本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于功率分配的網(wǎng)絡(luò)并發(fā)競爭信道及仲裁方法。

背景技術(shù)：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信的方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于對目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)將收集的信息匯聚到數(shù)據(jù)中心，由此，可能出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)突發(fā)，造成多個(gè)節(jié)點(diǎn)競爭向同一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)信道競爭采用CSMA機(jī)制，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前，首先要進(jìn)行載波監(jiān)聽，只有介質(zhì)空閑時(shí)，才允許發(fā)送幀，否則進(jìn)行退避。然而在大量數(shù)據(jù)突發(fā)的情況下，參與競爭的節(jié)點(diǎn)過多，沖突的概率增高，尤其是當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)工作在占空比模式下時(shí)，進(jìn)一步加劇了競爭，導(dǎo)致競爭成功率下降，數(shù)據(jù)傳輸延遲增大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于功率分配的網(wǎng)絡(luò)并發(fā)競爭信道及仲裁方法，提高信道的利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于功率分配的網(wǎng)絡(luò)并發(fā)競爭信道及仲裁方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動時(shí)建立鄰節(jié)點(diǎn)信息表；

S2、每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)遞歸的方法為其鄰節(jié)點(diǎn)分配并發(fā)競爭信道的功率，該方法輸入為鄰節(jié)點(diǎn)信息表，遞歸過程中產(chǎn)生多個(gè)分配結(jié)果，并選擇結(jié)果集合中容納節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多的一項(xiàng)作為最優(yōu)解，即最終分配結(jié)果；

S3、節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，根據(jù)其目的節(jié)點(diǎn)為其分配的功率進(jìn)行信道競爭，否則，不競爭信道；

S4、接收方通過捕獲效應(yīng)解碼出某個(gè)競爭方的信號，并指定它作為發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，并為它分配傳輸時(shí)間長度。

優(yōu)選地，所述步驟S1中鄰節(jié)點(diǎn)信息表中，每一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的屬性分別包括節(jié)點(diǎn)號、可用發(fā)送功率及其對應(yīng)的接收信號強(qiáng)度，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不斷實(shí)時(shí)更新鄰節(jié)點(diǎn)信息。

優(yōu)選地，所述步驟S2中每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)遞歸的方法為其鄰節(jié)點(diǎn)分配并發(fā)競爭信道的功率，目標(biāo)為從接收方的鄰節(jié)點(diǎn)集合中確定一個(gè)最大的子集，使得這個(gè)子集中任意幾個(gè)節(jié)點(diǎn)參與競爭時(shí)的捕獲成功率都滿足要求。其中輸入的鄰節(jié)點(diǎn)信息表不為空，因此遞歸過程至少會執(zhí)行一次。

優(yōu)選地，所述步驟S3節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，根據(jù)其目的節(jié)點(diǎn)為其分配的功率進(jìn)行信道競爭。

優(yōu)選地，所述步驟S2具體為：

記備選節(jié)點(diǎn)集合為L，當(dāng)前解為R，當(dāng)前干擾強(qiáng)度為I，全局最優(yōu)解為B，L初始化為鄰節(jié)點(diǎn)信息表，假設(shè)有n個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，I初始化為0，R、B初始化都為空，遞歸分配方法的輸入為L和R，輸出為B；

2a)遞歸處理M分支：執(zhí)行g(shù)et_min(L)操作得到(M,m_i,m_j)，將(m_i,m_j)加入R中得到R₁，并執(zhí)行Sum[dBm](M,I)操作得到I₁，同時(shí)執(zhí)行set_N/A_Row(L,m_i)和set_N/A_Threshold(L,I₁+THR)操作得到L₁，將L₁、R₁和I₁作為參數(shù)傳遞給下一層遞歸；

2b)遞歸處理P分支：執(zhí)行g(shù)et_maxloss(L)操作得到(P,p_i,p_j)，將(p_i,p_j)加入R中得到R₂，并執(zhí)行Sum[dBm](P,I)操作得到I₂，同時(shí)執(zhí)行set_N/A_Row(L,p_i)和set_N/A_Threshold(L,I₂+THR)操作得到L₂，將L₂、R₂和I₂作為參數(shù)傳遞給下一層遞歸；

