CN103763778A - 一种无线网络信道分配的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络信道分配的方法，主要包括：利用多元信道，建立根植于不同网关的双向树，使每个双向树使用不同的射频频道；基于建立的双向树，每一个网关被分配一个固定信道，非网关节点按顺序进行信道扫描，寻找树以加入相应的树中；当非网关节点收到来自网关的包含所有网关占用信道列表的心跳消息时，非网关节点明确知道当前所有可用信道，停止信道扫描过程；当扫描过程结束，非网关节点切换到最后加入的树。本发明所述无线网络信道分配的方法，可以克服现有技术中数据吞吐量小、传输等待时间长和传输效率低等缺陷，以实现数据吞吐量达、传输等待时间短和传输效率高的优点。

Description

一种无线网络信道分配的方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种无线网络信道分配的方法。

背景技术

无线网络，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。

在移动通信系统中，信道分配是无线资源管理（Radio Resource Management，简称RRM）的重要内容。根据分配方法的不同，信道分配可分为固定信道分配（FCA）、动态信道分配（DCA）和随机信道分配（RCA）。DCA是动态信道分配的简称，其作用是通过信道质量准则和业务量参数对信道资源进行优化配置。DCA的测量由UTRAN执行，并由UE向UTRAN报告测量结果。

为了使空闲模式下的DCA测量最小化，应区分两种情况：与TD-SCDMA系统建立连接时的初始DCA测量和连接模式下的DCA测量。

为了提高系统容量、减少干扰、更有效地利用有限的信道资源，蜂窝移动通信系统普遍采用信道分配技术，即根据移动通信的实际情况及约束条件，设法使更多用户接入的技术。信道分配有固定信道分配（FCA）、动态信道分配（DCA）和混合信道分配（HCA）3种。

TD-SCDMA系统采用RNC集中控制的DCA技术，在一定区域内，将几个小区的可用信道资源集中起来，由RNC统一管理，按小区呼叫阻塞率、候选信道使用频率、信道再用距离等诸多因素，将信道动态分配给呼叫用户。

信道动态分配分为2个阶段：第1阶段是呼叫接入的信道选择，采用慢速DCA；第2阶段是呼叫接入后为保证业务传输质量而进行的信道重选，采用快速DCA。RNC根据各相邻小区占用的时隙，计算或测量时隙的干扰情况，动态地在RNC所管辖的各小区间、工作载波间及上下行链路之间进行时隙分配。

在大规模高密度的无线传感器网络应用中可能会在同一个地点部署成千上万个传感器节点，数据吞吐量有限，传输等待时间较长。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在数据吞吐量小、传输等待时间长和传输效率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种无线网络信道分配的方法，以实现数据吞吐量达、传输等待时间短和传输效率高的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种无线网络信道分配的方法，主要包括：

a、利用多元信道，建立根植于不同网关的双向树，使每个双向树使用不同的射频频道；

b、基于建立的双向树，每一个网关被分配一个固定信道，非网关节点按顺序进行信道扫描，寻找树以加入相应的树中；

c、当非网关节点收到来自网关的包含所有网关占用信道列表的心跳消息时，非网关节点明确知道当前所有可用信道，停止信道扫描过程；当扫描过程结束，非网关节点切换到最后加入的树。

