專利名稱：一種基于確定性調(diào)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道評(píng)估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于確定性調(diào)度的無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的信道評(píng)估方法。
背景技術(shù)：
傳感器網(wǎng)絡(luò)是本世紀(jì)初興起的、一種面向設(shè)備間短程、低速率信息交換的無線通 信技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、低功耗和確定性通信等特點(diǎn)，因此它在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、商 業(yè)監(jiān)測、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用前景。
在工業(yè)界，如果使用有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，成本較高且實(shí)現(xiàn)起來困難，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的引入解決了工業(yè)現(xiàn)場布線困難、安裝維護(hù)成本高等問題。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低功 耗，低成本的特點(diǎn)，已成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的又一發(fā)展趨勢。工業(yè)環(huán)境下建立具有高可靠性 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為一個(gè)迫切的需求。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線HART、ISA100. 11a、WIA-PA、ZigBee、系統(tǒng)都工作在 2. 4G頻段，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了防止其他網(wǎng)絡(luò)的同頻干擾，提供了多種抗干擾技術(shù)。自 適應(yīng)跳信道技術(shù)是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主要的抗干擾方式，它通過周期性地評(píng)估信道質(zhì) 量，將被干擾的差信道進(jìn)行屏蔽來達(dá)到抗干擾的目的。由于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了確 定性調(diào)度技術(shù)，每條信道的使用率不同，因此每條信道的評(píng)估時(shí)間不能采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng) 該結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行選定。目前工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道評(píng)估方法的研究主要是系統(tǒng) 周期性地對(duì)每一個(gè)信道進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將信道劃分為好信道和差信道，通過“黑 名單”技術(shù)屏蔽差信道的使用。盡管這些方法可以提高系統(tǒng)的抗干擾性，但還是存在缺點(diǎn) 信道評(píng)估時(shí)間的選取沒有考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)以及信道使用率的問題。因此，本發(fā)明提 出了一種基于確定性調(diào)度的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道評(píng)估方法，目的在于解決信道評(píng)估時(shí) 間的選取問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為，現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道評(píng)估方法未能針對(duì)網(wǎng) 絡(luò)中確定性調(diào)度特點(diǎn)對(duì)信道進(jìn)行有效評(píng)估的問題。系統(tǒng)管理器周期性對(duì)所有工作信道進(jìn)行 評(píng)估，某一信道的丟包率大于網(wǎng)絡(luò)設(shè)定的門限值，系統(tǒng)管理器就把該信道放入“黑名單”，并 通知全網(wǎng)設(shè)備屏蔽該信道。這種方法易造成信道使用率的減少，網(wǎng)絡(luò)通信資源的浪費(fèi)，網(wǎng) 絡(luò)吞吐量的降低等問題，本發(fā)明提供一種基于確定性調(diào)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道評(píng)估方 法，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每條信道使用周期的不同，提出了一種信道評(píng)估時(shí)間選取機(jī)制。 該機(jī)制可有效地提高信道評(píng)估效率，有利于系統(tǒng)管理器對(duì)子網(wǎng)內(nèi)信道的合理分配。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的基于確定性調(diào)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道評(píng)估方 法，包括如下步驟a)基于網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)時(shí)隙，計(jì)算某一時(shí)隙的超幀偏移和信道偏移。超幀偏移的計(jì)算方法 根據(jù)絕對(duì)時(shí)隙與網(wǎng)絡(luò)超幀周期的關(guān)系；信道偏移的計(jì)算方法分為時(shí)隙跳信道模式和慢跳信道模式，在每種模式下，根據(jù)絕對(duì)時(shí)隙、跳信道序列長度等參數(shù)來計(jì)算。
b)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)確定性調(diào)度的特點(diǎn)，計(jì)算設(shè)備在某一時(shí)隙的信道使用個(gè) 數(shù)。系統(tǒng)管理器給全網(wǎng)設(shè)備分配時(shí)隙等資源進(jìn)行相互通信，設(shè)備在某一時(shí)隙使用的信道個(gè) 數(shù)分為時(shí)隙跳信道模式和慢跳信道模式，在每種模式下，根據(jù)超幀周期，跳信道序列長度等 參數(shù)計(jì)算。