2c)遞歸邊界：若備選節(jié)點(diǎn)集合中無可選節(jié)點(diǎn)或R中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)等于n，結(jié)束遞歸，并執(zhí)行步驟2d)；

2d)若R中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大于B，更新R為B，否則不更新。

本發(fā)明的有益效果是：

1)本發(fā)明通過功率分配的方式，使得每次參與信道競爭的節(jié)點(diǎn)數(shù)取得合理區(qū)間的最大值，同時(shí)，進(jìn)行信道競爭的節(jié)點(diǎn)按照分配好的功率參與競爭時(shí)，保證每次競爭中必有一個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得信道使用權(quán)，提高了信道利用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量，并減小了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

2)本發(fā)明通過數(shù)據(jù)接收方發(fā)布信標(biāo)幀的方式，使競爭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并發(fā)傳輸，減少了因時(shí)間同步帶來的開銷。

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中數(shù)據(jù)傳輸過程中接收方的子流程圖；

圖2為本發(fā)明中數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)送方的子流程圖；

圖3為本發(fā)明中功率分配方法流程圖；

圖4為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)幀格式示意圖；

圖5為接收方發(fā)送的信標(biāo)幀1的幀結(jié)構(gòu)圖；

圖6為接收方發(fā)送的信標(biāo)幀2的幀結(jié)構(gòu)圖；

圖7為發(fā)送方發(fā)送的競爭消息的幀結(jié)構(gòu)圖；

圖8為TELOSB節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包時(shí)的引腳電平圖；

圖9為一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)信息表實(shí)例；

圖10為本發(fā)明提出功率分配方法的分配實(shí)例；

圖11為選出第一個(gè)節(jié)點(diǎn)之后的鄰節(jié)點(diǎn)信息表。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，為節(jié)省能量，傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用占空比工作模式，即節(jié)點(diǎn)依據(jù)一定的調(diào)度策略周期性地工作和休眠。節(jié)點(diǎn)在休眠狀態(tài)下會關(guān)閉無線收發(fā)模塊，因此，只有工作狀態(tài)下，才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)會在兩種情況下切換到工作狀態(tài)，一是根據(jù)調(diào)度策略，休眠時(shí)間結(jié)束，此時(shí)節(jié)點(diǎn)作為接收方的身份進(jìn)入工作狀態(tài)，準(zhǔn)備接收網(wǎng)絡(luò)中潛在的發(fā)送方的數(shù)據(jù)；二是節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，此時(shí)作為發(fā)送方的身份轉(zhuǎn)換到工作狀態(tài)，準(zhǔn)備向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

參照圖3和圖10，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1、網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動時(shí)建立鄰節(jié)點(diǎn)信息表；

1a)鄰節(jié)點(diǎn)信息表中，包含該節(jié)點(diǎn)的所有鄰節(jié)點(diǎn)，鄰節(jié)點(diǎn)信息包括每個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號，可用發(fā)送功率，以及其對應(yīng)的接收信號強(qiáng)度。

步驟2、每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)遞歸的方法為其鄰節(jié)點(diǎn)分配并發(fā)競爭信道的功率，該方法輸入為鄰節(jié)點(diǎn)信息表，遞歸過程中產(chǎn)生多個(gè)分配結(jié)果，并選擇結(jié)果集合中容納節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多的一項(xiàng)作為最優(yōu)解，即最終分配結(jié)果；

2a)首先執(zhí)行g(shù)et_min(L)操作得到最小信號強(qiáng)度信息(-94.98dBm,6,7)，將(6,7)計(jì)入當(dāng)前解R中，得到R₁和執(zhí)行g(shù)et_maxloss(L)操作得到最大衰落信息(-92.67dBm,5,11)，將(5,11)計(jì)入當(dāng)前解R中得到R₂，并分別進(jìn)行遞歸；以遞歸M分支為例，由于6號節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被選中，執(zhí)行set_N/A_Row(L,6)操作，此時(shí)I即為-94.98dBm，執(zhí)行set_N/A_Threshold(L,I+SINR_THR)操作，此時(shí)的鄰節(jié)點(diǎn)信息表L₁如圖11所示；執(zhí)行g(shù)et_min(L)和get_maxloss(L)操作得到的結(jié)果均為(-92.67dBm,5,11)，因此，兩條遞歸路徑合并為一條，執(zhí)行set_N/A_Row(L₁,5操作)操作對L₁進(jìn)行篩選，執(zhí)行Sum[dBm](-92.67，-94.98)操作得到新的干擾強(qiáng)度；以此類推，每次執(zhí)行g(shù)et_min(L)和get_maxloss(L)操作得到對應(yīng)的三元組結(jié)果，并分別加入當(dāng)前解，進(jìn)行遞歸，如圖10所示，向左表示強(qiáng)度最小功率的遞歸分支即M分支，向右表示衰落最大功率的遞歸分支，即P分支；直到集合中沒有可選功率值時(shí)結(jié)束遞歸。

