CN101394317B - 用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法，建立一种通道切换模式生成方法，来规定如何产生通道切换模式；用基于该生成方法的通道切换模式分配方法为网络内各节点分配通道切换模式；所述通道切换模式分配方法在各个节点上分布式并发执行，对于网络内任一节点，遵循所分配的通道切换模式，在每个时隙与其所有潜在竞争节点一起被平均分配到所有可用通道上。在基于同步通道切换机制的介质访问控制方法中，采用本发明可以确保在每个时隙，网络内的任一节点能够和所有与其存在潜在竞争关系的2-跳邻居节点一起被平均分配到所有可用通道上，使网络获得更好的冲突域划分效果和更高程度的并发传输，有效减少节点的信道接入时间和报文冲突。

Description

用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法

技术领域

本发明涉及无线网络通信技术，具体地说明是一种用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法。

背景技术

近几年，无线通信技术得到了飞速发展。无线多跳网络作为近年来通信领域发展较快的技术，受到越来越多的关注。无线多跳网络采用分布式、自组织的思想来构建网络，使网络具备更强的灵活性和健壮性。

在无线多跳网络中，工作在同一频段的邻近节点间存在信道竞争关系。节点对信道的竞争和以及竞争时产生的冲突严重制约着网络性能的提高。随着通信与电子技术的发展，目前许多射频硬件提供了多通道能力，如符合IEEE 802.15.4物理层标准的射频硬件支持16个互不重叠的通道，无线传感器网络中广泛使用的CC1000射频硬件支持多达130多个通道，而Mica2、WINS等射频硬件也都提供了多通道能力。由于竞争和冲突只能发生在工作在相同频段的节点间，射频硬件的多通道能力可被用于实现更高程度的并发传输。

在McMAC协议和SSCH协议中，提出了基于同步通道切换机制的介质访问控制方法，网络中的所有节点在网络时间同步的前提下，将时间划分为时隙并要求各节点的时隙边界对齐，网络内各节点通过本地的随机数生成器随机生成自己的通道切换模式(规定了节点在各个时隙使用的操作通道)并据此进行以时隙为单位的同步的通道切换。在每个时隙，网络内的节点被随机分配到所有可用的通道上。相邻节点交换并保存各自的通道切换模式，当需要通信时，源节点切换到目的节点在当前时隙的通道上进行信道竞争和报文发送，并在传输完成后切换回自己的操作通道。通过这种方式，使得在每个时隙，存在潜在竞争关系的节点被分配到多个通道上，当多个通信节点对的接收方使用不同的通道时，这些通信节点对可以互不干扰的并发进行，从而达到分给冲突域，提高网络性能的目的。然而，各节点通过随机方式生成自己的通道切换模式的方法以一种完全基于概率的方式进行冲突域分割，容易出现通道利用不充分的现象，即在一些时隙，大量节点被分配到少数几个通道上，使得这几个通道的竞争强度较高，而与此同时，却有大量的通道没有被使用。显然，上述方法存在进一步的改进空间。

发明内容

本发明提出了一种用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法，包括适用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成方法，以及基于该生成方法的、支持分布式并发执行的通道切换模式分配方法。在基于同步通道切换机制的介质访问控制方法中，采用本发明为网络内的节点分配通道切换模式，可以确保在每个时隙，网络内的任一节点能够和所有与其存在潜在竞争关系的节点一起被平均分配到所有可用通道上，从而实现更好的冲突域划分效果，提高网络性能。

本发明的技术方案包括以下内容：

先建立一种通道切换模式生成方法，用以规定如何产生通道切换模式，再通过基于该生成方法的通道切换模式分配方法，为网络内各节点分配通道切换模式；所述通道切换模式分配在各个节点上分布式并发执行，对于网络内任一节点，遵循所分配的通道切换模式，在每个时隙与其所有潜在竞争节点一起被平均分配到所有可用通道上；

所述通道切换模式生成方法：通道切换模式由二元组<通道切换序列，起始通道号>唯一确定，其中通道切换序列为所有可用通道的一个任意排列，所有节点在生成通道切换模式时，采用相同的通道切换序列，而通过选择不同的起始通道号来获得不同的通道切换模式；