c)計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每條信道的信道評(píng)估時(shí)間。設(shè)備在跳信道模式下工作， 某一時(shí)隙使用的信道偏移根據(jù)步驟a)計(jì)算，信道個(gè)數(shù)根據(jù)步驟b)計(jì)算，設(shè)備評(píng)估每個(gè)信道 質(zhì)量的時(shí)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流特點(diǎn)將有所不同，每條信道的評(píng)估時(shí)間通過在信道上發(fā)送的數(shù) 據(jù)包數(shù)量，以及使用同一信道進(jìn)行通信的時(shí)間間隔來計(jì)算。
d)按照預(yù)定評(píng)估方法對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。通過步驟C)計(jì)算出每條信道的信道評(píng) 估時(shí)間，設(shè)備根據(jù)該時(shí)間對(duì)信道的丟包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，把評(píng)估結(jié)果記錄到信道評(píng)估質(zhì)量表中； 系統(tǒng)管理器根據(jù)信道評(píng)估質(zhì)量表中的丟包率情況評(píng)估每個(gè)信道的質(zhì)量，如果某一信道的丟 包率大于設(shè)置的門限值，系統(tǒng)管理器將該信道放入黑名單，然后廣播通知全網(wǎng)設(shè)備；設(shè)備收 到廣播幀后，提取黑名單信息，更改跳信道序列。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的方法考慮到信道資源對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)吞吐量都有重 要影響，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的確定性調(diào)度、信道使用率、信道評(píng)估時(shí)間進(jìn)行協(xié)同研究，同時(shí) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的跳信道模式進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)中信道使用個(gè)數(shù)的計(jì)算方法。因此本發(fā)明的信道評(píng) 估方法既滿足了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性又具有較好的信道資源利用率，可以此提高無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和吞吐量。


圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中默認(rèn)跳信道序列示意圖； 圖2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩種跳信道模式示意圖； 圖3多超幀轉(zhuǎn)化為一個(gè)新超幀的流程圖；圖4兩個(gè)超幀轉(zhuǎn)化為一個(gè)超幀的過程示意圖； 圖5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道評(píng)估的流程圖。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn) 一步的詳細(xì)描述本發(fā)明基于網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)時(shí)隙計(jì)算某一時(shí)隙的超幀偏移和信道偏移；基于無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)確定性調(diào)度特點(diǎn)，根據(jù)跳信道模式，調(diào)用絕對(duì)時(shí)隙、超幀、跳信道序列計(jì)算設(shè)備某個(gè)時(shí)隙 所使用的信道總個(gè)數(shù)和相應(yīng)的信道號(hào)；計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每條信道的信道評(píng)估時(shí)間； 在信道評(píng)估時(shí)間內(nèi)按照確定的信道評(píng)估方法對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。
本發(fā)明根據(jù)超幀和跳信道序列的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跳信道模式， 計(jì)算出無線網(wǎng)絡(luò)在運(yùn)行過程中每個(gè)信道的使用周期。本發(fā)明根據(jù)不同情況下每條信道使用 周期的不同，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中信道評(píng)估時(shí)間的選取機(jī)制。以下結(jié)合具體實(shí)例，并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
如圖1所示為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ISA100. Ila默認(rèn)的跳信道序列?；诖_定性調(diào)度機(jī)制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)一般都提供一條默認(rèn)的跳信道序列，比如ISA100. Ila網(wǎng)絡(luò)的 跳信道序列 1 為19，12，20，24，16，23，18，25，14，21，11，15，22，17，13，26。該默認(rèn)跳信道序列中的連續(xù)兩個(gè)信道至少相隔3個(gè)信道，可以有效地避免與其它無線設(shè)備產(chǎn)生連續(xù)性沖 突，特別是IEEE 802. Ilb設(shè)備。由于默認(rèn)跳信道序列中的連續(xù)2個(gè)信道不會(huì)出現(xiàn)在同1個(gè) IEEE802. Ilb信道上，從而減少了 IEEE802. Ilb設(shè)備對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)干擾。系統(tǒng)在運(yùn)行的 過程中根據(jù)跳信道序列的信道偏移量在跳信道序列中選擇相應(yīng)的物理信道。如果跳信道偏 移量為0，該系統(tǒng)從默認(rèn)跳信道序列第1個(gè)信道開始切換物理信道，如果跳信道偏移量為5， 則該系統(tǒng)從默認(rèn)跳信道序列第6個(gè)信道開始切換物理信道。以此類推就可以將默認(rèn)的跳信 道序列演變成不同偏移量的16條跳信道序列，不同子網(wǎng)中的設(shè)備可以采用不同的跳信道 序列進(jìn)行通信，在同一時(shí)間，設(shè)備使用的信道各不相同，從而減小了設(shè)備之間的相互干擾。
如圖2所示為工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三種跳信道模式。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跳 信道方法是提高網(wǎng)絡(luò)抗干擾性的一種簡單有效的方法。跳信道模式可分為時(shí)隙跳信道模 式、慢跳信道模式和混合跳信道模式。
