CN102170643B

CN102170643B - 一种基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法

Info

Publication number: CN102170643B
Application number: CN201110057516.6A
Authority: CN
Inventors: 孙咏梅; 胡泽民; 纪越峰
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: CN102170643A

Abstract

本发明公开了一种基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法。本发明首次提出信道可用度概念，并利用可用度算法实时更新信道可用度，同时依据信道资源库中的可用度排序动态地选择信道，即图中虚线所示内容。信道可用度参数体现了一个信道的空闲率和通信质量，它能客观反映信道的实际可用状态，因此在实际数据传输过程中，根据信道可用度参数选择信道具有指导意义，能够最大限度的提供通信保障，提高传输成功率，降低碰撞率和重传率。本发明基于信道空闲率、信道质量和数据传输结果等参数，提出了实时可用度算法。该算法不仅促使优质空闲信道得到更大的选择机会，还最大限度的保障了信道选择的公平性，使信道在一定情况下能够得到相对公平的选择机会，提高了信道使用率。同时，本发明提出通过建立信道资源库管理信道资源的策略，并依据信道可用度参数对信道进行排序，基于排序结果动态的选择ZigBee信道，从而实现基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法。

Description

一种基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法

技术领域

本专利涉及一种基于实时可用度的ZigBee信道的新型动态选择方法，属于信道频谱资源动态利用领域。

背景技术

ZigBee技术是一项新兴的短距离无线通信技术，主要面向的应用领域是低速率无线个人区域网(LRWPAN，Low Rate Wireless Personal AreaNetwork)，典型特征是近距离、低功耗、低成本、低传输速率。ZigBee/IEEE 802.15.4(以下简记为ZigBee)标准是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，ZigBee设备应该包括IEEE 802.15.4的MAC层(媒质接入控制层)和PHY层(物理层)，以及ZigBee堆栈层(网络层、应用层和安全服务提供层)。IEEE 802.15.4标准为ZigBee标准定义了OSI(开放系统互联)模型的MAC层和PHY层。PHY层定义了无线射频应该具备的特征，支持两种不同的射频信号，分别位于2450MHz波段和868/915MHz波段，2450MHz波段射频支持16个数据速率为250kbps的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1个数据速率为20kbps的信道，915MHz支持10个数据速率为40kbps的信道。

目前，为了实现物联网、传感器网络、智能无线控制以及智能楼宇等应用，用于无线区域网(WAN，Wireless Area Network)的短距离无线通信技术标准得到了迅速的发展。与ZigBee协议一样，典型无线区域网技术标准如蓝牙(Bluetooth)、无线USB(WirelessUSB)、无线局域网Wi-Fi(IEEE 802.11b/g)等，均选择了2.4GHz(2.4～2.483GHz)ISM(工业、科学、医疗)频段，就使得ISM频段日益拥挤。随着物联网及传感器网络的大规模应用，在局部区域内对信道数目的需求将急剧增加，而频谱重叠覆盖将导致通信系统间的相互干扰增加，同时加上无绳电话和微波炉等干扰源的存在，碰撞率和重传率也急剧增加，严重影响信道的利用率和数据传输的成功率。

综上所述，频谱资源和信道资源将变得越来越宝贵。虽然ZigBee协议在不同的频带内规定了27个可用信道，但是目前ZigBee的信道选择仅仅考虑简单的信道评估参数，并且其信道选择为基于预先设定的固定模式。大量关于频谱资源和信道的实际使用率的测量和调查表明，在固定信道模式下，信道大多数时间里未被占用，有些也只是部分时段被占用。在有些电磁相互干扰严重的环境中，部分信道不适合作为通信信道。因此在ZigBee协议中，若能够实时地综合考察信道空闲率和信道质量等参数，实现信道的动态利用，不但能缓解公用频段的拥挤状况，还能提高信道利用率和数据传输的成功率，降低信道干扰进而降低碰撞率和重传率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于实时可用度的ZigBee信道的动态选择方法。这种基于可用度的信道选择方法，能够提高传输成功率、降低碰撞率和重传率；同时，可用度的实时计算和更新算法，能够在选择最大可用度的基础上最大限度的保持信道选择的公平性，提高信道利用率。

