一种避免无线体域网间干扰的方法与流程

本发明涉及体域网间干扰的检测、快速最优信道检测技术领域，尤其涉及一种避免无线体域网间干扰的方法。

背景技术：

随着可穿戴式设备的发展，体域网也变得越来越普及，体域网的用户增多的同时，也带来了一些问题。当在一个小的空间范围内，有多个体域网用户工作在同一个信道时，多个用户可能同时发送信息，从而导致信息传输的失败，引起网络性能的下降，这种现象就是无线体域网中体域网间的干扰。这种干扰产生的客观原因有两个，首先是可用信道数量有限，ieee802.15.4总共定义了26个信道，且其在2.4ghz的信道只有16个，因此信道数量有限，所以多个体域网用户处于同一个信道的可能性很大；其次是当处于同一个信道的多个用户聚集在一个小空间时，其网络传递的信息会受到周围其他同信道的体域网用户的影响，这种影响不可避免。因此想办法减轻这种干扰，并且使得体域网的性能始终保持在正常工作的范围内，是无线体域网干扰的研究重点。

传统的干扰避免技术不能适应于体域网，例如wifi等技术的干扰是一个静态的干扰，而体域网间的干扰是一个动态的，周围的信道环境时刻在改变；体域网与传统的通信网络不同，体域网并没有类似基站的中央调控设备，可以宏观调节一个区域的信道分配，防止干扰，因此需要网络自适应调节；此外，现有的一些用于体域网的信道搜索策略耗时严重，会让干扰对体域网产生持续的影响，因此我们需要根据体域网干扰的特点设计一个干扰避免算法并让其快速的从干扰中恢复正常。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种避免无线体域网间干扰的方法，解决了动态环境的干扰问题，网络自适应调节的问题以及受到干扰恢复正常耗时严重的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种避免无线体域网间干扰的方法，包括如下步骤：

s1、测量与统计体域网内各个节点的网络干扰参数，并将网络干扰参数发送给协调器；

s2、协调器将接收的网络干扰参数，转化为时延参数d，再根据体域网内各个节点的时延参数d以及节点的重要系数，求取平均时延dp；

s3、协调器通过其单位时间内成功接收数据量得到当前信道的整个网络的吞吐量，并通过成功接收数据包的功率得到接收信号强度；

s4、协调器将网络的吞吐量和接收信号强度与平均时延dp相结合，判断干扰强度；其中，网络吞吐量越低，则平均时延dp越大，受到的干扰越强，因此当平均时延dp超过一定值且吞吐量低到一定值时，则判断干扰特别严重；在判断干扰强度时，如果受到的干扰严重，则进入下一步骤s5，否则回到步骤s1；

s5、协调器对信道进行信道空闲检测，重复检测n轮，每一轮检测都需要对k个信道中的一个进行检测，通过算法合理安排信道检测的顺序，快速得到最优的空闲信道；

s6、协调器向本体域网内的所有节点广播跳频信号，改变频率到最优的空闲信道所处频率，使得整个网络调整到最优的空闲信道上，然后返回步骤s1进行周期循环。

进一步地，所述步骤s1的网络干扰参数包括退避次数与重传次数。

进一步地，所述步骤s2的时延参数d和平均时延dp，其计算方式为：

其中时延参数d利用了非时隙csma/ca的特点，根据以下公式计算得到：

式中，nb表示csma/ca协议中的退避次数，wnb表示竞争窗口大小，tslot表示单位退避的时隙长度；该式用于计算在退避状态为nb时的一个平均的退避耗时；

式中，表示平均的退避次数，表示重传次数，n表示最大允许的退避次数；该式表示利用该节点发送的平均退避次数和平均重传次数，估计得到该节点传输的平均时延d；

式中，αi表示节点i的重要系数，k代表总的节点数；考虑整个网络各节点的重要性，得到网络整体的基于节点优先级的平均时延dp。

进一步地，所述步骤s4中，在判断干扰强度时，利用阈值法判定是否受到严重干扰，其具体为：当吞吐量低于吞吐量阈值，平均时延高于平均时延的阈值，且接收信号强度大于接收信号强度的阈值时，认为受到的干扰严重；协调器根据网络各节点发送的数据量来确定吞吐量的阈值和平均时延dp的阈值，协调器测定在无干扰下的网络吞吐量t，设定系数α，以α×t作为吞吐量的阈值；协调器测定在无干扰下的平均时延dpt，设定系数β，以β×dpt作为平均时延dpt的阈值；测试无遮挡下接收信号强度值为rssi1,测试单个障碍物遮挡下的接收信号强度值为rssi2，设定接收信号强度的阈值为rssi1-γ×rssi1+γ×rssi2,系数γ∈[0,1]为体域网对遮挡的容忍度。