所述通道切换模式分配方法：各节点在网络初始化阶段收集自己所有2-跳邻居节点的ID，并将自身ID和所有2-跳邻居节点ID一起排序成一个顺序ID序列；在选择自己的通道切换模式即起始通道时，各节点等待ID序列中所有位置排在自己之前的节点选择完通道切换模式后，选择一个尚未被2-跳邻居节点选择过的通道切换模式作为自己的通道切换模式；节点选择了自己的模式后，立即将自己的选择广播给所有2-跳邻居节点；

当节点自己的ID成为有序ID表中的第一个表项时，节点依据以下方法选择自己的模式：

①在可用模式数量不小于2-跳邻居节点集合中的节点数量时，选择一个未被使用的模式作为自己的模式；

②在可用模式数量小于2-跳邻居节点集合中的节点数量时，选择当前时刻复用次数最少的模式作为自己的模式。

本发明的优点：在基于同步通道切换操作的介质访问控制方法中，通过本发明提出的通道切换模式生成方法和通道切换模式分配方法，在通道切换操作的各个时隙，网络内任一节点都能与其所有潜在竞争节点一起被平均分配到所有可用的通道上，因而可以获得更好的冲突域划分效果和更高程度的并发传输，有效减少节点的信道接入时间，降低报文冲突概率，从而提高网络性能。

附图说明

图1为节点已知2-跳邻居节点ID信息时选择自身通道切换模式的方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明。

本发明的适用条件：

本发明采用节点的2-跳范围内的邻居节点集合来近似与该节点存在潜在竞争关系的节点集合，这种近似在无线协议设计领域被广泛使用。

网络中的每个节点具有能够唯一标志自己的ID。

广播操作的可靠性将会影响到通道切换模式分配方法的执行效果，J.Tourrilhes等人提出的适用于CSMA/CA方法的提高广播操作可靠性的算法可被用于本发明，以保证广播操作的可靠性。

通道切换模式生成方法：

通道切换模式由二元组<通道切换序列，起始通道号>唯一确定，其中通道切换序列为所有可用通道的一个选定排列，可用通道切换序列的数量为可用通道数量的阶乘。所有节点在生成通道切换模式时，采用相同的通道切换序列，而通过选择不同的起始通道号来获得不同的通道切换模式，因而可用通道切换模式的数量等于通道切换序列中包含的通道数量。比如，假定通道切换序列为(1，3，2，4)，则所有可用通道切换模式为：(1，3，2，4)、(3，2，4，1)、(2，4，1，3)和(4，1，3，2)。由于所有节点同步启动通道切换操作，对于使用不同通道切换模式(起始通道)的节点，它们在所有时隙的操作通道皆不相同。

通道切换模式分配方法：

通道切换模式方法在网络初时化阶段执行，在该阶段，网络内所有处于相同的通道。当全网完成时钟同步后，由网关节点向全网广播包含各操作步骤起始时间信息的控制报文。各操作步骤在时间上是紧密衔接的，前一步骤的结束时间即为后一步骤的起始时间。应为每一操作步骤预留足够的时间以保证能够在预留时间内完成相应的操作。方法具体操作步骤如下：

(1)第一步，网络内各节点对各自1-跳邻居节点ID信息的收集。在规定的本操作步骤持续时间内，网络内各节点采用基于竞争机制的信道访问控制方法(如IEEE802.11中的CSMA/CA算法)竞争信道并向1-跳邻居节点广播包含自己ID的报文，同时接收各1-跳邻居节点广播的同类报文。由于报文发送时可能产生冲突，广播报文可能无法被个别1-跳邻居节点接收到，为此，本操作步骤的持续时间应允许每个节点进行2～4次广播。在本操作步骤结束时，节点汇总其接收到的所有ID信息，滤除其中重复的ID，即完成网络初始化阶段对其1-跳邻居节点ID信息的收集。

