專利名稱：用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成及分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線網絡通信技術，具體地說明是 一 種用于多通道無線多 跳網絡的通道切換模式生成及分配方法。
背景技術：
近幾年，無線通信技術得到了飛速發(fā)展。無線多跳網絡作為近年來通 信領域發(fā)展較快的技術，受到越來越多的關注。無線多跳網絡釆用分布式、 自組織的思想來構建網絡，使網絡具備更強的靈活性和健壯性。
在無線多跳網絡中，工作在同一頻段的鄰近節(jié)點間存在信道竟爭關系。 節(jié)點對信道的竟爭和以及竟爭時產生的沖突嚴重制約著網絡性能的提高。 隨著通信與電子技術的發(fā)展，目前許多射頻硬件提供了多通道能力，如符
合IEEE 802.15.4物理層標準的射頻硬件支持16個互不重疊的通道，無線 傳感器網絡中廣泛使用的CC1000射頻硬件支持多達130多個通道，而 Mica2、 WINS等射頻硬件也都提供了多通道能力。由于竟爭和沖突只能發(fā) 生在工作在相同頻段的節(jié)點間，射頻硬件的多通道能力可被用于實現(xiàn)更高 程度的并發(fā)傳輸。
在McMAC協(xié)議和SSCH協(xié)議中，提出了基于同步通道切換機制的介 質訪問控制方法，網絡中的所有節(jié)點在網絡時間同步的前提下，將時間劃 分為時隙并要求各節(jié)點的時隙邊界對齊，網絡內各節(jié)點通過本地的隨機數 生成器隨機生成自己的通道切換模式(規(guī)定了節(jié)點在各個時隙使用的操作 通道)并據此進行以時隙為單位的同步的通道切換。在每個時隙，網絡內 的節(jié)點被隨機分配到所有可用的通道上。相鄰節(jié)點交換并保存各自的通道 切換模式，當需要通信時，源節(jié)點切換到目的節(jié)點在當前時隙的通道上進 行信道竟爭和報文發(fā)送，并在傳輸完成后切換回自己的操作通道。通過這 種方式，使得在每個時隙，存在潛在竟爭關系的節(jié)點被分配到多個通道上， 當多個通信節(jié)點對的接收方使用不同的通道時，這些通信節(jié)點對可以互不 干擾的并發(fā)進行，從而達到分給沖突域，提高網絡性能的目的。然而，各 節(jié)點通過隨機方式生成自己的通道切換模式的方法以 一種完全基于概率的 方式進行沖突域分割，容易出現(xiàn)通道利用不充分的現(xiàn)象，即在一些時隙， 大量節(jié)點被分配到少數幾個通道上，使得這幾個通道的竟爭強度較高，而 與此同時，卻有大量的通道沒有被使用。顯然，上述方法存在進一步的改
進空間。

發(fā)明內容
本發(fā)明提出了一種用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成及分 配方法，包括適用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成方法，以及 基于該生成方法的、支持分布式并發(fā)執(zhí)行的通道切換模式分配方法。在基 于同步通道切換機制的介質訪問控制方法中，釆用本發(fā)明為網絡內的節(jié)點 分配通道切換模式，可以確保在每個時隙，網絡內的任一節(jié)點能夠和所有 與其存在潛在竟爭關系的節(jié)點一起被平均分配到所有可用通道上，從而實 現(xiàn)更好的沖突域劃分效果，提高網絡性能。
本發(fā)明的技術方案包括以下內容
先建立一種通道切換模式生成方法，用以規(guī)定如何產生通道切換模式， 再通過基于該生成方法的通道切換模式分配方法，為網絡內各節(jié)點分配通
道切換模式；所述通道切換模式分配在各個節(jié)點上分布式并發(fā)執(zhí)行，對于
網絡內任一節(jié)點，遵循所分配的通道切換模式，在每個時隙與其所有潛在
竟爭節(jié)點一起被平均分配到所有可用通道上；
所述通道切換模式生成方法通道切換模式由二元組<通道切換序列，
起始通道號>唯一確定，其中通道切換序列為所有可用通道的一個任意排 列，所有節(jié)點在生成通道切換模式時，釆用相同的通道切換序列，而通過
選擇不同的起始通道號來獲得不同的通道切換模式；
所述通道切換模式分配方法各節(jié)點在網絡初始化階段收集自己所有 2-跳鄰居節(jié)點的ID，并將自身ID和所有2-跳鄰居節(jié)點ID —起排序成一個 順序ID序列；在選擇自己的通道切換模式即起始通道時，各節(jié)點等待ID 序列中所有位置排在自己之前的節(jié)點選擇完通道切換模式后，選擇一個尚 未被2-跳鄰居節(jié)點選擇過的通道切換模式作為自己的通道切換模式；節(jié)點 選擇了自己的模式后，立即將自己的選擇廣播給所有2-跳鄰居節(jié)點；
當節(jié)點自己的ID成為有序ID表中的第一個表項時，節(jié)點依據以下方 法選擇自己的模式
① 在可用模式數量不小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數量時，選擇一 個未被使用的模式作為自己的模式；
