CN102821390A - 一种移动多媒体在物联网中的自适应动态信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线信道的自适应动态分配方法，其特征在于，包括如下步骤：中心节点建立网络后监听无线信道，定期发送网络心跳帧，保证网络内的时钟同步；中心节点侦听网络，当接收到网络数据包时，对数据包类型进行分析，当网络数据包为网络接入请求时，转步骤（3），当网络数据包为多媒体通信请求时，转步骤（4），当网络数据包为多媒体通信数据时，转步骤（5），当网络数据包为多媒体通信结束请求时，转步骤（6），当网络数据包为移动多媒体节点广播信息时，转步骤（7），当网络数据包为网络接入点RSSI上传信息时，转步骤（8）。

Description

一种移动多媒体在物联网中的自适应动态信道分配方法

技术领域

本发明涉及一种无线信道的自适应动态分配方法， 尤其涉及一种移动多媒体在物联网中的自适应动态信道分配方法。

背景技术

物联网通过各种信息传感设备和技术实时采集终端设备信息，相互结合形成网络，并最终实现物与物、物与人之间的互通互联。无线传感器网络(WSN)作为物联网核心组成部分，应用范围广泛。通过将多媒体信息感知功能引入WSN，能够实现更精准的环境监测，扩展物联网的应用领域。但是由于多媒体数据和WSN的数据特征和传输特点明显不同，必须解决多媒体数据和WSN集成和融合中多媒体通信引发数据洪流处理、网络拥塞和延时，以及多媒体节点移动造成的网络接入和信道管理等关键问题。

传统无线网络为了最大化带宽利用率，提供公平的信道使用并降低延时。这些无线网络工作在ISM频段，具有高数据传输率，采用载波侦听多路访问／冲突避免(CSMA/CA)方式来解决冲突问题，具有较小的延时、高的带宽利用率并可以满足无线网络不易准确侦测是否有冲突发生的需求。但是这些无线网络功耗高、网络容量有限，而且不适合数据的多跳转发。

WSN设计目标是低功耗、高能量效率、低成本和低速率。由于WSN节点一般采用电池供电，通常会通过周期性休眠来降低节点功耗延长工作时间，采用竞争机制或调度机制进行信道管理和分配。WSN在处理多媒体数据时面临巨大的挑战：当有大量数据需要传输时易造成网络拥塞；数据延时较大，无法保证时钟同步等。 另外，很多多媒体节点为便携设备，当多媒体节点移动时会造成网络结构的变化，目前的WSN对移动多媒体节点的处理没有很好的解决方案。

发明内容

    

本发明要解决的技术问题是提供一种移动多媒体在物联网中的自适应动态信道分配方法。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种无线信道的自适应动态分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）中心节点建立网络后监听无线信道，定期发送网络心跳帧，保证网络内的时钟同步；

（2）中心节点侦听网络，当接收到网络数据包时，对数据包类型进行分析，当网络数据包为网络接入请求时，转步骤（3），当网络数据包为多媒体通信请求时，转步骤（4），当网络数据包为多媒体通信数据时，转步骤（5），当网络数据包为多媒体通信结束请求时，转步骤（6），当网络数据包为移动多媒体节点广播信息时，转步骤（7），当网络数据包为网络接入点RSSI上传信息时，转步骤（8）；

（3）如果有空闲的信道，更新中心节点列表，返回时间信息和超帧设置信息，新节点加入完成，中心节点查看网络负载和信道情况，如需调整超帧设置，更新并广播超帧设置信息，网络内的节点接收到广播信息后对自身的系统时钟和数据子帧进行设置；

（4）查看多媒体信道占用情况，如无，拒绝多媒体通信请求，如有，中心节点锁定信道，设置超帧长度为T，设置高主频，广播信道更新信息，通知多媒体终端建立通信链路，分配多媒体信道，通知相关网络接入点准备通信链路管理；

