CN101286932A - 无线传感网的多频点通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网的多频点通信方法，其网络节点的工作频点为有关节点ID和当前时间的散列函数，其中散列函数为所有节点所共知，当前时间以节点预先约定的超帧时隙的休眠唤醒周期为单位，当需要建立与某个节点的联系时，节点推算目的节点所在频点，将通信频点切换到目的节点对应频点上即可，较佳的，节点可选择休眠时隙进行频点切换以减小跳频损伤，通过该方法可使节点工作频点分散化，减小节点间干扰，增大传输可靠率，同时通信所需的额外控制开销较小，能较好的优化无线传感网信息传输能效比。

Description

无线传感网的多频点通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别地，涉及一种无线传感网的多频点通信方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，其综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并将该些信息通过无线方式予以发送，同时还能以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通，因此，传感器网络具有十分广阔的应用前景，尤其在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。

目前传感网研究工作基于的物理层大多为单频率通信系统，但随着对传感网研究的深入化，单一频率通信系统在大规模高业务量下性能的局限性愈加明显，多频率系统的优点开始被人们意识到。多频率系统相对单频率系统而言，能更好的降低系统内部干扰，带来系统性能的提升。早期的多频点通信大多采用多个信道的方式，导致节点复杂度和成本上升，尽管在性能上获得了较大的提升，但在以能耗为第一考虑要素的无线传感网中未得到普遍认可。后期的多频点通信大多采用单信道方式，但节点的通信频点在一定范围内可调，典型的如802.15.4标准的物理层，其划分了多个频率不同的信道，该多频点通信方式在物理实现上，在复杂度和功耗上与单信道方式类同，满足无线传感网设计要求。但在802.15.4标准的MAC协议中，同一时间节点仅能工作在某个信道上，未充分发挥其多频点的优势。实际上，多频率系统在其他无线自组网中获得了普遍关注，但还未在传感网中开展大规模研究，如何与无线传感网主流的休眠唤醒机制MAC协议结合是需要考虑的问题。

目前典型的无线传感网MAC协议采用工作休眠机制来优化能耗问题，通过减少无线传感网节点的无效功耗来获得整体网络的能量节省。传感器节点无效功耗主要有以下四个来源：①空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，通信模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能源，这是无效功耗的最主要来源；②冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费；③串扰(overhearing)：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗；④控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的。

Sensor-MAC(S-MAC)是最早引入工作休眠机制来优化能耗问题的MAC协议，较好的考虑了上述四个方面的问题，下面就其主要思想进行介绍。S-MAC将时间分帧(Frame)，帧长度由应用程序确定。帧内分为工作阶段(Listen)和休眠阶段(sleep)，如图所示，在工作阶段，先进行同步(SYNC)后再进行数据发送(DATA Trans)。在2002年版本中，工作阶段持续时间是固定的。2004年版本为了更好地支持数据突发，其将工作阶段改为长度可调。在休眠阶段，节点端关闭射频模块，缓存这期间采集到的数据，在工作阶段集中发送。在工作阶段的开始，节点端发送同步消息，之后通过RTS/CTS/DATA/ACK机制发送数据，避免冲突造成的能量浪费。通过同步消息，相邻节点端可以采用相同的工作/休眠策略，新节点端也可以加入进来，这种方式被称为虚拟簇。S-MAC采用消息传递(message passing)技术，很好地支持长消息发送。对于无线信道，传输差错与包长度成正比，短包成功传输的概率要大于长包，消息传递技术根据这一原理，将长消息分为若干短包，采用一次RTS/CTS握手，集中连续发送全部短包。既可以提高发送成功率，又有效地减少了控制开销。

而对于频点划分能带来的无线传感网性能提升在CSMAC协议中进行了说明。对于CSMAC协议，Bao Hua Li等人考虑了无线传感器网络低数据率应用场景(例如：1-100kbps)下的多址接入问题。在这种应用中，由于数据包较小(如：50字节/包)，采用基于信道竞争的多址接入方式以及RTS/CTS数据包的交互会造成网络吞吐量低，包时延长，控制数据包开销大从而能耗大等不利因素。因此，Bao Hua Li等人考虑了采用DS-CDMA的多址接入方式消除上述不利因素，但DS-CDMA接入方式由于多址接入干扰(Multiple Access Interference，MAI)问题的存在降低了系统吞吐量及增大了传输所需能耗。为了减轻MAI及节约能耗，BaoHuaLi等人设计了一个结合CDMA与FDMA的CSMAC协议，其基本思想是为每个节点端分配一个在邻居节点端中唯一的接收频率，为每一个有向边分配一个单独的PN序列，使其与有公共顶点的相连边具有不同的PN序列。在为每个节点端分配接收频率时，采用了“点着色原理”确保没有相邻顶点有公共接收频率，在为边分配PN序列时，采用了“边着色原理”确保没有相连边有公共PN序列。频率和PN序列在不造成干扰的情况下进行复用。如图所示，采用前述原理对WSN中的节点端A至G分配的PN序列和频点，例如，节点端A分配的频点为f1，节点端B分配的频点为f7，PN序列为PN3，其他各节点端分配的PN序列和频点如图5所示，在此不再一一说明。当一个节点端需要给邻居节点传输数据包时，只需将调整其的发送频率为该邻居节点的接收频率，并采用对应链路的PN序列进行扩频传输。通过频率和PN序列的分配，MAI可以大为减小。经实验表明此通信方式能有效抑止MAI，并在低数据率的应用中获得很好的节能及时延性能。但该通信方式需要对节点的邻近节点进行频率调配，以确保相邻的频点不相同，在控制上耗费较多，特别在节点端位置动态变化的情况下开销较大。

