CN107147452A - 一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法，包括以下步骤：步骤一：选用簇头节点作为信道侦听节点，根据网络中的簇头数量确定信道侦听节点数量和侦听时隙数目；步骤二：网关设备为每个侦听簇头节点标识一个序列号，从1到Y；步骤三：侦听节点根据检测信道顺序的算法依次不重复地检测所有信道；步骤四：侦听簇头节点按照侦听簇头节点标识序列号，从小到大依次序把信道质量信息发送给网关设备，网关设备分析处理信道质量信息，生成优质信道表，将优质信道表广播给同网络中的所有节点。本发明可以充分利用IEEE 802.15.4e的特性，大大提高通信的可靠性和通信质量，实现通信信道的快速检测，具备良好的推广应用价值。

Description

一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法

技术领域

本发明涉及本发明属于无线网络技术领域，特别涉及一种基于IEEE 802.15.4eTSCH模式下的网络信道质量快速检测方法。

背景技术

IEEE 802.15.4标准定义了低功耗、低数据速率无线个域网的物理层和数据链路层。在IEEE 802.15.4工作的2.4G HZ频段，总共有16个信道，现今已经被很多如wifi、蓝牙等无线通信技术共同使用。因此，基于IEEE 802.15.4的网络在2.4G Hz频段通信时会存在较大干扰。在某些比较重要的场景，对数据传输的可靠性有较高要求，必须考虑2.4G HZ频段的某些信道被干扰的情况下，如何避开被干扰信道进行可靠的数据传输，如基于IEEE802.15.4网络。

IEEE 802.15.4e通过修改标准定义了三个MAC模式，来克服IEEE 802.15.4在可靠性方面的限制。其中，时隙信道跳频(TSCH)是最好的一个模式，它提供了高可靠性。然而，链路质量劣化仍然存在于IEEE 802.15.4e TSCH模式中。

目前研究者提出了许多信道检测方法，这些检测方法可对信道质量进行评估，也提出一些信道筛选机制，用于将干扰信道剔出通信网络。这样，通信网络将使用未被干扰或者干扰较小的信道通信，提高通信的成功率。

对于动态干扰较大的恶劣环境，信道质量评估和信道筛选的前提是信道质量信息更新。一些研究者提出使用信道预测的方法来评估之后通信信道可能的质量，以此适应工业无线网络中的动态干扰。但是无线网络干扰是随机的，预测性质的信道评估方式还是存在一定的不准确性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法，能够对网络信道质量进行可靠评估和筛选。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该种基于IEEE 802.15.4e网络信道质量快速检测方法，包括以下步骤：

步骤一：选用簇头节点作为信道侦听节点，将时隙分为普通时隙与侦听时隙，其中普通时隙用于网络中簇内节点与簇头节点以及簇头节点与网关设备间通信，侦听时隙用于检测信道质量，并根据网络中的簇头节点数量确定信道侦听节点数量和侦听时隙数目；

步骤二：为每个侦听簇头节点标识一个序列号，从1到Y；

步骤三：侦听节点根据检测信道顺序的算法依次不重复地检测所有信道；

步骤四：侦听簇头节点按照侦听簇头节点标识序列号，从小到大依次序把信道质量信息发送给网关设备，网关设备分析处理信道质量信息，根据信道质量优劣情况，按从最优到最劣依次排列信道号，生成优质信道表，并将优质信道表广播给同网络中的所有节点。其中，优质信道表中存放的信道个数根据用户需要或现场环境受干扰程度而定，现场环境受干扰越大，优质信道表中信道个数应越少。

进一步，设簇头节点数量为X，侦听簇头节点数量为Y，则在步骤一中，所述信道侦听节点数量由簇头节点数量确定：X>16时，Y＝16，在所有簇头节点中随机选取Y＝16个簇头节点作为侦听簇头节点检测信道质量，其余簇头节点都为普通簇头节点；X<＝16时，Y＝X，将所有簇头节点都选取为侦听簇头节点检测信道质量。

进一步，设簇头节点数量为X，侦听簇头节点数量为Y，侦听时隙数为t，所述侦听时隙数根据侦听簇头节点数量X决定，t的具体分配如下：当Y>＝8时,t＝1；当Y<8时,t＝2；

