CN106793152B - 一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其实现步骤为：网络中的每个节点启动时建立邻节点信息表；每个节点根据递归的方法为其邻节点分配并发竞争信道的功率，该方法输入为邻节点信息表，输出为分配结果集合，并选择结果集合中容纳节点个数最多的一项作为最终分配结果；节点有数据发送时，根据其目的节点为其分配的功率进行信道竞争；接收方通过捕获效应解码出竞争方的信号，并指定允许发送数据的节点及传输时间长度。本发明利用捕获效应和功率分配，调整参与并发传输的节点个数，提高捕获成功率，进而提高信道的利用率和网络吞吐量。

Description

一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法。

背景技术

无线传感器网络是由部署在目标区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络，主要应用于对目标区域的监测。在实际应用中，传感器节点将收集的信息汇聚到数据中心，由此，可能出现大量的数据突发，造成多个节点竞争向同一个节点传输数据。传统信道竞争采用CSMA机制，即每个节点在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧，否则进行退避。然而在大量数据突发的情况下，参与竞争的节点过多，冲突的概率增高，尤其是当传感器节点工作在占空比模式下时，进一步加剧了竞争，导致竞争成功率下降，数据传输延迟增大。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，提高信道的利用率和网络吞吐量。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、网络中的每个节点启动时建立邻节点信息表；

S2、每个节点根据递归的方法为其邻节点分配并发竞争信道的功率，该方法输入为邻节点信息表，递归过程中产生多个分配结果，并选择结果集合中容纳节点个数最多的一项作为最优解，即最终分配结果；

S3、节点如果有数据发送时，根据其目的节点为其分配的功率进行信道竞争，否则，不竞争信道；

S4、接收方通过捕获效应解码出某个竞争方的信号，并指定它作为发送数据的节点，并为它分配传输时间长度。

优选地，所述步骤S1中邻节点信息表中，每一个邻节点的属性分别包括节点号、可用发送功率及其对应的接收信号强度，并根据网络中传输的数据不断实时更新邻节点信息。

优选地，所述步骤S2中每个节点根据递归的方法为其邻节点分配并发竞争信道的功率，目标为从接收方的邻节点集合中确定一个最大的子集，使得这个子集中任意几个节点参与竞争时的捕获成功率都满足要求。其中输入的邻节点信息表不为空，因此递归过程至少会执行一次。

优选地，所述步骤S3节点有数据发送时，根据其目的节点为其分配的功率进行信道竞争。

优选地，所述步骤S2具体为：

记备选节点集合为L，当前解为R，当前干扰强度为I，全局最优解为B，L初始化为邻节点信息表，假设有n个邻节点，I初始化为0，R、B初始化都为空，递归分配方法的输入为L和R，输出为B；

2a)递归处理M分支：执行get_min(L)操作得到(M,m_i,m_j)，将(m_i,m_j)加入R中得到R₁，并执行Sum[dBm](M,I)操作得到I₁，同时执行set_N/A_Row(L,m_i)和set_N/A_Threshold(L,I₁+THR)操作得到L₁，将L₁、R₁和I₁作为参数传递给下一层递归；

2b)递归处理P分支：执行get_maxloss(L)操作得到(P,p_i,p_j)，将(p_i,p_j)加入R中得到R₂，并执行Sum[dBm](P,I)操作得到I₂，同时执行set_N/A_Row(L,p_i)和set_N/A_Threshold(L,I₂+THR)操作得到L₂，将L₂、R₂和I₂作为参数传递给下一层递归；

2c)递归边界：若备选节点集合中无可选节点或R中的节点个数等于n，结束递归，并执行步骤2d)；

2d)若R中的节点个数大于B，更新R为B，否则不更新。

本发明的有益效果是：

1)本发明通过功率分配的方式，使得每次参与信道竞争的节点数取得合理区间的最大值，同时，进行信道竞争的节点按照分配好的功率参与竞争时，保证每次竞争中必有一个节点获得信道使用权，提高了信道利用率和网络吞吐量，并减小了数据传输延迟。

2)本发明通过数据接收方发布信标帧的方式，使竞争节点进行并发传输，减少了因时间同步带来的开销。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明中数据传输过程中接收方的子流程图；

图2为本发明中数据传输过程中发送方的子流程图；

图3为本发明中功率分配方法流程图；

图4为IEEE802.15.4标准帧格式示意图；

图5为接收方发送的信标帧1的帧结构图；

图6为接收方发送的信标帧2的帧结构图；

图7为发送方发送的竞争消息的帧结构图；

图8为TELOSB节点接收数据包时的引脚电平图；

图9为一个邻节点信息表实例；

图10为本发明提出功率分配方法的分配实例；

图11为选出第一个节点之后的邻节点信息表。

具体实施方式

本发明应用于无线传感器网络，为节省能量，传感器节点通常采用占空比工作模式，即节点依据一定的调度策略周期性地工作和休眠。节点在休眠状态下会关闭无线收发模块，因此，只有工作状态下，才可以进行数据传输。节点会在两种情况下切换到工作状态，一是根据调度策略，休眠时间结束，此时节点作为接收方的身份进入工作状态，准备接收网络中潜在的发送方的数据；二是节点有数据需要发送，此时作为发送方的身份转换到工作状态，准备向目的节点发送数据。

