CN111757286A - 一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，包括如下步骤：确定节点发送普通数据和紧急数据基本规则；确定没有节点发送紧急数据的时隙分配方式；确定单个节点发送紧急数据的时隙分配方式；确定多个节点发送紧急数据的时隙分配方式。本发明采用侦听机制，当节点产生紧急数据时，立刻在侦听期T0发送占用信号，占用原本发送普通数据的时隙发送紧急数据；当多个节点同时产生紧急数据并产生传输冲突时，开启竞争阶段，各个节点采用竞争方式发送紧急数据；在竞争阶段，设计基于节点优先级的退避策略，并根据网络规模调整退避窗口的变化速度，提高传输资源利用率并减少重传冲突概率，保障紧急数据传输的实时性和可靠性。

Description

一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法
技术领域
本发明涉及无线人体传感器网络领域，特别涉及一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法。
背景技术
体域网，由几个到二十几个体积较小、具有通信功能且能量有限的传感器节点和一个协调器组成，可以自动智能地感知人体的健康数据，为智慧医疗提供有力支持。每个传感器节点既可佩戴在身上，也可植入体内。传感器节点监测体温、血压、心电图、脑电图等生命体征数据，然后将这些数据发送到协调器。协调器管理各个节点，负责身体区域网络和外部网络之间的连通，使数据能够得以安全地传送和交换。
由于健康数据的重要性，因此健康数据对服务质量的要求很高。特别是对生命具有重要影响的某些紧急数据，需要及时发送，保证传输的实时性和可靠性。为了提供高质量的数据传输服务，满足紧急数据的实时性和可靠性要求，设计高效的传输资源分配策略必不可少。目前已有的解决紧急数据传输的方案，存在计算复杂度高、不能及时发送、传输冲突较大等问题，不能满足紧急数据的实时性和可靠性需要。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，该方法采用侦听信道的方式，占用其他节点的时隙发送紧急数据，发生传输冲突时采用多种退避策略重传紧急数据。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，包括以下步骤：
步骤一：确定节点发送普通数据和紧急数据基本规则；
步骤二：确定没有节点发送紧急数据的时隙分配方式；
步骤三：确定单个节点发送紧急数据的时隙分配方式；
步骤四：确定多个节点发送紧急数据的时隙分配方式。
所述步骤一的具体过程为：
基于多跳网络，各节点在发送普通数据时采用TDMA方式，由协调器分配时隙，依次发送数据；协调器每收到一次节点的收据，就发出“ACK”确认消息，并通知下一个节点发送数据；
节点发送普通数据之前，在侦听期T0内侦听信道，确保网络无紧急数据后才发送普通数据；如果在侦听期T0内监测到信号，则表明有紧急数据产生，则该节点让位紧急数据的节点；
节点发送紧急数据时，若紧急数据产生于TDMA分配的时隙，则采用TDMA方式发送该紧急数据；这种情况发送紧急数据，不会对其他节点产生冲突；
节点发送紧急数据时，若紧急数据不是产生于TDMA规定的时隙，则在侦听期T0内发送占用消息以通知其他节点，并占用其他节点分配的该时隙发送该紧急数据。这样，可以确保紧急数据及时发送；
如果多个节点同时发送紧急数据，则会产生传输冲突；此时协调器开启竞争阶段，各个节点采用CSMA/CA竞争方式发送紧急数据；若竞争失败，则采用相应的退避方式重新发送紧急数据；
在竞争阶段，设计基于节点优先级的退避策略，优先级越高，则退避时间越小，保证优先级高的节点优先发送紧急数据；竞争阶段，还根据网络规模调整退避窗口的变化速度；网络规模较小，则传输失败后采用加法增大方式增大退避窗口；网络规模较大，则传输失败后采用乘法增大方式增大退避窗口；按照网络规模调整退避窗口变化速度。既有效地利用网络资源，又尽可能减少重传冲突。
所述步骤二的具体过程为：
协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据；在发送数据前，节点会在侦听期T0内侦听信道；如果没有侦听到信号，即没有紧急数据，则各个节点会以TDMA模式依次按照分配的时隙发送数据；
在节点侦听和发送数据时，其他还没发送数据的节点会进入空闲等待状态；协调器在成功收到数据后，会给所有节点发送“ACK”消息以确认成功收到数据，然后已经发送数据的节点就会进入睡眠状态；同时，“ACK”消息包含下一个要发送数据的节点的信息；
