CN103546971A - 一种适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无线传感网的抗干扰信道切换方法，首先根据IEEE802.11无线信道分布和IEEE802.15.4无线信道分布，将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络信道分类。根据分类结果，重新组成不同类型信道集合。通过最小重复节点协商法将无线传感器网络节点分类，并与上述不同类型信道集合相对应。将时间超帧划分为多个时槽，每个时槽划分为多个子时槽。网络节点通过伪随机算法或查询调度表方法在相应子时槽进行唤醒侦听。最后，网络节点在每个时槽都根据自己的拉丁方算法和起始信道进行信道切换。本发明方法在端到端的数据平均延时、数据延时上限和延时抖动性能指标上都得到了改善。

Description

一种适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法

  

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，涉及一种适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法。 

  

背景技术

无线技术快速发展，在工业、办公、生活中各种无线网络无处不在。例如：在2.4GHz 的ISM频段存在IEEE802.11（WiFi）,IEEE 802.15.1（Bluetooth）,IEEE 802.15.4（ZigBee）。此外，还有一些如无绳电话、微波炉和其它设备都活跃在ISM频段。这样就产生了在同一环境下，各种网络干扰与共存的问题。 

为了解决网络间干扰与共存的问题，研究人员提出了多种多信道传输的思想。固定信道分配即在IEEE802.15.4网络中为每个接收节点分配不同的接收信道，且在工作周期内不再变化。固定信道分配算法虽然减少了IEEE802.15.4网络内部节点的干扰问题，但是当有外部的WiFi干扰时，就会导致性能迅速下降。此外，这种信道分配算法存在广播通信问题，使得网络路由生成和其它一些应用变得困难。 

因此，研究人员提出了动态信道分配机制。第一种方案是基于控制信道的跳频机制，即每次传输数据之前，发送和接收节点都跳到一个专用的信道上进行协商数据转发信道的选择。协商机制可以很容易的保证发送节点和接收节点之间的预约，但是，如果协商失败，数据就不可能传输成功。而且这个专用信道的带宽有限，会成为网络吞吐量的瓶颈。此外，当专用信道受到来自ZigBee和WiFi的严重的干扰时，这些协议就无法通信。 

鉴于以上原因，研究提出了使用伪随机算法进行跳频。他们都不再使用专用信道。每个节点使用线性同余伪随机法独立进行信道切换这样，每个节点只需知道其它节点的伪随机参数即可预测出节点在每一个周期使用的信道频率。此种方法在解决内部干扰和外部干扰问题上都起到了一定效果。 

尽管使用非控制信道伪随机跳频算法在解决内部干扰和外部干扰起到一定效果，但是我们发现这种跳频方法不能快速的跳出干扰区.而且在同一网络中内部节点间依然存在干扰。 

  

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对背景技术中所描述的目前无线传感器网络中信道切换方法存在的问题，提出了一种可降低内部节点间的传输干扰，在WiFi干扰的情况下快速传输数据 ，降低外部干扰带来性能降低的适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法。   

技术方案：本发明的适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法，包括以下步骤：

步骤1）根据IEEE802.11无线信道分布定义和IEEE802.15.4无线信道分布定义，将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络信道分为四类IEEE802.15.4信道；

步骤2）从步骤1）得到的每类IEEE802.15.4信道中各抽取1个信道，组成A类信道集合，再从每类IEEE802.15.4信道的剩余信道中各抽取1个信道组成B类信道集合，以此类推，共得到A、B、C、D四类信道集合；

步骤3）通过最小重复节点协商染色法对无线传感器网络的节点进行分类，使节点与信道集合建立对应关系，从而根据节点所对应信道集合的类型，将节点区分为不同的类型，当一类信道集合对应的节点为两个或两个以上时，则该信道集合所对应节点根据最小重复原则选取起始信道；

步骤4）将每个时间超帧划分为多个时槽，再将每个时槽划分为多个子时槽，节点通过伪随机算法或查询调度表方法，在每个时槽内选取子时槽，并在选取的子时槽进行唤醒侦听；

步骤5）每个节点在每个时槽都根据所对应的信道集合和起始信道，通过拉丁方算法进行信道切换。

本发明中，步骤1）中的无线传感器网络信道分类方法为：根据IEEE802.11无线信道分布定义的三个不重叠信道对IEEE802.15.4信道的干扰情况，将IEEE802.15.4信道分为4类，分别为1类信道、2类信道、3类信道和4类信道：1类信道受到第一个IEEE802.11不重叠信道的干扰，2类信道受到第二个IEEE802.11不重叠信道的干扰，3类信道受到第三个IEEE802.11不重叠信道的干扰，4类信道为除1类信道、2类信道和3类信道以外的其他信道。 