（5）转发多媒体通信数据到目的地址；

（6）中心节点收回多媒体信道，根据网络负载和数据传输情况进行信道重新设置系统时钟和信道，并将新的系统时钟和信道设置广播发送；

（7）提取多媒体终端的RSSI值并保存；

（8）中心节点进行数据分析，通过对比各网络接入点的RSSI值并与历史数据作对比，进而确定移动多媒体终端的子网络和移动趋势，并将该信息发送到各相关网络接入点，进行网络和信道切换。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤（8）包括如下步骤：

（8.1）中心节点判断多媒体终端是否正在通信或者网络内是否有足够的多媒体信道，如果多媒体终端没有进行多媒体通信或者有足够的多媒体信道，转步骤（8.2），如果多媒体终端正在进行多媒体通信且没有足够的多媒体信道，转步骤（8.3）；

（8.2）中心节点广播信道更新消息，发送网络切换和信道分配指令到相关的网络接入点，完成网络切换，同时发送网络切换指令到多媒体终端，更改网络接入点为新的网络接入点；

（8.3）中心节点首先发送警告信息给移动多媒体终端，移动多媒体终端发出周期性的警告音并显示提示消息，当移动多媒体终端返回到原来子网覆盖范围，告警取消；当移动多媒体终端继续移动到新的子网覆盖范围，中心节点强制结束通信，收回信道，同时广播信道更新信息。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤（4）包括如下步骤:

(4.1)判断多媒体通信请求为子网内部多媒体通信还是子网间的多媒体通信，若为子网内部的多媒体通信时，转步骤(4.2)，若为子网间的多媒体通信，转步骤（4.3）；

(4.2)多媒体通信占用两个无线信道，涉及中心节点、相关的网络接入点和两个无线多媒体终端，由网络接入点负责通信链路的维护和管理，并向中心节点上传通信链路变更情况，由中心节点负责通信链路的关闭和分配；

（4.2）当网间的多媒体通信时，根据多媒体数据的中转次数N占用2*N个无线信道，涉及中心节点、N个相关网络接入点和两个无线多媒体终端，由中心节点负责通信链路的分配、关闭、维护和管理，网络接入点负责数据的转发和终端通信状态的检查。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提出了一种针对移动对媒体物联网的无线信道自适应分配方法，与以往的无线网络的信道分配方法相比，本方法针对移动多媒体节点的移动造成的网络结构的变化和信道重新分配进行了优化，解决传感网集成和融合中的关键基础问题。本发明有望在下一代互联网、居民健康医疗和数字城市等诸多涉及国计民生的重要领域得到应用。移动多媒体物联网是一个崭新的研究领域，作为下一代互联网的核心技术具有非常重要的研究意义。

附图说明

图1为本发明优选实施例的信道分配示意图。

图2为本发明移动多媒体节点的移动感知检测网络图。

图3为本发明中心节点的工作流程图。

图4为本发明网络接入点的工作流程图。

图5为本发明多媒体终端的工作流程图。

图6为本发明普通传感器节点的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更进一步的详细描述。

参见图1，该信道分配方法由超帧作为基本的处理单元，超帧的时间长度由WSN中的多媒体节点种类和数量以及网络规模动态调整，基本超帧长度为网络多媒体数据传输条件下的时间长度,该时间长度由多媒体数据的编码速率和同时进行多媒体数据传输的多媒体终端数量决定，设为T，活跃期和休眠期根据网络负载情况由中心节点设定。该信道分配方法由以下4个关键部分组成： 

(1) 没有多媒体数据时，采用较低的时间同步精度并降低节点主频减少功耗，超帧时间长度由普通传感器网络内的数据传输频度和节点数量决定，一般设置为基本超帧长度的整数倍。同时根据网络负载情况动态调整数据子帧时间长度，普通数据信道为竞争方式随机接入，采用CSMA/CA方式避免冲突。

