CN105142163B - 基于多信道监听和rssi采样的通信方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置，其中方法包括以下步骤：从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值；若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则获取全部信道的实时RSSI值，将所述全部信道的实时RSSI值进行中位数计算，将结果加上一偏移量X，得到噪声阈值；将所述某一信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值小于所述噪声阈值，则判定该信道空闲并发送数据。本发明提供的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置，通过实时获取信道的RSSI值，并以此准确计算得到信道的噪声阈值，保证数据的正常可靠传输。

Description

基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置。

背景技术

近年来无线传感器网络作为物联网的重要组成部分，在智能交通、智能家居、精准农业等领域都逐渐展开了应用，并有着迅猛的发展，各种关于传感网络的新技术也备受重视。

而在无线通信网络中，同一空间信道内有越来越多的节点在同时工作，这样势必造成通信节点相互之间的干扰和碰撞，导致数据丢失，特别是在目前发展较为迅速的车载网络通信系统中，系统对通信的实时性和可靠性的要求非常高，以充分保障交通安全。为了各节点之间的对信道的有效利用和有效避免数据收发的串扰，引入合理且准确可靠的信道使用监测机制成了提高无线通信网络性能指标的关键。

目前较为适用的方法就是基于RSSI(Receive Signal Strength Indication，接收信号的强度指示)的无线通信信道状态监测方法，通过获得信道的RSSI，判定当前信道的忙闲活动状态，决定节点当前是否能够占据信道并发送数据。但是目前已有的方法都是利用单信道单节点采样RSSI值，具有不稳定和不可靠性，容易随着环境的不确定因素而上下波动，例如环境的湿度和温度变化便可影响RSSI，而且这些影响因素对RSSI值的采样是没有规律的，所以较难分析其对RSSI值的影响程度，这样导致利用RSSI值来判断信道的忙闲状态则具有一定的不可靠性。也就在一定程度上增加了各节点对信道状态判断错误的概率，在一定程度上导致数据传输冲突碰撞。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置，通过从不同的时域和空域实时检测多个信道的RSSI值，根据得到的多个RSSI值，准确计算出当前环境的噪声阈值，利用此阈值判断当前信道是否空闲，以有效避免发送数据包时的碰撞。

基于上述目的本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，包括以下步骤：

从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值；

若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则获取全部信道的实时RSSI值，将所述全部信道的实时RSSI值进行中位数计算，将结果加上一偏移量X，得到噪声阈值；

将所述某一信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值小于所述噪声阈值，则判定该信道空闲并发送数据。

进一步，每个信道的带宽为600KHz到1MHz。

进一步，所述偏移量X的范围为2dBm至8dBm。

本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，包括以下步骤：

从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值；

若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则对所述某一信道的RSSI值从t时刻其向前以固定时间间隔进行多次取样，得到多个取样值；

对所述多个取样值进行最小二乘计算，得到噪声阈值；

将所述某一信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值小于所述噪声阈值，则判定该信道空闲并发送数据。

进一步，令θ(t)表示t时刻的噪声阈值，其计算式如下：

其中式中RSSI(k)为k时刻所述某一信道的RSSI值，m的取值范围是2至10的整数， n为整数。

进一步，所述n的取值范围为150到250的整数。

进一步，所述n的取值为200。

本发明提供一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置，包括处理系统、数据发送系统和多个数据接收系统；所述数据发送系统和数据接收系统分别连接至所述处理系统；

每个数据接收系统分别占用多个相邻信道中的一个，且每个数据接收系统所占用的信道均不相同；所述数据发送系统能够在所述数据接收系统所占用的信道间进行切换；

在空闲时，所述数据接收系统实时监测并记录各自信道的RSSI值，并将该RSSI值发送至处理系统进行处理，进而得到各数据接收系统所占用信道的实时噪声阈值；在需要发送数据时，所述数据发送系统从所述处理系统获取其即将占用的信道的实时噪声阈值，并同时监测该信道的实时RSSI值，通过对比所述实时RSSI值与实时噪声阈值判定信道的忙闲状态，若判定信道状态为忙，则所述数据发送系统选择等待，若判定信道状态为空闲，则所述数据发送系统发送数据。

进一步，所述数据发送系统和数据接收系统均包括相连接的处理模块和无线通信模块；所述数据接收系统在空域上均匀分布；所述无线通信模块用于接收或发送数据；在信道空闲时，所述处理模块通过所述无线通信模块检测到的环境噪声值计算当前信道的实时RSSI值。