参照图3和图10，本发明的实现步骤如下：

步骤1、网络中的每个节点启动时建立邻节点信息表；

1a)邻节点信息表中，包含该节点的所有邻节点，邻节点信息包括每个邻节点的节点号，可用发送功率，以及其对应的接收信号强度。

步骤2、每个节点根据递归的方法为其邻节点分配并发竞争信道的功率，该方法输入为邻节点信息表，递归过程中产生多个分配结果，并选择结果集合中容纳节点个数最多的一项作为最优解，即最终分配结果；

2a)首先执行get_min(L)操作得到最小信号强度信息(-94.98dBm,6,7)，将(6,7)计入当前解R中，得到R₁和执行get_maxloss(L)操作得到最大衰落信息(-92.67dBm,5,11)，将(5,11)计入当前解R中得到R₂，并分别进行递归；以递归M分支为例，由于6号节点已经被选中，执行set_N/A_Row(L,6)操作，此时I即为-94.98dBm，执行set_N/A_Threshold(L,I+SINR_THR)操作，此时的邻节点信息表L₁如图11所示；执行get_min(L)和get_maxloss(L)操作得到的结果均为(-92.67dBm,5,11)，因此，两条递归路径合并为一条，执行set_N/A_Row(L₁,5操作)操作对L₁进行筛选，执行Sum[dBm](-92.67，-94.98)操作得到新的干扰强度；以此类推，每次执行get_min(L)和get_maxloss(L)操作得到对应的三元组结果，并分别加入当前解，进行递归，如图10所示，向左表示强度最小功率的递归分支即M分支，向右表示衰落最大功率的递归分支，即P分支；直到集合中没有可选功率值时结束递归。

2b)从得到的分配结果中，选择容纳节点个数最多的一个作为最终分配结果，容纳节点个数相同的情况下，选择其中信号强度值总和较小的，如图10最终结果为：

[(6,7)(5,11)(4,15)(3,23)(7,31)(0,27)(2,15)(1,27)]。

2c)使用贪心算法，即每次都从邻节点信息表中选择最小的大于(Sum+SINR_THR)的信号强度值，其得到的结果如下，等同于本发明的功率分配方法中的一条分支，如图10中最左边的一条路径：

[(6,7)(5,11)(1,3)(7,19)(0,15)(2,11)]

可以看到采用贪心算法，在输入集合为8个节点时，只得到6个节点的分配结果，本发明提出的分配方法可以得到全集，使得8个节点都可以参与信道竞争。据测试结果，本发明提出的分配方法得到最优解的概率可到98％。

步骤3、节点如果有数据发送，根据其目的节点为其分配的功率进行信道竞争，否则，不竞争信道；

3a)数据接收方将功率分配结果置入信标帧1中，并广播发送，信标帧1格式遵从IEEE802.15.4标准帧格式，如图4所示，其有效负载如图5所示，设某个节点的功率分配结果中有n个邻节点，其信标帧1中将写入n组节点号与发送功率的组合；

3b)数据发送方在接收到来自目的节点的信标帧1，在FIFOP管脚的下降沿开始进行数据包解读，竞争节点的引脚电平变化图如图8所示，若检测到信标帧1中的功率表中有自己的节点号，就按照其后的功率进行信道竞争，否则，转入休眠状态；

3c)若某个竞争节点在信标帧1中检测到自己的信息，就在接收完信标帧1的最后一个字节，即SFD引脚下降沿，设置好发送功率，触发选通命令发送竞争消息，竞争消息帧结构如图7所示，保证各个竞争节点发送消息的弱同步；

步骤4、接收方通过捕获效应解码出某个竞争方的信号，并指定它作为发送数据的节点，及为它分配传输时间长度。

4a)接收方通过捕获效应解码出竞争方的信号，并广播信标帧2，信标帧2中指定允许发送数据的节点及传输时间长度，其帧结构如图6所示；

4b)发送方收到信标帧2后，判断自己是否为允许发送数据的节点，若是，则在分配时间内向接收方传输数据；否则转入休眠，等待下一轮信道竞争。

本实施例中，所述步骤1中当节点检测到有邻节点存在时，在邻节点列表中记录邻节点地址、接收到各邻节点信号的功率，并根据接收到的信息不断更新邻节点列表。

本实施例中，其中所述步骤2中接收方根据所有邻节点的已知的信号功率分配各个邻节点参与信道竞争时的功率强度，目标为从接收方的邻节点集合中确定一个最大的子集，使得这个子集中任意几个节点参与竞争时的捕获成功率都满足要求。

本实施例中，其中步骤4中需要竞争信道的节点在接收到信标帧后，进行并发传输竞争信道时，需要保证一定程度的同步性，即各个竞争节点发送竞争消息的时间之差不能超过128μs，这是CC2420芯片的特有属性。