进一步地，在步骤b中，所述非网关节点按顺序进行信道扫描的操作具体包括：

⑴第1节点在第1信道侦听心跳消息；

⑵第1节点收到来自第1父节点的心跳消息，并发送加入该树的请求；

⑶第1父节点授权第1节点加入到树中；

⑷第1节点在第2信道侦听心跳消息；

⑸第1节点收到来自第2父节点的心跳消息，发现其到网关的路径小于第1信道上的路径；

⑹第1节点发送加入第2父节点树的请求；

⑺第2父节点授权第1节点加入到树中；

⑻第1节点在第3~12信道侦听心跳消息，没有侦听到任何心跳消息；

⑼第1节点决定在第2信道广播心跳消息；

⑽第2父节点收到第1节点广播的心跳消息，确认其完成加入树的过程；

⑾第1父节点在第1信道上未侦听到第1节点的心跳消息，将其移出子节点列表。

进一步地，在步骤b中，所述每一个网关被分配一个固定信道的操作，具体包括：

第1节点在信道扫描阶段加入两组双向树，当第1节点决定留在相应的固定信道并于第三节点建立父子关系，第2节点将第1节点从子节点列表中删除。

进一步地，在步骤b中，所述每一个网关被分配一个固定信道的操作，具体还包括：

节点以心跳消息间隔时间为参考，绑定等待时间在每一个信道上；

节点以具有双向树的网络拓扑的方式，进行双向握手，加入第1个树；

在接下来的信道上，节点依然会进行扫描：如果有链路状态好于当前链路的信道存在，则节点会离开当前信道，加入新的信道。

进一步地，在步骤b中，所述每一个网关被分配一个固定信道的操作，具体还包括：

节点加入到多个树种的情况下，在节点进行信道扫描时候，不发送心跳广播去招募子节点的；

当扫描过程结束，节点切换到最后加入的树；候选父节点如果在某个信道上侦听不到子节点的心跳广播时，将该子节点进行超时处理，并移出子节点列表。

进一步地，所述具有双向树的网络拓扑的建立方法，具体包括：

a0、在预设的网络拓扑表中加入能够进行数据传输的传感器节点，将该传感器节点称为树节点；将暂未加入网络拓扑表的传感器节点称为非树节点；

b0、网关通过广播树节点的心跳消息的方式，初始化网络拓扑的建立过程；

c0、基于网络拓扑建立过程的初始化结果，非树节点竞争加入网络拓扑表后，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点，建立所需网络拓扑结构。

进一步地，在步骤b0中，网关是整个树的根节点，网关会周期性地发送心跳消息；

当一个节点加入到树种之后，节点会等待其父节点发来的第二个心跳消息，此心跳消息会触发该节点发送自己的心跳消息；心跳消息中明确标明了该节点的哪些父节点和子节点处于活动状态；

如果一个节点在预设时间段无法从其父节点得到心跳消息，则该节点认为其父节点已经不可达，并会将自己重新回复到扫描的状态；

同样地，父节点也会将子节点从拓扑表中删除，如果长时间没有收到子节点的心跳数据；

在步骤b0中，网关通过广播树节点的心跳消息的方式，初始化网络拓扑的建立过程的操作，具体包括：

网关发送心跳消息；

节点收到心跳消息，加入树；

网关再次发送心跳消息，包含节点的信息；

节点确认加入网络，并向外广播自身的心跳消息。

进一步地，在步骤c0中，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点的操作，具体包括：

非树节点进入初始化的扫描状态，主动地侦听网络中的心跳消息；非树节点通过以下的方式来确立父节点：

⑴确保捕获的心跳消息的信号强度超过阈值；

⑵检查发送心跳消息的潜在父节点的子节点列表，确定该父节点是否已经达到所允许子节点数目的最大值；

⑶通过计算总传输计数ETTC来确定节点到网关的上行链路的质量；在步骤⑶中，ETTC的计算如公式如下：

  （1）；

在公式（1）中，j表示当前节点，i标识潜在的父节点，p标识从j到经过i到网关的路径，ELDRl表示l链路上估算链接传输率；递归计算ETTCj，ETTCi包含在心跳消息中；确定i到j之间的ELDR需要进行多次的消息交换轮回；

在步骤c0中，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点的操作，具体还包括：

当非树节点进入初始化的扫描状态的扫描结束时，非树节点选择总传输计数最小的上行节点来作为潜在的父节点，并发送加入树的请求；

该潜在父节点会估算从此链路上的链路状况；

如果链路质量能够被接受，该潜在父节点就会向发出请求的子节点发送授权消息，以确认其加入到树拓扑中；如果链路状况不佳，则不会向子节点进行授权，子节点此时会变为超时状态，并继续侦听网络中的心跳消息广播。

进一步地，在步骤b0或步骤c0中，广播心跳消息时，具体是通过混合机制来广播心跳消息，父节点分配预定时长的片段给子节点；

心跳消息包含的字段，包括相应传感器节点的状态、相应传感器节点距离根节点的跃点距离、以及相应传感器节点所在父节点的序列号和子节点的列表；子节点列表用于协调心跳消息的传输；

子节点列表即能够用于进行本地时分多路复用的分时计划，子节点使用的时间窗口的计算公式如下：

           （2）；

在公式（2）中，T表示分配给子节点的时间长度，I表示节点号，nmax表示拓扑树所允许的最大子节点数目，nmax表示是网络中规定的最大子节点数目；剩余的时间被分配于非树节点双向通讯的初始化。