如果节点发送数据失败，就不会在规定的时间内收到协调器的“ACK”消息，即知道数据没有被成功接收。协调器在规定时间没有收到数据，也不会给其他节点分配下一个时隙；该发送失败的节点会重新侦听，如果没有紧急数据，就会默认地占用下一个时隙重传数据；
如果以上节点再次发送失败，则继续侦听和重传数据，直到发送成功或达到最大重传次数。如果达到最大重传次数，则协调器会在本帧不考虑该发送失败的节点，并通知下一个节点发送数据。
所述步骤三的具体过程为：
协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据；
情况1：只有一个节点有紧急数据发送，且此时正是协调器分配该节点发送数据，则该节点利用该分配的时隙发送紧急数据；这种情况下，按照TDMA方式不影响其他节点的正常发送，又完成紧急数据发送，保证紧急数据的实时性。
情况2：只有一个节点有紧急数据发送，且此时不是协调器分配该节点发送数据，则该节点在侦听期T0内发送抢占信息，随后抢占当前要发送数据的节点的时隙来发送紧急数据；其他原本在该时隙正常发送数据的节点，收到抢占信息后，会停止原有的计划，让位于紧急数据发送；
待紧急数据发送完毕，其他还没发送数据的节点再根据协调器分配的时隙以TDMA方式依次发送数据。
所述步骤四的具体过程为：
协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据；
如果有两个以上节点同时产生紧急数据，则它们会抢占下一个时隙发送该紧急数据；由于多个节点同时发送数据，则会产生传输冲突，从而发送失败；
传输冲突产生后，协调器会检测到数据冲突，并开启竞争阶段；没有紧急数据的节点就会进入睡眠状态，而拥有紧急数据的节点会在竞争阶段以CSMA/CA方式发送紧急数据；
拥有紧急数据而产生传输冲突的节点，按照网络规模和节点的优先级确定当前退避窗口大小。
所述退避窗口的基本设置原则是：避免不同优先级的节点产生传输冲突，保证优先级高的节点尽早发送紧急数据，网络规模较小时重传失败后以较小速度增大退避窗口，网络规模较大时重传失败后以较大速度增大退避窗口。
所述退避窗口具体设置如下：
情况1：网络规模较小时，节点si的第k次退避窗口Wi,k为
Figure BDA0002523957020000051
式中，Wi,k-1为节点si的第k-1次重传失败时的退避窗口；ri为节点si的初始退避窗口，与节点优先级有关，优先级越高，ri越小，反之越大；设置优先级不同的初始退避窗口，是为了尽量避免不同优先级的节点产生冲突；优先级越高ri越小，是为了保证优先级高的节点尽早发送紧急数据；u1为退避窗口增量，且u1＞0，表示小规模网络中重传失败后以加法递增的方式增大退避窗口，减少重传冲突；小规模网络节点数量不大，重传失败后，不需要快速增加退避窗口，故采用加法递增方式；
情况2：网络规模较大时，节点si的第k次退避窗口Wi,k为
Figure BDA0002523957020000052
式中，Wi,k-1为节点si的第k-1次重传失败时的退避窗口；ri为节点si的初始退避窗口，与节点优先级有关，优先级越高，ri越小，反之越大；设置优先级不同的初始退避窗口，是为了尽量避免不同优先级的节点产生冲突；优先级越高ri越小，是为了保证优先级高的节点尽早发送紧急数据；u2＞1，表示大规模网络中重传失败后以乘法递增的方式增大退避窗口，减少重传冲突。大规模网络节点数量较大，重传失败后，需要快速增加退避窗口，故采用乘法递增方式。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明发送普通数据时采用TDMA方式依次发送数据，发送普通数据之前侦听信道以确保网络无紧急数据，仅一个节点发送紧急数据时可以占用其他节点的时隙以减少紧急数据的等待时延，多个节点同时发送紧急数据时根据节点优先级和网络规模采用相应的退避策略重传紧急数据，提高传输资源利用率和减少重传冲突概率。
2、本发明采用侦听机制，可以显著减少紧急数据发送的等待时间。当仅一个节点产生紧急数据时，立刻在侦听期T0发送占用信号，占用原本发送普通数据的时隙发送紧急数据。当多个节点同时产生紧急数据时，也同样占用原本发送普通数据的时隙发送紧急数据。虽然存在传输冲突，但马上开启竞争阶段，优先处理紧急数据。现有方法中，如果采用TDMA模式则紧急数据需要等待下一帧才能发送，如果采用CSMA/CA则具有很大冲突概率。
3、本发明设计多个节点同时发送紧急数据时的退避策略，考虑节点的优先级而设置不同大小的初始退避窗口，优先级越高则初始退避窗口越小，可以保证优先级高的节点尽早发送紧急数据，避免不同优先级的节点产生传输冲突。现有方法同时处理多个紧急数据时，未能保证优先级高的节点的优先发送。
