CN102036286B - 一种基于确定性调度的无线传感器网络信道评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种无线传感器网络中的基于确定性调度的信道评估方法；此信道评估方法结合了工业无线确定性调度技术，根据超帧的周期，跳信道序列的长度，以及跳信道模式等参数，计算出每个时隙的信道使用个数；通过分析设备的使用信道率和网络通信量，提出了信道评估时间的选取方法；设备在合理的时间对信道进行通信质量评估，发送信道评估质量表给***管理器；***管理器根据丢包率划分信道等级，通过广播将信道黑名单通知全网设备；该方法能有效地提高无线传感器网络通信的可靠性和稳定性。

Description

一种基于确定性调度的无线传感器网络信道评估方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种基于确定性调度的无线传感器网络的信道评估方法。

背景技术

传感器网络是本世纪初兴起的、一种面向设备间短程、低速率信息交换的无线通信技术，具有抗干扰能力强、低功耗和确定性通信等特点，因此它在工业控制、环境监测、商业监测、医疗等应用领域都有很好的应用前景。

在工业界，如果使用有线传感器网络，成本较高且实现起来困难，无线传感器网络的引入解决了工业现场布线困难、安装维护成本高等问题。工业无线传感器网络以其低功耗，低成本的特点，已成为工业自动化领域的又一发展趋势。工业环境下建立具有高可靠性的无线传感器网络已成为一个迫切的需求。

在无线传感器网络中，无线HART、ISA100.11a、WIA-PA、ZigBee、***都工作在2.4G频段，工业无线传感器网络为了防止其他网络的同频干扰，提供了多种抗干扰技术。自适应跳信道技术是工业无线传感器网络中主要的抗干扰方式，它通过周期性地评估信道质量，将被干扰的差信道进行屏蔽来达到抗干扰的目的。由于工业无线传感器网络采用了确定性调度技术，每条信道的使用率不同，因此每条信道的评估时间不能采用统一的标准，应该结合网络的数据流进行选定。目前工业无线传感器网络信道评估方法的研究主要是***周期性地对每一个信道进行评估，根据统一的标准将信道划分为好信道和差信道，通过“黑名单”技术屏蔽差信道的使用。尽管这些方法可以提高***的抗干扰性，但还是存在缺点：信道评估时间的选取没有考虑网络数据流的特点以及信道使用率的问题。因此，本发明提出了一种基于确定性调度的工业无线传感器网络信道评估方法，目的在于解决信道评估时间的选取问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，现有无线传感器网络的信道评估方法未能针对网络中确定性调度特点对信道进行有效评估的问题。***管理器周期性对所有工作信道进行评估，某一信道的丢包率大于网络设定的门限值，***管理器就把该信道放入“黑名单”，并通知全网设备屏蔽该信道。这种方法易造成信道使用率的减少，网络通信资源的浪费，网络吞吐量的降低等问题，本发明提供一种基于确定性调度的无线传感器网络的信道评估方法，根据无线传感器网络中每条信道使用周期的不同，提出了一种信道评估时间选取机制。该机制可有效地提高信道评估效率，有利于***管理器对子网内信道的合理分配。

本发明的目的是这样实现的：基于确定性调度的无线传感器网络的信道评估方法，包括如下步骤： 

a）基于网络的绝对时隙，计算某一时隙的超帧偏移和信道偏移。超帧偏移的计算方法根据绝对时隙与网络超帧周期的关系；信道偏移的计算方法分为时隙跳信道模式和慢跳信道模式，在每种模式下，根据绝对时隙、跳信道序列长度等参数来计算。 

b）基于无线传感器网络确定性调度的特点，计算设备在某一时隙的信道使用个数。***管理器给全网设备分配时隙等资源进行相互通信，设备在某一时隙使用的信道个数分为时隙跳信道模式和慢跳信道模式，在每种模式下，根据超帧周期，跳信道序列长度等参数计算。

c）计算无线传感器网络中每条信道的信道评估时间。设备在跳信道模式下工作，某一时隙使用的信道偏移根据步骤a）计算，信道个数根据步骤b）计算，设备评估每个信道质量的时间根据网络数据流特点将有所不同，每条信道的评估时间通过在信道上发送的数据包数量，以及使用同一信道进行通信的时间间隔来计算。

d）按照预定评估方法对信道质量进行评估。通过步骤c）计算出每条信道的信道评估时间，设备根据该时间对信道的丢包率进行统计，把评估结果记录到信道评估质量表中；***管理器根据信道评估质量表中的丢包率情况评估每个信道的质量，如果某一信道的丢包率大于设置的门限值，***管理器将该信道放入黑名单，然后广播通知全网设备；设备收到广播帧后，提取黑名单信息，更改跳信道序列。

