CN108124314A - 一种无线传感器网络信道分配方法 - Google Patents

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高伟峰
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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络信道分配方法，该传感器仅有一个具有发包功能的接收器，且该接收器不能同时接收和发送数据，包括以下步骤：A、确定网络拓扑中每一条路径被分配时隙和信道的优先级Pri；B、根据路径优先级依次为路径中的每一条链路分配时隙和信道，分配的依据是该时隙、信道组合使得该路径的传输可靠性最高，分配的前提是满足数据传输的时序关键性要求；C、根据路径通信可靠性的提高率最大原则，为链路添加重传链路。其在分配网络信道时，充分考虑链路质量、选择质量好的链路，且利用空闲的时隙进行重传，提高了数据传输的可靠性。

Description

一种无线传感器网络信道分配方法
技术领域
本发明涉及低功耗无线通信技术领域，具体涉及一种无线传感器网络信道分配方法。
背景技术
无线传感器网络被广泛利用在环境探测中，如测量PM2.5，空气湿度，温度等。这些感知数据要被传送到中心节点进行数据处理。在某些场合如智能家居中，将数据传输到中心节点具有较高的时序关键性的要求。比如检测温度来判断火灾的温度传感器就需要在规定时间内将数据发送到中间节点，以便在最短时间内做出判断。低功耗无线传感器网络的无线链路有不可靠的特性，尤其是不同链路的干扰会极大降低链路的可靠性。多信道的技术有效地解决了干扰问题，即相邻链路分配不同的信道。但是，多信道虽然缓解了干扰问题，却没有解决时序关键性的要求。在某些考虑时间关键性问题的方法中，如重复利用空闲的信道，在规定时间内分配时隙等，现有工作的问题在于，为方便起见，假设数据的每一次传输都是可靠的，但实际中并不是这样。而且现有的工作高估了信道资源和时隙数量，事实上，信道分配过程中，因为信道资源有限，先分配的链路可能与后分配的链路产生冲突；而在信道分配过程中，很多时隙仍然处于空闲状态。采用现有的信道分配方法其存在以下问题：为充分利用高质量的链路且数据传输可靠性不高。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种无线传感器网络信道分配方法。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无线传感器网络信道分配方法，该传感器不能同时接收和发送数据且节点不能同时在多个信道下工作，感知的数据在任务周期内经过多跳的路径传递到根节点进行处理，节点在每个任务周期的开始产生一定数量的数据包，且节点在每个时隙允许发送一个数据包，数据包在下一个任务周期会被刷新，包括以下步骤：
A、确定网络拓扑中每一条路径被分配时隙和信道的优先级Pri；
B、根据路径优先级依次为路径中的每一条链路分配时隙和信道，分配的依据是该时隙、信道组合使得该路径的传输可靠性最高，分配的前提是数据在截止时间前达到终点；
C、根据路径通信可靠性的提高率最大原则，为链路添加重传链路。
本方案在分配网络信道时，充分考虑链路质量、选择质量好的链路，这可能会影响时序关键性的要求，且利用空闲的时隙进行重传，提高了数据传输的可靠性。
所述优先级Pri=αpi+βli+γci，
其中，α+β+γ＝1，α、β、γ分别为pi、Ii、ci的比重且根据时间环境确定。
按优先级为路径分配链路时，使路径上所有链路全局最优，满足以下1-5个条件：
如果m的接收节点听到的发送节点，
如果l的接收节点和m的发送节点或接收节点相同，
其中，Pi代表源节点是i的路径，l代表Pi上的一条链路，T代表可用的时隙集合，C代表可用的信道集合，t代表T的某个元素，c代表C的某个元素，代表链路l分配了信道c和时隙t，代表链路l没有分配信道c和时隙t。
为链路添加重传链路的具体方法为：
C1、计算一组链路质量增益总和度量profitg：
其中，profiti为一组链路中某一链路的链路质量增益度量，profiti＝1-(1-qbefore)(1-qnow)-qbefart，qbefort表示没有在该时隙和信道进行重传的情况下，该链路的数据包成功发送的概率，这个成功率涵括了先前的重传对它的贡献；qnow表示若将该时隙和信道安排重传以后，该链路的数据包成功发送的成功率；G是某个时隙链路分配方案的集合；
在保证不冲突的前提下，一个时隙可以同时分配多个重传链路，而且分配方案也可能不止一种，于是把单一链路质量增益度量上升到一组链路质量增益总和度量；
C2、计算综合度量mrg：
其中，α为一个与实践环境有关的参数，Ai表示链路i分配了重传链路后还可用来分配重传链路的时隙集合；
分配给重传的链路所在的时隙必须在下一跳的时隙之前，故需计算综合度量mrg；
C3、遍历时隙，每个时隙从它的G中选出mrg的值最大的分配方案g。
该度量机制有效地衡量了在不同时隙和信道进行重传对可靠性的提高情况，并结合考虑链路进行重传的紧迫性特点，可以令重传对路径可靠性提高达到更优的效果。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明在分配网络信道时，充分考虑链路质量、选择质量好的链路，且利用空闲的时隙进行重传，提高了数据传输的可靠性。
