知通信组内的主动节点在一定的范围内预约自己的通信顺序，临时簇首根据各主动节点的预约情况，添加上自己的通信位置，安排一个无碰撞的通信顺序；

3、根据上述通信顺序，临时簇首依次安排通信组内的主动节点进行通信；

4、当完成步骤3后，临时簇首检测通信组内是否还存在未进行通信的主动节点，如果存在，重复步骤2，3，直至通信组内的全部主动节点均进行了通信为止。

选取主动节点成为临时的控制中心-临时簇首，而其他的主动节点成为受控主动节点，其中，通过竞争方式成为临时簇首的具体步骤如下：

(1)无线动态分布式网络中多个主动节点，通自由竞争的方式，如CSMA(载波侦听多路访问)，竞争通信组的临时簇首；

(2)首先竞争成功的主动节点成为通信组的临时簇首，临时簇首发送消息通知周围主动节点确立其簇首地位；

(3)未能成功竞争到簇首的主动节点接收到临时簇首的通知消息后，成为通信组的受控主动节点，受控于临时簇首。

在无线动态分布式网络中，还可以根据主动节点的通信范围和能量的大小，指定临时簇首。

在通信组内，临时簇首发起一个预约，通知各受控主动节点在一定的范围内预约自己的通信顺序。临时簇首发起的预约可以采用基于时分多址的时隙预约方式、基于频分多址的频率预约方式或基于码分多址的码字预约方式。

根据各受控主动节点的预约情况，临时簇首可以得到一张预约反馈表；生成预约反馈表的具体步骤如下：

(1)临时簇首通过发送预约命令通知其控制通信组内的受控主动节点预约自己的通信顺序，预约的选择范围参数随预约命令一同发送；

(2)受控主动节点接收预约命令，在给定的预约选择范围内随机选择一个预约号返回给临时簇首；

(3)临时簇首通过检测给定预约范围内的各个受控主动节点的预约情况，形成一张预约反馈表。

临时簇首根据预约反馈表的信息将预约成功的受控主动节点挑选出来，依次顺序排列，得到一个预约成功的受控主动节点的通信顺序。

临时簇首发起一次预约，得到部分的成功预约主动节点后，可以再次进入预约程序，直到通信组中所有的主动节点都预约成功；或临时簇首发起一次预约，得到部分的成功预约主动节点后，直接排列通信顺序。

临时簇首按照通信顺序安排主动节点的通信，有两种方式可以选择：

1)按照该通信顺序，在每个主动节点进行通信开始时刻，发送命令启动通信过程。主动节点在收到通信起始命令后开始通信。通信完成时，主动节点向临时簇首发送消息确认此次通信完成。

2)按照该通信顺序，临时簇首也可以将无碰撞的通信顺序发送给受控主动节点，受控主动节点按照该通信顺序各自进行通信。

临时簇首在安排预约成功主动节点进行通信后，检测通信组内是否还有未进行通信的主动节点，其具体步骤包括：

(1)临时簇首根据预约反馈表中的主动节点预约情况，判断通信组内是否仍存在没有进行通信的主动节点；

(2)如果存在，则临时簇首继续安排主动节点进行预约，排列一个通信顺序，按照通信顺序，安排预约成功的主动节点与被动节点的通信；

(3)如果不存在，结束整个通信过程。

本发明提出的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法具有以下的特点：

1)本发明合理安排了各主动节点的通信顺序，完全避免了多主动节点进行通信时主动节点之间的信息碰撞；通过临时簇首发起预约和重新调整主动节点通信顺序的过程，明显提高了无线动态分布式网络的通信效率；

2)通过各主动节点在临时簇首安排下的顺序通信过程，大大节省了系统的频率资源和功率消耗；

3)主动节点间只需要在通信组内进行同步，无需对现有无线动态分布式网络的硬件设备做出改动，更容易实现；

4)控制下的无线动态分布式网络扩展性好，健壮性强。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明通信组的临时簇首H产生阶段流程图；

图3为本发明主动节点的预约和重排阶段流程图；

图4为本发明主动节点和被动节点通信阶段流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明是多中心无线动态分布式网络的信息防碰撞通信方法，尤其适用于无线射频识别技术(RFID)和无线传感器网络，该方法具体步骤为：按照一定的方式选取若干个主动节点成为临时簇首，根据临时簇首及其相邻的主动节点的通信范围，形成若干个以临时簇首为中心的通信组，在每个通信组中，由临时簇首H控制本通信组内主动节点进行通信顺序的预约，得到一个无碰撞的正确通信时隙顺序。各主动节点按照此顺序依次与被动节点通信，从而达到消除相互间干扰的目的。参考图1，整个读取过程可划分为：A-临时簇首的产生，B-主动节点通信时隙的预约重排，C-主动节点与其控制的被动节点通信三个阶段。这种方法可以有效的协调在同一干扰区域内的多个主动节点有序与被动节点进行通信，减少由于主动节点间信道竞争所带来的资源浪费，大大提高了系统的读取效率，明显降低了系统的功率消耗。