相对于现有技术，本发明的方法考虑到信道资源对网络运行和网络吞吐量都有重要影响，对无线传感器网络的确定性调度、信道使用率、信道评估时间进行协同研究，同时根据网络的跳信道模式进一步分析网络中信道使用个数的计算方法。因此本发明的信道评估方法既满足了无线传感器网络的抗干扰性又具有较好的信道资源利用率，可以此提高无线传感器网络通信的可靠性和吞吐量。

附图说明

图1无线传感器网络中默认跳信道序列示意图；

图2无线传感器网络两种跳信道模式示意图；

图3多超帧转化为一个新超帧的流程图；

图4两个超帧转化为一个超帧的过程示意图；

图5无线传感器网络信道评估的流程图。

具体实施方式

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：

本发明基于网络的绝对时隙计算某一时隙的超帧偏移和信道偏移；基于无线传感器网络确定性调度特点，根据跳信道模式，调用绝对时隙、超帧、跳信道序列计算设备某个时隙所使用的信道总个数和相应的信道号；计算无线传感器网络中每条信道的信道评估时间；在信道评估时间内按照确定的信道评估方法对信道质量进行评估。

本发明根据超帧和跳信道序列的关系，同时结合无线传感器网络的跳信道模式，计算出无线网络在运行过程中每个信道的使用周期。本发明根据不同情况下每条信道使用周期的不同，提出了无线传感器网络中信道评估时间的选取机制。以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示为无线传感器网络ISA100.11a默认的跳信道序列。基于确定性调度机制的无线传感器网络标准一般都提供一条默认的跳信道序列，比如ISA100.11a网络的跳信道序列1为：19，12，20，24，16，23，18，25，14，21，11，15，22，17，13，26。该默认跳信道序列中的连续两个信道至少相隔3个信道，可以有效地避免与其它无线设备产生连续性冲突，特别是IEEE 802.11b设备。由于默认跳信道序列中的连续2个信道不会出现在同1个IEEE802.11b信道上，从而减少了IEEE802.11b设备对无线网络的连续干扰。***在运行的过程中根据跳信道序列的信道偏移量在跳信道序列中选择相应的物理信道。如果跳信道偏移量为0，该***从默认跳信道序列第1个信道开始切换物理信道，如果跳信道偏移量为5，则该***从默认跳信道序列第6个信道开始切换物理信道。以此类推就可以将默认的跳信道序列演变成不同偏移量的16条跳信道序列，不同子网中的设备可以采用不同的跳信道序列进行通信，在同一时间，设备使用的信道各不相同，从而减小了设备之间的相互干扰。

如图2所示为工业无线传感器网络的三种跳信道模式。在无线传感器网络中，跳信道方法是提高网络抗干扰性的一种简单有效的方法。跳信道模式可分为时隙跳信道模式、慢跳信道模式和混合跳信道模式。

1)  隙跳信道模式：每个时隙按照跳信道序列周期性地更换一次信道，时隙的长度一般为10ms。该模式一般用于时间同步精度较高的无线传感器网络。

2)  慢跳信道模式：几个连续的时隙使用相同的信道，该模式主要用于时间同步精度不高的无线传感器网络。

3)  混合跳信道模式：该模式是时隙跳信道和慢跳信道模式的组合。可根据网络调度的特点，分别设置时隙跳信道周期和慢跳信道周期。

超帧是一组大小相等的时隙集合，时隙的大小决定了超帧循环的周期(S _p )。时隙是数据传输的最小单位，假设一个时隙为T ms。为避免干扰，网络中的设备采用跳信道模式进行通信。跳信道序列长度(C _l )会影响超帧每个时隙使用的信道个数。无线传感器网络***开始调度的时候，假设绝对时隙从0开始计时，每经过一个时隙，绝对时隙，信道偏移和超帧偏移依次增加1，而信道偏移和超帧偏移达到最大值（周期值）的时候，超帧偏移和信道偏移清0，重新开始计算。下面将分两种情况讨论每个时隙使用信道个数的计算方法。

(a)         时隙跳信道模式

网络中的设备具有较高时间同步精度的时候，可以采用时隙跳信道模式来防止干扰。设备在每个时隙使用不同的信道通信。***开始调度的时候，绝对时隙A(t) = t/T，t为***时间，T为周期。信道偏移C_ofs(t)和超帧偏移S_ofs(t)均从0开始计数。根据绝对时隙，信道偏移，超帧偏移之间的关系，可定义信道偏移和超帧偏移为：