即：当X>16时，Y＝16，t＝1；当8<X<＝16时,Y＝X，t＝1；当X<＝8时，Y＝X，t＝2。

进一步，在步骤三中，检测信道顺序的算法为：

t＝1时，序列号为K(K∈[1，Y])的侦听簇头节点应该检测的信道号为：

EdchannelNumI＝{(ASN/Slotnumber)*Y+K+11}％26；

t＝2时，序列号为K的侦听簇头节点两个时隙分别检测的信道号为：

EdchannelNumSlot1I＝{[(ASN/Slotnumber)*Y+K]*2-1+11}％26；

EdchannelNumSlot2I＝{[(ASN/Slotnumber)*Y+K]*2+11}％26；

其中ASN表示绝对时隙，Slotnumber表示一个超帧的时隙数量。

进一步，在步骤四中，侦听簇头节点传送给网关设备的信道质量信息通过信道质量信息帧传递网关设备。

本发明的有益效果是：

通过本发明，既可以有效监测系统性能的变化情况，判断是否存在外界干扰，又可以评估各工作信道的性能优劣，形成优质信道表供同网络中相关节点使用，本发明充分利用IEEE 802.15.4e的特性，大大提高通信的可靠性和通信质量，实现通信信道的快速检测，具备良好的推广应用价值。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为树形网络架构图；

图2为信道质量检测信息帧格式。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本方案基于树形网络架构，树形网络架构如图1所示。树形网络拓扑结构有着低网络能耗，便于网络规模扩展的优势，已经广泛应用于无线网络中。本方案采用侦听簇头节点作为信道质量检测节点，采用侦听簇头节点检测信道的特点在于：1)侦听簇头节点具有并行检测多个信道质量的能力，因为侦听簇头节点有多个，可以在同一时隙各自独立检测信道；2)侦听簇头节点将信息快速汇聚到网关设备，因侦听簇头节点将信息直接发送给网关设备，而簇内节点需通过簇头节点转发；3)侦听簇头节点在网络空间各处有效覆盖。

与传统超帧概念不同，IEEE 802.15.4e的TSCH模式将超帧分为一些长度一致的时隙 Slot，并将这一些列时隙组成的超帧称为SlotFrame。本发明正是基于IEEE 802.15.4e的相关特性，从网关设备、簇头节点、簇内节点中筛选出簇头节点作为信道侦听节点，确定侦听节点数量和侦听时隙数目，同时设计了一种侦听节点检测信道顺序的算法，从而克服了现有信道检测方法的缺陷，具有高可靠性的特点。

本发明中，将簇头节点分为普通簇头节点与侦听簇头节点。其中，普通簇头节点的功能为数据包转发，侦听簇头节点除了有数据包转发功能外，还具有信道质量检测与信道质量信息发送给网关设备的功能。

具体而言，本发明的方法包括以下步骤：

步骤一：选用簇头节点作为信道侦听节点，将时隙分为普通时隙与侦听时隙，其中普通时隙用于网络中簇内节点与簇头节点以及簇头节点与网关设备间通信，侦听时隙用于检测信道质量，并根据网络中的簇头数量确定信道侦听节点数量和侦听时隙数目；

本实施例中，设簇头节点数量为X，侦听簇头节点数量为Y，则在步骤一中，信道侦听节点数量由簇头节点数量确定：X>16时，Y＝16，在所有簇头节点中随机选取Y＝16个簇头节点作为侦听簇头节点检测信道质量，其余簇头节点都为普通簇头节点；X<＝16时，Y＝X，将所有簇头节点都选取为侦听簇头节点检测信道质量。

