專利名稱：一種基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道動態(tài)選擇方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道的新型動態(tài)選擇方法，屬于信道頻譜資源動態(tài)利用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
ZigBee技術(shù)是一項(xiàng)新興的短距離無線通信技術(shù)，主要面向的應(yīng)用領(lǐng)域是低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)(LRWPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network)，典型特征是近距離、 低功耗、低成本、低傳輸速率。ZigBee/IEEE 802. 15.4(以下簡記為ZigBee)標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE 802. 15. 4的MAC層(媒質(zhì)接入控制層)和PHY層(物理層)，以及ZigBee堆棧層(網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層)。 IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)為ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了 OSI (開放系統(tǒng)互聯(lián))模型的MAC層和PHY層。 PHY層定義了無線射頻應(yīng)該具備的特征，支持兩種不同的射頻信號，分別位于M50MHZ波段和868/915MHz波段，2450MHz波段射頻支持16個數(shù)據(jù)速率為2501ibps的信道。868/915MHz 波段中，868MHz支持1個數(shù)據(jù)速率為201ibpS的信道，915MHz支持10個數(shù)據(jù)速率為401ibpS 的信道。目前，為了實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能無線控制以及智能樓宇等應(yīng)用，用于無線區(qū)域網(wǎng)(WAN，Wireless Area Network)的短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到了迅速的發(fā)展。與ZigBee協(xié)議一樣，典型無線區(qū)域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如藍(lán)牙(Bluetooth)、無線 USB(WirelessUSB)、無線局域網(wǎng) Wi-Fi(IEEE 802. llb/g)等，均選擇了 2. 4GHz (2. 4 2. 483GHz) ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，就使得ISM頻段日益擁擠。隨著物聯(lián)網(wǎng)及傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模應(yīng)用，在局部區(qū)域內(nèi)對信道數(shù)目的需求將急劇增加，而頻譜重疊覆蓋將導(dǎo)致通信系統(tǒng)間的相互干擾增加，同時(shí)加上無繩電話和微波爐等干擾源的存在，碰撞率和重傳率也急劇增加，嚴(yán)重影響信道的利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?。綜上所述，頻譜資源和信道資源將變得越來越寶貴。雖然ZigBee協(xié)議在不同的頻帶內(nèi)規(guī)定了 27個可用信道，但是目前ZigBee的信道選擇僅僅考慮簡單的信道評估參數(shù)，并且其信道選擇為基于預(yù)先設(shè)定的固定模式。大量關(guān)于頻譜資源和信道的實(shí)際使用率的測量和調(diào)查表明，在固定信道模式下，信道大多數(shù)時(shí)間里未被占用，有些也只是部分時(shí)段被占用。在有些電磁相互干擾嚴(yán)重的環(huán)境中，部分信道不適合作為通信信道。因此在ZigBee協(xié)議中，若能夠?qū)崟r(shí)地綜合考察信道空閑率和信道質(zhì)量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信道的動態(tài)利用，不但能緩解公用頻段的擁擠狀況，還能提高信道利用率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?，降低信道干擾進(jìn)而降低碰撞率和重傳率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道的動態(tài)選擇方法。這種基于可用度的信道選擇方法，能夠提高傳輸成功率、降低碰撞率和重傳率；同時(shí)，可用度的實(shí)時(shí)計(jì)算和更新算法，能夠在選擇最大可用度的基礎(chǔ)上最大限度的保持信道選擇的公平性，提高信道利用率。