           （1）

           （2）

式(1)、(2)中的信道序列长度C _l 和超帧周期S _p 都是工业无线传感器网络确定性调度的重要参数，它们分别和绝对时隙成正比例线性关系。根据超帧周期，跳信道序列的长度，可计算出每个时隙使用的信道个数N _i ( i=0,1,2…S_p-1)：

                        （3）

其中

 为超帧周期和跳信道序列长度的最小公倍数。假设跳信道序列的长度为16，超帧周期为25个时隙，它们的最小公倍数为400。那么超帧中的每个时隙使用的信道个数为400/25=16，信道使用率为100%；如果跳信道序列的长度不变，超帧周期改为50个时隙，则可以推算出超帧每个时隙使用的信道个数为400/50=8，信道使用率降低到50%；由此可见，当网络的跳信道序列长度固定的时候，改变超帧的周期，可以更改网络信道资源的使用率。

(b)         慢跳信道模式

网络中的设备如果时间同步的精度不是很高，可以采用慢跳信道模式通信。慢跳信道模式的跳频周期(S1 _p )是超帧中一段时隙的集合。设备每隔一次慢跳频周期更改一次信道。该模式下，超帧偏移的计算方法与时隙跳信道模式一样，而信道偏移则有所不同，定义为：

               （4）

假设***超帧的周期为50个时隙，跳信道序列的长度为16, 慢跳频周期为5个时隙。当绝对时隙为75的时候，由式（2）可以算出当前超帧偏移为25，由式（4）算出信道偏移为15，当设备使用图1的跳信道序列时，该时隙当前使用的信道为26信道。慢跳信道模式下的每个时隙信道使用个数为：

          

                  （5）

当超帧的周期为20个时隙, 跳信道序列的长度16，慢跳信道周期为5，***每隔5个时隙更改一次信道。根据式(5)，求得超帧每个时隙使用的信道个数为4，信道使用率为25%；当慢跳信道周期设置为10，其他参数不变的情况下，超帧每个时隙使用的信道个数为8，信道使用率提高到50%。为了有效地利用网络信道资源，可根据跳信道序列的长度合理配置网络超帧的周期，使得网络使用率为100%。

如图3所示为多超帧转化为一个新超帧的流程图。如果***中存在多条超帧（其中，i=1,2,……），每条超帧的跳信道序列都一样的情况下，可以将多条超帧转换成一条超帧，然后再根据单超帧的情况计算每个信道的使用率。方法如下：首先计算新的超帧周期

：

              （6）

新超帧的周期为多条超帧周期的最小公倍数，然后将原超帧中的链路L ^j （其中，j=1,2,……）按照时间顺序依次排列在新超帧上，如果在某个时隙，多条超帧存在链路冲突的情况，该时隙的链路根据超帧的优先级选择优先级最高的超帧的时隙链路。设X为链路在原来超帧上的时隙偏移，任何一条超帧上的链路在新超帧上的时隙偏移分别为{X，X +，X + 2 

，…，X + n 

 }且X +n 

 <=

-1(其中，n=0,1,2……)。        

通过上述的方法可以将多个超帧转换成一个超帧，简化了工业无线网络中有关确定性调度的研究。例如在***中运行了二个超帧，超帧1的优先级高于超帧2。如图4所示，超帧1的周期

=8，超帧1配置了二条链路，分别是时隙1的发送链路Ta和时隙5的接收链路R；超帧2的周期

=3,超帧2配置了一条发送链路Tb在时隙2。现将超帧1和超帧2转化成另外一条新的超帧3，根据公式（6）计算出新超帧周期

=24。原先二个超帧的链路按照时间顺序依次分布在新的超帧3上。超帧1的发送链路在超帧3上的超帧偏移分别为1，1+8，1+2*8；接收链路在超帧3上的超帧偏移分别为5，5+8，5+2*8。同理超帧2的发送链路在超帧3的超帧偏移分别为2，2+3，2+2*3，2+3*3，2+4*3，2+5*3，2+6*3，2+7*3。超帧3的超帧偏移为5和17的时候，超帧1和超帧2的链路发生冲突，根据超帧优先级高低，优先选择超帧1的链路。

图5所示为无线传感器网络信道评估的流程图。设备接收到***管理器发送的广播帧后，解析黑名单信息，然后判断是否更新本设备的跳信道序列信息，如果某些信道出现在黑名单中，则更新跳信道序列，屏蔽坏信道。***管理器给设备分配通信资源的时候，配置特定的时隙专门用于设备信道评估质量报告的发送。设备根据信道评估时间周期地统计每条信道上的丢包率，并记录在信道评估质量表中。当时隙到来的时候，设备向***管理器发送信道评估质量表。