另外，以上的部分术语解释如下：

1)邻节点信息表：

为一个节点的所有邻节点的信息集合，记为L，其形式为一个二维表，行索引为邻节点号，列索引为发送功率等级，邻节点信息表中的元素L(i,j)表示邻节点i以发送功率等级j发送数据时，到达接收方的信号强度，单位为dBm，若节点i以功率j发送时，接收信号强度小于接收机的灵敏度时，称为不可达，以‘N/A’表示。L的每一行表示其中一个邻节点采用不同发送功率等级时到达接收方的信号强度，按照从左到右的顺序依次递增，最左边的值为该节点到达接收方的最小接收信号强度，最右边的为最大接收信号强度。

2)get_min(L)操作：在L中的可选值中获取最小信号强度值及其所在的节点和对应的发送功率等级，形式为一个三元组，筛选过程中忽略不可用的值‘N/A’，当存在多个最小值的时候，选取其中功率等级较大的。

3)get_maxloss(L)操作：在L中的可选值中获取衰落最大节点的最小信号强度值及其所在的节点和对应的发送功率等级。电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落，即发送端信号强度减去接收端的信号强度，由于节点采用功率等级31发送信号时，发送功率为0dBm，因此，每个节点采用31等级发送信号时到达接收方的信号强度在数值上等于其衰落大小，选择其中衰落最大的一个节点，返回该节点可用的最小信号强度值。

4)Sum[dBm](r，I)操作：r为当前选中的某个节点的接收信号强度值，I为当前总干扰强度，单位均为dBm，Sum[dBm]操作将r叠加到总干扰强度I中，叠加时先将r和I从dBm转换到mW，然后相加，最终再将叠加后的I转换回dBm。

5)set_N/A_Row(L,i)操作：对L中的不可用数据进行设置，将节点i所在的所有接收信号强度置为不可用‘N/A’。

6)set_N/A_Threshold(L,t)操作：对L中的不可用数据进行设置，将小于门限值t(dBm)的所有接收信号强度置为不可用‘N/A’。

7)分配结果：功率分配方法得到的解，形式为一个二元组集合，((n₁,p₁),(n₂,p₂),…(n_k,p_k))，表示该分配结果容纳了k个节点，最多允许k个节点并发竞争信道，其中n_i代表邻节点的节点号，p_i表示该邻节点被指定的发送功率。

8)信干噪比门限SINR_THR：接收信号强度比干扰及噪声强度之和高SINR_THR之后，可保证接收机正确解码信号。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、网络中的每个节点启动时建立邻节点信息表；

S2、每个节点根据递归的方法为其邻节点分配并发竞争信道的功率，该方法输入为邻节点信息表，递归过程中产生多个分配结果，并选择结果集合中容纳节点个数最多的一项作为最优解，即最终分配结果；

S3、节点如果有数据发送时，根据其目的节点为其分配的功率进行信道竞争，否则，不竞争信道；

S4、接收方通过捕获效应解码出某个竞争方的信号，并指定它作为发送数据的节点，并为它分配传输时间长度。

2.如权利要求1所述的一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其特征在于：所述步骤S1中邻节点信息表中，每一个邻节点的属性分别包括节点号、可用发送功率及其对应的接收信号强度，并根据网络中传输的数据不断实时更新邻节点信息。

3.如权利要求1所述的一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其特征在于：所述步骤S2中每个节点根据递归的方法为其邻节点分配并发竞争信道的功率，目标为从接收方的邻节点集合中确定一个最大的子集，使得这个子集中任意几个节点参与竞争时的捕获成功率都满足要求；其中输入的邻节点信息表不为空，因此递归过程至少会执行一次。

4.如权利要求1所述的一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其特征在于：所述步骤S3节点有数据发送时，根据其目的节点为其分配的功率进行信道竞争。

5.如权利要求1所述的一种基于功率分配的网络并发竞争信道及仲裁方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：

记备选节点集合为L，当前解为R，当前干扰强度为I，全局最优解为B，L初始化为邻节点信息表，假设有n个邻节点，I初始化为0，R、B初始化都为空，递归分配方法的输入为L和R，输出为B；

2a)递归处理M分支：执行get_min(L)操作得到(M,m_i,m_j)，将(m_i,m_j)加入R中得到R₁，并执行Sum[dBm](M,I)操作得到I₁，同时执行set_N/A_Row(L,m_i)和set_N/A_Threshold(L,I₁+THR)操作得到L₁，将L₁、R₁和I₁作为参数传递给下一层递归；

2b)递归处理P分支：执行get_maxloss(L)操作得到(P,p_i,p_j)，将(p_i,p_j)加入R中得到R₂，并执行Sum[dBm](P,I)操作得到I₂，同时执行set_N/A_Row(L,p_i)和set_N/A_Threshold(L,I₂+THR)操作得到L₂，将L₂、R₂和I₂作为参数传递给下一层递归；

2c)递归边界：若备选节点集合中无可选节点或R中的节点个数等于n，结束递归，并执行步骤2d)；

2d)若R中的节点个数大于B，更新R为B，否则不更新。

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