為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案—種基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道選擇方法，其特征在于包括以下步驟步驟1，創(chuàng)建信道資源庫；步驟2，對信道資源庫中所有信道進(jìn)行編號，并為所有編號的信道設(shè)立信道空閑率、信道質(zhì)量和信道可用度等參量；步驟3，遍歷檢測所有信道的空閑情況和信道質(zhì)量參數(shù)，計(jì)算信道統(tǒng)計(jì)空閑概率；步驟4，根據(jù)步驟3，計(jì)算和更新所有編號的信道可用度；步驟5，按各個信道可用度由大到小，對信道資源庫中所有的信道進(jìn)行排序；步驟6，等待狀態(tài)，若有數(shù)據(jù)傳輸則轉(zhuǎn)入步驟7，否則持續(xù)等待狀態(tài)；步驟7，對信道資源庫中最大可用度信道進(jìn)行監(jiān)聽，若其處于空閑狀態(tài)，則占用此信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，若此時(shí)信道非空閑，則對已排序信道資源庫中下一信道進(jìn)行監(jiān)聽，以此類推，直到檢測到空閑信道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸為止，否則算法結(jié)束或者重新運(yùn)行算法；步驟8，檢測步驟7中的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果，并根據(jù)步驟7中已檢測的信道空閑狀況和信道統(tǒng)計(jì)空閑概率等參數(shù)，利用實(shí)時(shí)可用度算法推算下一時(shí)刻的各個信道的空閑率和信道質(zhì)量；步驟9，根據(jù)步驟8，計(jì)算下一時(shí)刻各個信道的信道可用度，然后跳轉(zhuǎn)至步驟5，重復(fù)執(zhí)行步驟5至步驟8。其中，所述步驟1中，信道資源庫是ZigBee協(xié)議所有可用信道的參數(shù)集合。如圖1所示， 信道資源庫中的每個信道參數(shù)包括信道編號、信道空閑率、信道質(zhì)量、信道可用度等。所述步驟2中，假設(shè)信道資源庫中ZigBee所有可用信道的個數(shù)為η [η為非零自然數(shù)]個，則所有可用信道被參數(shù)i由1到η依次編號。設(shè)定XiUKi = 1，2…η]表示t時(shí)刻編號為i的信道的信道空閑概率，設(shè)定β i(t) [i = 1，2…η]表示t時(shí)刻編號為i的信道的信道質(zhì)量。定義njt) = Ai^X β ,Wti = 1,2-n]表示t時(shí)刻編號為i的信道的信道可用度。設(shè)定a表示信道統(tǒng)計(jì)空閑概率，設(shè)定w表示一個小于0. 5常量(合理的w值應(yīng)視具體的應(yīng)用場景而確定)，設(shè)定s表示數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果(數(shù)據(jù)傳輸正確則S= 1，否則數(shù)據(jù)傳輸失敗s = 0)。該操作在步驟1創(chuàng)建信道資源庫后進(jìn)行。所述步驟3中，針對信道資源庫所有信道遍歷檢測其空閑情況和信道質(zhì)量參數(shù)， 若信道i空閑則Xi(t) = 1，否則Xi(t) =0，并記錄相應(yīng)的信道質(zhì)量參數(shù)Kt)，統(tǒng)計(jì)空閑信道即= 1的信道數(shù)目為m，計(jì)算信道統(tǒng)計(jì)空閑概率a = m/n，至此完成算法初始化。所述步驟4中，根據(jù)步驟3，利用！^(t) = XjOXKtKi = 1，2···η]計(jì)算信道i的信道可用度，更新信道資源庫所有信道的信道可用度。信道可用度參數(shù)綜合了信道空閑率和信道質(zhì)量參數(shù)，它能客觀的反映信道的實(shí)際可用狀態(tài)。所述步驟5中，按信道資源庫中所有信道可用度 α)由大到小，把所有編號的信道降序排序，至此建立了基于信道可用度的信道資源庫。所述步驟6中，此步驟中，若無數(shù)據(jù)傳輸需求則一直處于等待狀態(tài)，直到有數(shù)據(jù)傳輸則轉(zhuǎn)入步驟7。
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所述步驟7中，選擇信道資源庫中最大可用度的信道進(jìn)行監(jiān)聽，若處于空閑狀態(tài)， 則占用此信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并標(biāo)記該信道= 1，否則信道此時(shí)非空閑，標(biāo)記