下面详细介绍三个阶段的操作步骤：

一、参考图2，临时簇首H的产生阶段包括步骤：

1、各主动节点首先采用自由竞争的方式，获取信道竞争临时簇首。如采用如CSMA(载波侦听多路访问)方法，其过程为：主动节点首先侦听信道，发现信道空闲后，随机等待一段时间，发送簇首竞争命令。如多个主动节点同时发送此命令，则命令发生碰撞，所有主动节点重新侦听信道，直到某个主动节点竞争临时簇首成功。

2、成功成为通信组临时簇首的主动节点H，通知通信组内的其他主动节点，并负责控制他们在后续阶段的活动。

3、未能成为临时簇首的其他主动节点收到临时簇首H发送的通知信息后，终止对信道的侦听，成为通信组内的受控主动节点，受控于临时簇首H。

当此阶段结束后，网络内存在三类节点：成为临时簇首的主动节点H，受控于H的受控主动节点，受控于各主动节点的被动节点。

二、主动节点读取时隙的预约和重排阶段

临时簇首H控制通信组内的受控主动节点预约各自的读取时隙，并调整预约时隙的位置，得到各主动节点的通信顺序，其流程如图3所示。

1、临时簇首H发送预约起始命令通知簇内所有的受控主动节点开始时隙预约过程，预约时隙的选取范围R随此命令一同发送。

2、各受控主动节点接收临时簇首的预约起始命令，在范围R内随机选择一个数值Si作为自己的返回时隙号。

3、各受控主动节点将选取的时隙号信息Si返回给临时簇首H，返回的方法可以是在选取时隙到来时，主动节点发送自己的预约响应帧给临时簇首H。

4、临时簇首H检测本通信组内主动节点返回的各个时隙预约情况，没有主动节点选择的时隙，我们称之为‘空时隙’；只有一个主动节点选择的时隙，我们称之为“正确时隙”；两个及两个以上主动节点选择的时隙，我们称之为“碰撞时隙”。

5、临时簇首H根据预约信息生成一个当前通信组内主动节点的时隙预约表A，临时簇首H将表A中的正确时隙全部选出，顺次重新排列，形成一个预约成功的主动节点的正确通信顺序。

6、临时簇首H在正确通信顺序中添加一个自己的读取位置，最终形成完整的主动节点正确通信顺序。

临时簇首的预约可以进行一次，得到部分成功预约的主动节点，进入后续过程。也可以进行多次，使得通信组内所有主动节点全部预约成功后，再进入后续过程。

临时簇首安排自己通信位置的方式有多种，可以安排在预约成功节点通信顺序之前，之后，之中，只要任何可以正确通信的位置均可。

当此阶段结束后，网络内的受控主动节点可以分为两类：预约成功的主动节点和未预约成功的主动节点。前者可以在临时簇首的控制下和被动节点进行通信，而后者则需等待在下次的预约过程中，再进行读取时隙的预约。

三、主动节点与其控制的被动节点通信阶段

临时簇首H控制预约成功的各主动节点按照上一阶段获得的正确通信顺序依次与其控制的被动节点进行通信，以避免各主动节点间相互信号的干扰，其工作流程图如图4所示。

1、临时簇首H按照上一阶段获得的本轮成功预约主动节点的正确通信顺序，依次向各主动节点发送读取开始命令，当前主动节点预约时隙序号Si随同此命令一同发送。

2、同一通信组内的主动节点接收读取开始命令后，解调当前主动节点的预约时隙序号Si，判断当前时隙是如果是自己的读取时隙，则开始与其控制的被动节点通信。通信完成后，主动节点向临时簇首H返回一个确认命令，标志当前主动节点通信过程结束。

3、临时簇首H收到确认命令后，继续发送给下一个主动节点的读取开始命令，重复步骤1，2，直至本轮预约成功的全部主动节点完成与其控制的被动节点通信为止。

4、当本轮所有主动节点完成与其控制的被动节点通信后，如在本轮的时隙预约表A中仍存在碰撞时隙，说明通信组内还存在未与被动节点通信过的主动节点，需要进行新一轮的主动节点预约，重排以及与被动节点通信过程，直至通信组内的所有主动节点均完成与所控制被动节点通信的操作为止。