本发明的一个优选方案中，步骤1）中，1类信道受到IEEE802.11无线信道分布定义的信道1干扰，2类信道受到IEEE802.11无线信道分布定义的信道6干扰，3类信道受到IEEE802.11无线信道分布定义的信道11干扰。 

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

在传统的随机跳频信道切换方法中，网络中的节点都采用随机的方式选择一个信道进行切换。而在本发明中，首先，网络中的节点通过最小重复协商分为不同类型节点，并且每种类型节点所拥有的信道集合不同。然后，根据拉丁方跳频算法进行信道切换。本发明较传统随机跳频信道切换方法的性能优异在于：每个节点所拥有的信道集合中，信道间距都足够大，可以避免同一IEEE802.11信道对信道集中多个信道进行干扰。其次，通过节点间的最小重复协商，可以使邻居节点间的干扰大大降低。最后，每个节点都根据自己的拉丁方算法进行调频，可以减少在调频过程中的节点之间传输干扰。因此，本发明一方面可以降低内部节点间的传输干扰，另一方面可以在WiFi干扰的情况下快速传输数据 ，降低外部干扰带来的性能降低。

  

附图说明

图1为本发明实施例应用场景示意图； 

图2为IEEE802.11和IEEE802.15.4信道分布示意图；

图3为网络内节点染色示意图；

图4为时间超帧结构示意图；

图5为网络中各类节点拉丁方调频序列图；

图6为本发明方法与传统随机信道切换方法的数据延时仿真对比图；

图7为本发明方法整体流程图。

  

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。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。 

图1为本发明实施例应用场景示意图。该示意图表示在同一环境下，有无线传感器网络和WiFi网络同时存在并工作在2.4GHz工业、医疗频段。在本发明中，首先根据IEEE802.11无线信道分布定义和IEEE802.15.4无线信道定义（如图2所示），将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络信道分为4类，具体分类方法为：根据IEEE802.11三个不重叠信道（信道1、信道6、信道11）对IEEE802.15.4信道的干扰情况，将IEEE802.15.4信道分为4类（1类、2类、3类、4类）。应该强调的是，在本发明的具体实施方式中，选择信道1、信道6、信道11三个不重叠信道是优选实施例，任选其它三个不重叠信道依然可行。1类信道受到IEEE802.11的信道1干扰；2类信道受到IEEE802.11的信道6干扰；3类信道受到IEEE802.11的信道11干扰；4类信道为除1，2，3类以外的信道。在本发明中，IEEE802.15.4信道具体分类情况如下： 

1类信道：信道11、信道12、信道13、信道14；

2类信道：信道16、信道17、信道18、信道19；

3类信道：信道21、信道22、信道23、信道24；

4类信道：信道15、信道20、信道25、信道26；

对IEEE802.15.4信道分类完成之后，从得到的每类IEEE802.15.4信道中各抽取1个信道，组成A类信道集合，再从每类IEEE802.15.4信道的剩余信道中各抽取1个信道组成B类信道集合，以此类推，共得到A、B、C、D四类信道集合；

在本发明中，四类信道集合具体实施方法如下：

A类信道集合：信道11、信道16、信道21、信道15；

B类信道集合：信道12、信道17、信道22、信道20；

C类信道集合：信道13、信道18、信道23、信道25；

D类信道集合：信道14、信道19、信道24、信道26；

从上述信道集合可以看出，每类集合拥有4个信道，且这4个信道分别处在IEEE802.11的4个干扰范围之内。这样分配的优势在于，当一个IEEE802.15.4信道受到IEEE802.11一个信道干扰时，同一信道集合的其他信道在此IEEE802.11信道的干扰区外。

