一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信领域，尤其涉及基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法。
【背景技术】
[0002]在人口基数大且老龄化越来越严重的中国，用于医疗保健方面的人力、物力资源日益短缺，迫切需要研究新方法解决老人的健康监护问题。以人体为中心的无线体域网由部署在体内、体表的传感器实时监控人体的生理指标，并通过网络中的协调器无线传送给远程终端处理，避免了设备之间连线对病人活动的影响，不失为高血压、糖尿病等老年病的一种最佳解决方案。此外，其还可以满足人们对体感游戏、运动情况监测等日常生活方面的需求。因此无线体域网在医疗支持、健康状况监控和消费电子等领域有着越来越广泛的应用前景，受到了前所未有的重视。
[0003]无线体域网作为一种服务于人体健康的监测型技术，涉及生命安全，对可靠性要求较苛刻，而对于像中国这类人口众多的国家，网间干扰问题势必比较严重，因此，有必要研究体域网的网间干扰避免机制，尤其是中国养老院、医院病房等体域网设备使用更为集中情形下的干扰抑制问题。
[0004]目前基于物理层的网间干扰避免方案主要有功率控制及跳频等方案，而基于MAC层的方案主要有分布式或集中式的网间组网方案，这些方案大多存在干扰避免机制效果不理想、无线体域网个数受限、负载较大等问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，为克服现有技术的缺陷，提供一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法。
[0006]本发明提供的一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法，其特征在于:将应用场景抽象为具有星型拓扑结构的两级网络模型，根据该模型设计嵌套的复合超帧、改进相关帧的结构，并给出该复合超帧下的通信机制。
[0007]上述场景特征为:类似于医用物联网下的养老院、医院病房等网络设备使用较为集中、网络拓扑可抽象为两级网络架构的应用场景。
[0008]为了便于描述，下面基于医用物联网来描述该方法。
[0009]上述两级网络模型特征为:
[0010]将各个无线体域网的协调器称为子协调器，其发送的信标帧称为子信标帧。每个无线体域网内的各个节点与其子协调器之间构成二级子网，各个网络的子协调器与总协调器之间构成一级子网。不同级子网之间为透明传输。
[0011]上述嵌套复合超帧结构包含总信标期、协调器竞争期、子信标期、独占接入期、随机接入期和非竞争期。总信标期用于总协调器向各个子协调器发送总信标帧。协调器竞争期用于子协调器之间通过发送协调器竞争帧与竞争确认帧来竞争序号。该序号既决定了子协调器于子信标期发送子信标帧的顺序，又决定了二级子网于非竞争期获得时隙的情况:如果实际场景中无线体域网的个数L不大于非竞争期中子非竞争期的个数M，则所有二级子网在非竞争期均按照竞争到的顺序占用子非竞争期进行通信，如果实际场景中无线体域网的个数L大于非竞争期中子非竞争期的个数M，则只有竞争到序号I至M的二级子网按序号顺序占用子非竞争期，而其他二级子网不能使用任何一个子非竞争期。子信标期用于二级子网中的各个子协调器按其竞争到的序号依次向其各自的节点广播子信标帧，其包含N个子时隙，N代表该两级网络在某个有限的物理空间区域中最多所能容纳的无线体域网数量。上述的帧结构包含总信标帧、协调器竞争帧、竞争确认帧、子信标帧、连接管理帧。总信标帧在现有信标帧的基础上增加组ID字段、子信标期起始时刻字段和子非竞争期个数字段，其中组ID字段为接收该总协调器调度的二级子网以及总协调器所组成的组ID;子信标期起始时刻字段表示子信标期的开始时间；子非竞争期个数字段为子非竞争期的个数，其个数为M，表示将复合超帧中的非竞争期均分为M个子非竞争期，即该机制下每个复合超帧中最多有M个二级子网通过竞争可以获得子非竞争期的使用权，一般N大于等于M。协调器竞争帧在现有立即确认帧的基础上优化，增加了组ID字段，竞争确认帧在现有立即确认帧的基础上优化，增加了组ID字段、竞争序号字段，其中组ID字段的含义与总信标帧中组ID字段含义相同，竞争序号字段表示子协调器竞争到的序号。子信标帧在现有信标帧的基础上优化，使用其中的MAC参数字段中保留的Ibit以表示该二级子网在下一个超帧中是否可以占用非竞争期。连接管理帧在现有连接管理帧的基础上优化，增加子非竞争期的开始时刻字段及子非竞争期结束时刻字段，用于表示该网络的非竞争期的起止时刻。
[0012]与现有技术相比，本发明技术优势在于:
[0013]解决类似于养老院、医院病房等网络设备使用较为集中、网络拓扑可抽象为两级网络架构情形下的网间干扰问题，该方法能够有效地避免网间干扰，改善丢包率、吞吐量等性能。
【附图说明】
[0014]图1是两级网络拓扑图；
[0015]图2是基于两级网络的嵌套复合超帧结构；
[0016]图3是总信标帧的帧结构；
[0017]图4是协调器竞争帧的帧结构；
[0018]图5是竞争确认帧的帧结构；
[0019]图6是子信标帧的帧结构；
[0020]图7是连接管理帧的帧结构；
