CN113472456B - 动态环境下的wban间信道分配方法 - Google Patents

动态环境下的wban间信道分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了动态环境下的WBAN间信道分配方法，根据无线体域网工作时的受干扰状况sink为传感器节点分配信道；根据多个无线体域网的动态环境，服务中心为无线体域网sink分配传输信道；根据无线体域网距离服务中心的距离，调整无线体域网sink的发射功率。该方法充分考虑了干扰，针对多无线体域网共存干扰问题提出相应的解决方案，提高了数据传输的可靠性，节约了能耗。

Description

动态环境下的WBAN间信道分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体为动态环境下的WBAN间信道分配方法。
背景技术
近年来，随着科技水平的不断发展，无线传感器网络被越来越多的应用到我们的日常生活当中，而其中一个重要应用领域就是医学和医疗保健。无线体域网(WirelessBody Area Network，无线体域网)是一种由多个无线传感器在人体范围内所组成的特殊用途的传感器网络，它将不同的医疗传感器连接在衣服、体表或人体中，并实时监测人的身体健康状况，例如心跳、血压和血糖等，一旦发现数据异常，能及时将异常数据报告给相关人员和机构。
作为一种成本低、有效性高的健康类产品，无线体域网能够有效缓解社会公共医疗资源紧张的现状。在这项新兴技术的帮助下，可以获得人体的实时生理信息尤其是对那些患有阿尔茨海默病、帕金森病、心血管疾病等疾病的患者，实时生理数据的监控对他们的身体健康有着很大的帮助。无线体域网也可以被部署在养老院中以监测老人们的日常活动，以防意外情况的发生。
如今大部分的无线体域网技术都工作在各国通用的工业科学与医学(IndustrialScientific Medical，ISM)频段，然而工作在该频段中的设备非常多，而ISM频段相互正交的信道数量又非常有限，因此无线体域网和其他工作在这个频段上的设备或是装备在其他人身上的无线体域网，会有很大的概率工作在同一个信道上。此外，由于无线体域网每个使用者个体是不断运动的，高移动性和不规律性使得无线体域网间的共信道干扰缓解具有很大的不确定性，这种不确定性造成了无线体域网间干扰的不确定性，为解决共存问题带来了更大的挑战。
发明内容
针对上述背景技术的问题，本发明提供一种运动状态下的无线体域网进行信道分配的方法，该方法能够使无线体域网的sink节点根据共享信息制定相应的传输策略，可以有效降低工作在相同频率的无线体域网之间的干扰。
针对多组无线体域网共存的动态场景，进行协同调度为不同体域网分配信道，能够有效的提高数据传输的有效性和可靠性，而且有效降低了节点的能耗。
本发明的目的是为运动状态下的无线体域网进行信道分配。主要通过以下方案实现：
无线体域网的通信划分为三层，第一层为传感器节点至sink节点之间的通信，第二层为sink节点至服务中心的通信，第三层为服务中心至医院等机构的通信。
在第一层通信中，需要寻找一种合理有效的方法为场景中各个无线体域网分配合适的工作信道，提高节点间通信的总吞吐率，减少节点受到的无线电干扰，提高网络性能。同时在第二层通信中，在对信道进行分配的同时也要考虑对sink发送功率进行功率控制，有利于节点长期、稳定、高效工作，提高网络空间信道的复用性和吞吐率，同时降低网络能耗，避免过热造成人身损害。
第一层通信中无线体域网所受到的干扰主要来自无线体域网的内部和外部，其中来自无线体域网外部的干扰可以是来自其他无线体域网的，也可以是来自与无线体域网工作在相同频段的设备，比如蓝牙，WiFi等等。根据2012年推出的IEEE802.15.6协议，其将QoS分为7个优先级：1(最低优先级)～7(最高优先级)。
当只有一个无线体域网在环境中存在时，使用TDMA的方式根据各自节点的优先级对信道进行分配，避免传感器节点在向sink通信时相互之间产生干扰。若传感器节点处于相同的优先级，则由sink随机为其分配时隙，并记录接收到的来自各个传感器节点的信号强度。
当有多个无线体域网存在于同一个狭小环境时，首先，目标无线体域网判断是否受到干扰，方法为：当双方的sink彼此之间的距离D小于四倍的传感器最大通信半径R且持续时间T大于Tth时，判定无线体域网双方产生干扰。其中Tth为一个定量阈值，一般取
Figure BDA0003135529110000021
TMAP为超帧结构中MAP段的时长，NS为当前单个体域网内的传感器节点个数。然后，针对无线体域网之间的干扰多是产生在距离较近且无物体遮挡的情况下，此时主要考虑自由空间的传输损耗LS＝32.45+20×log(f)+20×log(d)，其中传输频率f的单位为MHz，传输距离d的单位为km。产生干扰的不同无线体域网的sink节点相互交换其时隙分配表和其传感器节点的信号强度，实现超帧同步。
