一种基于tdma的异构融合网络簇间干扰消除方法
【专利摘要】本发明提供一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，该方法包括：根据一个TDMA分配表为无线传感网内的簇分配TDMA帧；所述TDMA分配表包括簇头身份、包含起始时间和持续时长的TDMA帧、分配给簇间的重叠区域节点的重叠子帧；重叠子帧是TDMA帧中的一段持续时间。本发明利用时隙分配的TDMA机制通过基站协助来消除传感网的簇间干扰，降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互，避免了因重传导致的能量消耗，同时减小了包丢失率、信令开销以及延时，提高了网络系统的吞吐量，延长WSN网络的生命周期，提高能量使用效率。
【专利说明】—种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，涉及一种干扰消除方法，特别是涉及一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法。
【背景技术】
[0002]20世纪中期以来，计算技术和网络技术的结合催生了许多新的应用模式和技术手段，但这二者的结合仍然基本属于传统的“人与人”或者“人与机”交互的范畴。直到20世纪90年代，随着通信技术、嵌入式计算技术以及微电子技术的飞速发展，各类电子产品的制造成本持续地降低到人们可以接受的范围的时候，一种同时拥有感知、计算和通信能力，并且能适用于各类不同环境的微型智能传感器开始在世界范围内出现。这些微小传感器节点的网络化全面改变了人们获取信息的方式，这就是无线传感器网络技术。无线传感器网络是一种新兴的、极具发展潜力的网络技术，这种网络可以将大量简单的节点大冗余地随机部署在人迹罕至的恶劣环境中，节点之间通过自组织的组网，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种复杂环境或监测对象的信息，并对这些信息进行网内处理，从而获得详尽而准确的信息并传送给后台骨干网服务器或者相关观测者。
[0003]无线传感网络的关键问题之一是媒体访问控制的设计，因为节点能量大量消耗于媒体访问控制。时分多路访问的媒体访问控制机制虽然本质上解决了碰撞问题，但可扩展性差。基于树状的时分复用接入机制比传统的时分复用接入机制的可扩展性强，但是当在同一区域簇间存在重叠区域时就会引入干扰问题。
[0004]目前解决干扰的方法有很多，一种方法是基于竞争的CSMA接入方式，基于TDMA的时隙分配方法和跳频方式等等。相对简单有效的一种方法是簇间通信采用碰撞检测的多路访问或者频分复用LEACH和HEED，在各个簇内则采用独立的时分复用接入机制。尽管这种方法能有效的减小干扰，但其增加了频谱使用成本和网络接口的复杂度。
[0005]第二种方法是每个簇维护一个本地时分复用的介质访问控制帧。为了避免与邻居簇重叠区域内其它节点时隙分配重叠，节点首先进行载波侦听确定信道中是否正在传输数据，如果信道空闲则传输数据，否则数据包被缓冲直到下一个被分配的时隙。然而，这种由簇内成员节点侦听载波的方法会造成大量的能量消耗。
[0006]第三种方法如图1和图2所示，该方法根据传感网节点的位置信息定义了两种不同类型的传感节点:第一类传感节点是簇间非重叠区域的节点，采用时分复用机制与簇头通信；第二类传感节点是簇间重叠区域内的节点，采用基于竞争的媒体访问机制与簇头通信。因此，其详细过程也可以分为簇间调度和全网信令传输两个部分。该方法定义了以下
相关参量:
[0007]CH:簇头节点，即根据不同的选簇方法选择合适的传感节点作为簇头；
[0008]Gff:根据某种算法选择出来的在两个或者以上节点一跳范围内的节点；
[0009]BS:以有线方式和主干网连接并管理无线传感网的节点；
[0010]TN:处于非重叠区域，用TDMA方法进行介质访问与簇头通信的节点；[0011]CN:处于重叠区域，用CSMA方法进行介质访问与簇头通信的节点；
[0012]BTP:用于基站和簇头之间下行传输的信标传输期间；
[0013]BRP:用于网关下行传输的信标转发期间。
[0014]簇内调度过程详细做法如下:
[0015]I)簇头节点通过网关向重叠区域内节点和非重叠区域内节点发送信标和查询。簇头节点根据时分复用子帧中各个非重叠区域内节点的时隙分配信息通知非重叠区域内节点的时分复用时隙。
[0016]2)非重叠区域内节点采用时分复用的介质访问机制在时分复用子帧内与簇头节点通信。
[0017]3)在信标转发期间，网关将从簇头节点接收到的信标和查询转发给邻居簇头节点。信标转发时期用于网关的下行链路传输。
[0018]4)重叠区域内的节点用基于竞争(CSMA/CA)的介质访问方法与簇头节点通信。