 (2) 多媒体数据传输时节点主频提高，设置超帧时间长度为T，进入全速工作模式并采用高时间同步精度，在缩短数据子帧时间的同时保证网络性能。

(3) 普通传感器节点只在数据子帧内进行网络侦听和数据发送操作，其余时间进入休眠状态，避免多媒体数据对节点的干扰，降低普通传感器节点MAC协议复杂度。

(4) 在多媒体子帧内，根据通信数量划分时间片并采用TDMA调度方式为节点分配信道，避免冲突和串扰。

对于由于移动多媒体节点的移动会造成网络结构的变化和信道的重新分配，本发明采用基于RSSI技术的节点移动感知检测方法, 通过多个网络接入点获取RSSI信息进行比对确定节点的运动趋势和所在区域，在确定节点移动到新的网络接入点覆盖范围后进行网络切换和信道的重新分配。

参见图2，移动多媒体无线传感器网络由如下4种设备组成：中心节点A，网络接入点(B,C,D,E)，多媒体终端(A1,B1,B2,C1,C2,E2)和普通传感器节点F。

中心节点A负责网络的建立和维护，网络接入点和子网的管理，信道的分配和管理等内容，中心节点位置固定，采用高性能微处理器，具有最高的发射功率和最高的接收灵敏度。

网络接入点(B,C,D,E)负责子网的建立和维护，子网内的终端管理、信道分配和管理等内容，网络接入点接入网络后位置固定，具有高的发射功率和高的接收灵敏度。

多媒体终端(A1,B1,B2,C1,C2,E2)具有数据采集功能，是一种特殊的数据终端，可以和中心节点、网络接入点和其他的多媒体终端进行通信。具有移动功能的多媒体终端具有特殊的标识，中心节点和网络接入点可以识别并存储移动多媒体终端的信息。

普通传感器节点F具备数据采集和无线通信功能，只能和中心节点和网络接入点进行通信和数据交互,加入网络后根据中心节点或网络接入点的指令或定期发送数据。

为了数据通信更为可靠，本发明将无线网络范围划分为无线信号覆盖范围1和有效网络覆盖范围2，在无线信号覆盖范围内网络接入点可以和子网络多媒体终端、普通传感器节点以及中心节点正常通讯，中心节点可以和子网络多媒体终端、普通传感器节点以及网络接入点正常通讯。 有效网络覆盖范围较无线信号覆盖范围小，信号强度较无线信号覆盖范围信号强，该区域内的RSSI信号强度具有较好的线性度。

参见图3－图6，一种无线信道的自适应动态分配方法，包括如下步骤：

（1）中心节点建立网络后监听无线信道，定期发送网络心跳帧，保证网络内的时钟同步；

（2）中心节点侦听网络，当接收到网络数据包时，对数据包类型进行分析，当网络数据包为网络接入请求时，转步骤（3），当网络数据包为多媒体通信请求时，转步骤（4），当网络数据包为多媒体通信数据时，转步骤（5），当网络数据包为多媒体通信结束请求时，转步骤（6），当网络数据包为移动多媒体节点广播信息时，转步骤（7），当网络数据包为网络接入点RSSI上传信息时，转步骤（8）；

（3）如果有空闲的信道，更新中心节点列表，返回时间信息和超帧设置信息，新节点加入完成，中心节点查看网络负载和信道情况，如需调整超帧设置，更新并广播超帧设置信息，网络内的节点接收到广播信息后对自身的系统时钟和数据子帧进行设置；

（4）查看多媒体信道占用情况，如无，拒绝多媒体通信请求，如有，中心节点锁定信道，设置超帧长度为T，设置高主频，广播信道更新信息，通知多媒体终端建立通信链路，分配多媒体信道，通知相关网络接入点准备通信链路管理；

（5）转发多媒体通信数据到目的地址；

（6）中心节点收回多媒体信道，根据网络负载和数据传输情况进行信道重新设置系统时钟和信道，并将新的系统时钟和信道设置广播发送；

（7）提取多媒体终端的RSSI值并保存；

（8）中心节点进行数据分析，通过对比各网络接入点的RSSI值并与历史数据作对比，进而确定移动多媒体终端的子网络和移动趋势，并将该信息发送到各相关网络接入点，进行网络和信道切换。

