CN105357767A - 基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法，该方法包括以下步骤：根据路由器节点的射频数目将传感器网络划分为不同的层次，保证不同的射频工作在不同的网络层次；网络初始化，将所有节点的射频切换至默认信道，确保传感器节点能与邻近的路由器节点通信；当路由器节点与邻近的传感器节点形成子网以后，为其分配专门的射频和信道，向协调点提出信道分配申请；协调点为子网分配无线信道；当信道分配到将要用尽的临界值时，协调点通过默认射频和信道广播子网重组的消息。本发明方法既保证相邻信道之间不产生相互干扰，又能够充分利用信道资源，从而大幅提高网络容量。

Description

基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法

技术领域

本发明涉及网络技术，尤其涉及一种基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法。

背景技术

单射频单信道传感器网络无法从根本上解决暴露和隐藏终端的问题，而且随着传感器节点数目的增多，会加剧对无线信道的竞争。随着技术的发展，无线射频收发器的成本已经大大降低，在传感器节点尤其是骨干节点上装备多个射频收发器(MR-MC网络)已经成为可能，从而能够很好地解决在单射频条件下单信道和多信道存在的问题。

通过子网划分，可以将MR-MC网络转化成Multi-SingleRadioSingleChannel，不但能够充分发挥多射频和多信道给传感器网络在网络容量和信道接入延时方面带来的优势，而且最大限度地与现有传感器网络保持一致。

针对M-SR-SC网络，信道分配主要是通过为各个路由器节点的多个射频分配信道，使得相邻的传感器子网采用不同的无线信道进行通信，而距离较远的子网通过复用无线信道来提高网络容量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法，包括以下步骤：

1)根据路由器节点的射频数目将传感器网络划分为不同的层次，保证不同的射频工作在不同的网络层次；

2)网络初始化，将所有节点的射频切换至默认信道，确保传感器节点能与邻近的路由器节点通信；

3)当路由器节点与邻近的传感器节点形成子网以后，为其分配专门的射频和信道，向协调点提出信道分配申请；

4)协调点根据路由器节点传递过来的参数(射频数目、邻居路由器节点、信道参数)，按照申请无线信道的层次和先后顺序依次为子网分配无线信道，信道分配遵循以下原则：

4.1)首先满足上层网络(传感器节点子网以上网络)的射频需求，尤其是当不同层次的网络同时提出信道分配申请且信道资源不足时；

4.2)子网干扰半径或三跳之内没有配置相同的信道；

4.3)相邻子网信道之间的干扰代价函数值最大，干扰函数的定义如下，

f(a,b)＝max(0,δ-|a-b|)

其中，a，b代表信道编号，δ是一个可调参数，其值越大意味着两个信道之间的间隔越大，相互之间的干扰也就越小；

4.4)相距大于干扰半径的子网之间优先重复使用信道；

5)由于传感器节点的移动或失效而造成子网消亡时，回收其正在使用的无线信道，从而为下次再分配或分配给其它子网做准备；

6)当信道分配到将要用尽的临界值时，协调点通过默认射频和信道广播子网重组的消息。

按上述方案，所述步骤4)中子网干扰半径需满足：

其中，β表示路由器节点的信噪比门限值，α表示信道衰减因子，g为信道增益，γ为接收灵敏度，P_s表示发射端的信号强度。

本发明产生的有益效果是：本发明信道分配方法根据信道干扰和频率复用理论，既保证相邻信道之间不产生相互干扰，又能够充分利用信道资源，从而大幅提高网络容量。信道分配预警机制的引入，有效防止了因信道资源分配殆尽而造成信道分配失败，提高了网络的容错性和鲁棒性。利用干扰半径判断相邻子网之间的信道是否存在干扰，比一跳和二跳模型更加精确和具有说服力，避免了因传感器网络节点分布不均造成的单跳距离差异过大，使得多个相邻路由器子网产生相互干扰而影响无线通信质量。另外，固定信道分配减少了因信道切换而增加的网络延时和涟漪效应带来的影响。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法，包括以下步骤：

1)根据路由器节点的射频数目将传感器网络划分为不同的层次，保证不同的射频工作在不同的网络层次；

2)网络初始化，将所有节点的射频切换至默认信道，确保传感器节点能与邻近的路由器节点通信

3)当路由器节点与邻近的传感器节点形成子网以后，为其分配专门的射频和信道，向协调点提出信道分配申请；

4)协调点根据路由器节点传递过来的参数(射频数目、邻居路由器节点、信道参数)，按照申请无线信道的层次和先后顺序依次为子网分配无线信道，信道分配遵循以下原则：

4.1)首先满足上层网络(传感器节点子网以上网络)的射频需求，尤其是当不同层次的网络同时提出信道分配申请且信道资源不足时；确保各网络层次之间的通信不产生相互干扰；

4.2)子网干扰半径或三跳之内没有配置相同的信道；仅通过节点之间的跳数判断相互之间是否存在干扰并不准确，且一跳和二跳干扰模型分别因为过于乐观和过于悲观也并不适合，因此本发明实际过程中尽量选用干扰半径作为信道复用时的一个选择标准和客观依据；

子网干扰半径确定过程如下：

将传感器网络抽象成一个无向图G(N,E,E')，无向图中的点n表示路由器节点，路由器节点被定义为：

其中n∈N，i∈K(n)，K(n)为节点n的射频集合，h∈H，H为信道集合。

路由器节点射频的约束条件为：

$\underset{h=1}{\overset{H}{\Σ}}{x}_{i,h}\left(n\right)\≤1---\left(2\right)$

其中， $\∀n\∈N,\∀i=1,2,\mathrm{...},K\left(n\right).$

路由器节点信道的约束条件为：

$\underset{i=1}{\overset{K\left(n\right)}{\Σ}}{x}_{i,h}\left(n\right)\≤1---\left(3\right)$