[0019]基站协助簇调度的信令传输如下:
[0020]I)以有线方式与主干网连接并管理无线传感网的基站发送信标和查询请求给同一簇内的所有网关，非重叠区域节点和重叠区域节点。
[0021]2)簇内网关收到来自基站的信标和查询请求后将其转发给邻居簇头节点。
[0022]3)邻居簇头节点收到网关发来的信标和查询后，在第二帧的信标传输期间将其发送给其簇内的所有网关，重叠区域节点和非重叠区域节点。
[0023]4)这些网关收到来自簇头节点的信标和查询后，在第二帧的信标转发期间将其发送给其邻居簇头节点。
[0024]以上过程不断重复，直到传感网内所有节点收到基站发送的信标和查询请求，如图3所示。上述方案中的子帧的帧格式如图4所示。此解决干扰的传统方法中，重叠区域节点采用CSMA/CA的介质访问方法，可以消除部分簇间干扰。但是，当传感网络分布较广并且密集或者某个簇距离基站很远时，信令处理过程就会很长。因为基站要周期性地发送信标和查询来调度全网节点，而簇头节点和网关要持续发送并转发信标和查询，所以会造成很大的信令开销和能量消耗；另一方面，当重叠区域内存在大量节点时，该方法也不能有效地避免包的碰撞。以上三种方法都不能很好的解决传感网簇间的干扰问题，因此，如何利用蜂窝资源来解决树状拓扑结构的传感网络中基于TDMA机制的簇间干扰是研究传感网与蜂窝网融合的一个关键问题。
【发明内容】
[0025]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，用于解决现有无线传感网络中基于TDMA机制的簇间干扰的问题。
[0026]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法。
[0027]一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，该方法包括:根据一个TDMA分配表为无线传感网内的簇分配TDMA帧；所述TDMA分配表包括簇头身份、包含起始时间和持续时长的TDMA帧、分配给簇间的重叠区域节点的重叠子帧；重叠子帧是TDMA帧中的一段持续时间。
[0028]优选地，所述TDMA分配表由基站维护。
[0029]优选地，当基站不能区分节点是否处于簇间重叠区域时，所述基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的实现过程为:
[0030]Sll,当簇内成员节点有数据发送给簇头节点时,簇头节点向移动网关发送TDMA帧请求；
[0031]S12，移动网关接收到所述TDMA帧请求后，通过蜂窝网链路向基站发送TDMA帧分配请求；
[0032]S13，基站判断所述簇头节点所在的簇是否与其他簇存在重叠区域，如果存在重叠区域，则根据TDMA分配表给所述簇头节点分配一个与重叠簇完全不同的TDMA帧；否则，基站给所述簇头节点随机分配一个TDMA帧；
[0033]S14,基站将所述簇头节点的TDMA分配信息发送给移动网关；所述TDMA分配信息包括分配给所述簇头节点的TDMA帧和所述簇头节点身份信息；
[0034]S15，移动网关通过无线传感网接口将TDMA分配信息发送给所述簇头节点；
[0035]S16，所述簇头节点根据基站分配的TDMA帧调度成员节点。
[0036]优选地，当基站能区分节点是否处于簇间重叠区域时，所述基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的实现过程为:
[0037]S21,当簇内成员节点有数据发送给簇头节点时,簇头节点向移动网关发送TDMA帧请求；
[0038]S22，移动网关接收到所述TDMA帧请求后，通过蜂窝网链路向基站发送TDMA帧分配请求；
[0039]S23，基站判断所述簇头节点所在的簇是否与其他簇存在重叠区域，如果存在重叠区域，则基站确定所述簇头节点下辖的簇内成员节点是否处于重叠区域；若该簇内成员节点处于重叠区域，则基站分配给所述簇头节点一个TDMA帧，该TDMA帧的重叠子帧与同所述簇头节点所在的簇有重叠区域的簇使用的TDMA帧的重叠子帧不同；
[0040]S24,基站将所述簇头节点的TDMA分配信息发送给移动网关；所述TDMA分配信息包括分配给所述簇头节点的TDMA帧和所述簇头节点身份信息；
[0041]S25，移动网关通过无线传感网接口将TDMA分配信息发送给所述簇头节点；
[0042]S26，所述簇头节点根据基站分配的TDMA帧调度成员节点。
[0043]优选地，所述TDMA分配表由网关维护。
[0044]优选地，当网关不能区分节点是否处于簇间重叠区域时，网关为具有重叠区域的簇分配不同的TDMA帧。
