CN102378285A - 一种解决多信道无线传感器网络分组空传问题的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解决多信道无线传感器网络分组空传问题的方法，属于无线通信技术领域。本方法将时槽分为若干子时槽；建立各节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表；发送节点在有数据包发送时查询接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表，并在相应子时槽唤醒接收节点进行数据传输。本方法充分地利用带宽，能够保证低功耗；控制开销小；减少了节点间干扰，同时对外界干扰提供更好的鲁棒性；消除了分组空传，提高了传输率和吞吐量。

Description

一种解决多信道无线传感器网络分组空传问题的方法

技术领域

本发明涉及一种解决多信道无线传感器网络分组空传问题的方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

当无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)面向结构健康监控、高保真度数据采集等应用时，由于传感器的传感范围通常比节点通信范围小，所以需要对感兴趣区域密集地部署传感器节点。在这种应用场景中，数据流量大，节点间干扰非常严重，信道竞争激烈。传统的WSN的MAC协议只采用单一的频率信道来发送和接收数据包。这就意味着单信道的带宽由多个同范围的节点共享。要同时保证带宽利用率和低功耗是一个很难的挑战。而很多平台的射频芯片具有信道切换的能力，所以MAC协议并不仅限于单信道传输。

MAC协议处于网络协议的底层部分，它决定无线信道的使用方式，对无线传感器网络的性能有极大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。调度信道轮询(Scheduled Channel Polling，SCP)是一种低功耗的基于竞争的信道接入方法，但在突发、相关突发流量情况下，同步发送数据引发节点间干扰，造成较大的接入延时或碰撞。为了减少节点间干扰，可以在SCP的基础上加入多信道机制，使得不同节点可以在同一时间不同的信道上并行传输数据。然而，使用多信道会导致分组空传问题(Deafness Problem)，导致重发延时和能量浪费，从而影响了多信道的使用效率。

分组空传是多信道协议普遍面临的问题，同步和异步多信道协议都会遇到。不同的多信道协议对此问题提出了不同的解决方案。R.Maheshwari等人提出了xRDT协议来减少分组空传的影响。指出在重负载情况下分组空传会引发RDT协议吞吐量下降，使得多信道的吞吐量甚至不如单信道的802.11。R.Maheshwari等人对分组空传的研究是针对RDT的，RDT是不睡眠的异步MAC，因而xRDT的分组空传缓解机制并不适用于多信道SCP。

在采取了睡眠机制的多信道协议中，MMSN采用交替发送与交替侦听方法使节点“能同时侦听两个信道”，Y-MAC采用接收节点发送显式通知包的方法告知发送节点自己是否在当前信道，以上两种方法均要求高精度同步，增加了同步开销；TMCP采用了粗颗粒的信道分配算法(基于树)避免信道切换，但粗颗粒的信道分配影响了信道利用率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种多信道无限传感网络中的分组空传方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种解决多信道无线传感器网络分组空传问题的方法包括如下步骤：

步骤1，将通信周期划分为时间超帧，然后将每一个时间超帧划分为若干子时槽；

步骤2，分别在无线传感网络中各节点的邻居列表内建立信道切换列表和子时槽唤醒列表；

步骤3，进行数据传输：当发送节点没有数据包发送时，进入步骤3-1；当发送节点有数据包发送时，进入步骤3-2；

步骤3-1，发送节点按照信道切换列表和子时槽唤醒列表进行信道切换、信道轮询、唤醒；

步骤3-2，发送节点查询接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表，然后发送节点在查询到的接收节点的子时槽唤醒列表中的相应子时槽切换到接收节点的信道切换列表中的相应信道上发送数据包。

所述多信道无线传感器网络中的分组空传方法中，步骤3-2所述发送节点在相应子时槽切换到接收节点的信道上发送数据包具体包括如下步骤：

步骤A，发送节点进行随机的初始退避，若在退避过程中该发送节点收到其他发送节点的前导包，进入步骤B；若在退避过程中该发送节点没有收到其他发送节点的前导包，进入步骤C；

步骤B：取消发送节点的本次发包任务，待到接收节点的下一唤醒子时槽再发送数据包；

步骤C：发送节点重复发送若干短前导包唤醒目标节点后，再发送数据包，接收节点在唤醒子时槽唤醒侦听信道，若侦听信道空闲就接收数据包；若侦听信道忙，就待接收节点的无线接收器接收完其它数据包后，再接收该发送节点发送的数据包。