4、本发明设计多个节点同时发送紧急数据时的退避策略，考虑网络的规模大小而设置不同速度的退避窗口变化方式。小规模网络中，重传失败后采用加法增大方式增加退避窗口。大规模网络中，重传失败后采用乘法增大方式增加退避窗口。考虑网络的规模大小，比现有方法更有效地利用网络资源和减少重传冲突。
附图说明
图1为本发明所述一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法的流程图。
图2为本发明所述基本超帧结构图。
图3为本发明所述没有紧急数据时的超帧结构图。
图4为本发明所述单个节点有紧急数据时的超帧结构图。
图5为本发明所述多个节点有紧急数据时的超帧结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法如图1所示，并包括以下步骤：
步骤一：确定节点发送普通数据和紧急数据基本规则。如图2所示，超帧结构包括非竞争阶段和竞争阶段，非竞争阶段以TDMA方式发送普通数据，竞争节点以CSMA/CA方式发送紧急数据。节点发送普通数据之前，在侦听期T0内侦听信道，确保网络无紧急数据后才发送普通数据。如果在侦听期T0内监测到信号，则表明有紧急数据产生，则该节点让位紧急数据的节点。如果多个节点同时发送紧急数据，则会产生传输冲突，进入竞争阶段。
步骤二：确定没有节点发送紧急数据的时隙分配方式。如图3所示，协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据。在发送数据前，节点会在侦听期T0内侦听信道。如果没有侦听到信号，即没有紧急数据，则各个节点会以TDMA模式依次按照分配的时隙发送数据。没有数据发送任务的节点处于空闲状态。如果节点发送数据失败，如图3的“发送失败”、“接收失败”，则协调器在规定时间没有收到数据，就不会给其他节点分配下一个时隙。该发送失败的节点会重新侦听，如果没有紧急数据，就会默认地占用下一个时隙重传数据。
步骤三：确定单个节点发送紧急数据的时隙分配方式。如图4所示，协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据。如果只有一个节点有紧急数据发送，如图4中的节点1，且此时正是协调器分配该节点发送数据，则该节点利用该分配的时隙发送紧急数据。如果只有一个节点有紧急数据发送，，如图4中的节点1，且此时不是协调器分配该节点发送数据，则该节点在侦听期T0内发送抢占信息，随后抢占当前要发送数据的节点的时隙来发送紧急数据。
步骤四：确定多个节点发送紧急数据的时隙分配方式。如图5所示，协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据。如果此时有两个以上节点有紧急数据，如图5中的节点1和节点2，则它们会抢占下一个时隙发送该紧急数据。由于2个节点同时发送数据，则会产生传输冲突，开启竞争阶段。没有紧急数据的节点就会进入睡眠状态，而拥有紧急数据的节点1和节点2在竞争阶段退避一定时间后分别重传紧急数据。由如图5可知，节点1的优先级高于节点2，因为其初始退避时间小于节点2。
一般而言，小规模网络的节点数不超过8个，大规模网络的节点数是大于或等于9个。对于小规模网络、大规模网络的定义，也可以根据实际需要进行划分，如设定一个节点数阈值K，超过阈值K则为大规模网络，未超过则为小规模网络，上文只是举例将阈值K取为8，但并不局限于此。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定节点发送普通数据和紧急数据基本规则；
步骤二：确定没有节点发送紧急数据的时隙分配方式；
步骤三：确定单个节点发送紧急数据的时隙分配方式；
步骤四：确定多个节点发送紧急数据的时隙分配方式。
2.根据权利要求1所述基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，所述步骤一的具体过程为：
基于多跳网络，各节点在发送普通数据时采用TDMA方式，由协调器分配时隙，依次发送数据；协调器每收到一次节点的收据，就发出“ACK”确认消息，并通知下一个节点发送数据；
节点发送普通数据之前，在侦听期T0内侦听信道，确保网络无紧急数据后才发送普通数据；如果在侦听期T0内监测到信号，则表明有紧急数据产生，则该节点让位紧急数据的节点；
节点发送紧急数据时，若紧急数据产生于TDMA分配的时隙，则采用TDMA方式发送该紧急数据；这种情况发送紧急数据，不会对其他节点产生冲突；
节点发送紧急数据时，若紧急数据不是产生于TDMA规定的时隙，则在侦听期T0内发送占用消息以通知其他节点，并占用其他节点分配的该时隙发送该紧急数据；