[0045]优选地，当网关能区分节点是否处于簇间重叠区域时，网关为具有重叠区域的簇分配相同的TDMA帧，但为处于簇间重叠区域内的节点分配不同的重叠子帧。
[0046]如上所述，本发明所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，具有以下有益效果:
[0047]本发明利用时隙分配的TDMA机制通过基站协助来消除传感网的簇间干扰，降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互，避免了因重传导致的能量消耗，同时减小了包丢失率、信令开销以及延时，提高了网络系统的吞吐量，延长WSN网络的生命周期，提高能量使用效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]图1显示为典型的无线传感网中簇重叠的场景示意图。
[0049]图2显示为无线传感网中簇重叠部分的节点应用处理的过程示意图。
[0050]图3显示为无线传感网中簇重叠部分的簇间干扰场景示意图。
[0051]图4显示为帧结构的格式示意图。
[0052]图5显示为本发明的一种应用场景示意图。
[0053]图6显示为实施例一所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的流程示意图。
[0054]图7显示为实施例二所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0055]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0056]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0057]本发明公开了一种基于时分复用接入(Time Division Multiple Access, TDMA)的异构融合网络簇间干扰消除方法，其中异构融合网络是由无线传感器网络与蜂窝网(Wireless Sensor Networks, WSNs)融合构成的,属于无线通信【技术领域】。本发明所述的方法可以应用于无线传感器自组织网络系统，传感器节点通过手机移动网关将检测到的数据通过手机网络(包括移动网络、联通网络、2G/3G网络、WiFi网络等)发送给后台服务器，其中手机是双模具有传感网络通信模块和蜂窝网络通信模块；本发明能够实时监测、感知和采集各种监测环境和对象的信息，可以广泛应用于军事领域和民用领域。
[0058]本发明的应用前提是:在蜂窝网与无线传感网异构网络融合的架构下，移动终端受到蜂窝网基站的监控，在蜂窝网的覆盖范围内有一组无线传感节点组成的无线传感网络。蜂窝网移动终端担任移动网关并且提供回程的无线传感节点的访问，即移动终端是双模的且有蜂窝网和无线传感网接口。假设当移动网关进入无线传感网区域时，它可以监测或者侦听到无线传感网络的信道，然后移动网关可以从传感节点中收集监测到的数据并转发给基站。此外，基站通过布网或者网络节点信息的汇报可以确定节点的位置；并且基站需要维护每个簇头节点的通信半径，根据这个通信半径信息获悉是否存在簇间重复区域及重复节点。
[0059]经过蜂窝网和无线传感网的融合，无线传感网的应用服务和覆盖范围可以得到扩展，本发明的一种应用场景如图5所示，其中有3个簇，簇I和簇2有重叠区域，簇2和簇3有重叠区域，即在簇I和簇2的重叠区域内布置有属于簇I和簇2的传感节点，在簇2和簇3的重叠区域内布置有属于簇2和簇3的传感节点。当重叠区域内的簇I节点和簇2节点使用相同时隙时，就会产生干扰并且导致碰撞。所以，在树状拓扑结构的传感网络中如何利用蜂窝资源来解决基于TDMA机制的簇间干扰即是本发明要解决的技术问题。
[0060]为达到以上消除簇间干扰的目的，本发明所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的主要实现过程为:首先，基站(Base Station,BS)通过判断传感节点是否处于重叠区域对其所在簇进行不同的TDMA分配。其次，基站辅助实现簇间干扰，其通过维护一张传感网各个簇的TDMA表来完成全网的TDMA调度。该TDMA表包括三个部分:簇头身份，TDMA帧和重叠子帧。然后，本发明通过使用额外的TDMA帧分配方法和信令交互来完成簇头节点、移动网关、基站之间的信息传输，从而有效地消除簇间干扰，避免干扰引发的重传，大大节省节点能量，减小传输延时，增大网络系统的吞吐量，延长网络生命周期。
[0061]下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。
[0062]实施例一