其中， $\∀n\∈N,\∀h=1,2,\mathrm{...},H.$

路由器节点射频与信道的联合约束条件为：

其中，e_mn表示路由器节点m和n有射频采用同一信道，e_mn∈E。

当节点Y的信噪比SINR大于门限值时能够成功接收到数据包，

$\frac{\frac{P_i}{d{(X_i,Y)}^{\mathrm{\α}}}}{N_0+\underset{K\≠i}{\Σ}\frac{P_k}{d{(X_i,Y)}^{\mathrm{\α}}}}\≥\mathrm{\β}---\left(5\right)$

其中，X_i表示同时发送数据的节点，P_i为节点X_i的发射功率，β表示节点的信噪比门限值，N₀为环境噪音；

当多个传感器节点同时发送数据时，在感知范围内的节点能互相感受到对方通信活动的存在，其强弱程度与距离该节点的距离有关；假设感知到的信道功率门限值为P_cs，根据简化的无线信号传输模型可以推导出感知半径为，

$d_{cs}={\left(g\frac{P_s}{P_{cs}}\right)}^{1/\mathrm{\α}}---\left(6\right)$

但是，只有当信号强度值高于接收灵敏度γ时，节点才能够正确接收和解析数据包，同理可以求出这个范围即通信半径，

$d_c={\left(g\frac{P_s}{\mathrm{\γ}}\right)}^{1/\mathrm{\α}}---\left(7\right)$

如果忽略噪音的影响，由此可以得出干扰半径，

$\frac{{\mathrm{gP}}_s/d^{\mathrm{\&alpha;}}}{{\mathrm{gP}}_{s^{\&prime;}}/d{(s^{\&prime;},r)}^{\mathrm{\&alpha;}}}<\mathrm{\&beta;}---\left(8\right)$

其中，s'表示干扰范围内的任一其它节点，r表示两个节点之间的距离。当d(s',r)取最大值β^1/αd时，即为干扰半径，也就是说在该范围的任意两个节点同时发送数据会对对方产生干扰；

β表示路由器节点的信噪比门限值，α表示信道衰减因子，g为信道增益，γ为接收灵敏度，P_s表示发射端的信号强度。

干扰模型的得出为信道分配提供了理论依据，为了确保相邻子网内的传感器节点在同时发送数据不产生相互串扰，即能够采用相同信道的路由器节点之间的最小距离需要满足，

$d>2{\left(g\frac{P_s}{\mathrm{\&gamma;}}\right)}^{1/\mathrm{\&alpha;}}+{\mathrm{\&beta;}}^{1/\mathrm{\&alpha;}}d---\left(9\right)$

4.3)相邻子网信道之间的干扰代价函数值最大，干扰函数的定义如下，

f(a,b)＝max(0,δ-|a-b|)

其中，a，b代表信道编号，δ是一个可调参数，其值越大意味着两个信道之间的间隔越大，相互之间的干扰也就越小；

4.4)相距大于干扰半径的子网之间优先重复使用信道；当有多个信道的干扰代价函数值相同时，优先选择已被分配过的信道，从而提高信道分配的重复使用率，不但可以为下次分配预留更大的空间，而且能够提高整体网络信道分配的鲁棒性和可扩展性；

5)由于传感器节点的移动或失效而造成子网消亡时，回收其正在使用的无线信道，从而为下次再分配或分配给其它子网做准备；

6)当信道分配到将要用尽的临界值时，协调点通过默认射频和信道广播子网重组的消息。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据路由器节点的射频数目将传感器网络划分为不同的层次，保证不同的射频工作在不同的网络层次；

2)网络初始化，将所有节点的射频切换至默认信道，确保传感器节点能与邻近的路由器节点通信

3)当路由器节点与邻近的传感器节点形成子网以后，为其分配专门的射频和信道，向协调点提出信道分配申请；

4)协调点根据路由器节点传递过来的参数：射频数目、邻居路由器节点和信道参数，按照申请无线信道的层次和先后顺序依次为子网分配无线信道，信道分配遵循以下原则：

4.1)首先满足上层网络的射频需求，尤其是当不同层次的网络同时提出信道分配申请且信道资源不足时；

4.2)子网干扰半径或三跳之内没有配置相同的信道；

4.3)相邻子网信道之间的干扰代价函数值最大，干扰函数的定义如下，f(a,b)＝max(0,δ-|a-b|)

其中，a，b代表信道编号，δ是一个可调参数，其值越大意味着两个信道之间的间隔越大，相互之间的干扰也就越小；

4.4)相距大于干扰半径的子网之间优先重复使用信道；

5)由于传感器节点的移动或失效而造成子网消亡时，回收其正在使用的无线信道，从而为下次再分配或分配给其它子网做准备；

6)当信道分配到将要用尽的临界值时，协调点通过默认射频和信道广播子网重组的消息。

2.根据权利要求1所述的基于最小干扰代价的舰面无线网络信道分配方法，其特征在于，所述步骤4)中子网干扰半径需满足：

其中，β表示路由器节点的信噪比门限值，α表示信道衰减因子，g为信道增益，γ为接收灵敏度，P_s表示发射端的信号强度。