为实现上述的目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于实时可用度的ZigBee信道选择方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，创建信道资源库；

步骤2，对信道资源库中所有信道进行编号，并为所有编号的信道设立信道空闲率、信道质量和信道可用度等参量；

步骤3，遍历检测所有信道的空闲情况和信道质量参数，计算信道统计空闲概率；

步骤4，根据步骤3，计算和更新所有编号的信道可用度；

步骤5，按各个信道可用度由大到小，对信道资源库中所有的信道进行排序；

步骤6，等待状态，若有数据传输则转入步骤7，否则持续等待状态；

步骤7，对信道资源库中最大可用度信道进行监听，若其处于空闲状态，则占用此信道进行数据传输，若此时信道非空闲，则对已排序信道资源库中下一信道进行监听，以此类推，直到检测到空闲信道，进行数据传输为止，否则算法结束或者重新运行算法；

步骤8，检测步骤7中的数据传输结果，并根据步骤7中已检测的信道空闲状况和信道统计空闲概率等参数，利用实时可用度算法推算下一时刻的各个信道的空闲率和信道质量；

步骤9，根据步骤8，计算下一时刻各个信道的信道可用度，然后跳转至步骤5，重复执行步骤5至步骤8。

其中，

所述步骤1中，信道资源库是ZigBee协议所有可用信道的参数集合。如图1所示，信道资源库中的每个信道参数包括信道编号、信道空闲率、信道质量、信道可用度等。

所述步骤2中，假设信道资源库中ZigBee所有可用信道的个数为n[n为非零自然数]个，则所有可用信道被参数i由1到n依次编号。设定λ_i(t)[i＝1，2…n]表示t时刻编号为i的信道的信道空闲概率，设定β_i(t)[i＝1，2…n]表示t时刻编号为i的信道的信道质量。定义η_i(t)＝λ_i(t)×β_i(t)[i＝1，2…n]表示t时刻编号为i的信道的信道可用度。设定a表示信道统计空闲概率，设定w表示一个小于0.5常量(合理的w值应视具体的应用场景而确定)，设定s表示数据传输结果(数据传输正确则s＝1，否则数据传输失败s＝0)。该操作在步骤1创建信道资源库后进行。

所述步骤3中，针对信道资源库所有信道遍历检测其空闲情况和信道质量参数，若信道i空闲则λ_i(t)＝1，否则λ_i(t)＝0，并记录相应的信道质量参数β_i(t)，统计空闲信道即λ_i(t)＝1的信道数目为m，计算信道统计空闲概率a＝m/n，至此完成算法初始化。

所述步骤4中，根据步骤3，利用η_i(t)＝λ_i(t)×β_i(t)[i＝1，2…n]计算信道i的信道可用度，更新信道资源库所有信道的信道可用度。信道可用度参数综合了信道空闲率和信道质量参数，它能客观的反映信道的实际可用状态。

所述步骤5中，按信道资源库中所有信道可用度η_i(t)由大到小，把所有编号的信道降序排序，至此建立了基于信道可用度的信道资源库。

所述步骤6中，此步骤中，若无数据传输需求则一直处于等待状态，直到有数据传输则转入步骤7。

所述步骤7中，选择信道资源库中最大可用度的信道进行监听，若处于空闲状态，则占用此信道进行数据传输，并标记该信道λ_i(t)＝1，否则信道此时非空闲，标记λ_i(t)＝0，则对信道资源库中下一信道进行监听，若处于空闲状态，则占用此信道进行数据传输，并标记相关参数，否则继续对信道资源库中下一个信道进行监听，以此类推，直到检测到空闲信道进行数据发送，若已经遍历完整个信道资源库仍未检测到空闲信道，则选择结束或重新运行算法。