本发明各实施例的无线网络信道分配的方法，由于主要包括：利用多元信道，建立根植于不同网关的双向树，使每个双向树使用不同的射频频道；基于建立的双向树，每一个网关被分配一个固定信道，非网关节点按顺序进行信道扫描，寻找树以加入相应的树中；当非网关节点收到来自网关的包含所有网关占用信道列表的心跳消息时，非网关节点明确知道当前所有可用信道，停止信道扫描过程；当扫描过程结束，非网关节点切换到最后加入的树；可以采用部署多个网关的方式来采集数据；从而可以克服现有技术中数据吞吐量小、传输等待时间长和传输效率低的缺陷，以实现数据吞吐量达、传输等待时间短和传输效率高的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明无线网络信道分配的方法的流程示意图；

图2为本发明无线网络信道分配的方法中节点N1在信道扫描阶段加入两组BiTree的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，如图1和图2所示，提供了一种无线网络信道分配的方法。

在大规模高密度的无线传感器网络应用中可能会在同一个地点部署成千上万个传感器节点。为了增加数据吞吐量，减少传输等待时间，本实施例的无线网络信道分配的方法，采用部署多个网关的方式来采集数据。利用多元信道来建立根植于不同网关的双向树（BiTree），并使每个BiTree使用不同的射频频道。

如图2所示，节点N1在信道扫描阶段加入两组BiTree。最后它决定留在信道C2并于节点N3建立父子关系。节点N2将N1从子节点列表中删除。

在Linkmote无线传感器网络中个，每一个网关被分配一个固定的信道。非网关节点按顺序扫描信道并寻找树以加入其中。由于网关周期性地启动新一轮的心跳消息传输，节点能够以心跳消息间隔时间为参考，绑定等待时间在每一个信道上。节点以（一种网络拓扑建立的方法）中所描述的方式，进行双向握手，加入第1个树。在接下来的信道上，节点依然会进行扫描。如果有链路状态好于当前链路的信道存在，则节点会离开当前信道，加入新的信道。

节点有可能加入到多个树种。但是，在节点进行信道扫描的时候，它们是不会发送心跳广播去招募子节点的。这是为了避免节点在决定不加入某个树时产生额外的干扰。当扫描过程结束，节点会切换到最后加入的树。候选父节点如果在某个信道上侦听不到子节点的心跳广播，则就会将该子节点进行超时处理，并移出子节点列表。 

在网关的帮助下，节点可以显著地减少信道扫描所花费的时间。这是因为网关会在其心跳消息中包含所有的它所占用的信道的列表。所以当节点收到来自网关的心跳消息时，节点会明确知道当前所有可用的信道，从而停止信道扫描的过程。 

以下简述了节点进行信道扫描的过程：

⑴节点A在信道1侦听心跳消息；

⑵节点A收到来自父节点AA的心跳消息，并发送加入该树的请求；

⑶父节点AA授权节点A加入到树中；

⑷节点A在信道2侦听心跳消息；

⑸节点A收到来自父节点BB的心跳消息，发现其到网关的路径小于信道1上的路径；

⑹节点A发送加入父节点BB树的请求；

⑺父节点BB授权节点A加入到树中；

⑻节点A在信道3~12侦听心跳消息，没有侦听到任何心跳消息；

⑼节点A决定在信道2广播心跳消息；

⑽父节点BB收到节点A广播的心跳消息，确认其完成加入树的过程；

⑾父节点AA在信道1上未侦听到节点A的心跳消息，将其移出子节点列表。

在上述实施例中提及的网络拓扑建立的方法，主要包括：

a0、在预设的网络拓扑表中加入能够进行数据传输的传感器节点，将该传感器节点称为树节点；将暂未加入网络拓扑表的传感器节点称为非树节点；

b0、网关通过广播树节点的心跳消息的方式，初始化网络拓扑的建立过程；

在步骤b0中，网关是整个树的根节点，网关会周期性地发送心跳消息；

当一个节点加入到树种之后，节点会等待其父节点发来的第2个心跳消息，此心跳消息会触发该节点发送自己的心跳消息；心跳消息中明确标明了该节点的哪些父节点和子节点处于活动状态；

如果一个节点在预设时间段无法从其父节点得到心跳消息，则该节点认为其父节点已经不可达，并会将自己重新回复到扫描的状态；

同样地，父节点也会将子节点从拓扑表中删除，如果长时间没有收到子节点的心跳数据；

在步骤b0中，网关通过广播树节点的心跳消息的方式，初始化网络拓扑的建立过程的操作，具体包括：

网关发送心跳消息；

节点收到心跳消息，加入树；

网关再次发送心跳消息，包含节点的信息；

节点确认加入网络，并向外广播自身的心跳消息；

c0、基于网络拓扑建立过程的初始化结果，非树节点竞争加入网络拓扑表后，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点，建立所需网络拓扑结构；