对于频点划分能带来的传输可靠性提升在TSMP(Time Synchronized MeshProtocol)技术中得到了体现，该技术采用频率跳变(Frequency Hopping)技术，指出，该方案极大的增加了有效带宽，对常见的RF干扰具有一定的容忍能力。其具体实施方案为，在加入网络的时候，一个TSMP节点(称为节点C)将发现可行的邻居节点，与在网络中至少两个节点建立通信，称其为父节点A和父节点B，在这个过程中，节点C将从两个父节点A和B处收到同步信息和频率跳变序列。该频率跳变序列是一个所有可能信道的伪随机序列，以802.15.4标准为例，其2.4GHz的ISM频段存在16个信道，则假设该序列为4，15，9，7，13，2，16，8，1等等，节点C从每个父节点处收到一个确切的起始点，当一个新节点加入时，它将该起始点顺次传递给该子节点。这样，在每个时间槽内建立的每对连接可确保工作在不同的信道上。在系统工作时，每个节点-节点间的通信(如C-＞A)是在一个不同频点上的，这样，当一个传输被阻断时，下一个传输将会在一个不同频率的父子节点(C-＞B)间进行，这个结论很简单，但在面对RF干扰时相当有效。在许多通信机制中，恰当地增加不同信道将会提升系统的可通率，在TSMP中，将FHSS机制应用于802.15.4的射频收发模块将有效的增加16倍的带宽。这是因为两对节点在不同频点通信时，即使它们处于彼此的通信范围内，也不会造成互相干扰。相应的，对于数据速率较低的应用而言，这意味着即使主要的频带均受到了RF干扰，信息仍有可能找到适合的信道进行传输。在另一方面，FHSS极大的增强了系统的可靠性。实验表明，1000个TSMP节点可工作在相同的无线电空间，而对彼此的end-to-end可靠性不产生影响。作为对比，密集节点的网络采用类似CSMA的协议时，将会经常性的导致级联碰撞和网络失败。

因此，如何寻求一种与无线传感网工作休眠机制结合的、具有良好抗内部干扰能力、具有拥塞环境下通信能力且控制协议开销小的无线传感网的多频点通信方式实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线传感网的多频点通信方法，以较小的控制开销实现无线传感网内部干扰的减少，实现整体网络能耗的降低。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线传感网的多频点通信方法，包括以下步骤：

(1)物理层支持频点选择方式；

(2)系统建立了工作休眠机制；

(3)在节点建立联系的同时，获知当前节点的ID，并将建立联系的时间设置为起始时间；

(4)某个节点当前所在频率是与节点所在ID和当前时间相关的函数，该函数为所有节点所共知；

(5)若有信息进行发送，节点读取目的节点当前时间下对应频点，据此设置发射频点；若无信息进行发送，则节点处于接收态，此时接收频点设置为节点自身在当下时间下对应频点。

本发明的有益效果是，通过该方法可使节点工作频点分散化，减小节点间干扰，增大传输可靠率，同时通信所需的额外控制开销较小，能较好的优化无线传感网信息传输能效比。

附图说明

图1为S-MAC时隙图，

图2为CSMAC实现示意图，

图3为物理层实现框图，

图4为与休眠唤醒周期协议的结合示意图，

图5为受扰与频率切换示意图，

图6为信道选取随时间变化的情况示意图，

图7为信道选取随节点ID变化的情况示意图，

图8为邻居节点选用频率各不相同的概率示意图，

图9为总信道数与选择不同频点概率的关系示意图，

图10为邻居节点数为6时信道种类分布概率表图。

具体实施方式

在随机布设的无线传感网中，通过预约的方式为随机散布的非规则节点分配通信频点，并不能完全的避免碰撞，且需要较大的协议开销，甚或降低了系统性能。这促使我们从另一个角度考虑，不通过预约方式，而采用收发双方所共知的一种随机时变的频点选择方式，增加频点选择可能性，使碰撞随机化，在具体实现时可与MAC协议无缝结合，使其协议开销最小化。基于上述思想，我们给出与休眠唤醒机制相结合的类跳频频点划分方法。