所述步骤8中，检测数据传输结果s，并根据步骤7中检测信道的空闲状态λ_i(t)和信道统计空闲概率a等参数，利用实时可用度算法估算信道i[i＝1，2…n]在t+1时刻的空闲率λ_i(t+1)和信道质量β_i(t+1)，实时可用度算法具体表述如下：

情形1若在t时刻检测了信道i的空闲状态，若λ_i(t)＝1(空闲)，并且s＝1，那么在t+1时刻，信道i的空闲状态估计概率为λ_i(t+1)＝1，并设定信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)；

情形2若在t时刻检测了信道i的空闲状态，若λ_i(t)＝1(空闲)，但是s＝0，则在t+1时刻，信道i的空闲估计概率为λ_i(t+1)＝wa，并且重新检测信道质量β_i(t+1)；

情形3若在t时刻检测了信道的空闲状态，若λ_i(t)＝0(非空闲)，那么在t+1时刻，信道i的空闲估计概率为λ_i(t+1)＝0，并设定信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)；

情形4若在t时刻未检测信道i的空闲状态，若λ_i(t)≥a，那么在t+1时刻，信道i的空闲估计概率为λ_i(t+1)＝λ_i(t)，并设定信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)；若λ_i(t)＜a，那么在t+1时刻，信道i的空闲估计概率为λ_i(t+1)＝λ_i(t)+wa，并设定其信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)，其中空闲估计概率的步进增长保障了非空闲信道被选择的机会。同时又通过限制空闲估计概率的最大值来防止空闲估计概率的盲目增长，从而保障了信道选择的公平性。

所述步骤9中，根据步骤8中各个信道t+1时刻的空闲率λ_i(t+1)和信道质量β_i(t+1)，利用η_i(t+1)＝λ_i(t+1)×β_i(t+1)[i＝1，2…n]计算信道资源库中所有信道t+1时刻的信道可用度，用η_i(t+1)更新信道资源库中所有信道可用度η_i(t)，然后跳转至步骤5。

本发明所提供的基于实时可用度的ZigBee信道分配方法为动态利用信道提供了解决方法。一方面，设立信道资源库，为所有的信道资源设定信道可用度参数。因为信道可用度综合考虑了信道空闲概率和信道质量，因此根据可用度最大原则选择信道，能够最大概率的提供可靠通信，提高数据传输成功率，降低传输失败率和重传率；另一方面，本发明提出新的实时可用度算法来更新信道资源库中的信道可用度参数，在充分考虑信道空闲和信道质量的前提下，既保障了信道选择的公平性，又能够实现信道资源的重复利用，进而提高信道利用率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为基于信道可用度建立的ZigBee信道资源库图。

图2为基于实时可用度的ZigBee信道选择方法示意图。

图3为基于实时可用度的ZigBee信道选择方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示，设ZigBee信道总数为n，所有信道由1到n依次编号，定义信道编号为i[i＝1，2…n]的信道空闲率为λ_i(t)和信道质量为β_i(t)，定义信道i的信道可用度为η_i(t)＝λ_i(t)×β_i(t)，信道可用度参数综合体现了信道的空闲率和信道质量。

图2，为基于实时可用度的ZigBee信道选择方法的示意图，图中虚线框的内容体现了本发明的创新核心所在，即依据信道资源库中的可用度排序动态的选择信道，同时利用实时可用度算法动态更新信道可用度。其详细流程如图3所示，下面结合一个ZigBee设备在复杂的无线电环境中动态选择合适的信道作为数据传输信道的过程为例，对本发明做进一步的展示。其具体实施方式如下：

1)本发明是基于实时可用度动态的选择信道的算法，需要用信道资源库来表示和存储所用到的信道参数。因此，算法第一步是“创建信道资源库”；

2)确定信道资源库后，算法需要完成初始化，主要包括算法运行所必须参数的设定，例如，信道空闲率和信道质量等。基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法中步骤2～步骤3(步骤2：对信道进行编号和设定相关参数；步骤3：获取信道空闲状态和信道质量参数，并计算信道统计空闲概率。)是在算法初始化阶段完成的，至此完成算法初始化；

