CN105657804A - 无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法，包含一种接收窗口大小可以灵活调整的“自适应监测匹配窗口”来接受源节点传送的数据信息。初始状态时接收侦听窗口最大，信号场强监测器测量无线信号强度。当信号强度低于设定的阈值时，周期计数器加1。高于阈值时，开始接收信号。当接收信号成功，通信窗口调为最大，并返回初始状态。若接收失败，将窗口大小降级。在侦听过程中，如果在M个周期内没有发现干扰信号和正常通信信号，接收侦听窗口降到最小一级。当侦听窗口在最小状态，M个周期内一直有干扰信号，窗口调整到中等状态。本方法有效的降低了无线干扰环境中收发节点间的错误监听，减少了不必要的能耗，以及数据包的丢失。

Description

无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法，基于无线传感器网络收发节点间的通信质量与节能分析，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是一种综合了无线通信技术、传感器技术、嵌入式分布计算及智能信息处理等技术的新型测控网络，能够协作地对各种环境或监测对象的信息进行实时监测、感知和采集并传送给用户。

随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络作为物联网的关键技术，在多种应用场景中的抗干扰需求也越来越高。由于无线传感器网络采用开放的通信媒介进行通信，并且无线传感器节点通常暴露于室内或室外的环境中，其不可避免地会受到来自环境中的其他通信设备的干扰或者人为恶意的干扰，使得传感器网络的通信性能急剧下降。所以减少干扰、提高通信成功率是无线传感器网络要考虑的基本问题。

目前，为了降低无线传感器网的能耗，无线收发机不断地处于工作和睡眠交替状态，采用自适应唤醒的方式来维持节点间的数据收发，但是在无线干扰的环境下，会造成错误监听，导致更多不必要的能耗，以及数据包的丢失。所以提升无线传感器网络收发节点间的抗干扰性能是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是针对无线传感器网络通信中的无线干扰，提出一种无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法。能有效避免在干扰环境下的错误监听，减少不必要的能耗，以及数据包的丢失。

本发明的构思如下：利用信号场强监测器（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）作为第一道过滤器，滤除信号强度低于设定值的干扰信号。根据自适应无线唤醒协议在不同条件下对数据的接收状况，窗口大小可以灵活调整的“自适应监测匹配窗口”来实现数据传送。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法，具体步骤如下：

步骤1：初始状态时，默认上一周期数据传送成功，此时接收侦听窗口最大，目标节点处于睡眠状态；

步骤2：源节点发送唤醒信号，目标节点接收到唤醒信号后开启数据收发机电源，数据收发机准备好接收数据；

步骤3：信号场强监测器，即RSSI，测量无线信号强度；当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，不唤醒其余的功能模块，此时周期计数器加1，同时判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内无干扰也无信号，接收侦听窗口设为最小，目标节点进入睡眠状态，若小于M，开始接收信号；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于最大状态，开始接收信号；

步骤4：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口维持在最大，并返回步骤2继续循环执行；若信号接收失败，则表明信道存在干扰，接收侦听窗口大小降级为中等，继续监听；

步骤5：目标节点再次进入睡眠周期，等待下一次的唤醒；

步骤6：源节点再次发送唤醒信号，目标节点被唤醒，数据收发机准备好接收数据；

步骤7：RSSI测量无线信号强度；当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，不唤醒其余的功能模块，此时周期计数器加1，同时判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内无干扰也无信号，接收侦听窗口设为最小，目标节点进入睡眠状态，若小于M，表明干扰存在，接收侦听窗口维持在中等级大小，继续监听；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于中等状态，开始接收信号；

步骤8：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口设为最大，并返回步骤2继续循环执行；若信号接收失败，则表明干扰连续存在，接收侦听窗口大小降到最小，继续监听；

步骤9：目标节点再次进入睡眠周期，等待下一次的唤醒；

步骤10：源节点再次发送唤醒信号，目标节点被唤醒，数据收发机准备好接收数据；

步骤11：RSSI测量无线信号强度，当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，返回步骤9，目标节点进入睡眠状态；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于最小状态，开始接收信号；

步骤12：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口设为最大，并返回步骤2继续循环执行，若信号接收失败，表明干扰存在，此时周期计数器加1，判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内一直有干扰，返回步骤6，接收侦听窗口调大再试，若小于M，返回步骤9，目标节点进入睡眠。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：

本发明所述方法采用了窗口大小可以灵活调整的“自适应监测匹配”，既避免了非坚持接收由于侦听窗口小而导致的接收丢包率高，又避免了坚持接收在干扰较大的情况下过长的接收时间而导致的能量消耗大。本发明方法通过计数器统计接收节点的苏醒次数，调整接收窗口的大小，防止了在干扰条件下，最小窗口已经无法正确收到信号。

附图说明

图1为本发明方法中的无线唤醒协议在不同条件下的接收状况图。

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图进一步阐述本发明的具体实施例。

本发明在实际应用中，无线传感器网络通信一般采用零中频接收机，零中频接收机的本振LO与有用RF信道的频率相同，这样该接收机的IF频率为零，彻底消除了镜像干扰。接收机被唤醒时，会有极短时间的RSSI信道采样。采用RSSI高速采样检测，取得RSSI采样值的时间很短，通常为波特率的倒数，高数据速率不但可以降低传输数据的时间，还可以节省监听的能耗。本发明适用于电磁环境复杂，负载较低，对延时和吞吐性能要求不高的场合。因自适应唤醒在不同干扰条件下的接收条件是不一样的，所以接收窗口会根据不同条件来自适应调节大小。