从上面所述可以看出，本发明提供的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置，通过实时获取信道的RSSI值，并以此准确计算得到信道的噪声阈值，利用信道的噪声阈值判断当前信道的忙闲状态，给节点对信道的使用提供准确信息，有效避免节点间发送数据包的干扰碰撞，保证数据的正常可靠传输。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置的实施例的模块示意图；

图2是本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置的实施例的多信道频谱分布示意图；

图3为本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法的第一实施例的流程图；

图4为本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置的实施例的工作示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明提供的一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置的实施例的模块示意图，如图所示，本实施例提供的通信装置包含了一个数据发送系统1、处理系统2和分别占用一个信道的多个数据接收系统3，其占用的信道均不相同，且相邻分布；每个数据接收系统3用于监测其所占用信道的RSSI值，将全部信道的RSSI值采样并传输给处理系统2进行算法处理，一般情况下，这些无线通信信道大多数是空闲的，只有很少部分被占用传输数据，所以大部分数据接收系统3检测到的都是环境的噪声RSSI值，处理系统2分析这些噪声RSSI值，可以较为准确的确定当前环境的实时RSSI噪声阈值，并将RSSI噪声阈值传输给数据发送系统1，数据发送系统1一直也处于接收状态，并同时实时采样信道的RSSI值，数据发送采样1将信道的实时RSSI值与实时的RSSI噪声阈值相比较，如果实时RSSI值大于实时的RSSI噪声阈值，则可以判断信道繁忙，有节点在利用信道传输数据，数据发送系统1则会重新随机选择一个时隙，重新监测信道状态，并重新决定是否发送数据包；如果实时RSSI值小于实时的RSSI噪声阈值，则可以判断信道空闲，可以择机选择发送数据包。

上述数据发送系统1和数据接收系统3均包括相连接的处理模块和无线通信模块，并且数据接收系统3在空域上均匀分布，以便实时获取不同空域的RSSI值。无线通信模块用于接收或发送数据，在信道空闲时，该无线通信模块实时监听并接受其所处无线信道的环境噪声，并将其发送至处理模块，处理模块通过该环境噪声值计算当前信道的实时RSSI值，并发送至处理系统2进行记录和运算。

数据接收系统在空域上的均匀分布可用以下示例说明：数据接收系统共有8个，那么可将它们设置于同一水平面内，排布为2*4的阵列，同一排或同一列的相邻数据接收系统之间的距离为0.1m，以此种设置方式获取一定区域内位于不同位置的点的RSSI值，以便于在处理时获取更加可靠的环境噪声值。上述0.1m仅为一个实例，具体距离可根据需要选用任意适合值。

在一些优选的实施例中，上述处理模块采用MSP430f134微控制芯片，上述无线通信模块采用Si3321无线通信芯片。在这种方式下，每个数据收发单元能够很好的与其他收发单元进行独立工作，为用户提供了较好的动态可扩展性。

图2是本发明一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置的多信道频谱分布示意图，如图所示，各通信信道间是相邻分布的，而且不同信道间保证信道不重叠，每个信道的带宽为600KHz到1MHz；在本实施例中，每个信道具有800KHz的带宽，可以较好保证信道间没有串扰。

根据上述装置，本发明还提出一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，参考图3，本发明提供的通信方法的第一实施例的步骤包括：

S1，从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值。

在本实施例中，该步骤由数据接收系统3执行，数据接收系统3监测到其所占用信道的RSSI值后，将该值发送至处理系统2进行记录。

S2，若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则获取全部信道的实时RSSI值，将所述全部信道的实时RSSI值进行中位数计算，将结果加上一偏移量X，得到噪声阈值。

S3，将所述某一信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值小于所述噪声阈值，则判定该信道空闲并发送数据。

进一步，每个信道的带宽为600KHz到1MHz。优选的，信道带宽为800KHz，可以有效防止信道之间的串扰。

进一步，所述偏移量X的范围为2dBm至8dBm。优选的，偏移量X的值为5dBm，该值是在公路交通环境下通过大量实验数据得出的修正值，可以最为准确地反映当前环境实际噪声与所述计算值的偏差。

通常情况下，大部分无线信道都处于空闲状态，因此在空域内的多个点，对多个相邻信道取样后进行中位数运算，可以得到不受环境条件影响的环境噪声阈值；为了尽可能消除偏差，再人为地加上一偏移量，即可得到精确的环境噪声估计值。