[0063]本实施例提供一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，该方法是基于树状传感网拓扑结构与时分复用接入机制的融合网络簇间干扰的消除方法，其中，基站不能区分节点是否处于簇间重叠区域。本实施的具体实现过程如图6所示，包括以下步骤:
[0064]Sll,当簇内成员节点有数据发送给簇头节点时,簇头节点向移动网关发送TDMA帧请求。
[0065]S12，移动网关接收到所述TDMA帧请求后，通过蜂窝网链路向基站发送TDMA帧分配请求。
[0066]S13，基站校验数据库并确定所述簇头节点所在的簇是否与其他簇存在重叠区域；如果存在重叠区域，则根据TDMA分配表给所述簇头节点分配一个与重叠簇(即与所述簇头节点所在的簇有重叠区域的簇)完全不同的TDMA帧；否则，基站给所述簇头节点随机分配一个TDMA帧。
[0067]本步骤中的TDMA分配表用于解决重叠区域节点的簇间干扰，该表包括三个部分:簇头身份，包含起始时间和持续时长的TDMA帧，分配给重叠区域节点的重叠子帧；重叠子帧是TDMA帧中的一段持续时间。
[0068]S14,基站将所述簇头节点的TDMA分配信息发送给移动网关；所述TDMA分配信息包括分配给所述簇头节点的TDMA帧和所述簇头节点身份信息。
[0069]S15，移动网关通过无线传感网接口将TDMA分配信息发送给所述簇头节点。
[0070]S16，所述簇头节点根据基站分配的TDMA帧使用TDMA方案调度成员节点；每个簇内成员节点在分配的时隙内发送数据给所述簇头节点。
[0071]本发明通过使用额外的TDMA帧分配方法和信令交互来完成簇头节点，移动网关，基站之间的信息传输，针对节点的位置信息，分别使用不同的TDMA帧分配方法，尤其是当节点位于非重叠区域时，通过时隙复用来提高传输效率效率。本发明利用时隙分配的TDMA机制通过基站协助来消除传感网的簇间干扰，降低了路由重建中的能量损耗和不必要的信令交互，避免了因重传导致的能量消耗，同时减小了包丢失率、信令开销以及延时，提高了网络系统的吞吐量，延长WSN网络的生命周期，提高能量使用效率。
[0072]实施例二[0073]本实施例提供一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法,其与实施例一的区别在于:基站能够区分节点是否处于簇间重叠区域。本实施的具体实现过程如图7所示，包括以下步骤:
[0074]S21,当簇内成员节点有数据发送给簇头节点时,簇头节点向移动网关发送TDMA帧请求。
[0075]S22，移动网关接收到所述TDMA帧请求后，通过蜂窝网链路向基站发送TDMA帧分配请求。
[0076]S23，基站校验数据库并确定所述簇头节点所在的簇是否与其他簇存在重叠区域；如果存在重叠区域，则基站确定所述簇头节点下辖的簇内成员节点是否处于重叠区域；若该簇内成员节点处于重叠区域，则基站分配给所述簇头节点一个TDMA巾贞,该TDMA巾贞的重叠子帧与重叠簇(即与所述簇头节点所在的簇有重叠区域的簇)使用的TDMA帧的重叠子帧不同。
[0077]本步骤中，处于不同簇且处于重叠区域的节点，由重叠子帧分配不同时隙，以保证重叠区域的节点在不同的时间点通信，从而避免干扰。当基站可以区分节点是否处于重叠区域时，基站给重叠区域的节点分配时隙不同的TDMA帧。即，给重叠簇分配不同的TDMA帧，那么重叠区域节点自然分配到不同的时隙；或者给重叠簇分配相同的TDMA帧，但是给重叠区域节点分配不同的重叠子帧。
[0078]S24，基站将所述簇头节点的TDMA分配信息发送给移动网关；所述TDMA分配信息包括分配给所述簇头节点的TDMA帧、重叠子帧和所述簇头节点的身份信息。
[0079]S25，移动网关通过无线传感网接口将TDMA分配信息发送给所述簇头节点。
[0080]S26，所述簇头节点根据基站分配的TDMA帧使用TDMA方案调度成员节点；由基站BS指定的时隙分配给重叠区域的成员节点，剩下的时隙由簇头节点分配给其他成员节点。
[0081]实施例三
[0082]本实施例提供一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其与实施例一和二的区别在于:所述TDMA分配表由网关维护。
[0083]当网关不能区分节点是否处于簇间重叠区域时，网关为具有重叠区域的簇分配不同的TDMA帧。
[0084]当网关能区分节点是否处于簇间重叠区域时，网关为具有重叠区域的簇分配相同的TDMA帧，但为处于簇间重叠区域内的节点分配不同的重叠子帧。
[0085]本发明适用于人员相对比较集中的城市热点地区，即传感网及蜂窝网覆盖相对密集的区域。在该区域中，存在有大量的能够成为网关的移动终端。也就是说，本发明所述的方法适用于密集型传感网，因为节点分布密集将会导致各个簇间重叠，产生大量的簇间重叠区域，而基于TDMA的接入方式不能很好的解决簇间干扰，所以本发明提供的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法就能很好的抑制并减少簇间干扰，减少传感网节点由于碰撞带来的能量消耗和传输时延，很好的延长网络周期。
