CN103596283A - 基于相关序列的解决冲突的方法及系统 - Google Patents

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范少蕾
赵菊敏
刘红
何源
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Abstract

本发明涉及无线自组织网路与传感器网络领域，具体涉及基于相关序列的解决冲突的方法及系统。该方法包括：当接收节点根据预置的冲突检测标志存在冲突时，向发送节点发送竞争通知；所述发送节点根据所述竞争通知判断是否参与竞争；当所述发送节点参与竞争时，向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应；所述接收节点识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点；所述接收节点根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。该方法有效的解决大规模无线传感器网络中数据包冲突，并且提升数据发送的效率以及减少整个网络的能量消耗。

Description

基于相关序列的解决冲突的方法及系统
技术领域
本发明涉及无线自组织网路与传感器网络领域，具体涉及基于相关序列的解决冲突的方法及系统。
背景技术
随着通信、传感器制造、嵌入式计算的日益成熟，大规模无线传感器网络技术迅速发展并被广泛应用到环境、国防、救灾抢险及城市管理等诸多领域。典型的无线传感器网络由大量微型传感器节点组成，它们能够在恶劣及危险环境中迅速展开，并通过无线自组成网，不受现有有线网络基础设施的限制。感知数据通过无线通信以多跳中继方式汇集到数据处理中心。无线传感器网络使人们在任何时间、地点和环境条件下实时获取大量详实而可靠的信息，体现“计算无处不在”理念。
如何提高无线传感器网络的性能以及降低能量消耗具有重大意义。在解决能量消耗的方法中其中有一种方法是通过调整占空比来减少活动时间从而减少能量消耗，但是在减小占空比的同时就会增加冲突的机会导致重传又造成了额外的能量消耗。所以，可以通过减少网络中的数据包的冲突来达到节省能量消耗的目的。因此，研究如何解决数据包冲突问题有着至关重要的意义。现有的冲突解决机制主要是从链路访问控制层出发的，通过合理的安排和调度，使得发送者在不同的时隙发送数据。从性质上可以将这些划分为两类，分别是：基于时间表的冲突解决方法和基于竞争的冲突解决方法。
基于时间表的协议，比如时分多址,这种协议的优点是效率比较高但是要求较高的时间同步，因此对于资源有限的传感器节点和动态网络中并不适用。基于竞争机制的协议，比如载波侦听,该种方法操作简单，但是由于隐藏终端的存在导致其操作效率比较低，尤其是在事件触发型网络中其效率更加低下。
发明内容
本发明的目的在于提供基于相关序列的解决冲突的方法及系统，该方法有效的解决大规模无线传感器网络中数据包冲突的问题，并且提升数据发送的效率以及减少整个网络的能量消耗。
一方面，本发明提供了基于相关序列的解决冲突的方法，包括：
当接收节点根据预置的冲突检测标志存在冲突时，向发送节点发送竞争通知；
所述发送节点根据所述竞争通知判断是否参与竞争；
当所述发送节点参与竞争时，向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应；
所述接收节点识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点；
所述接收节点根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。
另一方面，本发明还提供了基于相关序列的解决冲突的系统，该系统包括接收节点和发送节点，其中当所述接收节点根据预置的冲突检测标志存在冲突时，用于向所述发送节点发送竞争通知；
所述发送节点用于根据所述竞争通知判断是否参与竞争；
当所述发送节点参与竞争时，用于向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应；
所述接收节点用于识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点；
所述接收节点用于根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。
上述技术方案提出的基于相关序列的解决冲突的方法及系统，该方法在没有冲突的情况下并没有任何代价而是当出现冲突时该协议才被触发因此能够适用于大规模无线传感网络，并且在能量消耗和吞吐量上有很好的性能表现。该方法是一种新型的冲突解决方法，首次利用相关序列来解决冲突问题，克服基于时间表的协议和基于竞争机制的协议的弊端，高效地解决了数据包冲突的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的流程示意图。
图2是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的具体流程示意图。
图3是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的过程示意图。
图4是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的数据流和工作流图。