设簇头节点数量为X，侦听簇头节点数量为Y，侦听时隙数为t，侦听时隙数根据侦听簇头节点数量X决定，t的具体分配如下：当Y>＝8时,t＝1；当Y<8时,t＝2；

即：当X>16时，Y＝16，t＝1；当8<X<＝16时,Y＝X，t＝1；当X<＝8时，Y＝X，t＝2。

簇头节点时隙具体分配见表1，其中RouterNumber表示全网中的簇头节点序号，总数为 X，含有下划线的数字表示侦听簇头节点序号。

表1：簇头节点时隙分配

步骤二：网关设备为每个侦听簇头节点标识一个序列号，从1到Y，从而为后续检测算法提供参数，侦听簇头节点可以自动决定信道检测号；

步骤三：侦听节点根据检测信道顺序的算法依次不重复地检测所有信道；本实施例中，检测信道顺序的算法为：

t＝1时，序列号为K(K∈[1，Y])的侦听簇头节点应该检测的信道号为：EdchannelNum_I＝{(ASN/Slotnumber)*Y+K+11}％26；

t＝2时，序列号为K的侦听簇头节点两个时隙分别检测的信道号为：

EdchannelNumSlot1_I＝{[(ASN/Slotnumber)*Y+K]*2-1+11}％26，

EdchannelNumSlot2_I＝{[(ASN/Slotnumber)*Y+K]*2+11}％26

，其中ASN表示绝对时隙，Slotnumber表示一个超帧的时隙数量。

Y表示侦听簇头节点总数。

K表示侦听簇头节点顺序号，K∈[1，Y]。

以Y＝16为例，通过此算法计算出在t＝1时，侦听簇头节点检测信道质量的序列表如表2 所示，在t＝2时的侦听序列表如表3所示，表中空白处表示非检测信道质量类型的发送、接受、广播时隙。其中ED11+K表示侦听信道的序列号为11+K。

表2：t＝1时，检测信道质量序列表

表3：t＝2时，检测信道质量序列表

步骤四：侦听簇头节点在其空闲时隙可查阅时隙帧，若此时网关设备也处于空闲状态，可通过CSMA/CD将信道质量信息发送给网关设备。网关设备分析处理信道质量信息，进而生成一个优质信道表。在广播时隙，网关设备将此优质信道表广播给同网络中的所有节点。

在步骤四中，侦听簇头节点传送给网关设备的信道质量信息通过信道质量信息帧传递网关设备。

本发明的特点在于：本方案选用簇头节点作为信道侦听节点，并根据网络中的簇头节点数量确定信道侦听节点数量和侦听时隙数目；通过设计侦听节点检测信道顺序的算法，以使各个侦听节点能自动的、顺序的、不重复的检测所有信道；通过建立信道质量信息传输调度机制，侦听节点在检测完所有信道质量后，将信道质量信息立即传送至网关设备，网关设备将信道信息广播给网络中所有设备，使其能及时更新通信；从而大大提高了信道质量信息的传递效率。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：选用簇头节点作为信道侦听节点，将时隙分为普通时隙与侦听时隙，其中普通时隙用于网络中簇内节点与簇头节点以及簇头节点与网关设备间通信，侦听时隙用于检测信道质量，并根据网络中的簇头数量确定信道侦听节点数量和侦听时隙数目；

步骤二：为每个侦听簇头节点标识一个序列号，从1到Y；

步骤三：侦听节点根据检测信道顺序的算法依次不重复地检测所有信道；

步骤四：侦听簇头节点按照侦听簇头节点标识序列号，从小到大依次序把信道质量信息发送给网关设备，网关设备分析处理信道质量信息，根据信道质量优劣情况，按从最优到最劣依次排列信道号，生成优质信道表，并将优质信道表广播给同网络中的所有节点。其中，优质信道表中存放的信道个数根据用户需要或现场环境受干扰程度而定，现场环境受干扰越大，优质信道表中信道个数应越少。

2.根据权利要求1所述的一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法，其特征在于：设簇头节点数量为X，侦听簇头节点数量为Y，则在步骤一中，所述信道侦听节点数量由簇头节点数量确定：X>16时，Y＝16，在所有簇头节点中随机选取Y＝16个簇头节点作为侦听簇头节点检测信道质量，其余簇头节点都为普通簇头节点；X<＝16时，Y＝X，网关设备将所有簇头节点都选取为侦听簇头节点检测信道质量。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法，其特征在于：设簇头节点数量为X，侦听簇头节点数量为Y，侦听时隙数为t，所述侦听时隙数根据侦听簇头节点数量X决定，t的具体分配如下：当Y>＝8时,t＝1；当Y<8时,t＝2；

即：当X>16时，Y＝16，t＝1；当8<X<＝16时,Y＝X，t＝1；当X<＝8时，Y＝X，t＝2。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于IEEE 802.15.4e的网络信道质量快速检测方法，其特征在于：在步骤三中，检测信道顺序的算法为：

t＝1时，序列号为K(K∈[1，Y])的侦听簇头节点应该检测的信道号为：

EdchannelNumI＝{(ASN/Slotnumber)*Y+K+11}％26；

t＝2时，序列号为K的侦听簇头节点两个时隙分别检测的信道号为：

EdchannelNumSlot1I＝{[(ASN/Slotnumber)*Y+K]*2-1+11}％26；

EdchannelNumSlot2I＝{[(ASN/Slotnumber)*Y+K]*2+11}％26；

其中ASN表示绝对时隙，Slotnumber表示一个超帧的时隙数量。