所述多信道无线传感器网络中的分组空传方法中，步骤2所述信道切换列表和子时槽唤醒列表采用线性同余法计算得到。

所述的多信道无线传感器网络中的分组空传方法，在步骤3-2中，当发送节点没有查询到接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表时，发送节点在自身邻居列表中建立接收节点的信道唤醒列表和子时槽唤醒列表，然后在建立的子时槽唤醒列表中的相应子时槽切换到信道唤醒列表中的相应信道上发送数据包。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：充分地利用带宽，能够保证低功耗；控制开销小；减少了节点间干扰，同时对外界干扰提供更好的鲁棒性；消除了分组空传，提高了传输率和吞吐量；不仅适用于密集的、高吞吐量的WSN网络，也同样适用于稀疏的、低数据速率但偶尔有突发传输的网络。

附图说明

图1是伪随机跳频方法示意图。

图2是信道基于竞争接入方式的示意图。

图3是错位信道轮询机制的示意图。

图4为多信道无线传感器网络中分组空传方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图4所示的多信道无线传感器网络中的分组空传方法，包括如下步骤：

步骤1，将通信周期划分为时间超帧，将每一个时间超帧划分为若干子时槽。首先将时间划分为超帧，一个时间超帧划分为16个时槽，每个时槽所使用的信道采取线性同余法伪随机跳频。每个节点在每个时间槽都切换无线收发器的频率。每个超帧的第一个时槽为广播时槽，接收节点在广播时槽发送同步包使网络内的节点进入同步状态以及调整自身时间维持同步。信道分配是基于并行的伪随机原则，为了推算一个节点的无线收发器的信道，我们把它的ID和时槽号加入到伪随机发生器。信道号由接收节点选择；当一个节点有数据要发向另一个节点，它现将自己的信道切换到接收节点信道然后发送数据。采用伪随机跳转方案，不需要任何的附加开销。另外如图1所示，可以加入广播支持，并且可以设置单播和广播时槽数的比值。伪随机跳频方法示意图如图1所示。

伪随机发生器的随机算法采用如公式(1)所示的线性同余法：

其中设置a＝75，m＝65537，c＝0。x_n称为种子，在本发明中x₀为节点的ID号，x₁，x₂，x₃...经过对信道数取模后做为该节点的第一个时槽，第二个时槽，第三个时槽...所对应的信道值。

在协议实现中本发明建立了一个邻居列表，在初始化阶段节点先将自身每个时槽所对应的伪随机信道切换列表以及子时槽唤醒列表(下文将细述)写进一个链表的头部。在随后的通信阶段，如果没有包要发则按照这个列表进行唤醒、信道切换并做信道轮询，如果有包要发则先查询接收节点的列表以获得接收节点的唤醒时槽和接收信道，如果接收节点的列表不存在，则发送节点将会按照线性同余法将接收节点的信道列表和子时槽唤醒列表建立在自己的链表内以方便查询。

结合上述跳频方法，假设一条链路有A、B、C三个节点，当在同一个时槽内C节点有包要发给B节点，而B节点也有包要发给A节点。如果A和B的接收信道不同，这时B就会跳到A的信道上去发送包，同时C也会跳到B当前时槽所对应的轮询信道上，但此时B已经不在自己当前时槽对应的轮询信道上了，所以我们称这种情况下C遭遇了分组空传问题。C由于分组空传而丢包，这将引发重传，导致延时和能量浪费。

如果节点随机选择信道，假设可用信道数为n，则在任一时槽A、B采用公式(2)计算不同信道的概率：

$p=1-\frac{1}{n}=\frac{n-1}{n}---\left(2\right)$

假设B在任一时槽的发送概率为P_tx，则采用公式(3)计算C由于分组空传而丢包的概率：

$P_{\mathrm{deafness}}=P_{\mathrm{tx}}\left(\frac{n-1}{n}\right)---\left(3\right)$

可以看出可用信道数越多，引发分组空传的概率越大。

步骤2，各节点在其邻居列表内建立信道切换列表和子时槽唤醒列表。

步骤3，进行数据传输；当发送节点没有数据包发送时，进入步骤3-1；当发送节点有数据包发送时，进入步骤3-2；

步骤3-1，发送节点按照信道切换列表和子时槽唤醒列表进行信道切换、信道轮询、唤醒；

步骤3-2，发送节点查询接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表，然后发送节点在查询到的接收节点的子时槽唤醒列表中的相应子时槽切换到接收节点的信道切换列表中的相应信道上发送数据包，具体实施如下：

步骤A，发送节点进行随机的初始退避，若在退避过程中该发送节点收到其他发送节点的前导包，进入步骤B；若在退避过程中该发送节点没有收到其他发送节点的前导包，进入步骤C；