类跳频频率划分方法的主要思想是：

1、当可用信道数足够多的时候，即使采用随机抽取的方式，相邻节点恰为相同频率的概率也较小，特别相邻节点恰为相同频率且此时有信息发送的概率则更小。故，节点可随机选择其频点，只要知晓目的节点所在频点即可建立通信。

2、但从另一个方面来讲，某种随机选择对于确定的节点而言则是定态，状态长期持续则会对节点通信造成影响。即，假设在抽取频率的时候，恰有某节点的相邻节点与其选择了相同频率，则在第一次通信中被干扰，在第二次通信中仍然被干扰，只要该状态不变，在有信息发送的时候该节点会持续受扰，则该节点的能量耗费及收到干扰的程度会较其他节点大，从而可能导致该节点过早失效。故，采用工作频点按无线传感网工作休眠周期时间节拍变化的方式，其主要目的是提供多次随机选择的机会，从而使受扰分布随机化和均匀化，以降低固定的内部干扰。该方式还在某种意义上为避开外部干扰提供了更多解决方案，对于某些固定路径上的节点在某个通信频点上受扰时，还可采用其他通信频点再次尝试进行信息的传递，从而可增大信息成功传递概率。

基于上述思想，本发明提供的无线传感网的多频点通信方法，包括步骤：

1、物理层支持频点选择方式；

2、系统建立了工作休眠机制；

3、在节点建立联系的同时，获知当前节点的ID，并将建立联系的时间设置为起始时间；

4、某个节点当前所在频率是与节点所在ID和当前时间(以工作休眠机制周期为时间单位)相关的函数，该函数为所有节点所共知；

5、若有信息进行发送，节点读取目的节点(已知节点ID)当前时间(从起始时间开始的休眠唤醒周期)下对应频点，据此设置发射频点；若无信息进行发送，则节点处于接收态，此时接收频点设置为节点自身在当下时间下对应频点。

具体地，

一、物理层设计

WSN节点的物理层具有在一定频带范围内基本的频率选择功能，其结构如图3所示，所述系统架构可分为发射、接收和频点选择控制三部分。其中，频点选择控制部分依据系统需求控制鉴相器(即DDS+PLL)产生频率f，送给发射和接收模块。发射部分将控制模块输入的原始数据经过基带处理后，上变频至频率f，经由RF模块和天线发射。接收部分将天线接收到的信号进行滤波选择、信号放大和下变频(频率f)处理转换为基带信号，解算出原始信号。发射端和接收端不同时工作，二者之间通过电子开关进行切换。

物理层的主要特点在于：

系统的工作频率在一定范围内可调，可根据实际情况选用不同的通信频点。

发射功率在一定范围内可调。

二、频点选择与控制

1)系统工作在典型的休眠唤醒周期协议下，系统的休眠唤醒周期为T，则T为频点切换的最小时间单位，频点切换时间可为m(m为正整数)倍单位时间。如图所示。

2)某个节点当前所在频率是与节点所在ID和当前时间单位相关的函数。

f＝P(G(I，m))

其中，P为散列函数；

G(I，m)为与I及m有关有关的随机函数，其中，

I为节点ID或约定的固定数值，对于每个节点不一样。

m为时间单位，则

其中，

表示对结果进行向下取整；

3)若有信息进行发送，节点读取目的节点当前时间下对应跳频图谱中的频点，据此进行频点设置；若无信息进行发送，则节点处于接收态，此时频点设置为自身在当下时间下对应跳频图谱中的频点。

对上述方式的几点说明：

1)采用与休眠唤醒周期相同的时间同步，跳频时间同步开销可基本等效为休眠唤醒周期同步的时间开销。对于常见的休眠唤醒协议而言，这部分时间开销是必不可少的，因此跳频时间同步并未引入额外的协议开销。

2)从跳频频点的选择上，节点之间并无相应的握手协议。路由建立后，节点即可得知信息传输的目的节点及其ID，从而可通过目的节点的ID、当前时间和跳频图谱计算出当前所在频点，然后将通信频点切换到相应的频点上即可。