临时簇首控制主动节点通信的方法可以有多种，可以在整个通信过程开始时刻，发送通信顺序给各个主动节点，主动节点按此顺序依次通信。也可以在每个主动节点通信时刻到来时，发送命令启动其通信过程，主动节点在每次通信结束后发送确认信息给临时簇首。

综上所述，本发明公开了一种多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (10)

1、一种多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其步骤包括：

(1)在无线动态分布式网络中，按照一定的方式选取若干个主动节点成为临时簇首，根据临时簇首及其相邻的主动节点的通信范围，形成若干个以临时簇首为中心的通信组；

(2)在通信组内，临时簇首发起一个预约，通知通信组内的主动节点在一定的范围内预约自己的通信顺序，临时簇首根据各主动节点的预约情况，添加上自己的通信位置，安排一个无碰撞的通信顺序；

(3)根据上述通信顺序，临时簇首依次安排通信组内主动节点进行通信；

(4)当完成步骤3后，临时簇首检测通信组内是否还存在未进行通信的主动节点，如果存在，重复步骤2，3，直至通信组内全部主动节点进行了通信为止。

2、如权利要求1所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：通信组内的主动节点是与被其控制的被动节点进行通信。

3、如权利要求1所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤1进一步包括：

(1)无线动态分布式网络中多个主动节点，通过自由竞争的方式，竞争临时簇首；

(2)竞争成功的主动节点成为临时簇首，临时簇首发送消息通知周围主动节点确立其簇首地位；

(3)接收到临时簇首通知消息的主动节点，成为通信组的受控主动节点，受控于临时簇首。

4、如权利要求1所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤1进一步包括：

(1)无线动态分布式网络中，根据主动节点的通信范围和能量的大小，指定临时簇首；

(2)指定的主动节点成为临时簇首后，发送消息通知周围主动节点确立其簇首地位；

(3)接收到临时簇首通知消息的主动节点，成为通信组的受控主动节点，受控于临时簇首。

5、如权利要求1、2、3或4所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤2进一步包括：

(1)临时簇首发送预约命令通知通信组内的受控主动节点预约自己的通信顺序，预约的选择范围参数随预约命令一同发送；

(2)受控主动节点接收预约命令，在给定的预约选择范围内随机选择一个预约号返回给临时簇首；

(3)临时簇首根据返回的受控主动节点的预约情况，形成一张本次预约的反馈表；

(4)临时簇首按照预约反馈表排列预约成功的主动节点的通信顺序。

6、如权利要求1、2、3或4所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤2进一步包括：

(1)临时簇首发送预约命令通知通信组内的受控主动节点预约自己的通信顺序，预约的选择范围参数随预约命令一同发送；

(2)受控主动节点接收预约命令，在给定的预约选择范围内随机选择一个预约号返回给临时簇首；

(3)临时簇首根据返回的受控主动节点的预约情况，形成一张预约反馈表；

(4)临时簇首根据预约反馈表中的主动节点预约情况，判断预约反馈表中是否还存在主动节点的预约发生碰撞；

(5)如果存在，临时簇首继续安排主动节点进行下一轮预约，直到所有主动节点的预约均成功为止；

(6)临时簇首按照多次的预约反馈表排列所有主动节点的通信顺序。

7、如权利要求1或2所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤3进一步包括：

(1)临时簇首按照无碰撞的通信顺序，在每个主动节点进行通信开始时刻，发送命令启动通信过程；

(2)主动节点在收到通信起始命令后，开始进行通信，通信完成时，主动节点向临时簇首发送消息确认此次通信完成。

8、如权利要求1或2所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤3进一步包括：

(1)临时簇首将无碰撞的通信顺序发送给受控主动节点；

(2)受控主动节点按照该通信顺序各自进行通信。

9、如权利要求5所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：步骤4进一步包括：

(1)临时簇首根据预约反馈表中的主动节点预约情况，判断通信组内是否仍存在没有进行通信的主动节点；

(2)如果存在，则临时簇首继续安排主动节点进行预约，排列一个通信顺序，按照通信顺序，安排预约成功的主动节点进行通信；

(3)如果不存在，结束整个通信过程。

10、如权利要求1或2所述的多中心无线动态分布式网络信息防碰撞通信方法，其特征在于：临时簇首发起的预约采用基于时分多址的时隙预约方式、基于频分多址的频率预约方式或基于码分多址的码字预约方式。

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