所述步骤（8）包括如下步骤：

（8.1）中心节点判断多媒体终端是否正在通信或者网络内是否有足够的多媒体信道，如果该多媒体终端B2由子网B移动到新的子网内C，如果多媒体终端没有进行多媒体通信或者有足够的多媒体信道，转步骤（8.2），如果多媒体终端正在进行多媒体通信且没有足够的多媒体信道，转步骤（8.3）；

（8.2）中心节点广播信道更新消息，发送网络切换和信道分配指令到相关的网络接入点B和C，完成网络切换，同时发送网络切换指令到多媒体终端B2，更改网络接入点C为新的网络接入点；

（8.3）中心节点首先发送警告信息给移动多媒体终端B2，移动多媒体终端B2发出周期性的警告音并显示提示消息，当移动多媒体终端B2返回到原来子网B覆盖范围，告警取消；当移动多媒体终端B2继续移动到新的子网C覆盖范围，中心节点强制结束通信，收回信道，同时广播信道更新信息。

所述步骤（4）包括如下步骤:

(4.1)判断多媒体通信请求为子网内部多媒体通信还是子网间的多媒体通信，若为子网内部的多媒体通信时，转步骤(4.2)，若为子网间的多媒体通信，转步骤（4.3）；

(4.2)多媒体通信占用两个无线信道，涉及中心节点、相关的网络接入点和两个无线多媒体终端，由网络接入点负责通信链路的维护和管理，并向中心节点上传通信链路变更情况，由中心节点负责通信链路的关闭和分配；

（4.2）当网间的多媒体通信时，根据多媒体数据的中转次数N占用2*N个无线信道，涉及中心节点、N个相关网络接入点和两个无线多媒体终端，由中心节点负责通信链路的分配、关闭、维护和管理，网络接入点负责数据的转发和终端通信状态的检查。

网络接入点的工作流程为：（1）加入网络，获取超帧设备信息，启动网络时钟，启动侦听；（2）侦听网络；（3）判断是否接收到网络数据包，如果没有接收到，判断是否超时，如果没有超时，继续侦听网络，如果超时，进入休眠状态；（4）如果接收到网络数据包，进行数据包类型分析，如果数据包为网络接入请求，如果有空闲信道，更新网络接入点列表，返回时间信息和超帧设置设置信息，节点加入完成，如无空闲信道，转发请求到中心节点；如果数据包为多媒体数据，转发多媒体数据；如果数据包为多媒体通信结束请求，结束多媒体通信，通知中心节点；如果数据包为多媒体通信请求，转发请求到中心节点；如果数据包为对媒体链路建立通知，更新超帧设置和多媒体信道分配设置，分配多媒体信道；如果数据包为多媒体终端广播信息，提取RSSI值上传中心节点；如果数据包为信道分配信息，更新节点主频和系统时钟，子网内广播信道分配信息。

多媒体终端工作流程为：（1）加入网络，获取超帧设置信息，启动网络时钟，启动侦听；（2）侦听网络；（3）判断是否接收到网络数据包，如果没有收到，判断是否超时，如果超时，进入休眠期，如果不超时，继续监听网络；（4）如果接收到网络数据包，对数据包类型进行分析，如果数据包是网络心跳包，校准本机时间并发送心跳应答包；如果数据包类型为多媒体数据，转发多媒体数据；如果数据包是多媒体结束通知，结束多媒体通信；如果数据包是多媒体通信请求，显示提示信息，根据按键做出相应的同意或拒绝操作，发送数据包；如果数据包是多媒体链路建立通知，启动语音模块，进入语音通信流程，在指定的时隙发送和接收语音数据；如果数据包是网络切换指令，更新子网设置信息；如果数据包是信道分配信息，更新节点主频和系统时钟，设置超帧和活跃期时间。