其中，还需要判断同时隙工作的sink节点是否受到干扰，方法为：计算在相同时隙内通信的信干噪比(SINR)，判断是否会对对应的sink节点产生干扰。若SINR<SINRth，则产生了干扰，双方sink在当前通信的传感器节点所工作的时隙后增加一个时隙，两个节点随机分配先后顺序；否则没有产生干扰，双方sink可在同一时隙进行通信工作。
其中信干噪比
Figure BDA0003135529110000031
其中σ2表示加性高斯白噪声，Si为第i个sink节点的接收功率，I表示外部的干扰。
在第二层通信中，sink采用CSMA/CA方式在2.4Ghz频段与服务中心进行通信。由于第二层通信采用CSMA/CA的方式，当存在大量无线体域网的用户时，会使得无线信道性能下降，用户之间的信息通信会产生碰撞，从而降低网络吞吐量，也降低了能源效率。
其中，共存的sink节点之间有以下两种情况：
a.没有干扰：两个sink的距离大于或等于R’+R。这是允许两个sink使用同一信道而不造成独立于客户端分布的干扰的最小距离。其中R’表示距离sink的一个最大距离，在这个距离内的其他体域网的sink同时传输将触发服务中心接收器的载波感知。从该sink或与该sink相关的体域网的传输将触发服务中心接收器的载波感知。两个sink可以同时传输信息。
b.产生干扰：两个sink之间的距离小于R’+R。服务中心将无法正确地确定接收传输来源。两个sink无法同时传输信息。
对于存在的N个无线体域网，若满足条件a，则由服务中心随机为其分配信道，若满足条件b，首先计算出服务中心和各sink之间的最短信道路径，在此最短信道路径下采用CSMA/CA的方式进行信道分配。最短信道路径由如下迪杰斯特拉方法计算得出：
设G＝(V,E)是一个带权有向图，把sink集合V分为两组A和B，将已经分配到信道的sink列入集合A，未分配到信道的sink列入集合B，按最短路径长度的递增次序依次把B中的sink加入A中，同时，从B中将其移除，直到遍历完B中所有的sink，在加入的过程中，总保持从服务中心到A中各sink的最短路径长度不大于从服务中心到B中任何sink的最短路径长度；
每个sink对应一个距离E，A中sink的距离E是指服务中心到此sink顶点的最短路径长度，B中sink的距离是指从服务中心经过A中的sink为中继到此sink的当前最短路径长度。
由于存在多个无线体域网，可能会检测到冲突，为降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法传输。为了保证这种退避维持稳定，采用了二进制指数退避算法，其算法过程如下：
1.确定基本退避时间，一般将端到端的往返时间2t视为基本退避时间。
2.定义参数k＝min[冲突次数，10]，k与冲突次数有关，冲突次数越多，k的值越大，最大不超过10。
3.取一个随机数r为离散整数集合[0,1,2，……，(2k-1)]中的一个随机数，等待的时延为r倍的基本退避时间，即2rt。
4.当冲突次数大于10后，则一直在[0,1,2,……,1023]中随机选取一个数作为r的取值。
考虑到无线体域网移动过程中和服务中心之间距离的变化，当距离变近时，若仍保持原有的发射功率，则加大了sink的能耗，同时也会对其他无线体域网产生干扰。因此，服务中心根据接收到的无线体域网sink的信号强度与期望接收到的信号强度对比得偏差值e，通过离散的增量式PID算法控制对应的无线体域网sink进行发射功率：
Δu(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
Kp、Ki、Kd分别表示比例项、微分项、积分项，e(k-i)表示前i轮所接收到的信号强度偏差，Δu(k)为控制sink下一轮的发射功率。
本发明的有益效果：
该信道分配方案充分考虑了干扰，功率控制等问题，针对多无线体域网信道分配问题提出相应的解决方案，提高了数据传输的可靠性，节约了能耗。
附图说明
图1是三层场景图；
图2是多个无线体域网共存场景图；
图3是信道分配前后时隙图；
图4是IEEE在2.4Ghz频段划分的14个信道。
具体实施方式
本发明提出了动态环境下的WBAN间信道分配方法，根据无线体域网工作时的受干扰状况，由sink为传感器节点分配信道；根据多个无线体域网的动态环境，由服务中心为无线体域网sink分配传输信道；根据无线体域网距离服务中心的距离，调整无线体域网sink的发射功率。该方法充分考虑了干扰，针对多无线体域网共存干扰问题提出相应的解决方案，提高了数据传输的可靠性，节约了能耗。
为了方便描述，根据RPGM移动模型，可以将无线体域网考虑为一个半径为R的圆，sink节点位于圆心，传感器节点分布在圆内，并围绕sink做规律运动。