得到四类信道集合后，无线传感器网络的节点通过最小重复节点协商染色法进行分类，使节点与信道集合建立对应关系，从而根据节点所对应信道集合的类型，将节点区分为不同的类型，当一类信道集合对应的节点为两个或两个以上时，则该信道集合所对应节点根据最小重复原则选取起始信道；最小重复原则即当邻居范围内相同信道集合对应的节点不多于4个时，此节点选择其它节点没有选择的起始信道作为自己的起始信道；当邻居范围内相同信道集合对应的节点大于4个时，此节点选择重复次数最少的起始信道作为自己的起始信道；图3为本发明中网络内节点通过最小重复原则进行协商的一种具体分配结果，当网络进行初始化时，随机或固定选择一个节点开始发起协商，这里将A1节点作为起始节点，并开始发送一个邻居查询包，接收到邻居查询包的节点都给A1回复确认帧。然后由A1节点给这些节点进行染色分类，并回复分配结果帧，帧中包含所有邻居分配信息。然后每个节点再按此种方法继续进行染色分配。当邻居范围内同一信道集合对应的节点为两个或两个以上时，则该信道集合所对应节点根据最小重复原则选取起始信道；如图3中A1、A2、A3、A4所示，虽然这些节点都拥有A类信道集合，但是每个节点的起始信道不同。在本发明中A1节点的起始信道为1类信道（信道11），A2节点的起始信道为2类信道（信道16），A3节点的起始信道为3类信道（信道21），A4节点的起始信道为4类信道（信道15）。其它节点依次类推。 

图4为网络内节点的时间超帧结构示意图。一个时间超帧由多个时槽组成，每个时槽又由多个子时槽子时槽组成。节点通过线性同余伪随机算法或查询调度表方法，在每个时槽内选取子时槽，并在选取的子时槽进行唤醒侦听； 

图5为本发明中网络内节点在每个时槽进行信道切换的具体实施方式。A1、B1、C1、D1节点从1类信道开始进行拉丁方算法调频；A2、B2、C2、D2节点从2类信道开始进行拉丁方算法调频；A3、B3、C3、D3节点从3类信道开始进行拉丁方算法调频；A4、B4、C4、D4节点从4类信道开始进行拉丁方算法调频。

以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式，但本发明的保护范围并不仅局限于此，熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

下面进行实验测试，对比本发明方案与传统技术方案的性能：使用实验平台为NS2网络仿真模拟器；实验场景为4跳链式拓扑无线传感器网络以及一对WiFi节点。其中无线传感器网络节点使用8个信道，WiFi节点使用2个信道。这两个WiFi信道覆盖无线传感器网络节点所使用的8个信道； 网络负载为无线传感器网络源节点每3秒发送一个数据包，共发送200个。WiFi节点持续发送TCP数据流。从图6可以看出，本发明的无线传感器网络的抗干扰信道切换方法相比于传统的随机信道切换方法在端到端数据平均延时、最大数据延时和数据延时抖动方面均有提升。 

Claims (3)

1.一种适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1）根据IEEE802.11无线信道分布定义和IEEE802.15.4无线信道分布定义，将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络信道分为四类IEEE802.15.4信道；

步骤2）从所述步骤1）得到的每类IEEE802.15.4信道中各抽取1个信道，组成A类信道集合，再从每类IEEE802.15.4信道的剩余信道中各抽取1个信道组成B类信道集合，以此类推，共得到A、B、C、D四类信道集合；

步骤3）通过最小重复节点协商染色法对无线传感器网络的节点进行分类，使节点与信道集合建立对应关系，从而根据节点所对应信道集合的类型，将节点区分为不同的类型，当一类信道集合对应的节点为两个或两个以上时，则该信道集合所对应节点根据最小重复原则选取起始信道；

步骤4）将每个时间超帧划分为多个时槽，再将每个时槽划分为多个子时槽，节点通过伪随机算法或查询调度表方法，在每个时槽内选取子时槽，并在选取的子时槽进行唤醒侦听；

步骤5）每个节点在每个时槽都根据所对应的信道集合和起始信道，通过拉丁方算法进行信道切换。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法，其特征在于，所述步骤1）中的无线传感器网络信道分类方法为：

根据IEEE802.11无线信道分布定义的三个不重叠信道对IEEE802.15.4信道的干扰情况，将IEEE802.15.4信道分为4类，分别为1类信道、2类信道、3类信道和4类信道：所述1类信道受到第一个IEEE802.11不重叠信道的干扰，所述2类信道受到第二个IEEE802.11不重叠信道的干扰，所述3类信道受到第三个IEEE802.11不重叠信道的干扰，所述4类信道为除1类信道、2类信道和3类信道以外的其他信道。

3.根据权利要求2所述的一种适用于无线传感器网络的抗干扰信道切换方法，其特征在于，所述步骤1）中，1类信道受到IEEE802.11无线信道分布定义的信道1干扰，2类信道受到IEEE802.11无线信道分布定义的信道6干扰，3类信道受到IEEE802.11无线信道分布定义的信道11干扰。

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