图5是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
为了便于理解，图3‐5分别为本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的过程示意图、数据流和工作流图及结构框图。
图1是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的流程示意图，该方法包括：
步骤101、当接收节点根据预置的冲突检测标志存在冲突时，向发送节点发送竞争通知。
图2是本发明第一实施例中提供的基于相关序列的解决冲突的方法的具体流程示意图。由于本发明中提供的基于相关序列的解决冲突的方法运行在每一个传感器节点中，因此预置的对每个节点运行该初始化。初始化即冲突检测标志，选择竞争序列，调度信息等。
传感器节点中接收节点能够接收来自发送节点的数据包，当有多个发送节点同时向同一个发送节点发送数据时，根据预置的冲突检测标志在接收节点处就出现了数据包的冲突，无法对数据包正确解析。此时，接收节点不接收这些数据库，从而接收节点不会向发送节点返回ACK(Acknowledgement，确认字符)确认信息。因此，发送节点接收不到ACK信息，故发送节点没有成功发送数据包。各个发送节点中的未成功发送的数据包为冲突的数据包。
当接收节点成功检测到冲突的发生时，接收节点向通信范围内所有的发送节点通过广播的方式发送一个竞争通知，其中竞争通知包是一个很短的数据包。竞争通知的作用为通知所有潜在的发送节点在接下来的时刻参与竞争，以得到发送数据包的机会。
步骤102、所述发送节点根据所述竞争通知判断是否参与竞争。
在接收到竞争通知后，接收节点的所有的邻居节点就会根据是否期望收到ACK信息以判断是否参与竞争。如果发送节点期望收到ACK信息，但是它没有接收ACK信息而是收到竞争通知，则会参与竞争；如果发送节点不期望收到ACK信息则不参加竞争。
步骤103、当所述发送节点参与竞争时，向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应。
当发送节点参与竞争时，则向接收节点发送一个相关序列来参与竞争。与传统的冲突解决方法不同的是本发明根据已知序列冲突来解决冲突，该机制的目的是更高效的识别出所有冲突节点并高效的调度它们。由于所有的发送节点同时接收到竞争通知之后，经过相同的处理时间，同时地向接收节点发送相同长度的竞争序列，而电磁波以光速传播，因此竞争序列到达接收节点的时间相同的。即所有的潜在发送节点的竞争序列到达接收节点的时间是相同的。为了在接收节点处识别每个发送节点，向同一个接收节点发送数据的发送节点都具有唯一的竞争序列，且发送节点的竞争序列与其序列号相匹配。
所述相关序列为正交序列。可选的相关序列为Gold序列，其中Gold序列是在m序列基础上提出并分析的一种特性较好的伪随机序列，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对通过模2相加而构成的。Gold序列具有良好的互相关特性，即使在低信噪比（-6分贝）时也能将多个叠加序列检测出来。
步骤104、所述接收节点识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点。
所述接收节点根据预置的本地码库的序列检测所述相关序列，若所述相关序列与所述本地序列相关时，则所述接收节点识别出所述相关序列。为了能够将参与竞争的发送节点一一识别出来，接收节点通信范围内的所有节点在竞争的过程中必须保证选择唯一的序列参与竞争。本发明采用分布式机制，序列库中的序列数目大于等于在无线传感网络中的节点度，接收节点根据通信范围内的节点编号大小一一分配序列并将分配序列的信息以广播的形式发送给每一个邻居节点，发送节点选取唯一的序列参与竞争。本发明的核心就是利用互相关将多个Gold序列一一识别，并通过序列与节点编号的匹配关系将节点识别出来。其过程如下：根据Gold序列的互相关特性，接收节点利用本地码库的序列对接收到的序列进行相关检测，如果接收到的序列与本地序列相关时出现峰值则认为接收到的信息中存在该序列。因此，成功的检测出序列来即实现了竞争节点的识别过程。
步骤105、所述接收节点根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。
当接收节点识别所有参与竞争的发送节点之后，接收节点根据识别的结果来为这些发送节点安排相应的发送时间。发送时间的安排可以根据一定的优先级，比如编号越大的发送节点的优先级越高。调度结果以编号为单元，接收节点再次通过广播的方式，将调度包发送给周围的所有参与竞争的发送节点。
本发明提供的基于相关序列的解决冲突的方法中在所述发送节点根据所述调度包向所述接收节点发送数据具体包括：若所述发送节点为调度中的节点，立即向所述接收节点发送数据包；所述接收节点广播下一个待调度的发送节点的编号。
当发送节点接收所述调度包之后，所有的发送节点都根据调度包的信息判断其是否赢得竞争，以安排其数据包发送过程。如果发送节点为调度中的节点，那么此发送节点立即向接收节点发送数据包；当接收节点收到数据包时，向接收节点广播ACK信息，其中ACK信息包含下一个待调度的发送节点的编号；下一个节点发现自己的调度信息则开始发送数据包，以此类推所有发送节点都在其对应的时隙发送数据，从而避免了冲突的出现。