在步骤c0中，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点的操作，具体包括：

非树节点进入初始化的扫描状态，主动地侦听网络中的心跳消息；非树节点通过以下的方式来确立父节点：

⑴确保捕获的心跳消息的信号强度超过阈值；

⑵检查发送心跳消息的潜在父节点的子节点列表，确定该父节点是否已经达到所允许子节点数目的最大值；

⑶通过计算总传输计数ETTC来确定节点到网关的上行链路的质量；在步骤⑶中，ETTC的计算如公式如下：

  （1）；

在公式（1）中，j表示当前节点，i标识潜在的父节点，p标识从j到经过i到网关的路径，ELDRl表示l链路上估算链接传输率；递归计算ETTCj，ETTCi包含在心跳消息中；确定i到j之间的ELDR需要进行多次的消息交换轮回；

在步骤c0中，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点的操作，具体还包括：

当非树节点进入初始化的扫描状态的扫描结束时，非树节点选择总传输计数最小的上行节点来作为潜在的父节点，并发送加入树的请求；

该潜在父节点会估算从此链路上的链路状况；

如果链路质量能够被接受，该潜在父节点就会向发出请求的子节点发送授权消息，以确认其加入到树拓扑中；如果链路状况不佳，则不会向子节点进行授权，子节点此时会变为超时状态，并继续侦听网络中的心跳消息广播；

在步骤b0或步骤c0中，广播心跳消息时，具体是通过混合机制来广播心跳消息，父节点分配预定时长的片段给子节点。心跳消息包含的字段，包括相应传感器节点的状态、相应传感器节点距离根节点的跃点距离、以及相应传感器节点所在父节点的序列号和子节点的列表；子节点列表用于协调心跳消息的传输。子节点列表即能够用于进行本地时分多路复用的分时计划，子节点使用的时间窗口的计算公式如下：

           （2）；

在公式（2）中，T表示分配给子节点的时间长度，I表示节点号，nmax表示拓扑树所允许的最大子节点数目，nmax表示是网络中规定的最大子节点数目；剩余的时间被分配于非树节点双向通讯的初始化。

综上所述，本发明上述各实施例的实施例的无线网络信道分配的方法，具有以下特点：

⑴采用多信道通讯的方式减少大规模无线传感器网络中的拥塞；

⑵节点可以对所有可用信道进行扫描，比对链路的状况；

⑶支持多跃点的网络环境；

⑷极大减少控制消息的传输。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)

1.一种无线网络信道分配的方法，其特征在于，主要包括：

a、利用多元信道，建立根植于不同网关的双向树，使每个双向树使用不同的射频频道；

b、基于建立的双向树，每一个网关被分配一个固定信道，非网关节点按顺序进行信道扫描，寻找树以加入相应的树中；

c、当非网关节点收到来自网关的包含所有网关占用信道列表的心跳消息时，非网关节点明确知道当前所有可用信道，停止信道扫描过程；当扫描过程结束，非网关节点切换到最后加入的树。

2.根据权利要求1所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤b中，所述非网关节点按顺序进行信道扫描的操作具体包括：

⑴第1节点在第1信道侦听心跳消息；

⑵第1节点收到来自第1父节点的心跳消息，并发送加入该树的请求；

⑶第1父节点授权第1节点加入到树中；

⑷第1节点在第2信道侦听心跳消息；

⑸第1节点收到来自第2父节点的心跳消息，发现其到网关的路径小于第1信道上的路径；

⑹第1节点发送加入第2父节点树的请求；

⑺第2父节点授权第1节点加入到树中；

⑻第1节点在第3~12信道侦听心跳消息，没有侦听到任何心跳消息；

⑼第1节点决定在第2信道广播心跳消息；

⑽第2父节点收到第1节点广播的心跳消息，确认其完成加入树的过程；

⑾第1父节点在第1信道上未侦听到第1节点的心跳消息，将其移出子节点列表。

3.根据权利要求1或2所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤b中，所述每一个网关被分配一个固定信道的操作，具体包括：

第1节点在信道扫描阶段加入两组双向树，当第1节点决定留在相应的固定信道并于第三节点建立父子关系，第2节点将第1节点从子节点列表中删除。

4.根据权利要求3所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤b中，所述每一个网关被分配一个固定信道的操作，具体还包括：