普通传感器节点的工作流程为：（1）加入网络，获取超帧设置信息，启动网络时钟，启动侦听；（2）侦听网络；（3）判断是否接收到网络数据包，如果没有接收到，判断是否超时，如果超时，进入休眠状态，如果没有超时，继续侦听网络；（4）如果接收到网络数据包，分析网络数据包类型，如果数据包是网络心跳包，校准本机时间并发送心跳应答包，如果有传感器数据，添加到数据包尾发送；如果数据包是网络管理数据包，根据数据包内容作相应的操作；如果数据包是网络切换指令，更新子网的设置信息；如果数据包是信道分配信息，更新节点主频和系统时钟，设置超帧和活跃期时间。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无线信道的自适应动态分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）中心节点建立网络后监听无线信道，定期发送网络心跳帧，保证网络内的时钟同步；

（2）中心节点侦听网络，当接收到网络数据包时，对数据包类型进行分析，当网络数据包为网络接入请求时，转步骤（3），当网络数据包为多媒体通信请求时，转步骤（4），当网络数据包为多媒体通信数据时，转步骤（5），当网络数据包为多媒体通信结束请求时，转步骤（6），当网络数据包为移动多媒体节点广播信息时，转步骤（7），当网络数据包为网络接入点RSSI上传信息时，转步骤（8）；

（3）如果有空闲的信道，更新中心节点列表，返回时间信息和超帧设置信息，新节点加入完成，中心节点查看网络负载和信道情况，如需调整超帧设置，更新并广播超帧设置信息，网络内的节点接收到广播信息后对自身的系统时钟和数据子帧进行设置；

（4）查看多媒体信道占用情况，如无，拒绝多媒体通信请求，如有，中心节点锁定信道，设置超帧长度为T，设置高主频，广播信道更新信息，通知多媒体终端建立通信链路，分配多媒体信道，通知相关网络接入点准备通信链路管理；

（5）转发多媒体通信数据到目的地址；

（6）中心节点收回多媒体信道，根据网络负载和数据传输情况进行信道重新设置系统时钟和信道，并将新的系统时钟和信道设置广播发送；

（7）提取多媒体终端的RSSI值并保存；

（8）中心节点进行数据分析，通过对比各网络接入点的RSSI值并与历史数据作对比，进而确定移动多媒体终端的子网络和移动趋势，并将该信息发送到各相关网络接入点，进行网络和信道切换。

2.根据权利要求1所述无线信道的自适应动态分配方法，其特征在于，所述步骤（8）包括如下步骤：

（8.1）中心节点判断多媒体终端是否正在通信或者网络内是否有足够的多媒体信道，如果多媒体终端没有进行多媒体通信或者有足够的多媒体信道，转步骤（8.2），如果多媒体终端正在进行多媒体通信且没有足够的多媒体信道，转步骤（8.3）；

（8.2）中心节点广播信道更新消息，发送网络切换和信道分配指令到相关的网络接入点，完成网络切换，同时发送网络切换指令到多媒体终端，更改网络接入点为新的网络接入点；

（8.3）中心节点首先发送警告信息给移动多媒体终端，移动多媒体终端发出周期性的警告音并显示提示消息，当移动多媒体终端返回到原来子网覆盖范围，告警取消；当移动多媒体终端继续移动到新的子网覆盖范围，中心节点强制结束通信，收回信道，同时广播信道更新信息。

3.根据权利要求1所述无线信道的自适应动态分配方法，其特征在于，所述步骤（4）包括如下步骤:

(4.1)判断多媒体通信请求为子网内部多媒体通信还是子网间的多媒体通信，若为子网内部的多媒体通信时，转步骤(4.2)，若为子网间的多媒体通信，转步骤（4.3）；

(4.2)多媒体通信占用两个无线信道，涉及中心节点、相关的网络接入点和两个无线多媒体终端，由网络接入点负责通信链路的维护和管理，并向中心节点上传通信链路变更情况，由中心节点负责通信链路的关闭和分配；

（4.2）当网间的多媒体通信时，根据多媒体数据的中转次数N占用2*N个无线信道，涉及中心节点、N个相关网络接入点和两个无线多媒体终端，由中心节点负责通信链路的分配、关闭、维护和管理，网络接入点负责数据的转发和终端通信状态的检查。

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