图1为自适应唤醒在不同干扰条件下的接收状况。如图1(a)所示，在无信号也无干扰的情况下，接收窗口很小，信号场强检测器RSSI的值为零，接收机苏醒瞬间去采样信道，若信道空，则马上睡眠。图1(b)是有信号无干扰的情况下，信号场强检测器RSSI的值为零，接收机被唤醒接收信号，窗口增大，没有干扰，一次性接收成功，接收节点再发送确认信号ACK给源节点。为了避免多余等待避免机制，采用了尽可能短的帧作前导，短帧中包含序列号，接收机在侦听到短帧后可以根据序列号估算睡眠时间，一直睡眠到唤醒帧结束时刻。当有连续干扰时，如图1(c)，RSSI检测出干扰信号强度低于设定的检测阈值，滤除干扰信号，减少不必要的苏醒以节省电能，接收失败，窗口变小。在有干扰有信号且信噪比适中的情况下，如图1(d)所示，接收窗口为2个短帧的宽度，在第一次的短帧接收失败后，采用坚持状态继续接收下一个短帧，最后接收成功，一共是3个窗口时隙。采用接收窗口大小可以灵活调整的“自适应窗口调节”，来避免非坚持接收由于侦听窗口小而导致的接收丢包率高，和坚持接收在干扰较大的情况下过长的接收时间而导致的能量消耗大。

如图2所示，一种无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法，具体步骤如下：

步骤1：初始状态时，默认上一周期数据传送成功，此时接收侦听窗口最大，目标节点处于睡眠状态；

步骤2：源节点发送唤醒信号，目标节点接收到唤醒信号后开启数据收发机电源，数据收发机准备好接收数据；

步骤3：信号场强监测器，即RSSI，测量无线信号强度；当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，不唤醒其余的功能模块，此时周期计数器加1，同时判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内无干扰也无信号，接收侦听窗口设为最小，目标节点进入睡眠状态，若小于M，开始接收信号；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于最大状态，开始接收信号；

步骤4：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口维持在最大，并返回步骤2继续循环执行；若信号接收失败，则表明信道存在干扰，接收侦听窗口大小降级为中等，继续监听；

步骤5：目标节点再次进入睡眠周期，等待下一次的唤醒；

步骤6：源节点再次发送唤醒信号，目标节点被唤醒，数据收发机准备好接收数据；

步骤7：RSSI测量无线信号强度；当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，不唤醒其余的功能模块，此时周期计数器加1，同时判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内无干扰也无信号，接收侦听窗口设为最小，目标节点进入睡眠状态，若小于M，表明干扰存在，接收侦听窗口维持在中等级大小，继续监听；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于中等状态，开始接收信号；

步骤8：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口设为最大，并返回步骤2继续循环执行；若信号接收失败，则表明干扰连续存在，接收侦听窗口大小降到最小，继续监听；

步骤9：目标节点再次进入睡眠周期，等待下一次的唤醒；

步骤10：源节点再次发送唤醒信号，目标节点被唤醒，数据收发机准备好接收数据；

步骤11：RSSI测量无线信号强度，当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，返回步骤9，目标节点进入睡眠状态；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于最小状态，开始接收信号；

步骤12：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口设为最大，并返回步骤2继续循环执行，若信号接收失败，表明干扰存在，此时周期计数器加1，判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内一直有干扰，返回步骤6，接收侦听窗口调大再试，若小于M，返回步骤9，目标节点进入睡眠。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络的自适应监听匹配抗干扰方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：初始状态时，默认上一周期数据传送成功，此时接收侦听窗口最大，目标节点处于睡眠状态；

步骤2：源节点发送唤醒信号，目标节点接收到唤醒信号后开启数据收发机电源，数据收发机准备好接收数据；

步骤3：信号场强监测器，即RSSI，测量无线信号强度；当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，不唤醒其余的功能模块，此时周期计数器加1，同时判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内无干扰也无信号，接收侦听窗口设为最小，目标节点进入睡眠状态，若小于M，开始接收信号；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于最大状态，开始接收信号；

步骤4：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口维持在最大，并返回步骤2继续循环执行；若信号接收失败，则表明信道存在干扰，接收侦听窗口大小降级为中等，继续监听；

步骤5：目标节点再次进入睡眠周期，等待下一次的唤醒；

步骤6：源节点再次发送唤醒信号，目标节点被唤醒，数据收发机准备好接收数据；

步骤7：RSSI测量无线信号强度；当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，不唤醒其余的功能模块，此时周期计数器加1，同时判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内无干扰也无信号，接收侦听窗口设为最小，目标节点进入睡眠状态，若小于M，表明干扰存在，接收侦听窗口维持在中等级大小，继续监听；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于中等状态，开始接收信号；

步骤8：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口设为最大，并返回步骤2继续循环执行；若信号接收失败，则表明干扰连续存在，接收侦听窗口大小降到最小，继续监听；

步骤9：目标节点再次进入睡眠周期，等待下一次的唤醒；

步骤10：源节点再次发送唤醒信号，目标节点被唤醒，数据收发机准备好接收数据；

步骤11：RSSI测量无线信号强度，当RSSI监测出的无线信号强度低于设定的阈值时，认为信道是空的，无干扰也无信号，返回步骤9，目标节点进入睡眠状态；当RSSI监测出的无线信号强度高于设定的阈值时，此时接收侦听窗口处于最小状态，开始接收信号；

步骤12：目标节点接收源节点发送的信号，若信号接收成功，表明通信正常，接收侦听窗口设为最大，并返回步骤2继续循环执行，若信号接收失败，表明干扰存在，此时周期计数器加1，判定周期是否大于M，若大于M，表明M个周期内一直有干扰，返回步骤6，接收侦听窗口调大再试，若小于M，返回步骤9，目标节点进入睡眠。