本发明涉及无线通讯技术领域，具体涉及一种面向任务的低功耗无线网络的可靠信道分配方法。
背景技术：
在通信领域中，多信道通信被广泛用于提高低功耗无线网络(LPWN)的可靠性。对于面向任务的LPWN，数据传输通常需要在给定的截止时间之前交付，从而使截止时间驱动的信道分配成为一项重要任务。但是关于多信道分配的现有技术常常无法建立能够满足截止时间要求的频道分配方案。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种面向任务的低功耗无线网络的可靠信道分配方法。该方法同时考虑截止时间要求、链路质量和网络拓扑结构的相关性和相邻链路干扰的情况，既能够显著提高数据包接收率，同时没有额外的能量耗损。
本发明通过下述技术方案实现：
一种面向任务的低功耗无线网络的可靠信道分配方法，该方法包括：
步骤1：采用“两级式”信道分配方案；
步骤2：第一级分配：通过包内字节级RSSI值来获得不同RSSI距离的字节错误率之间的统计关系，从而通过字节错误率来计算链路质量；
步骤3：根据链路长度和干扰情况来确定路径优先级；
步骤4：给定一个路径及其在不同时隙和信道中的链路质量，使用罚函数法为此路径中的链路分配时隙和信道；
步骤5：第二级分配：在同一个传输周期内启用重传，并将第一级未分配的信道/时隙分配给需要重传的链路。
优选的，所述步骤2具体通过包内字节级RSSI值来获得不同RSSI距离的字节错误率之间的统计关系，从而通过字节错误率来计算链路质量，如下式所示：
式中，q为链路质量，bi表示第i个字节的字节错误率。
优选的，所述步骤3具体通过下式来确定路径优先级：
mi＝αli+(1-α)ci，式中，mi为路径i的优先级，li表示路径i的长度，ci表示路径i的冲突数量，α为权重参数。
优选的，所述步骤4中使用罚函数法为此路径中的链路分配时隙和信道具体为：
将分配问题转化为非线性规划问题并通过罚函数法进行求解，综合考虑截止时间、相邻链路的干扰和链路质量三个因素，以实现优先为最紧急、干扰最复杂的链路分配链路质量最高的时隙和信道。
优选的，所述步骤5中将未分配的信道/时隙分配给需要重传的链路具体包括：
5.1，将满足链路依赖关系和冲突约束的链路添加到对应时隙/信道的重传链路集中；
5.2，基于链路质量收益和重传机会将上述重传链路集中的链路进行排序，其中，链路质量收益的计算方法如下式：
pri＝(1-(1-qb)(1-qn))-qb，式中，pri为链路i的链路质量收益，qb表示该重传前的链路质量，qn表示该重传后的链路质量；
将重传链路集分成一系列子集，子集中的链路互不冲突，对于一个子集的链路质量收益prg表示为：
式中，G表示子集中的链路数；
5.3，确定上述重传链路子集的优先级mrg如下式：
式中，Ai表示子集中链路i可用的重传时隙/信道的数量，α为权重参数。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明采用“两级式”的信道分配方法，在信道分配之前，通过包内字节级RSSI值来获得不同RSSI距离的字节错误概率之间的统计关系，从而通过字节错误率来计算链路质量q,然后，根据路径的长度li和冲突路径的数量ci来计算路径优先级mi，对于给定一个路径及其在不同时隙和信道中的链路质量，我们使用罚函数法将分配问题解决为非线性规划问题，然后为此路径选择合适的时隙和信道。在第二级中，我们考虑重传概率并将在第二级中未分配的时隙分配给最合适的链路以在一个周期内容纳更多重传。
本发明重发时隙仅用于有损链路，并且没有额外的开销将会发生在没有丢包的良好链路上。与现有技术相比，本发明能够在截止时间之前显著提高数据包传输率，而不会产生额外的能耗。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
本实施例提供了本发明信道分配方法主要包括：将信道分配方案分成两级，第一级根据链路质量和截止时间要求以适当优先级分配时隙，第二级重新分配未使用的时隙用于未来的重传；在第一级中，通过包内字节级RSSI值来获得不同RSSI距离的字节错误概率之间的统计关系，从而通过字节错误率来计算链路质量；根据链路长度和干扰情况来确定路径优先级；给定一个路径及其在不同时隙和信道中的链路质量，本实施例将分配问题归约为非线性规划问题并使用罚函数法进行求解，然后为此路径选择合适的时隙和信道；在第二级中，在同一个传输周期内启用重传，并将第一级未分配的额外的信道或者时隙对分配给可能重传的有损链路。其中，
A.用包内字节级RSSI值来简洁评估链路质量：
1)具体的，本实施例使用32KHz定时器来测量包内字节级RSSI值。从包内RSSI值中，可以获得不同RSSI距离的字节错误概率之间的统计关系。当RSSI距离变大时，本实施例也可以推断错误率增加。通过字节错误率，可以进一步计算链路质量
式中，q为链路质量，bi表示第i个字节的字节错误率。
B.确定链路质量过后，由于本实施例是基于路径的信道分配方案，所以要确定路径的优先级，来确定把较高质量的链路分配给优先级较高的路径:
1)路径优先级。本实施例的方法迭代地为网络中的路径分配时隙和信道，直到所有路径被分配为止。本实施例提出了一种新的路径优先级度量，其中考虑了路径长度和干扰
mi＝αli+(1-α)ci，
式中，mi为路径i的优先级，li表示路径i的长度，ci表示路径i的冲突数量，α为权重参数。
1)基于链路质量的信道分配。本实施例的分配旨在截止时间之前最大化分组传送比率，这受到链路质量的影响，同时也受链路分配顺序和干扰的限制。本实施例综合考虑上述因素，提出了一下公式：
s.t.