节点以心跳消息间隔时间为参考，绑定等待时间在每一个信道上；

节点以具有双向树的网络拓扑的方式，进行双向握手，加入第1个树；

在接下来的信道上，节点依然会进行扫描：如果有链路状态好于当前链路的信道存在，则节点会离开当前信道，加入新的信道。

5.根据权利要求4所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤b中，所述每一个网关被分配一个固定信道的操作，具体还包括：

节点加入到多个树种的情况下，在节点进行信道扫描时候，不发送心跳广播去招募子节点的；

当扫描过程结束，节点切换到最后加入的树；候选父节点如果在某个信道上侦听不到子节点的心跳广播时，将该子节点进行超时处理，并移出子节点列表。

6.根据权利要求4所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，所述具有双向树的网络拓扑的建立方法，具体包括：

a0、在预设的网络拓扑表中加入能够进行数据传输的传感器节点，将该传感器节点称为树节点；将暂未加入网络拓扑表的传感器节点称为非树节点；

b0、网关通过广播树节点的心跳消息的方式，初始化网络拓扑的建立过程；

c0、基于网络拓扑建立过程的初始化结果，非树节点竞争加入网络拓扑表后，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点，建立所需网络拓扑结构。

7.根据权利要求6所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤b0中，网关是整个树的根节点，网关会周期性地发送心跳消息；

当一个节点加入到树种之后，节点会等待其父节点发来的第二个心跳消息，此心跳消息会触发该节点发送自己的心跳消息；心跳消息中明确标明了该节点的哪些父节点和子节点处于活动状态；

如果一个节点在预设时间段无法从其父节点得到心跳消息，则该节点认为其父节点已经不可达，并会将自己重新回复到扫描的状态；

同样地，父节点也会将子节点从拓扑表中删除，如果长时间没有收到子节点的心跳数据；

在步骤b0中，网关通过广播树节点的心跳消息的方式，初始化网络拓扑的建立过程的操作，具体包括：

网关发送心跳消息；

节点收到心跳消息，加入树；

网关再次发送心跳消息，包含节点的信息；

节点确认加入网络，并向外广播自身的心跳消息。

8.根据权利要求6所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤c0中，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点的操作，具体包括：

非树节点进入初始化的扫描状态，主动地侦听网络中的心跳消息；非树节点通过以下的方式来确立父节点：

⑴确保捕获的心跳消息的信号强度超过阈值；

⑵检查发送心跳消息的潜在父节点的子节点列表，确定该父节点是否已经达到所允许子节点数目的最大值；

⑶通过计算总传输计数ETTC来确定节点到网关的上行链路的质量；在步骤⑶中，ETTC的计算如公式如下：

  （1）；

在公式（1）中，j表示当前节点，i标识潜在的父节点，p标识从j到经过i到网关的路径，ELDRl表示l链路上估算链接传输率；递归计算ETTCj，ETTCi包含在心跳消息中；确定i到j之间的ELDR需要进行多次的消息交换轮回；

在步骤c0中，通过发出自身的心跳消息的方式，募集更多的传感器节点的操作，具体还包括：

当非树节点进入初始化的扫描状态的扫描结束时，非树节点选择总传输计数最小的上行节点来作为潜在的父节点，并发送加入树的请求；

该潜在父节点会估算从此链路上的链路状况；

如果链路质量能够被接受，该潜在父节点就会向发出请求的子节点发送授权消息，以确认其加入到树拓扑中；如果链路状况不佳，则不会向子节点进行授权，子节点此时会变为超时状态，并继续侦听网络中的心跳消息广播。

9.根据权利要求6所述的无线网络信道分配的方法，其特征在于，在步骤b0或步骤c0中，广播心跳消息时，具体是通过混合机制来广播心跳消息，父节点分配预定时长的片段给子节点；

心跳消息包含的字段，包括相应传感器节点的状态、相应传感器节点距离根节点的跃点距离、以及相应传感器节点所在父节点的序列号和子节点的列表；子节点列表用于协调心跳消息的传输；

子节点列表即能够用于进行本地时分多路复用的分时计划，子节点使用的时间窗口的计算公式如下：

           （2）；

在公式（2）中，T表示分配给子节点的时间长度，I表示节点号，nmax表示拓扑树所允许的最大子节点数目，nmax表示是网络中规定的最大子节点数目；剩余的时间被分配于非树节点双向通讯的初始化。

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