[0086]综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0087]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1.一种基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于，所述基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法包括:根据一个TDMA分配表为无线传感网内的簇分配TDMA帧；所述TDMA分配表包括簇头身份、包含起始时间和持续时长的TDMA帧、分配给簇间的重叠区域节点的重叠子帧；重叠子帧是TDMA帧中的一段持续时间。
2.根据权利要求1所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于:所述TDMA分配表由基站维护。
3.根据权利要求2所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于:当基站不能区分节点是否处于簇间重叠区域时，所述基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的实现过程为: Sll,当簇内成员节点有数据发送给簇头节点时，簇头节点向移动网关发送TDMA帧请求； S12，移动网关接收到所述TDMA帧请求后，通过蜂窝网链路向基站发送TDMA帧分配请求； S13，基站判断所述簇头节点所在的簇是否与其他簇存在重叠区域，如果存在重叠区域，则根据TDMA分配表给所述簇头节点分配一个与重叠簇完全不同的TDMA帧；否则，基站给所述簇头节点随机分配一个TDMA帧； S14，基站将所述簇头节点的TDMA分配信息发送给移动网关；所述TDMA分配信息包括分配给所述簇头节点的TDMA帧和所述簇头节点身份信息； S15，移动网关通过无线传感网接口将TDMA分配信息发送给所述簇头节点； S16，所述簇头节点根据基站分配的TDMA帧调度成员节点。
4.根据权利要求2所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于:当基站能区分节点是否处于簇间重叠区域时，所述基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法的实现过程为: S21,当簇内成员节点有数据发送给簇头节点时,簇头节点向移动网关发送TDMA帧请求； S22，移动网关接收到所述TDMA帧请求后，通过蜂窝网链路向基站发送TDMA帧分配请求； S23，基站判断所述簇头节点所在的簇是否与其他簇存在重叠区域，如果存在重叠区域，则基站确定所述簇头节点下辖的簇内成员节点是否处于重叠区域；若该簇内成员节点处于重叠区域，则基站分配给所述簇头节点一个TDMA帧，该TDMA帧的重叠子帧与同所述簇头节点所在的簇有重叠区域的簇使用的TDMA帧的重叠子帧不同； S24,基站将所述簇头节点的TDMA分配信息发送给移动网关；所述TDMA分配信息包括分配给所述簇头节点的TDMA帧和所述簇头节点身份信息； S25，移动网关通过无线传感网接口将TDMA分配信息发送给所述簇头节点； S26，所述簇头节点根据基站分配的TDMA帧调度成员节点。
5.根据权利要求1所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于:所述TDMA分配表由网关维护。
6.根据权利要求5所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于:当网关不能区分节点是否处于簇间重叠区域时，网关为具有重叠区域的簇分配不同的TDMA帧。
7.根据权利要求5所述的基于TDMA的异构融合网络簇间干扰消除方法，其特征在于:当网关能区分节点是否处于簇间重叠区域时，网关为具有重叠区域的簇分配相同的TDMA帧，但为处于簇间 重叠区域内的节点分配不同的重叠子帧。
【文档编号】H04L25/03GK103634246SQ201210297869
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年8月20日 优先权日:2012年8月20日
【发明者】袁芝, 胡宏林, 欧阳玉玲 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所