步骤B：取消发送节点的本次发包任务，待到接收节点的下一唤醒子时槽再发送数据包；

步骤C：发送节点重复发送若干短前导包唤醒目标节点后，再发送数据包，接收节点在唤醒子时槽唤醒侦听信道，若侦听信道空闲就接收数据包；若侦听信道忙就待接收节点的无线接收器接收完其它数据包后再接收该发送节点发送的数据包；

然而，当发送节点没有查询到接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表时，发送节点在自身邻居列表中建立接收节点的信道唤醒列表和子时槽唤醒列表，然后在建立的子时槽唤醒列表中的相应子时槽切换到信道唤醒列表中的相应信道上发送数据包。

如图2所示：在发包过程中各个发送节点之间采取基于竞争的接入方式。竞争信道时不是采用传统的新的空闲信道评估(CCA)来进行空闲信道评估，传统的CCA在发送包前单靠一次读CCA管脚来判别信道是否空闲从而决定是否发送包，在实测环境中，由于wifi等干扰的存在，即使当前所使用的信道上没有其它节点发包读无限收发器的CCA管脚也会得到一个信道忙的结果，如此将会导致当前时槽内选择不发包。

如图3所示，本发明将每一个时槽再划分为若干个子时槽；无线收发器将在每个时槽中随机选取一个子时槽醒来，随机算法也采取线性同余法，并将所计算的节点的唤醒规律也记录在邻居列表中；无论节点在哪个子时槽醒来，所使用的信道都是所在的时槽开始时查询邻居列表所获得的信道值；当节点有数据包要发时，则查询邻居列表，得到接收节点的侦听信道和唤醒子时槽，然后在相应的子时槽切换到接收节点的信道上发送数据包。本发明中将这种方法称为随机错位信道轮询机制。采用此机制可以减少相邻的上下级节点因在同一大时槽发送数据从而导致分组空传问题。假设将原来的时槽划分为K个子时槽，则C遭遇分组空传的概率减少为原来的1/k。同时可看出，本发明结合了TDMA技术和基于竞争的MAC技术。

虽然随机错位信道轮询机制能在很大程度上减少了分组空传，但无法完全避免。如图3中第四个时槽，如果此时B、C同时有数据要发送，则C将遭受分组空传。为了完全消除分组空传问题，本发明提出了接收优先机制，即当前子时槽如果是需要做信道轮询的，则即使有数据要在本子时槽发送，也暂不发送，除非接收节点的信道与本节点在本时槽的做信道轮询的信道是同一信道。本发明将这种方法称为接收优先机制。

Claims (4)

1.一种解决多信道无线传感器网络分组空传问题的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，将通信周期划分为时间超帧，然后将每一个时间超帧划分为若干子时槽；

步骤2，分别在无线传感网络中各节点的邻居列表内建立信道切换列表和子时槽唤醒列表；

步骤3，进行数据传输：当发送节点没有数据包发送时，进入步骤3-1；当发送节点有数据包发送时，进入步骤3-2；

步骤3-1，发送节点按照信道切换列表和子时槽唤醒列表进行信道切换、信道轮询、唤醒；

步骤3-2，发送节点查询接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表，然后发送节点在查询到的接收节点的子时槽唤醒列表中的相应子时槽切换到接收节点的信道切换列表中的相应信道上发送数据包。

2.根据权利要求1所述的多信道无线传感器网络中的分组空传方法，其特征在于步骤3-2所述发送节点在相应子时槽切换到接收节点的信道上发送数据包具体包括如下步骤：

步骤A，发送节点进行随机的初始退避，若在退避过程中该发送节点收到其他发送节点的前导包，进入步骤B；若在退避过程中该发送节点没有收到其他发送节点的前导包，进入步骤C；

步骤B：取消发送节点的本次发包任务，待到接收节点的下一唤醒子时槽再发送数据包；

步骤C:发送节点重复发送若干短前导包唤醒目标节点后，再发送数据包，接收节点在唤醒子时槽唤醒侦听信道，若侦听信道空闲就接收数据包；若侦听信道忙，就待接收节点的无线接收器接收完其它数据包后，再接收该发送节点发送的数据包。

3.根据权利要求1所述的多信道无线传感器网络中的分组空传方法，其特征在于，步骤2所述信道切换列表和子时槽唤醒列表采用线性同余法计算得到。

4.根据权利要求1所述的多信道无线传感器网络中的分组空传方法，其特征在于，在步骤3-2中，当发送节点没有查询到接收节点的信道切换列表和子时槽唤醒列表时，发送节点在自身邻居列表中建立接收节点的信道唤醒列表和子时槽唤醒列表，然后在建立的子时槽唤醒列表中的相应子时槽切换到信道唤醒列表中的相应信道上发送数据包。

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