当只有一个无线体域网在环境中存在时，使用TDMA的方式根据各自节点的优先级对信道进行分配，避免传感器节点在向sink通信时相互之间产生干扰。若传感器节点处于相同的优先级，则由sink随机为其分配时隙，并记录接收到的来自各个传感器节点的信号强度。
当双方的sink彼此之间的距离D大于四倍的传感器最大通信半径R且持续时间T大于Tth时，判定无线体域网双方产生干扰。产生干扰的不同无线体域网的sink节点相互交互其时隙分配表和其传感器节点的信号强度。
计算在相同时隙内通信的信干噪比(SINR)，判断是否会对对应的sink节点产生干扰。若SINR<SINRth，则产生了干扰，双方sink在这一时隙后增加一个时隙，两个节点随机分配先后顺序；否则没有产生干扰，双方sink和对应可在同一时隙进行通信工作。
在第二层通信中，sink采用CSMA/CA方式在2.4Ghz频段与服务中心进行通信。
共存的sink节点之间有以下两种情况：没有干扰和产生干扰。若没有干扰，则由服务中心随机为其分配信道，若产生干扰，采用CSMA/CA的方式进行信道分配。由于存在多个无线体域网，可能会检测到冲突，为降低再冲突的概率，采用了二进制指数退避算法，避免冲突以及再次产生冲突。
考虑到无线体域网移动过程中和服务中心之间距离的变化，当距离变近时，若仍保持原有的发射功率，则加大了sink的能耗，同时也会对其他无线体域网产生干扰。因此，服务中心根据接收到的无线体域网sink的信号强度与期望接收到的信号强度对比得偏差值e，通过离散的增量式PID算法对对应的无线体域网sink进行发射功率控制：
Δu(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
Kp、Ki、Kd分别表示比例项、微分项、积分项，e(k-i)表示前i轮所接收到的信号强度偏差，Δu(k)为控制sink下一轮的发射功率。
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，无线体域网的通信结构可以分成三层，第一层为传感器节点至sink之间的通信，第二层为sink至服务中心的通信，第三层为服务中心至医院等机构的通信。
当只有一个无线体域网在环境中存在时，使用TDMA的方式根据各自节点的优先级对信道进行分配，优先级如表1所示，避免传感器节点在向sink通信时相互之间产生干扰。若传感器节点处于相同的优先级，则由sink随机为其分配时隙，并记录接收到的来自各个传感器节点的信号强度。
表1IEEE802.15.6优先级
Figure BDA0003135529110000061
当有多个无线体域网存在于同一个狭小环境时，如图2所示，目标无线体域网判断是否受到干扰的方法为：当双方的sink彼此之间的距离D大于四倍的传感器最大通信半径R且持续时间T大于Tth时，判定无线体域网双方产生干扰。由于无线体域网之间的干扰多是产生在距离较近且无物体遮挡的情况下，主要考虑自由空间的传输损耗LS＝32.45+20×log(f)+20×log(d)，其中传输频率f的单位为MHz，传输距离d的单位为km。产生干扰的不同无线体域网的sink节点相互交互其时隙分配表和其传感器节点的信号强度。
其中，判断同时隙工作的sink节点是否受到干扰的方法为：计算在相同时隙内通信的信干噪比(SINR)，判断是否会对对应的sink节点产生干扰。若SINR<SINRth，则产生了干扰，双方sink在这一时隙后增加一个时隙，两个节点随机分配先后顺序；否则则没有产生干扰，双方sink和对应可在同一时隙进行通信工作。
重新分配前后的时隙信道如图3所示。
在第二层通信中，如图4所示，IEEE工作组只将2.4Ghz的频段划分成了14个信道，这其中真正正交的信道仅仅只有3个，其余信道均有部分重叠。由于第二层通信采用CSMA/CA的方式，当存在大量无线体域网的用户时，会使得无线信道性能下降，用户之间的信息通信会产生碰撞，从而降低网络吞吐量，也降低了能源效率。
存在的sink节点之间其中存在以下两种情况，即没有干扰和产生干扰，若没有干扰，则由服务中心随机为其分配信道，若产生干扰，采用CSMA/CA的方式进行信道分配。由于存在多个无线体域网，可能会检测到冲突，为降低再冲突的概率，采用了二进制指数退避算法，避免冲突以及再次产生冲突。
考虑到无线体域网移动过程中和服务中心之间距离的变化，当距离变近时，若仍保持原有的发射功率，则加大了sink的能耗，同时也会对其他无线体域网产生干扰。因此，服务中心根据接收到的无线体域网sink的信号强度与期望接收到的信号强度对比得偏差值e，通过离散的增量式PID算法对对应的无线体域网sink进行发射功率控制：
Δu(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，在第一层的传感器节点至sink节点之间的通信过程中，当只有一个无线体域网在环境中存在时，使用TDMA的方式根据各自节点的优先级对信道进行分配，避免传感器节点在向sink节点通信时相互之间产生干扰，若传感器节点处于相同的优先级，则由sink节点随机为其分配时隙，并记录接收到的来自各个传感器节点的信号强度；