=0，則對信道資源庫中下一信道進(jìn)行監(jiān)聽，若處于空閑狀態(tài)，則占用此信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， 并標(biāo)記相關(guān)參數(shù)，否則繼續(xù)對信道資源庫中下一個信道進(jìn)行監(jiān)聽，以此類推，直到檢測到空閑信道進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，若已經(jīng)遍歷完整個信道資源庫仍未檢測到空閑信道，則選擇結(jié)束或重新運(yùn)行算法。所述步驟8中，檢測數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果s，并根據(jù)步驟7中檢測信道的空閑狀態(tài)XiU) 和信道統(tǒng)計(jì)空閑概率a等參數(shù)，利用實(shí)時(shí)可用度算法估算信道i[i = 1，2…η]在t+1時(shí)刻的空閑率λ i (t+1)和信道質(zhì)量β i (t+1)，實(shí)時(shí)可用度算法具體表述如下情形1若在t時(shí)刻檢測了信道i的空閑狀態(tài)，若XiU) = 1(空閑)，并且s = 1， 那么在t+Ι時(shí)刻，信道i的空閑狀態(tài)估計(jì)概率為Ajt+l) = 1，并設(shè)定信道質(zhì)量(t+1)= ^i(t)；情形2若在t時(shí)刻檢測了信道i的空閑狀態(tài)，若XiU) = 1(空閑)，但是8 = 0， 則在t+Ι時(shí)刻，信道i的空閑估計(jì)概率為Xi (t+1) =wa，并且重新檢測信道質(zhì)量Pi (t+1)；情形3若在t時(shí)刻檢測了信道的空閑狀態(tài)，若XiU) =0(非空閑)，那么在t+1 時(shí)刻，信道i的空閑估計(jì)概率為Xi (t+1) =0，并設(shè)定信道質(zhì)量(t+1) = i3i(t)；情形4若在t時(shí)刻未檢測信道i的空閑狀態(tài)，若λ Jt)彡a，那么在t+1時(shí)刻，信道i的空閑估計(jì)概率為λ i (t+D = λ i (t)，并設(shè)定信道質(zhì)量β i (t+D = β i⑴；若λ i (t) <a，那么在t+1時(shí)刻，信道i的空閑估計(jì)概率為Xi (t+1) = AjtHwa，并設(shè)定其信道質(zhì)量
(t+1) = β Jt)，其中空閑估計(jì)概率的步進(jìn)增長保障了非空閑信道被選擇的機(jī)會。同時(shí)又通過限制空閑估計(jì)概率的最大值來防止空閑估計(jì)概率的盲目增長，從而保障了信道選擇的公平性。所述步驟9中，根據(jù)步驟8中各個信道t+Ι時(shí)刻的空閑率Ajt+l)和信道質(zhì)量 Kt+i)，利用Iii (t+i)=入力+1)\3力+1)[丨=1，2···!!]計(jì)算信道資源庫中所有信道 t+i時(shí)刻的信道可用度，用ια+ι)更新信道資源庫中所有信道可用度ια)，然后跳轉(zhuǎn)至步驟5。本發(fā)明所提供的基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道分配方法為動態(tài)利用信道提供了解決方法。一方面，設(shè)立信道資源庫，為所有的信道資源設(shè)定信道可用度參數(shù)。因?yàn)樾诺揽捎枚染C合考慮了信道空閑概率和信道質(zhì)量，因此根據(jù)可用度最大原則選擇信道，能夠最大概率的提供可靠通信，提高數(shù)據(jù)傳輸成功率，降低傳輸失敗率和重傳率；另一方面，本發(fā)明提出新的實(shí)時(shí)可用度算法來更新信道資源庫中的信道可用度參數(shù)，在充分考慮信道空閑和信道質(zhì)量的前提下，既保障了信道選擇的公平性，又能夠?qū)崿F(xiàn)信道資源的重復(fù)利用，進(jìn)而提高信道利用率。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。圖1為基于信道可用度建立的ZigBee信道資源庫圖。圖2為基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道選擇方法示意圖。圖3為基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道選擇方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，設(shè)ZigBee信道總數(shù)為n，所有信道由1到η依次編號，定義信道編號為i[i = l，2···!!]的信道空閑率為Xi(t)和信道質(zhì)量為3力)，定義信道1的信道可用度為ni(t) = λ Jt) X Kt)，信道可用度參數(shù)綜合體現(xiàn)了信道的空閑率和信道質(zhì)量。圖2，為基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道選擇方法的示意圖，圖中虛線框的內(nèi)容體現(xiàn)了本發(fā)明的創(chuàng)新核心所在，即依據(jù)信道資源庫中的可用度排序動態(tài)的選擇信道，同時(shí)利用實(shí)時(shí)可用度算法動態(tài)更新信道可用度。其詳細(xì)流程如圖3所示，下面結(jié)合一個ZigBee設(shè)備在復(fù)雜的無線電環(huán)境中動態(tài)選擇合適的信道作為數(shù)據(jù)傳輸信道的過程為例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的展示。其具體實(shí)施方式