2b)從得到的分配結(jié)果中，選擇容納節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)最多的一個(gè)作為最終分配結(jié)果，容納節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)相同的情況下，選擇其中信號強(qiáng)度值總和較小的，如圖10最終結(jié)果為：

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

2c)使用貪心算法，即每次都從鄰節(jié)點(diǎn)信息表中選擇最小的大于(Sum+SINR_THR)的信號強(qiáng)度值，其得到的結(jié)果如下，等同于本發(fā)明的功率分配方法中的一條分支，如圖10中最左邊的一條路徑：

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

可以看到采用貪心算法，在輸入集合為8個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，只得到6個(gè)節(jié)點(diǎn)的分配結(jié)果，本發(fā)明提出的分配方法可以得到全集，使得8個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以參與信道競爭。據(jù)測試結(jié)果，本發(fā)明提出的分配方法得到最優(yōu)解的概率可到98％。

步驟3、節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，根據(jù)其目的節(jié)點(diǎn)為其分配的功率進(jìn)行信道競爭，否則，不競爭信道；

3a)數(shù)據(jù)接收方將功率分配結(jié)果置入信標(biāo)幀1中，并廣播發(fā)送，信標(biāo)幀1格式遵從IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)幀格式，如圖4所示，其有效負(fù)載如圖5所示，設(shè)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率分配結(jié)果中有n個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)，其信標(biāo)幀1中將寫入n組節(jié)點(diǎn)號與發(fā)送功率的組合；

3b)數(shù)據(jù)發(fā)送方在接收到來自目的節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀1，在FIFOP管腳的下降沿開始進(jìn)行數(shù)據(jù)包解讀，競爭節(jié)點(diǎn)的引腳電平變化圖如圖8所示，若檢測到信標(biāo)幀1中的功率表中有自己的節(jié)點(diǎn)號，就按照其后的功率進(jìn)行信道競爭，否則，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；

3c)若某個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)在信標(biāo)幀1中檢測到自己的信息，就在接收完信標(biāo)幀1的最后一個(gè)字節(jié)，即SFD引腳下降沿，設(shè)置好發(fā)送功率，觸發(fā)選通命令發(fā)送競爭消息，競爭消息幀結(jié)構(gòu)如圖7所示，保證各個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的弱同步；

步驟4、接收方通過捕獲效應(yīng)解碼出某個(gè)競爭方的信號，并指定它作為發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，及為它分配傳輸時(shí)間長度。

4a)接收方通過捕獲效應(yīng)解碼出競爭方的信號，并廣播信標(biāo)幀2，信標(biāo)幀2中指定允許發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)及傳輸時(shí)間長度，其幀結(jié)構(gòu)如圖6所示；

4b)發(fā)送方收到信標(biāo)幀2后，判斷自己是否為允許發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，若是，則在分配時(shí)間內(nèi)向接收方傳輸數(shù)據(jù)；否則轉(zhuǎn)入休眠，等待下一輪信道競爭。

本實(shí)施例中，所述步驟1中當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到有鄰節(jié)點(diǎn)存在時(shí)，在鄰節(jié)點(diǎn)列表中記錄鄰節(jié)點(diǎn)地址、接收到各鄰節(jié)點(diǎn)信號的功率，并根據(jù)接收到的信息不斷更新鄰節(jié)點(diǎn)列表。

本實(shí)施例中，其中所述步驟2中接收方根據(jù)所有鄰節(jié)點(diǎn)的已知的信號功率分配各個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)參與信道競爭時(shí)的功率強(qiáng)度，目標(biāo)為從接收方的鄰節(jié)點(diǎn)集合中確定一個(gè)最大的子集，使得這個(gè)子集中任意幾個(gè)節(jié)點(diǎn)參與競爭時(shí)的捕獲成功率都滿足要求。