② 在可用模式數量小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數量時，選擇當前 時刻復用次數最少的模式作為自己的模式。
本發(fā)明的優(yōu)點在基于同步通道切換操作的介質訪問控制方法中，通 過本發(fā)明提出的通道切換模式生成方法和通道切換模式分配方法，在通道 切換操作的各個時隙，網絡內任一節(jié)點都能與其所有潛在竟爭節(jié)點一起被 平均分配到所有可用的通道上，因而可以獲得更好的沖突域劃分效果和更
高程度的并發(fā)傳輸，有效減少節(jié)點的信道接入時間，降低報文沖突概率， 從而提高網絡性能。


圖1為節(jié)點已知2-跳鄰居節(jié)點ID信息時選擇自身通道切換模式的方法。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明。 本發(fā)明的適用條件
本發(fā)明釆用節(jié)點的2-跳范圍內的鄰居節(jié)點集合來近似與該節(jié)點存在潛 在竟爭關系的節(jié)點集合，這種近似在無線協(xié)議設計領域被廣泛使用。 網絡中的每個節(jié)點具有能夠唯一標志自己的ID。
廣播操作的可靠性將會影響到通道切換模式分配方法的執(zhí)行效果，J. Tourrilhes等人提出的適用于CSMA/CA方法的提高廣播操作可靠性的算法 可被用于本發(fā)明，以保證廣播操作的可靠性。
通道切換模式生成方法
通道切換模式由二元組<通道切換序列，起始通道號>唯一確定，其中 通道切換序列為所有可用通道的一個選定排列，可用通道切換序列的數量 為可用通道數量的階乘。所有節(jié)點在生成通道切換模式時，釆用相同的通 道切換序列，而通過選擇不同的起始通道號來獲得不同的通道切換模式， 因而可用通道切換模式的數量等于通道切換序列中包含的通道數量。比如， 假定通道切換序列為(1， 3， 2, 4),則所有可用通道切換模式為(1, 3, 2, 4)、 (3, 2， 4, 1)、 (2， 4, 1, 3)和(4， 1, 3， 2)。由于所有節(jié)點同 步啟動通道切換操作，對于使用不同通道切換模式(起始通道)的節(jié)點， 它們在所有時隙的操作通道皆不相同。
通道切換模式分配方法
通道切換模式方法在網絡初時化階段執(zhí)行，在該階段，網絡內所有處 于相同的通道。當全網完成時鐘同步后，由網關節(jié)點向全網廣播包含各操 作步驟起始時間信息的控制報文。各操作步驟在時間上是緊密銜接的—，前 一步驟的結東時間即為后一步驟的起始時間。應為每一操作步驟預留足夠 的時間以保證能夠在預留時間內完成相應的操作。方法具體操作步驟如下 (l)第一步，網絡內各節(jié)點對各自1-跳鄰居節(jié)點ID信息的收集。在 規(guī)定的本操作步驟持續(xù)時間內，網絡內各節(jié)點釆用基于竟爭機制的信道訪 問控制方法(如正EE802.11中的CSMA/CA算法)競爭信道并向1-跳鄰居 節(jié)點廣播包含自己ID的報文，同時接收各1-跳鄰居節(jié)點廣播的同類報文。 由于報文發(fā)送時可能產生沖突，廣播報文可能無法被個別1-跳鄰居節(jié)點接 收到，為此，本操作步驟的持續(xù)時間應允許每個節(jié)點進行2 4次廣播。在
本操作步驟結東時，節(jié)點匯總其接收到的所有ID信息，濾除其中重復的ID，
即完成網絡初始化階段對其1-跳鄰居節(jié)點ID信息的收集。
(2) 第二步，網絡內各節(jié)點對各自2-跳鄰居節(jié)點ID信息的收集。在 規(guī)定的本操作步驟持續(xù)時間內，網絡內各節(jié)點釆用基于競爭機制的信道訪 問控制方法(如IEEE802.11中的CSMA/CA算法)竟爭信道并向1-跳鄰居 節(jié)點廣播包含自己在步驟(1)收集的1-跳鄰居節(jié)點ID信息的報文，同時 接收各1-跳鄰居節(jié)點廣播的該類報文。由于報文發(fā)送時可能產生沖突，廣 播報文可能無法被個別1-跳鄰居節(jié)點接收到，為此，本操作步驟的持續(xù)時 間應允許每個節(jié)點進行2 4次廣播。在本操作步驟結東時，節(jié)點匯總其接 收到的所有ID信息，濾除其中重復的ID,完成網絡初始化階段對其2-跳 鄰居節(jié)點ID信息的收集。
(3) 第三步，網絡內各節(jié)點對各自通道切換模式的選擇。在規(guī)定的本 操作步驟持續(xù)時間內，網絡內各節(jié)點將自己和所有2-跳鄰居節(jié)點的ID值按 由小到大的順序排列，生成一個臨時的有序ID表，并根據自身ID在有序 ID表中的排列位置確定自己選擇通道切換模式的優(yōu)先級。圖1給出了具體 方法，即如果節(jié)點的ID排在有序ID表的第一位，則可立即隨機挑選一個 模式作為自己的模式，否則，在節(jié)點ID成為有序ID表中的第一個表項前， 必須將射頻硬件置于接收狀態(tài)接收ID值排在自己前面的各2-跳鄰居節(jié)點發(fā) 送的包含其模式選擇信息的報文。節(jié)點每收到一個該類報文，即將報文中 被選擇模式的重用次數加一，并把報文發(fā)送節(jié)點在有序ID表中對應的ID 刪除。當節(jié)點自己的ID成為有序1D表中的第一個表項時，節(jié)點方可依據 以下方法選擇自己的模式