符号反映链路l是否在时隙t和信道c上传输数据(表示不在，表示在)c；Pi为路径i中的链路集，T为可分配的时隙数量，C为可分配的信道数量；tl表示链路l的分配时间，tl+1表示链路l的下一跳链路的分配时间，d为截止时间；As为已分配的链路集。
第一个约束为：链路l分配的时间必须在其下一跳链路之前；
第二个约束为：链路l分配的时间必须大于0小于截止时间；
第三个约束为：在时隙t和信道c上，如果链路m的接收端(receiver)可以侦听链路l的信号，那么链路m就不能分配到时隙t和信道c上，即
第四个约束为：如果链路m和链路l是相邻的(有公共节点)，那么他们不能在同一时间内发送数据，即
给定一个路径及其在不同时隙和信道中的链路质量，本实施例将分配问题归约为非线性规划问题并使用罚函数法进行求解，然后为此路径选择合适的时隙和信道。
C.为了在截止时间前进一步提高分组传输率，本实施例利用未使用的时隙和信道进行重传。首先，本实施例为每个时隙和信道找到可用的重传链路。如果链路满足序列和冲突要求，则将其添加到此时隙/信道的重传链路集中。在第二步中，上面的链路被分成无冲突排序的子集。然后选择最佳子集用于重传分配。排序过程基于两个因素，即链路质量收益和转发机会：
1)对于重传集合中的链路，本实施例可以得到如下重传的链路质量收益：
pri＝(1-(1-qb)(1-qn))-qb，
式中，pri为链路i的链路质量收益，qb表示该重传前的链路质量，qn表示该重传后的链路质量。
2)将重传链路集分成一系列子集，子集内的链路互不干扰(冲突)，对于一个子集的链路质量收益prg表示为：
式中，G表示子集中的链路数。
D.本实施例综合考量，提出了一个具体的度量标准来确定上述重传链路子集的优先级mrg如下式：
式中，Ai表示子集中链路i可用的重传时隙/信道的数量，α为权重参数。有了这个度量标准，更高好的质量利润和更少重发机会的子集就可以提前服务。
E.此外，本实施例将这种面向任务的低功耗无线网络的可靠信道分配方法扩展为分布式算法，其中每个节点只需要来自其单跳邻居的信息直到模型完善。首先，每个节点通过定期交换信标，记录所有可用信道中的下一跳的链路质量。如果一个节点有待发送的数据包，它将优先选择链路质量最高的信道，并将其自身的优先级与该信道上的邻居节点的优先级进行比较。如果它的优先级最大，它立即传输数据包。否则，它将切换到另一个通道，并比较新的优先级。如果所有信道都不可用，它会抑制传输直到下一个时隙。此外，如果发生传输失败，节点将考虑重传成本来更新其优先级。
本实施例针对不同的路径和信道提出了一种新的优先信道分配方案，综合考虑了截止时间要求，链路质量和网络拓扑结构。
本实施例中分配旨在截止时间之前最大化数据传输率。由于链路质量变化，数据包不能总是到达汇聚节点。为了在截止时间前进一步提高数据传输率，本实施例利用未使用的时隙和信道进行重传，采用TOSSIM仿真，结果显示71％的节点重传了两次及其以上，因此考虑重传是必要的。为每个时隙和信道找到可用的重传链路，基于链路质量收益和重传机会将重传链路排序，然后选择更高链路质量收益和更少重传机会的子集优先重传。本实施例在相同的传输周期内启用重传，并将额外的信道/时隙对分配给可能重传的有损链路，并不会产生额外的能耗。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。