3)通过与休眠唤醒协议的结合，能够有效避免跳频损伤。即，频点的切换均在非通信时间段内完成，不会造成系统由于频点切换造成的性能下降。

4)在选择G(I，m)函数时，可以选择对时间变化要求不敏感的函数，可进一步降低对时间同步的要求。

5)当建立路由后，若路由上某节点当前工作频点受扰，则该节点可在下次频点切换后进行重试，从而增大了系统联通概率。如图所示。

节点工作在某个频点时，若该频点受到干扰，无法建立通信，则节点可转入休眠态，等待下一次频点切换时间，在下一次频点切换时间到来后进入工作态，在新频点上进行信息的发送。而依据频点随时间变化的随机性，等待时间足够长时，将会在所有频点上均进行一次尝试，只要不是所有的频点均受到干扰，则可进行信息传输，从而极大的增加信息传输的可靠率。

当然，如果系统提供多跳传输路径时，该节点可迅速切换到另一传输节点的频点上，从而保证信息传输的迅速性和可靠性。

三、跳频函数应用效果举例

设传感节点随机散布后，ID号相邻的节点相互靠近的机率较大，考虑某区域内的40个节点，其ID号从1001～1040，时间为按休眠时间周期为单位计数的1：

8，簇内节点数为5。

设第k个节点的ID号为NodeID(k)，当前时间为T，以NodeID(k)*N+T作为随机函数种子d，采用由线性同余法产生随机序列a₁，a₂，…，a_n满足

a₀＝d

a_n＝(ba_n-1+c)mod m

n＝1，2…

其中，b＞＝0，c＞＝0，d＞＝m。d称为该随机序列的种子。

取对应信道为rem(round(randseed(NodeID(k)*N+T，1)/N)，M)。

其中，N为随机整数。在此取N＝4；

M为总的可选信道数，在此取M＝16；

可得不同时刻下各个簇选取信道的情况：

表格1：时刻1信道选择情况

表格2：时刻8信道选择情况

从上可见，在大多数情况下，上述信道选择方式可基本满足选择不同信道的要求，且对于分簇的变化不敏感。而随着时间变化，不同时刻的信道选择特性呈随机变化。

由图6及图7可见，随时间和节点ID的变化，信道选取情况呈均匀随机分布态势。

四、随机频点选择与不同信道数概率

设总的可用信道数为N个，从N个信道中随机选择M个信道，M个信道所在频点互不相同数的概率为：

$P\left(m\right)=\frac{C_N^{N-M+1}}{N^M}$

则在N个信道中随机选择M个信道，其中k个互不相同的概率为：

$P\left(k\right)=C_N^{k}D[M,k]/N^M$

k＝1，…，M

其中D[M，1]＝1，D[M，2]＝2^M-2， $D[M,k]=E\{C_M^j\×D[M-j,k-1]\},$ 其中，j＝1，…，M-k+1，D[M，M]＝M！

由此进行仿真分析。图8给出了不同总信道数情况下选择互不相同频点的概率，可见，邻居节点越多，选择到信道互不相同的概率越小，这一点随着总信道数的增加有所改善，但改善效果并不明显，且从图9中可以看出，随着信道数的继续增加，改善效果逐渐趋缓。

图10考虑了邻居节点数为6的典型情况，从16个信道中选择6个信道，选择不同信道种类数的概率如图所示。可知，选择到5个不同种类信道的机率最大。

开销说明

表格3：协议开销说明

开销项	说明
		时间同步	本协议的时间同步同MAC协议采用的休眠唤醒周期，且并不需要全局的时间同步，只要相邻节点同步即可，对同步精确度要求也较弱。该开销为系统建立休眠唤醒的同步机制所必需。
获取节点ID	本协议需要获取目的节点的ID，方可建立与该节点的通信。但另一方面，路由建立过程中，是以节点ID作为主要区分联系标志的。该开销为建立路由所必须。
		获取起始时间戳	建立路由的同时，传递起始时间信令，该时间信令仅需要进行相邻节点的同步即可。在随机函数选取设置时，可弱化时间因素影响，即相邻时间对频点的选择不产生影响，以进一步降低对起始信令同步要求。
频点计算及频率切换	在对不同节点进行信息发送时，需要进行频点切换，若该频点切换在工作时间进行，则会造成一定的跳频损伤。根据协议调配，在节点休眠时间进行工作频点的切换，可减少跳频损伤。

Claims (1)

1.一种无线传感网的多频点通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)物理层支持频点选择方式；

(2)系统建立了工作休眠机制；

(3)在节点建立联系的同时，获知当前节点的ID，并将建立联系的时间设置为起始时间；

(4)某个节点当前所在频率是与节点所在ID和当前时间相关的函数，该函数为所有节点所共知；

(5)若有信息进行发送，节点读取目的节点当前时间下对应频点，据此设置发射频点；若无信息进行发送，则节点处于接收态，此时接收频点设置为节点自身在当下时间下对应频点。

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