① 在可用模式數量不小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數量時，選擇一 個未被使用的模式作為自己的模式；
② 在可用模式數量小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數量時，選擇當前 時刻復用次數最少的模式作為自己的模式；
節(jié)點選擇了自己的模式后，立即將自己的選擇廣播給所有2-跳鄰居節(jié) 點。至此，節(jié)點的模式分配方法執(zhí)行結東。
上述通道切換模式分配方法可在網絡內各節(jié)點上分布式并發(fā)執(zhí)行，雖 然在網絡初始化階段需要一定的能量和帶寬開銷，但在網絡運行階段，各 節(jié)點使用所分配的通道切換模式，可以實現(xiàn)更高程度的并發(fā)傳輸，有效減 少信道接入時間，并降低報文沖突重傳開銷。
權利要求
1. 一種適用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成及分配方法，其特征在于先建立一種通道切換模式生成方法，用以規(guī)定如何產生通道切換模式，再通過基于該生成方法的通道切換模式分配方法，為網絡內各節(jié)點分配通道切換模式；所述通道切換模式分配在各個節(jié)點上分布式并發(fā)執(zhí)行，對于網絡內任一節(jié)點，遵循所分配的通道切換模式，在每個時隙與其所有潛在競爭節(jié)點一起被平均分配到所有可用通道上。
2. 按照權利要求1所述用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成 及分配方法，其特征在于所述通道切換模式生成方法通道切換模式由 二元組<通道切換序列，起始通道號>唯一確定，其中通道切換序列為所有 可用通道的一個任意排列，所有節(jié)點在生成通道切換模式時，釆用相同的 通道切換序列，而通過選擇不同的起始通道號來獲得不同的通道切換模式。
3. 按照權利要求2所述用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成 及分配方法，其特征在于其中可用通道切換序列的數量為可用通道數量 的階乘。
4. 按照權利要求1所述用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成 及分配方法，其特征在于所述通道切換模式分配方法各節(jié)點在網絡初 始化階段收集自己所有2-跳鄰居節(jié)點的ID,并將自身ID和所有2-跳鄰居 節(jié)點ID —起排序成一個順序ID序列；在選擇自己的通道切換模式即起始 通道時，各節(jié)點等待ID序列中所有位置排在自己之前的節(jié)點選擇完通道切 換模式后，選擇一個尚未被2-跳鄰居節(jié)點選擇過的通道切換模式作為自己 的通道切換模式；節(jié)點選擇了自己的模式后，立即將自己的選擇廣播給所 有2-跳鄰居節(jié)點。
5. 按照權利要求4所述用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成 及分配方法，其特征在于當節(jié)點自己的ID成為有序ID表中的第一個表 項時，節(jié)點依據以下方法選擇自己的模式① 在可用模式數量不小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數量時，選擇一 個未被使用的模式作為自己的模式；② 在可用模式數量小于2-跳鄰居節(jié)點集合中的節(jié)點數量時，選擇當前 時刻復用次數最少的模式作為自己的模式。
全文摘要
本發(fā)明用于多通道無線多跳網絡的通道切換模式生成及分配方法，建立一種通道切換模式生成方法，來規(guī)定如何產生通道切換模式；用基于該生成方法的通道切換模式分配方法為網絡內各節(jié)點分配通道切換模式；所述通道切換模式分配方法在各個節(jié)點上分布式并發(fā)執(zhí)行，對于網絡內任一節(jié)點，遵循所分配的通道切換模式，在每個時隙與其所有潛在競爭節(jié)點一起被平均分配到所有可用通道上。在基于同步通道切換機制的介質訪問控制方法中，采用本發(fā)明可以確保在每個時隙，網絡內的任一節(jié)點能夠和所有與其存在潛在競爭關系的2-跳鄰居節(jié)點一起被平均分配到所有可用通道上，使網絡獲得更好的沖突域劃分效果和更高程度的并發(fā)傳輸，有效減少節(jié)點的信道接入時間和報文沖突。
文檔編號H04L12/28GK101394317SQ20071001292
公開日2009年3月25日 申請日期2007年9月21日 優(yōu)先權日2007年9月21日
發(fā)明者于海斌, 徐皚冬, 鵬 曾, 楊志家, 邢志浩 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所