3)ZigBee设备计算和更新信道资源库中所有信道的信道可用度，并根据信道可用度大小，对所有信道进行降序排列，此时完成基于当前信道可用度的已排序信道资源库。进入等待状态(步骤4：更新信道可用度；步骤5：对可用度进行排序；步骤6，进入等待状态)；

4)若ZigBee设备有数据需要传输，则从已排序信道资源库中选择第一个信道进行监听，若为空闲，则占用此信道并进行数据传输，并转入下一步骤；否则继续监听下一个信道，直到有空闲信道，则占用此信道并进行数据传输；若遍历完全部信道资源库仍未检测到空闲信道，则结束算法或重新启动算法(如步骤7所述)；

5)ZigBee设备完成数据传输后，立刻检测数据传输的结果，利用实时可用度算法计算信道资源库中所有信道下一时刻的信道空闲率和信道质量(如步骤8所述)；

6)计算和更新信道资源库中的可用度参数(如步骤4所述)。

上面对本发明所述的基于可用度的ZigBee信道选择方法进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法，其特征在于根据信道可用度选择传输信道的方法，其实现步骤特征在于：

1)创建信道资源库，即通过信道空闲概率、信道质量和信道可用度建立信道资源库管理信道资源；设定信道资源库中ZigBee所有可用信道的个数为n[n为非零自然数]个；参数i表示信道的编号；参数λ_i(t)[i＝1，2...n]表示t时刻编号为i的信道的信道空闲概率；参数β_i(t)[i＝1，2...n]表示t时刻编号为i的信道的信道质量；参数η_i(t)[i＝1，2...n]表示t时刻编号为i的信道的信道可用度；参数a表示信道统计空闲概率；参数w表示一个小于0.5常量；参数s表示数据传输结果(数据传输正确则s＝1，否则s＝0)；

2)遍历检测所有信道的空闲情况(若信道i空闲则λ_i(t)＝1，否则λ_i(t)＝0)和信道质量(β_i(t))，根据η_i(t)＝λ_i(t)×β_i(t)计算出信道可用度；统计空闲信道即λ_i(t)＝1的信道数目为m，计算信道统计空闲概率a＝m/n，至此完成算法初始化；

3)依据各个信道的信道可用度参数，对信道资源库中的信道按照信道可用度参数由大到小进行排序；

4)对信道资源库中最大可用度的信道进行监听，若其处于空闲状态，则占用此信道进行数据传输，若此时信道非空闲，则对已排序信道资源库中下一信道进行监听，以此类推，直到检测到空闲信道，进行数据传输为止，否则算法结束或者重新运行算法；

5)基于上述信道监听空闲状况统计信道空闲概率等参数，通过实时可用度算法更新各个信道的空闲概率和信道质量。

2.如权利要求1中所述的一种基于实时可用度的ZigBee信道动态选择方法中，通过实时可用度算法更新t+1时刻的信道空闲概率、信道质量和信道可用度，其特征在于以下四种情形：

情形1：若在t时刻检测了信道i的空闲状态，若λ_i(t)＝1(空闲)，并且s＝1，那么在t+1时刻，信道i的空闲状态概率为λ_i(t+1)＝1，并设定信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)；

情形2：若在t时刻检测了信道i的空闲状态，若λ_i(t)＝1(空闲)，但是s＝0，则在t+1时刻，信道i的空闲概率为λ_i(t+1)＝wa，并且重新检测信道质量β_i(t+1)；

情形3：若在t时刻检测了信道的空闲状态，若λ_i(t)＝0(非空闲)，那么在t+1时刻，信道i的空闲概率为λ_i(t+1)＝0，并设定信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)；

情形4：若在t时刻未检测信道i的空闲状态，若λ_i(t)≥a，那么在t+1时刻，信道i的空闲概率为λ_i(t+1)＝λ_i(t)，并设定信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)；若λ_i(t)＜a，那么在t+1时刻，信道i的空闲概率为λ_i(t+1)＝λ_i(t)+wa，并设定其信道质量β_i(t+1)＝β_i(t)。