如果多个节点同时发送紧急数据，则会产生传输冲突；此时协调器开启竞争阶段，各个节点采用CSMA/CA竞争方式发送紧急数据；若竞争失败，则采用相应的退避方式重新发送紧急数据；
在竞争阶段，设计基于节点优先级的退避策略，优先级越高，则退避时间越小，保证优先级高的节点优先发送紧急数据；竞争阶段，还根据网络规模调整退避窗口的变化速度；网络规模较小，则传输失败后采用加法增大方式增大退避窗口；网络规模较大，则传输失败后采用乘法增大方式增大退避窗口；按照网络规模调整退避窗口变化速度。
3.根据权利要求1所述基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据；在发送数据前，节点会在侦听期T0内侦听信道；如果没有侦听到信号，即没有紧急数据，则各个节点会以TDMA模式依次按照分配的时隙发送数据；
在节点侦听和发送数据时，其他还没发送数据的节点会进入空闲等待状态；协调器在成功收到数据后，会给所有节点发送“ACK”消息以确认成功收到数据，然后已经发送数据的节点就会进入睡眠状态；同时，“ACK”消息包含下一个要发送数据的节点的信息；
如果节点发送数据失败，就不会在规定的时间内收到协调器的“ACK”消息，即知道数据没有被成功接收；协调器在规定时间没有收到数据，也不会给其他节点分配下一个时隙；该发送失败的节点会重新侦听，如果没有紧急数据，就会默认地占用下一个时隙重传数据；
如果以上节点再次发送失败，则继续侦听和重传数据，直到发送成功或达到最大重传次数；如果达到最大重传次数，则协调器会在本帧不考虑该发送失败的节点，并通知下一个节点发送数据。
4.根据权利要求1所述基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：
协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据；
情况1：只有一个节点有紧急数据发送，且此时正是协调器分配该节点发送数据，则该节点利用该分配的时隙发送紧急数据；
情况2：只有一个节点有紧急数据发送，且此时不是协调器分配该节点发送数据，则该节点在侦听期T0内发送抢占信息，随后抢占当前要发送数据的节点的时隙来发送紧急数据；其他原本在该时隙正常发送数据的节点，收到抢占信息后，会停止原有的计划，让位于紧急数据发送；
待紧急数据发送完成，其他还没发送数据的节点再根据协调器分配的时隙以TDMA方式依次发送数据。
5.根据权利要求1所述基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：
协调器发送“Beacon”消息给所有节点，以唤醒所有节点，并通知下一个节点发送数据；
如果有两个以上节点同时产生紧急数据，则它们会抢占下一个时隙发送该紧急数据；由于多个节点同时发送数据，则会产生传输冲突，从而发送失败；
传输冲突产生后，协调器会检测到数据冲突，并开启竞争阶段；没有紧急数据的节点就会进入睡眠状态，而拥有紧急数据的节点会在竞争阶段以CSMA/CA方式发送紧急数据；
拥有紧急数据而产生传输冲突的节点，按照网络规模和节点的优先级确定当前退避窗口大小。
6.根据权利要求5所述基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，所述退避窗口的基本设置原则是：避免不同优先级的节点产生传输冲突，保证优先级高的节点尽早发送紧急数据，网络规模较小时重传失败后以较小速度增大退避窗口，网络规模较大时重传失败后以较大速度增大退避窗口。
7.根据权利要求6所述基于侦听机制的体域网紧急数据时隙分配方法，其特征在于，所述退避窗口具体设置如下：
情况1：网络规模较小时，节点si的第k次退避窗口Wi,k为
Figure FDA0002523957010000031
式中，Wi,k-1为节点si的第k-1次重传失败时的退避窗口；ri为节点si的初始退避窗口，与节点优先级有关，优先级越高，ri越小，反之越大；
u1为退避窗口增量，且u1＞0，表示小规模网络中重传失败后以加法递增的方式增大退避窗口，减少重传冲突；
情况2：网络规模较大时，节点si的第k次退避窗口Wi,k为
Figure FDA0002523957010000041
式中，Wi,k-1为节点si的第k-1次重传失败时的退避窗口；ri为节点si的初始退避窗口，与节点优先级有关，优先级越高，ri越小，反之越大；u2＞1，表示大规模网络中重传失败后以乘法递增的方式增大退避窗口，减少重传冲突。
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