本发明提供的通信方法的第二实施例，其步骤如下：

S1，从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值。

在本实施例中，该步骤由数据接收系统3执行，数据接收系统3监测到其所占用信道的RSSI值后，将该值发送至处理系统2进行记录。

S2，若在t时刻，要使用所述多个相邻信道中的某一信道发送数据包，则对所述某一信道的RSSI值从t时刻其向前以固定时间间隔进行多次取样(也即从t起向前，获取多个时隙的RSSI值)，得到多个取样值。

S3，估算环境背景噪声。

估算环境背景噪声的计算式为：中RSSI(t)表示在t时刻所述信道的实时RSSI值，此RSSI值由占用该信道的数据接收系统3监测得出；本式的含义为计算自上一时隙起向前至第n个时隙本信道的RSSI采样值的均值，由于无线通信信道大多数是空闲的，只有很少部分被占用传输数据，所以大部分数据接收系统3检测到的都是环境背景噪声RSSI值，因此取较长时间的取样值的均值可以用于估算环境背景噪声RSSI值。n的取值应当较大，以保证对于环境噪声估计的尽量准确，在本实施例中其取值为200。

S4，将所述多个取样值和所述环境背景噪声进行最小二乘法计算，得到噪声阈值；

本步骤的具体计算式如下：

式(1)中θ(t)为t时刻的实时噪声阈值，为上述估算的环境背景噪声RSSI值，系数a₁至a_m是通过大量的训练数据并利用最小二乘法估计出来的值。

S5，将该信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值大于所述噪声阈值，则判定该信道为忙，否则判定该信道空闲。

即将RSSI(t)同θ(t)比较，若RSSI(t)大于θ(t)，则判定信道忙，通信节点等待并重新选择一个时隙发送以防止碰撞，否则，判定信道空闲，节点可以发送数据。

进一步，a₁-a_m的获取方式入下：

通过大量的实验数据采集，可以得到一连串的对信道的RSSI的监测数据，如R₁，R₂，R₃，R₄，…，R_n，n为数量级在10⁸以上的正整数。在这些序列中，可以准确地知道哪一个R值是信道空闲时候的R值，哪一个R值是信道忙时候的R值。这些数据点获取的间隔为2ms。我们在各种复杂的环境下都采样获得样本数据，比如在不同的温度，湿度，天气，不同的路口环境下进行了大量的数据采集，保证数据样本的多样性。

我们用这些大量的训练数据来找到最合适的系数a_i，保证公式(1)可以准确的实时预测出当前信道的忙闲状态，我们用具有不等式约束的最小二乘法来估算系数a_i：

比如我们有X组RSSI监听的子序列：

R(T_1-n)，…，R(T_1-2)，R(T_1-1)，R(T₁)

R(T_2-n)，…，R(T_2-2)，R(T_2-1)，R(T₂)

R(T_3-n)，…，R(T_3-2)，R(T_3-1)，R(T₃)

…

R(T_X-n)，…，R(T_X-2)，R(T_X-1)，R(T_X)

其中假设我们知道，R(T₁)，R(T₂)，R(T₃)，…，R(T_X)时刻的信道是空闲的，那么我们可以得到：

…

又比如我们有Y组RSSI监听的子序列：

R(t₁-n)，…，R(t₁-2)，R(t₁-1)，R(t₁)

…

R(t_Y-n)，…，R(t_Y-2)，R(t_Y-1)，R(t_Y)

其中假设我们知道，R(t₁)，R(t₂)，R(t₃)，……，R(t_Y)时刻的信道是繁忙的，那么我们可以得到：

…

联合上面的不等式我们可以得到一个不等式约束方程组，求得a₁到a_m的系数使其满足方程组，即可得到本文中用于估算环境噪声阈值的a₁到a_m的值。

图4为本发明基于多信道监听和RSSI采样的通信装置的工作示意图。如图所示，将本实施例提供的通信装置作为节点，假设有M个节点同处于一个无线通信信道，第二节点5、第三节点6和第M节点7三个节点要向第一节点4发送数据，其中第二节点5实时监测包括当前信道的所有通信信道的RSSI值，第二节点5通过这些RSSI强度值计算获取了当前环境的RSSI噪声阈值，通过当前信道的RSSI值和环境的RSSI噪声阈值相比较，准确判断信道是否繁忙，如果持续一段时间监测信道一直空闲，第二节点5便开始发送数据包，如果监测到信道繁忙，则随机等待一个时隙后继续监测信道，直到信道状态监测为空闲为止。同样，第三节点6和第M节点7也在实时监测信道，监测到信道繁忙后随机等待一个时隙后继续监测信道，直到监测信道空闲并持续一定时间，发送数据。