本實(shí)施例中，其中步驟4中需要競爭信道的節(jié)點(diǎn)在接收到信標(biāo)幀后，進(jìn)行并發(fā)傳輸競爭信道時(shí)，需要保證一定程度的同步性，即各個(gè)競爭節(jié)點(diǎn)發(fā)送競爭消息的時(shí)間之差不能超過128μs，這是CC2420芯片的特有屬性。

另外，以上的部分術(shù)語解釋如下：

1)鄰節(jié)點(diǎn)信息表：

為一個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有鄰節(jié)點(diǎn)的信息集合，記為L，其形式為一個(gè)二維表，行索引為鄰節(jié)點(diǎn)號，列索引為發(fā)送功率等級，鄰節(jié)點(diǎn)信息表中的元素L(i,j)表示鄰節(jié)點(diǎn)i以發(fā)送功率等級j發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，到達(dá)接收方的信號強(qiáng)度，單位為dBm，若節(jié)點(diǎn)i以功率j發(fā)送時(shí)，接收信號強(qiáng)度小于接收機(jī)的靈敏度時(shí)，稱為不可達(dá)，以‘N/A’表示。L的每一行表示其中一個(gè)鄰節(jié)點(diǎn)采用不同發(fā)送功率等級時(shí)到達(dá)接收方的信號強(qiáng)度，按照從左到右的順序依次遞增，最左邊的值為該節(jié)點(diǎn)到達(dá)接收方的最小接收信號強(qiáng)度，最右邊的為最大接收信號強(qiáng)度。

2)get_min(L)操作：在L中的可選值中獲取最小信號強(qiáng)度值及其所在的節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的發(fā)送功率等級，形式為一個(gè)三元組，篩選過程中忽略不可用的值‘N/A’，當(dāng)存在多個(gè)最小值的時(shí)候，選取其中功率等級較大的。

3)get_maxloss(L)操作：在L中的可選值中獲取衰落最大節(jié)點(diǎn)的最小信號強(qiáng)度值及其所在的節(jié)點(diǎn)和對應(yīng)的發(fā)送功率等級。電磁波在傳播過程中，由于傳播媒介及傳播途徑隨時(shí)間的變化而引起的接收信號強(qiáng)弱變化的現(xiàn)象叫作衰落，即發(fā)送端信號強(qiáng)度減去接收端的信號強(qiáng)度，由于節(jié)點(diǎn)采用功率等級31發(fā)送信號時(shí)，發(fā)送功率為0dBm，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采用31等級發(fā)送信號時(shí)到達(dá)接收方的信號強(qiáng)度在數(shù)值上等于其衰落大小，選擇其中衰落最大的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，返回該節(jié)點(diǎn)可用的最小信號強(qiáng)度值。

4)Sum[dBm](r，I)操作：r為當(dāng)前選中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收信號強(qiáng)度值，I為當(dāng)前總干擾強(qiáng)度，單位均為dBm，Sum[dBm]操作將r疊加到總干擾強(qiáng)度I中，疊加時(shí)先將r和I從dBm轉(zhuǎn)換到mW，然后相加，最終再將疊加后的I轉(zhuǎn)換回dBm。

5)set_N/A_Row(L,i)操作：對L中的不可用數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，將節(jié)點(diǎn)i所在的所有接收信號強(qiáng)度置為不可用‘N/A’。

6)set_N/A_Threshold(L,t)操作：對L中的不可用數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，將小于門限值t(dBm)的所有接收信號強(qiáng)度置為不可用‘N/A’。

7)分配結(jié)果：功率分配方法得到的解，形式為一個(gè)二元組集合，((n₁,p₁),(n₂,p₂),…(n_k,p_k))，表示該分配結(jié)果容納了k個(gè)節(jié)點(diǎn)，最多允許k個(gè)節(jié)點(diǎn)并發(fā)競爭信道，其中n_i代表鄰節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號，p_i表示該鄰節(jié)點(diǎn)被指定的發(fā)送功率。

8)信干噪比門限SINR_THR：接收信號強(qiáng)度比干擾及噪聲強(qiáng)度之和高SINR_THR之后，可保證接收機(jī)正確解碼信號。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。