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，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本方案基于的场景是：网络节点处于半双工状态，即传感器不能同时接收和发送数据，节点不能同时在多个信道下工作。感知的数据经过多跳的路径传递到根节点进行处理。节点在每个任务周期的开始产生一定数量的数据包，且节点在每个时隙允许发送一个数据包，数据包在下一个任务周期会被刷新，因此，应该在任务周期内被传送到根节点。
对每一条传输链路，它的冲突链路有两类：与它共享接受节点的链路、与它相邻的链路。这两条链路不能同时发包。
基于上述限定的一种无线传感器网络信道分配方法，包括以下步骤：
A、确定网络拓扑中每一条路径被分配时隙和信道的优先级Pri；
B、根据路径优先级依次为路径中的每一条链路分配时隙和信道，分配的依据是该时隙、信道组合使得该路径的传输可靠性最高；分配的前提是满足数据在截止时间前达到终点，即满足数据传输的时序关键性要求；
C、根据路径通信可靠性的提高率最大原则，为链路添加重传链路。
本方案在分配网络信道时，充分考虑链路质量、利用空闲的时隙进行重传，提高了数据传输的可靠性。解决现有方法在分配信道时时隙未能充分利用的问题，实现了在规定时间内提高传输可靠性的通信效果。
实施例2
基于上述实施例的原理，本实施例公开一具体实现方式。
每个源节点都会确定一条到根节点的路径，源节点的发包数和路径长度会影响数据全部到达根节点的时间，网络中的其他链路可能会与本路径的链路产生干扰，因此我们综合这三点定义一个指标，即优先级Pri。
在分配网络信道时，首先确定网络拓扑中每一条路径被分配时隙和信道的优先级Pri。
具体的，根据综合源节点i的发包数量pi、基于节点i的路径长度li、整个网络中与该路径内的链路产生干扰的链路数量ci来确定路径分配优先级Pri。
优先级Pri＝αpi+βli+γci，
其中，α+β+γ＝1，α、β、γ分别为pi、li、ci的比重且根据时间环境确定，i表示源节点。
路径Pi的干扰链路数量ci的计算方法为：
其中，link代表路径Pi中的链路，把网络中其他链路中的某一条记为link0，clink表示链路link的干扰数目，它的值为网络中其他所有链路对该链路产生干扰的总和，具体分为两类：
若同一个时隙内链路link0的发送节点与链路link的接收节点相同，则链路link0贡献一份干扰；
若同一个时隙内链路link的接收节点同时能够听到链路link0的发送节点发送的数据，则链路link0贡献一份干扰。
优先级Pri值越大的路径其优先级越高。
其次，根据路径优先级依次为路径中的每一条链路分配时隙和信道，分配的依据是该时隙、信道组合使得该路径的传输可靠性最高，分配的前提是满足数据传输的时序关键性要求；
具体的，按优先级为路径分配链路时，使路径上所有链路全局最优，满足以下1-5个条件：
如果m的接收节点听到l的，发送节点，
如果l的接收节点和m的发送节点或接收节点相同，
其中，Pi代表源节点是i的路径，l代表Pi上的一条链路，T代表可用的时隙集合，C代表可用的信道集合，t代表T的某个元素，c代表C的某个元素，代表链路l分配了信道c和时隙t，代表链路l没有分配信道c和时隙t。
最后，根据路径通信可靠性的提高率最大原则，为链路添加重传链路。
具体的可采用以下方法，但不限于该方法：
C1、计算一组链路质量增益总和度量profitg：
其中，profiti为一组链路中某一链路的链路质量增益度量，profiti＝1-(1-qbefore)(1-qnow)-qbefort，qbefort表示没有在该时隙和信道进行重传的情况下，该链路的数据包成功发送的概率；qnow表示若将该时隙和信道安排重传以后，该链路的数据包成功发送的成功率；G是某个时隙链路分配方案的集合；
记引入的重传链路为一个二元组(t，c)，t表示时隙，c表示信道，在保证不引入冲突的前提下，一个时隙最多可以同时引入多个重传链路而且引入方式不止一种，比如某种场合下，时隙t0可引入重传链路组{(t0，c1)，(t0，c2)}或者重传链路组{(t0，c3)}，则所有的可能组合记为G，记g是G的一个元素。因此，一组链路质量的增益之和度量记为上述profitg。
C2、计算综合度量mrg：
其中，α为一个与实践环境有关的参数，Ai表示链路i分配了重传链路后还可用来分配重传链路的时隙集合；
C3、遍历时隙，每个时隙从它的G中选出mrg的值最大的分配方案g。
某个包没有成功到达下一跳则进行重传，且分配给重传的链路所在的时隙必须在下一跳的时隙之前；从第一个时隙开始遍历，依次分配重传链路，
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，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 (5)

1.一种无线传感器网络信道分配方法，其特征在于，该传感器不能同时接收和发送数据且节点不能同时在多个信道下工作，感知的数据在任务周期内经过多跳的路径传递到根节点进行处理，节点在每个任务周期的开始产生一定数量的数据包，且节点在每个时隙允许发送一个数据包，数据包在下一个任务周期会被刷新，包括以下步骤：
A、确定网络拓扑中每一条路径被分配时隙和信道的优先级Pri；
B、根据路径优先级依次为路径中的每一条链路分配时隙和信道，分配的依据是该时隙、信道组合使得该路径的传输可靠性最高，分配的前提是满足数据在截止时间前达到终点；