综上可见，本发明提供的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法及装置，通过实时获取信道的RSSI值，并以此准确计算得到信道的噪声阈值，利用信道的噪声阈值判断当前信道的忙闲状态，给节点对信道的使用提供准确信息，有效避免节点间发送数据包的干扰碰撞，保证数据的正常可靠传输。

同时本发明可以很好的应用到车联网通信系统中，在车联网通信系统中，需要多信道进行实时通信，可以利用其多信道的条件，来准确感知当前环境的噪声阈值，准确的判断每个信道的忙闲状态，使车辆之间能够及时安全通信，有效避免因对信道状态判断失败造成的车辆间的通信冲突，可以大大提高车载网络通信系统的可靠性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值；

若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则获取全部信道的实时RSSI值，将所述全部信道的实时RSSI值进行中位数计算，将结果加上一偏移量X，得到噪声阈值；

将所述某一信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值小于所述噪声阈值，则判定该信道空闲并发送数据。

2.根据权利要求1所述的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，每个信道的带宽为600KHz到1MHz。

3.根据权利要求1所述的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，所述偏移量X的范围为2dBm至8dBm。

4.一种基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，包括以下步骤：

从在空间上均匀分布的多个点，获取多个相邻的信道的RSSI值；

若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则对所述某一信道的RSSI值从t时刻其向前以固定时间间隔进行多次取样，得到多个取样值；

对所述多个取样值进行最小二乘计算，得到噪声阈值；

将所述某一信道t时刻的实时RSSI值与所述噪声阈值进行比较；若所述实时RSSI值小于所述噪声阈值，则判定该信道空闲并发送数据。

5.根据权利要求4所述的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，令θ(t)表示t时刻的噪声阈值，其计算式如下：

其中式中RSSI(k)为k时刻所述某一信道的RSSI值，m的取值范围是2至10的整数，n为整数。

6.根据权利要求5所述的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，所述n的取值范围为150到250的整数。

7.根据权利要求5所述的基于多信道监听和RSSI采样的通信方法，其特征在于，所述n的取值为200。

8.一种基于多信道监听和RSSI采样的通信装置，其特征在于，包括处理系统、数据发送系统和多个数据接收系统；所述数据发送系统和数据接收系统分别连接至所述处理系统；

每个数据接收系统分别占用多个相邻信道中的一个，且每个数据接收系统所占用的信道均不相同；所述数据发送系统能够在所述数据接收系统所占用的信道间进行切换；

在空闲时，所述数据接收系统实时监测并记录各自信道的RSSI值，并将该RSSI值发送至处理系统进行处理，进而得到各数据接收系统所占用信道的实时噪声阈值；在需要发送数据时，所述数据发送系统从所述处理系统获取其即将占用的信道的实时噪声阈值，并同时监测该信道的实时RSSI值，通过对比所述实时RSSI值与实时噪声阈值判定信道的忙闲状态，若判定信道状态为忙，则所述数据发送系统选择等待，若判定信道状态为空闲，则所述数据发送系统发送数据；

其中，所述将该RSSI值发送至处理系统进行处理，进而得到各数据接收系统所占用信道的实时噪声阈值，包括：

若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则获取全部信道的实时RSSI值，将所述全部信道的实时RSSI值进行中位数计算，将结果加上一偏移量X，得到噪声阈值；或，

若在t时刻，要使用所述多个相邻的信道中的某一信道发送数据包，则对所述某一信道的RSSI值从t时刻其向前以固定时间间隔进行多次取样，得到多个取样值，对所述多个取样值进行最小二乘计算，得到噪声阈值。

9.根据权利要求8所述的基于多信道监听和RSSI采样的通信装置，其特征在于，所述数据发送系统和数据接收系统均包括相连接的处理模块和无线通信模块；所述数据接收系统在空域上均匀分布；所述无线通信模块用于接收或发送数据；在信道空闲时，所述处理模块通过所述无线通信模块检测到的环境噪声值计算当前信道的实时RSSI值。