本发明提出的基于相关检测的冲突解决方法，其优点是：第一，通过主动竞争的模式，可以高效地将所有参与竞争的发送节点识别出来，以便于之后的调度。第二，通过利用正交序列的互相关特性，使得冲突解决的效率得以提高；第三，通过对发送节点的识别和调度，大大减小发送节点发送数据包的冲突概率，从而减小重传的次数；第四，通过减小冲突概率和重传次数，发送节点和接收节点的能量消耗大大减小，因此能量的利用效率得以提高；第五，通过减小冲突的概率，数据发送和接收的成功率得以提高，而且数据接收的延迟也大大减小。
本发明还提出基于相关序列的解决冲突的系统，该系统包括接收节点和发送节点，其中，当所述接收节点根据预置的冲突检测标志存在冲突时，用于向所述发送节点发送竞争通知；所述发送节点用于根据所述竞争通知判断是否参与竞争；当所述发送节点参与竞争时，用于向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应；所述接收节点用于识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点；所述接收节点用于根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。
所述接收节点用于向所述发送节点发送所述调度包之后，用于根据所述调度包向所述接收节点发送数据。所述相关序列为正交序列。
所述接收节点用于识别所述相关序列具体包括：所述接收节点用于根据预置的本地码库的序列检测所述相关序列，若所述相关序列与所述本地序列相关时，则所述接收节点识别出所述相关序列。
所述发送节点用于根据所述调度包向所述接收节点发送数据具体包括：若所述发送节点为调度中的节点，用于立即向所述接收节点发送数据包；所述接收节点用于广播下一个待调度的发送节点的编号。
本发明提出基于相关序列的解决冲突的系统在没有冲突的情况下并没有任何代价而是当出现冲突时该协议才被触发因此能够适用于大规模无线传感网络，并且在能量消耗和吞吐量上有很好的性能表现。该系统首次利用相关序列来解决冲突问题，克服了基于时间表的冲突解决系统和基于竞争的冲突解决系统的弊端，高效地解决了数据包冲突的问题。
上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于相关序列的解决冲突的方法，其特征在于，包括：
当接收节点根据预置的冲突检测标志发现存在冲突时，向发送节点发送竞争通知；
所述发送节点根据所述竞争通知判断是否参与竞争；
当所述发送节点参与竞争时，向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应；
所述接收节点识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点；
所述接收节点根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述接收节点向所述发送节点发送所述调度包之后，还包括：
所述发送节点根据所述调度包向所述接收节点发送数据。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述相关序列为正交序列。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述接收节点识别所述相关序列具体包括：
所述接收节点根据预置的本地码库的序列检测所述相关序列，若所述相关序列与所述本地序列相关时，则所述接收节点识别出所述相关序列。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述发送节点根据所述调度包向所述接收节点发送数据具体包括：
若所述发送节点为调度中的节点，立即向所述接收节点发送数据包；
所述接收节点广播下一个待调度的发送节点的编号。
6.基于相关序列的解决冲突的系统，其特征在于，包括接收节点和发送节点，其中，
当所述接收节点根据预置的冲突检测标志存在冲突时，用于向所述发送节点发送竞争通知；
所述发送节点用于根据所述竞争通知判断是否参与竞争；
当所述发送节点参与竞争时，用于向所述接收节点发送相关序列，所述发送节点与所述相关序列一一对应；
所述接收节点用于识别所述相关序列，并根据所述相关序列与所述发送节点的匹配关系识别所述发送节点；
所述接收节点用于根据预置的所述发送节点的优先级，创建所述发送节点的调度包，并向所述发送节点发送所述调度包。
7.根据权利要求6所述的系统法，其特征在于，所述接收节点用于向所述发送节点发送所述调度包之后，还包括：
所述发送节点用于根据所述调度包向所述接收节点发送数据。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述相关序列为正交序列。
9.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述接收节点用于识别所述相关序列具体包括：
所述接收节点用于根据预置的本地码库的序列检测所述相关序列，若所述相关序列与所述本地序列相关时，则所述接收节点识别出所述相关序列。
10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发送节点用于根据所述调度包向所述接收节点发送数据具体包括：
若所述发送节点为调度中的节点，用于立即向所述接收节点发送数据包；所述接收节点用于广播下一个待调度的发送节点的编号。
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