进一步地，所述步骤s5，具体为：

s51、协调器设定总的信道检测轮数为n以及总的检测信道数k，初始化每个信道的被选择次数和每个信道的平均奖励；

s52、在每一轮检测中，协调器以ε概率随机选择一个信道进行信道空闲检测，以1-ε的概率选择当前平均奖励最大的信道进行信道空闲检测；

s53、若被选信道的信道空闲检测结果为空闲，则信道的被选择次数加1，信道的总奖励加r1；若信道空闲检测结果为繁忙，则信道的被选择次数加1，信道的总奖励加r2；

s54、循环检测，直至第n轮检测完，则最终以平均奖励最高的信道作为最优的空闲信道。

进一步地，所述步骤s5中的信道空闲检测是通过判断信道信号的能量，若信道信号的能量低于门限值，则认为信道是空闲的，否则信道是忙碌的。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、体域网区别于其他无线网络，有一些其独特的特点，传统的网络间干扰的避免方法，不能满足体域网的可移动性的特点，而手机移动网络由基站统一分配管理，这在体域网中难以实现；因此，本发明使得体域网自适应地调节，通过各节点及协调器所收集的当前体域网与干扰有关的网络指标的信息，来判定是否受到干扰，然后进行信道选择及切换，所有的操作由网络自身完成，具有实时性和自适应性；

2、现有的跳频算法中信道的检测是每个信道检测固定的时间，这样平均的检测，将会浪费很多时间在差的信道的检测上，而且在信道检测时，网络无法通信，因此，检测信道耗时越长，对体域网数据的损失越大，影响越大；本发明通过建立最优信道检测的模型，用信道的空闲率作为信道好坏的评判依据，通过建立模型和算法快速找到最优的信道，使得体域网快速恢复正常通信，且保持高吞吐量和低时延。

附图说明

图1是本发明一种避免无线体域网间干扰的方法的步骤流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种避免无线体域网间干扰的方法，其步骤具体为：

s1、体域网内每个节点测量与统计与网络干扰有关的性能参数(包括退避次数与重传次数)，并将其发送给协调器；

s2、协调器接收网络内各个节点的网络干扰参数，将其转化为时延参数d，再根据各节点的时延以及节点的重要系数得到平均的网络时延dp；

s3、协调器通过其单位时间内成功接收的数据量得到当前信道的整个网络的吞吐量，通过成功接收的数据包的功率得到信号接收的rssi(receivedsignalstrengthindication接收信号强度)

s4、协调器将网络的吞吐量和rssi与网络的时延相结合，判断干扰强度；网络吞吐量越低，网络时延越大，受到的干扰越强，因此当时延大到超过一定值且吞吐量低到一定值时，认为干扰特别严重，可以通过阈值法判定是否干扰严重，如果受到干扰严重，进入下一步骤s5，否则回到步骤s1；

s5、协调器循环执行以下过程若干轮来搜寻最优信道：

s51、协调器设定总的信道检测轮数n以及总的检测信道数k，初始化每个信道的被选择次数和每个信道的平均奖励；

s52、每一轮检测，协调器以ε概率随机选择一个信道进行信道空闲检测，以1-ε的概率选择当前平均奖励最大的信道进行信道空闲检测；

s53、如果被选信道的信道空闲检测结果为空闲，则信道的被选择次数加1，信道的总奖励加r1；如果信道空闲检测结果为繁忙，则信道的被选择次数加1，信道的总奖励加r2；

s54、一直持续到若干轮检测完，则最终以平均奖励最高的信道作为最优的信道；

s6、协调器向该体域网所有的节点广播跳频信息，让整个网络调整到新的空闲信道上，回到步骤s1进行周期循环。

为了使得数据的准确性，本发明提供了一个具体的实例来操作上述步骤，具体为：

s1、传感器节点采用cc2530芯片，移植tinyos操作系统，传感器节点采集数据，每隔20ms向协调器传输一个大小为100字节的数据包，传输速率为40kbps。设定csma/ca中最大随机退避次数nbmax为3，最小退避指数bemin为2，最大的退避指数为5，每传输一个数据包在末尾添加两个字节的退避次数和重传次数的值；

s2、协调器利用计算式1和计算式2得到体域网的平均时延dp；

计算式1：

计算式2：

s3、协调器统计整个体域网的吞吐量t以及接收信号的强度rssi；

s4、设定时延阈值为dthreshold＝15ms，吞吐量时延阈值为tthreshold＝28packets,rssi的阈值rssithreshold为rssi正常通信值-60db,协调器判断是否吞吐量t>tthreshold&&时延dp>dthreshold&&rssi>rssithreshold,如果上述结果为真，则判定体域网受到严重的同信道体域网间的干扰，进入下一步骤s5；否则，回到步骤s1；

s5、设定探索信道为3，总的检测轮数为300，每轮执行一次信道空闲检测，每轮耗时为8个字节共128us，总检测时间为38ms，初始化每个信道的被选择次数和每个信道的平均奖励为0；每一轮检测，协调器以0.1概率随机选择一个信道进行信道空闲检测，以0.9的概率选择当前平均奖励最大的信道进行信道空闲检测；如果被选的信道空闲检测结果为空闲，则信道的被选择次数加1，信道的总奖励加1；如果信道空闲检测结果为繁忙，则信道的被选择次数加1，信道的总奖励不变；一直持续到300轮检测完，则最终平均奖励最高的信道为最空闲的信道；

s6、协调器向该体域网所有的节点广播跳频信息，让整个网络调整到新的空闲信道上，回到步骤s1进行周期循环。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。