***管理器按照设备报告的信道质量并根据信道丢包率的门限值将设备使用的信道分为好信道和坏信道。如果终端节点报告的信道丢包率大于***设置的门限值，***管理器将该信道评定为坏信道，然后将此信道放入“黑名单”，并通过广播通知全网的设备。

在工业无线传感器网络中，终端设备根据信道评估时间对网络信道的通信质量进行评估（统计信道的丢包率）。信道评估时间的长短会直接影响工业无线***的安全性和实时性。如果***在受到干扰的时候，信道评估时间太长，可能导致丢失重要的数据信息，而信道评估时间太短又造成不必要的能源浪费，因此信道评估的时间尤为重要。T _int 表示设备每次使用同一信道进行通信的时间间隔，单位为：ms/次。设备对某一信道进行评估时，在该信道上发送数据包的个数要达到***管理器设置的门限值（P_thr）。根据链路在超帧中的离散分布，分二种情况来计算T _int  。

1) 如果超帧中任何二条链路之间的时隙间隔相差都不是跳信道序列长度的整数倍：

        （7）

2) 如果超帧中有N条链路的时隙间隔为跳信道序列长度的整数倍：

         (8)

信道评估时间T_ch为：

                (9)

工业无线传感器网络采用确定性调度技术，设备工作在跳信道模式下，由于在每个信道上发送数据包的次数各不相同，因此设备对每一个信道进行质量评估的时间也有所不同。例如，设置网络的跳信道序列长度为16，跳信道序列为：19，12，20，24，16，23，18，25，14，21，11，15，22，17，13，26。超帧长度为100个时隙，超帧偏移为1的时隙上配置一条发送链路，设备在信道上发送数据包的门限值P _thr  =100。当设备工作在时隙跳信道模式时，根据本文信道评估时间的选取方法，由式（1）（3）可以推出超帧每个时隙的信道偏移和信道使用个数，时隙1使用的信道为：12,23,21,17。设备评估信道时只需要统计这四条信道上的丢包率。式（7）计算出设备在某一个信道上发送数据包的间隔时间T _int 为4000ms，根据式（9）可推出每个信道的评估时间为400s；当设备工作在慢跳信道模式时，慢跳频周期

为10个时隙，根据式（5）可以得出超帧每个时隙的信道使用个数为8，时隙1使用的信道为：12，24，16，23，25，21，15，17，26。而设备在某一个信道上发送数据包的间隔时间为8000ms，每个信道的评估时间为800s。因此，不同的跳信道模式会影响设备评估信道的时间。设备根据信道评估时间，周期性地统计每个信道上的丢包率，当特定的时隙（***管理器分配给设备用于发送信道评估质量表）到来的时候，设备就将信道质量状况统一报告给***管理器；***管理器会定时地检查全网设备的信道使用情况，根据丢包率门限值将坏信道放入黑名单，并广播通知网络中的设备；设备收到该广播帧之后，提取黑名单信息，更改本设备的跳信道序列信息，屏蔽坏信道的使用。

本发明提出的信道评估方法综合考虑了信道利用率和网络通信量的情况，信道评估时间的选取机制使信道通信质量的评估方法更合理化。

Claims (2)

1. 基于确定性调度的无线传感器网络的信道评估方法，其特征在于，根据公式                                               

计算超帧偏移S_ofs(t)；设备在时隙跳信道模式下，根据公式 

 计算某一时隙使用的信道偏移,根据公式  计算第i个时隙使用的信道个数；设备在慢跳信道模式下，根据公式 

 计算某一时隙使用的信道偏移，根据公式 

计算第i个时隙使用的信道个数；设备对某一信道进行评估时，在该信道上发送数据包的个数要达到***管理器设置的门限值P_thr，根据链路在超帧中的离散分布，分二种情况计算设备每次使用同一信道进行通信的时间间隔T _int ，如果超帧中任何二条链路之间的时隙间隔相差都不是跳信道序列长度的整数倍：

，如果超帧中有N条链路的时隙间隔为跳信道序列长度的整数倍：

，根据公式计算信道评估时间T_ch；在信道评估时间内对信道质量进行评估，其中：A(t)为绝对时隙，C _l 为信道序列长度，S _p 为超帧周期，

 为超帧周期和信道序列长度的最小公倍数，S1_p为跳频周期。

2.根据权利要求1所述的信道评估方法，其特征在于，如果***中存在多条超帧，每条超帧的跳信道序列都一样，将多条超帧转换成一条超帧，确定新超帧的周期为多条超帧周期的最小公倍数，然后将原超帧中的链路按照时间顺序依次排列在新超帧上，如果在某个时隙，多条超帧存在链路冲突的情况，该时隙的链路根据超帧的优先级选择优先级最高的超帧的时隙链路。

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