C、根据路径通信可靠性的提高率最大原则，为链路添加重传链路。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络信道分配方法，其特征在于，步骤A中，根据综合源节点i的发包数量pi、基于节点i的路径长度li、整个网络中与该路径内的链路产生干扰的链路数量ci来确定路径分配优先级Pri。
3.根据权利要求2所述的一种无线传感器网络信道分配方法，其特征在于，所述优先级Pri＝αpi+βli+γci，
其中，α+β+γ＝1，α、β、γ分别为pi、li、ci的比重且根据时间环境确定。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络信道分配方法，其特征在于，按优先级为路径分配链路时，使路径上所有链路全局最优，满足以下1-5个条件：
<mrow> <mi>max</mi> <munder> <mi>&amp;Pi;</mi> <mrow> <msubsup> <mi>b</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> </mrow> <mi>l</mi> </msubsup> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munder> <msubsup> <mi>p</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> </mrow> <mi>l</mi> </msubsup> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>l</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>T</mi> <mo>,</mo> <mi>c</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>C</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
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已被分配的链路，如果m的接收节点听到l的发送节点，
已被分配的链路，
如果l的接收节点和m的发送节点或接收节点相同，
其中，Pi代表源节点是i的路径，l代表Pi上的一条链路，T代表可用的时隙集合，C代表可用的信道集合，t代表T的某个元素，c代表C的某个元素，代表链路l分配了信道c和时隙t，代表链路l没有分配信道c和时隙t。
5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络信道分配方法，其特征在于，为链路添加重传链路的具体方法为：
C1、计算一组链路质量增益总和度量profitg：
<mrow> <msub> <mi>profit</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>g</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>profit</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mi>g</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>G</mi> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
其中，profiti为一组链路中某一链路的链路质量增益度量，profiti＝1-(1-qbefore)(1-qnow)-qbefort，qbefort表示没有在该时隙和信道进行重传的情况下，该链路的数据包成功发送的概率；qnow表示若将该时隙和信道安排重传以后，该链路的数据包成功发送的成功率；G是某个时隙链路分配方案的集合；
C2、计算综合度量mrg：
<mrow> <msub> <mi>mr</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;profit</mi> <mi>g</mi> </msub> <mo>+</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> <munder> <mrow> <mi></mi> <mo>&amp;cup;</mo> </mrow> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>g</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>(</mo> <mrow> <mi>g</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>G</mi> </mrow> <mo>)</mo> <mo>,</mo> </mrow>
其中，α为一个与实践环境有关的参数，Ai表示链路i分配了重传链路后还可用来分配重传链路的时隙集合；
C3、遍历时隙，每个时隙从它的G中选出mrg的值最大的分配方案g。
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