在第二层的sink节点至服务中心的通信过程中，sink节点采用CSMA/CA方式在2.4Ghz频段与服务中心进行通信，此条件下，判断sink节点之间有无干扰：
当两个sink节点之间的距离大于等于R’+R时，判断没有干扰，此时允许两个sink节点使用同一信道，与两个sink节点相关的无线体域网的传输都将触发服务中心接收器的载波感知，由服务中心随机为其分配信道，两个sink节点可以同时传输信息；R表示传感器最大通信半径，R’表示距离sink节点的最大距离；
当两个sink节点之间的距离小于R’+R时，判断产生干扰，此时，首先计算出服务中心和各sink节点之间的最短信道路径，在此最短信道路径下采用CSMA/CA的方式进行信道分配，并采用二进制指数退避算法维持信道稳定。
2.根据权利要求1所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，当有多个无线体域网存在于同一个狭小环境时，首先，由目标无线体域网判断是否受到干扰，判断的方法为：当双方的sink节点彼此之间的距离D小于四倍的传感器最大通信半径R且持续时间T大于Tth时，判定无线体域网双方产生干扰；然后，产生干扰的不同无线体域网的sink节点相互交换其时隙分配表和其传感器节点的信号强度，实现超帧同步。
3.根据权利要求2所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，还包括判断同时隙工作的sink节点是否受到干扰，判断的方法为：计算在相同时隙内通信的信干噪比(SINR)，判断是否会对对应的sink节点产生干扰，若SINR<SINRth，则产生了干扰，此时双方sink节点在当前时隙后增加一个时隙，两个sink节点随机分配先后顺序；否则没有产生干扰，双方sink节点可在同一时隙进行通信工作。
4.根据权利要求3所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，所述信干噪比
Figure FDA0003871082910000021
其中σ2表示加性高斯白噪声，Si为第i个sink节点的接收功率，I表示外部的干扰。
5.根据权利要求1所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，所述最短信道路径采用如下迪杰斯特拉方法计算得出：
设G＝(V,E)是一个带权有向图，把sink节点集合V分为两组A和B，将已经分配到信道的sink节点列入集合A，未分配到信道的sink节点列入集合B，按最短路径长度的递增次序依次把B中的sink节点加入A中，同时，从B中将其移除，直到遍历完B中所有的sink节点，在加入的过程中，总保持从服务中心到A中各sink节点的最短路径长度不大于从服务中心到B中任何sink节点的最短路径长度；
每个sink节点对应一个距离E，A中sink节点的距离E是指服务中心到此sink节点的最短路径长度，B中sink节点的距离是指从服务中心经过A中的sink节点为中继到此sink节点的当前最短路径长度。
6.根据权利要求1所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，所述二进制指数退避算法具体设计如下：
S1.确定基本退避时间，将端到端的往返时间2t视为基本退避时间；
S2.定义参数k＝min[冲突次数，10]，k与冲突次数有关，冲突次数越多，k的值越大，最大不超过10；
S3.取离散整数集合[0,1,2，……，(2k-1)]中的一个随机数r，则等待时延为r倍的基本退避时间，即2rt；
S4.当冲突次数大于10后，则在[0,1,2,……,1023]中随机选取一个数作为r的取值。
7.根据权利要求1所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，在第二层的sink节点至服务中心的通信过程中，还包括控制sink节点的发射功率，以提升信道复用性和吞吐率。
8.根据权利要求7所述的动态环境下的WBAN间信道分配方法，其特征在于，所述控制sink节点发射功率的方法：服务中心根据接收到的无线体域网sink节点的信号强度与期望接收到的信号强度，对比得出偏差值e(k)，通过离散的增量式PID算法控制对应的无线体域网sink节点发射功率：
Δu(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))
Kp、Ki、Kd分别表示比例项、微分项、积分项，e(k-i)表示前i轮所接收到的信号强度偏差，Δu(k)为控制sink节点下一轮的发射功率。
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