(2)第二步，网络内各节点对各自2-跳邻居节点ID信息的收集。在规定的本操作步骤持续时间内，网络内各节点采用基于竞争机制的信道访问控制方法(如IEEE802.11中的CSMA/CA算法)竞争信道并向1-跳邻居节点广播包含自己在步骤(1)收集的1-跳邻居节点ID信息的报文，同时接收各1-跳邻居节点广播的该类报文。由于报文发送时可能产生冲突，广播报文可能无法被个别1-跳邻居节点接收到，为此，本操作步骤的持续时间应允许每个节点进行2～4次广播。在本操作步骤结束时，节点汇总其接收到的所有ID信息，滤除其中重复的ID，完成网络初始化阶段对其2-跳邻居节点ID信息的收集。

(3)第三步，网络内各节点对各自通道切换模式的选择。在规定的本操作步骤持续时间内，网络内各节点将自己和所有2-跳邻居节点的ID值按由小到大的顺序排列，生成一个临时的有序ID表，并根据自身ID在有序ID表中的排列位置确定自己选择通道切换模式的优先级。图1给出了具体方法，即如果节点的ID排在有序ID表的第一位，则可立即随机挑选一个模式作为自己的模式，否则，在节点ID成为有序ID表中的第一个表项前，必须将射频硬件置于接收状态接收ID值排在自己前面的各2-跳邻居节点发送的包含其模式选择信息的报文。节点每收到一个该类报文，即将报文中被选择模式的重用次数加一，并把报文发送节点在有序ID表中对应的ID删除。当节点自己的ID成为有序ID表中的第一个表项时，节点方可依据以下方法选择自己的模式：

①在可用模式数量不小于2-跳邻居节点集合中的节点数量时，选择一个未被使用的模式作为自己的模式；

②在可用模式数量小于2-跳邻居节点集合中的节点数量时，选择当前时刻复用次数最少的模式作为自己的模式；

节点选择了自己的模式后，立即将自己的选择广播给所有2-跳邻居节点。至此，节点的模式分配方法执行结束。

上述通道切换模式分配方法可在网络内各节点上分布式并发执行，虽然在网络初始化阶段需要一定的能量和带宽开销，但在网络运行阶段，各节点使用所分配的通道切换模式，可以实现更高程度的并发传输，有效减少信道接入时间，并降低报文冲突重传开销。

Claims (3)

1.一种适用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法，其特征在于：先建立一种通道切换模式生成方法，用以规定如何产生通道切换模式，再通过基于该生成方法的通道切换模式分配方法，为网络内各节点分配通道切换模式；所述通道切换模式分配在各个节点上分布式并发执行，对于网络内任一节点，遵循所分配的通道切换模式，在每个时隙与其所有潜在竞争节点一起被平均分配到所有可用通道上；

所述通道切换模式生成方法：通道切换模式由二元组<通道切换序列，起始通道号>唯一确定，其中通道切换序列为所有可用通道的一个任意排列，所有节点在生成通道切换模式时，采用相同的通道切换序列，而通过选择不同的起始通道号来获得不同的通道切换模式

；

所述通道切换模式分配方法：各节点在网络初始化阶段收集自己所有2-跳邻居节点的ID，并将自身ID和所有2-跳邻居节点ID一起排序成一个顺序ID序列；在选择自己的通道切换模式即起始通道时，各节点等待ID序列中所有位置排在自己之前的节点选择完通道切换模式后，选择一个尚未被2-跳邻居节点选择过的通道切换模式作为自己的通道切换模式；节点选择了自己的模式后，立即将自己的选择广播给所有2-跳邻居节点。

2.按照权利要求1所述用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法，其特征在于：其中可用通道切换序列的数量为可用通道数量的阶乘。

3.按照权利要求1所述用于多通道无线多跳网络的通道切换模式生成及分配方法，其特征在于：当节点自己的ID成为有序ID表中的第一个表项时，节点依据以下方法选择自己的模式：

①在可用模式数量不小于2-跳邻居节点集合中的节点数量时，选择一个未被使用的模式作为自己的模式；

②在可用模式数量小于2-跳邻居节点集合中的节点数量时，选择当前时刻复用次数最少的模式作为自己的模式。

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