1) 隙跳信道模式每個(gè)時(shí)隙按照跳信道序列周期性地更換一次信道，時(shí)隙的長 度一般為10ms。該模式一般用于時(shí)間同步精度較高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2) 慢跳信道模式幾個(gè)連續(xù)的時(shí)隙使用相同的信道，該模式主要用于時(shí)間同步 精度不高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
3)混合跳信道模式該模式是時(shí)隙跳信道和慢跳信道模式的組合?？筛鶕?jù)網(wǎng)絡(luò) 調(diào)度的特點(diǎn)，分別設(shè)置時(shí)隙跳信道周期和慢跳信道周期。
超幀是一組大小相等的時(shí)隙集合，時(shí)隙的大小決定了超幀循環(huán)的周期(5；)。時(shí)隙 是數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钚挝?，假設(shè)一個(gè)時(shí)隙為T ms。為避免干擾，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備采用跳信道模式 進(jìn)行通信。跳信道序列長度(G)會(huì)影響超幀每個(gè)時(shí)隙使用的信道個(gè)數(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)開始調(diào)度的時(shí)候，假設(shè)絕對(duì)時(shí)隙從0開始計(jì)時(shí)，每經(jīng)過一個(gè)時(shí)隙，絕對(duì)時(shí)隙，信道偏移 和超幀偏移依次增加1，而信道偏移和超幀偏移達(dá)到最大值(周期值)的時(shí)候，超幀偏移和信 道偏移清0，重新開始計(jì)算。下面將分兩種情況討論每個(gè)時(shí)隙使用信道個(gè)數(shù)的計(jì)算方法。
(a)時(shí)隙跳信道模式網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備具有較高時(shí)間同步精度的時(shí)候，可以采用時(shí)隙跳信道模式來防止干擾。 設(shè)備在每個(gè)時(shí)隙使用不同的信道通信。系統(tǒng)開始調(diào)度的時(shí)候，絕對(duì)時(shí)隙J作」= /Λ 為系 統(tǒng)時(shí)間，r為周期。信道偏移c。fs(t)和超幀偏移s。fs(t)均從ο開始計(jì)數(shù)。根據(jù)絕對(duì)時(shí)隙， 信道偏移，超幀偏移之間的關(guān)系，可定義信道偏移和超幀偏移為
權(quán)利要求
1.基于確定性調(diào)度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道評(píng)估方法，其特征在于，該信道評(píng)估方法 基于網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)時(shí)隙計(jì)算某一時(shí)隙的超幀偏移S。fs(t)和信道偏移c。fs(t)；基于無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)確定性調(diào)度特點(diǎn)，根據(jù)跳信道模式，調(diào)用絕對(duì)時(shí)隙J作)、超幀、跳信道序列計(jì)算設(shè)備 某個(gè)時(shí)隙所使用的信道總個(gè)數(shù)和相應(yīng)的信道號(hào)；計(jì)算無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每條信道的信道評(píng) 估時(shí)間；在信道評(píng)估時(shí)間內(nèi)對(duì)信道質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信道評(píng)估方法，其特征在于，所述超幀偏移根據(jù)絕對(duì)時(shí)隙與 網(wǎng)絡(luò)超幀周期的關(guān)系確定；設(shè)備在時(shí)隙跳信道模式、慢跳信道模式下，根據(jù)絕對(duì)時(shí)隙、跳信 道序列長度確定信道偏移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信道評(píng)估方法，其特征在于， 設(shè)備在時(shí)隙跳信道模式下某一時(shí)隙使用的信道偏移根據(jù)公式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信道評(píng)估方法，其特征在于，所述確定的信道評(píng)估方法具體 為，設(shè)備在信道評(píng)估時(shí)間內(nèi)對(duì)信道的丟包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，把評(píng)估結(jié)果記錄到信道評(píng)估質(zhì)量表 中；系統(tǒng)管理器根據(jù)信道評(píng)估質(zhì)量表中的丟包率評(píng)估每個(gè)信道的質(zhì)量，如果某一信道的丟 包率大于設(shè)置的門限值，系統(tǒng)管理器將該信道放入黑名單，然后廣播通知全網(wǎng)設(shè)備，設(shè)備提 取黑名單信息，更改跳信道序列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的信道評(píng)估方法，其特征在于，所述確定性調(diào)度具體為，如果系 統(tǒng)中存在多條超幀，每條超幀的跳信道序列都一樣，將多條超幀轉(zhuǎn)換成一條超幀，確定新超 幀的周期為多條超幀周期的最小公倍數(shù)，然后將原超幀中的鏈路按照時(shí)間順序依次排列在 新超幀上，如果在某個(gè)時(shí)隙，多條超幀存在鏈路沖突的情況，該時(shí)隙的鏈路根據(jù)超幀的優(yōu)先 級(jí)選擇優(yōu)先級(jí)最高的超幀的時(shí)隙鏈路。
全文摘要
本發(fā)明請求保護(hù)一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于確定性調(diào)度的信道評(píng)估方法；此信道評(píng)估方法結(jié)合了工業(yè)無線確定性調(diào)度技術(shù)，根據(jù)超幀的周期，跳信道序列的長度，以及跳信道模式等參數(shù)，計(jì)算出每個(gè)時(shí)隙的信道使用個(gè)數(shù)；通過分析設(shè)備的使用信道率和網(wǎng)絡(luò)通信量，提出了信道評(píng)估時(shí)間的選取方法；設(shè)備在合理的時(shí)間對(duì)信道進(jìn)行通信質(zhì)量評(píng)估，發(fā)送信道評(píng)估質(zhì)量表給系統(tǒng)管理器；系統(tǒng)管理器根據(jù)丟包率劃分信道等級(jí)，通過廣播將信道黑名單通知全網(wǎng)設(shè)備；該方法能有效地提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102036286SQ20101061675
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者唐帥, 張志強(qiáng), 潘秋紅, 王平, 王恒 申請人:重慶郵電大學(xué)