如下1)本發(fā)明是基于實(shí)時(shí)可用度動態(tài)的選擇信道的算法，需要用信道資源庫來表示和存儲所用到的信道參數(shù)。因此，算法第一步是“創(chuàng)建信道資源庫”；2)確定信道資源庫后，算法需要完成初始化，主要包括算法運(yùn)行所必須參數(shù)的設(shè)定，例如，信道空閑率和信道質(zhì)量等。基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道動態(tài)選擇方法中步驟 2 步驟3 (步驟2 對信道進(jìn)行編號和設(shè)定相關(guān)參數(shù)；步驟3 獲取信道空閑狀態(tài)和信道質(zhì)量參數(shù)，并計(jì)算信道統(tǒng)計(jì)空閑概率。)是在算法初始化階段完成的，至此完成算法初始化；:3)ZigBee設(shè)備計(jì)算和更新信道資源庫中所有信道的信道可用度，并根據(jù)信道可用度大小，對所有信道進(jìn)行降序排列，此時(shí)完成基于當(dāng)前信道可用度的已排序信道資源庫。 進(jìn)入等待狀態(tài)(步驟4 更新信道可用度；步驟5 對可用度進(jìn)行排序；步驟6，進(jìn)入等待狀態(tài))；4)若ZigBee設(shè)備有數(shù)據(jù)需要傳輸，則從已排序信道資源庫中選擇第一個信道進(jìn)行監(jiān)聽，若為空閑，則占用此信道并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并轉(zhuǎn)入下一步驟；否則繼續(xù)監(jiān)聽下一個信道，直到有空閑信道，則占用此信道并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；若遍歷完全部信道資源庫仍未檢測到空閑信道，則結(jié)束算法或重新啟動算法(如步驟7所述)；5)ZigBee設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸后，立刻檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果，利用實(shí)時(shí)可用度算法計(jì)算信道資源庫中所有信道下一時(shí)刻的信道空閑率和信道質(zhì)量(如步驟8所述)；6)計(jì)算和更新信道資源庫中的可用度參數(shù)(如步驟4所述)。上面對本發(fā)明所述的基于可用度的ZigBee信道選擇方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)形式并不局限于此。對于本技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員來說，在不背離本發(fā)明所述方法的精神和權(quán)利要求范圍的情況下對它進(jìn)行的各種顯而易見的改變都在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道動態(tài)選擇方法，其特征在于1)所述信道可用度概念的提出，信道可用度參數(shù)綜合體現(xiàn)了一個信道的空閑率和信道質(zhì)量；2)所述根據(jù)信道可用度選擇信道的方法；3)所述通過信道空閑率、信道質(zhì)量和信道可用度建立信道資源庫管理信道資源的方法。
2.如權(quán)利要求1中所述的基于可用度的信道選擇方法中，通過實(shí)時(shí)可用度算法計(jì)算更新信道空閑率、信道質(zhì)量和信道可用度，其特征在于1)所述實(shí)時(shí)可用度算法由信道空閑率、信道質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果三個參數(shù)共同決定；2)所述依據(jù)信道空閑率、信道質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果等參數(shù)實(shí)時(shí)更新信道空閑率和信道質(zhì)量的方法；3)所述基于實(shí)時(shí)可用度算法計(jì)算信道資源庫中各個信道的可用度的方法。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道動態(tài)選擇方法。本發(fā)明首次提出信道可用度概念，并利用可用度算法實(shí)時(shí)更新信道可用度，同時(shí)依據(jù)信道資源庫中的可用度排序動態(tài)地選擇信道，即圖中虛線所示內(nèi)容。信道可用度參數(shù)體現(xiàn)了一個信道的空閑率和通信質(zhì)量，它能客觀反映信道的實(shí)際可用狀態(tài)，因此在實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸過程中，根據(jù)信道可用度參數(shù)選擇信道具有指導(dǎo)意義，能夠最大限度的提供通信保障，提高傳輸成功率，降低碰撞率和重傳率。本發(fā)明基于信道空閑率、信道質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果等參數(shù)，提出了實(shí)時(shí)可用度算法。該算法不僅促使優(yōu)質(zhì)空閑信道得到更大的選擇機(jī)會，還最大限度的保障了信道選擇的公平性，使信道在一定情況下能夠得到相對公平的選擇機(jī)會，提高了信道使用率。同時(shí)，本發(fā)明提出通過建立信道資源庫管理信道資源的策略，并依據(jù)信道可用度參數(shù)對信道進(jìn)行排序，基于排序結(jié)果動態(tài)的選擇ZigBee信道，從而實(shí)現(xiàn)基于實(shí)時(shí)可用度的ZigBee信道動態(tài)選擇方法。
文檔編號H04W16/14GK102170643SQ20111005751
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月10日
發(fā)明者孫詠梅, 紀(jì)越峰, 胡澤民 申請人:北京郵電大學(xué)