[0021 ]图8是各个二级子网信道占用情况示意图；
[0022]图9是嵌套复合超帧结构下的通信流程。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对技术方案进行详细阐述。
[0024]本发明实例提供了一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免机制。
[0025]本发明实例将应用场景抽象为具有星型拓扑结构的两级网络模型，根据该模型设计嵌套的复合超帧结构，并给出该结构下的通信机制。
[0026]通过本发明实例可以有效避免多个网络共享同一信道时的网间干扰，改善丢包率、吞吐量等性能，在提尚网络的可靠性的同时，提尚广品的用户体验。
[0027]本发明实例主要是针对类似于养老院、医院病房等这类应用场景提出解决方案，其一般都会在室内部署与协调器功能类似的总协调器。本发明实施例拟利用该总协调器统一调度各个网络的协调器，并通过协调器间相互竞争的方式使用信道资源，从而协调各个网络占用信道的时间，达到避免网间干扰的目的。
[0028]基于养老院活动室、医院病房等这类场景构建的两级网络拓扑结构如图1所示。为便于描述，将各个网络的协调器称为子协调器，其发送的信标帧称为子信标帧。其中，每个网络内的各个节点与其子协调器之间构成二级子网，各个二级子网的子协调器与总协调器之间构成一级子网。不同级子网之间为透明传输。
[0029]总协调器决定复合超帧及其各个时期的起止时间，并协调各个二级子网占用信道的时间及顺序。各个二级子网能否于非竞争期占用信道及占用顺序均通过子协调器之间的相互竞争并由总协调器最终决定。
[0030]两级网络构成如图2所示的嵌套的复合超帧结构。其中总信标期、协调器竞争期用于一级子网的通信，子信标期、独占接入期、随机接入期、非竞争期用于二级子网的通信。本发明实施例将非竞争期均分为多个子非竞争期，然后由子协调器根据其在一级子网中竞争到的顺序，将某个子非竞争期分配给其所属二级子网内的节点，同时所有二级子网内部节点均以CSMA/CA方式竞争使用独占接入期及随机接入期，完成相应通信。
[0031]为了便于描述，本发明实例将基于IEEE802.15.6协议来介绍该两级网络的通信机制，以字段为单位对相关帧进行改动，改动部分在帧结构图中以斜体及阴影表示，而其余部分均采用IEEE802.15.6协议通信。该机制下所做的改动同样适用于4n/4j等其他体域网标准的帧结构。
[0032]总信标期用于总协调器向各个子协调器发送总信标帧，其帧结构如图3所示，其中，组ID字段为接收该总协调器调度的二级子网以及总协调器所组成的组ID;子信标期起始时刻字段表示子信标期的开始时间；子非竞争期个数字段为子非竞争期的个数，其个数为M，表示将复合超帧中的非竞争期均分为M个子非竞争期，即该机制下每个复合超帧中最多有M个二级子网通过竞争可以获得子非竞争期的使用权，一般N大于等于M，N代表该两级网络在某个有限的物理空间区域中最多所能容纳的无线体域网数量，根据该N值确定子信标期的子时隙数。
[0033]协调器竞争期用于子协调器之间竞争序号。该序号既决定了子协调器于子信标期发送子信标帧的顺序，又决定了二级子网于非竞争期获得时隙的情况。在此期间，子协调器、总协调器分别发送本发明实施例根据现有断开连接帧(Disconnect frame)设计的简短的协调器竞争帧(Hub Contend frame)、竞争确认帧(Contend Ack frame)。此两种帧的帧结构如图4、图5所示，其中，竞争确认帧的帧体中包含竞争序号(Contend SequenceNumber)字段，表示子协调器竞争到的序号。
[0034]子信标期用于二级子网中的各个子协调器按其竞争到的序号依次向其各自的节点广播子信标帧。其中，MAC参数(MAC Capability)字段中在IEEE802.15.6协议中原本预留了 4bit字段未用，本发明实施例利用其中的Ibit表示该二级子网在下一个超帧中是否可以占用非竞争期。由于不同级子网之间为透明传输，二级子网内的节点并不知道一级子网层关于复合超帧的时间分配情况，仅通过其子协调器发送的子信标帧获取各个接入时期的起止时间，因此子信标帧中仍包含随机接入期起始时刻、随机接入期结束时刻两个字段，且字段的值与总信标帧中的对应字段的值相同，但子信标帧中不需要告知节点子非竞争期的起止时隙，因为节点在竞争非竞争期中的时隙时仅申请所需的时隙长度，而具体的时隙安排由子协调器完成。对于竞争到序号i的二级子网，其非竞争期起始时刻、非竞争期结束时刻分别如公式(1)(2)所示:第i个子非竞争期起始时刻=随机接入期结束时刻+(1-1) X每个子非竞争期的长度(I)第i个子非竞争期结束时刻=随机接入期结束时刻+i X每个子非竞争期的长度(2)
[0035]其中当竞争到序号i的二级子网内某个节点于随机接入期向子协调器申请非竞争期中上传数据的时隙时，子协调器通过如图7所示的连接管理帧(connect Assignmentframe)为其安排第i个子非竞争期中的时隙，如果该节点获得第i个子非竞争期内第m至第η个时隙，则子协调器通过该连接管理帧中的时间段起始时刻(Interval Start)字段、时间段结束时刻(Internal End)字段为其分配的非竞