专利名称：一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法
技术领域：
本发明涉及网络通信MAC协议优化技术领域，具体涉及一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法。
背景技术：
无线传感器网络作为一种新型的网络和计算技术，它可将客观世界中不断变化的信息传递给人们，为人们提供各种形式的数据与服务。无线传感器网络具有自适应性、抗毁性、容易部署和低成本等优点，在环境监测、工矿企业信息收集、恶劣环境数据收集、军事与国防应用领域有着广泛的应用。IEEE802. 15. 4协议是一种低功耗、短距离、低速率、低复杂度的无线接入协议，是目前无线传感器网络中的主要MAC协议，极具发展前景。隐藏节点问题是IEEE802. 15. 4网络普遍存在的问题，802. 15. 4网络的节点数量大，分布随机性强，研究表明，在节点随机分布的网络中，发生隐藏冲突的概率高达41%，频繁的隐藏冲突导致大量的消息重传，不仅会降低网络的吞吐量和增加端到端通信延时，而且会导致大量无谓的能量消耗，大大降低整个网络的生存周期。无线传感网络节点所携带的能量是有限的且大都不可补充，节能是无线传感器网络首要考虑的问题。隐藏冲突所造成的网络性能下降和大量能源无谓消耗是802. 15. 4亟待完善的问题。针对隐藏冲突问题，目前已有多种解决方案提出，但均存在一定的弊端和局限。Zigbee是基于IEEE802. 15. 4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。当多个节点向协调器节点发送数据时，数据包会在协调器端产生叠加，如图1所示，这种数据包重叠有起始部分重叠和部分重叠两种情况。由于起始部分重叠只有在节点选择同一时刻发送数据才会发生，而部分重叠在整个数据发送过程中都会发生，显然部分重叠发生的概率要远远高于起始部分重叠。在协调器接收到的部分叠加的数据包中，有一部分信息未被损坏，我们可以提前取出来，并加以利用。现有的技术方案及弊端如下所述
1)引入RTS/CTS握手协议。在802. 11协议中，使用RTS/CTS握手协议可以很好地消除隐藏冲突。而在802. 15. 4协议中，由于802. 15. 4 MAC帧较小，如果引入RTS/CTS握手协议，那么发送RTS/CTS包产生冲突的可能性与传送数据帧一样，采用RTS/CTS机制既不能有效地抑制隐藏冲突，还会导致多余的能量消耗。因此RTS/CTS握手协议不适用与802. 15. 4网络。2)busy tone。除了用RTS/CTS机制来抑制隐藏冲突外，另外一个解决隐藏冲突问题的方法是busy tone，它们大多以RTS/CTS为基础，需要额外的频道传送busy tone信号，因此需要在硬件上增加额外的无线收发器，增加硬件的成本。一些研究则在不增加额外的频道情况下使用busy tone的概念，但是网络中的节点为接收busy tone信号必须时常打开接收器，因此造成多余能量的消耗，不适应于无线传感器网络这种能量严格受限的应用。3)控制发送功率。利用控制发送功率的方法来减少隐藏冲突问题，但是提高发送功率的会增加接收端受干扰的范围，而且，提高发送功率也增加了节点的能量消耗。4)分组策略。Hwang等提出了一种用于时隙802. 15. 4的分组的策略，该策略根据节点间的隐藏关系把节点划分为N个只有竞争冲突的组(N<=6)，然后将CAP均勻分成N个时间片，组内节点只能在规定的时间片内竞争发送数据。但如果某一时间片所属的组没有节点要发送数据，其他组也不能使用该时间片。该策略的主要问题是算法的消息复杂度高，会消耗节点大量能量，尽管还有一些方法来降低消息复杂度，但这种策略都不适应节点移动的场景；另外一些研究则针对某些应用节点发送数据，提出不均勻的时间片划分方法。5)p-frozen策略。该策略假设协调节点能够从因隐藏冲突破损的帧中提取出地址和长度信息，然后由协调节点给相应的节点分配GTS时间片，该节点将在专用的GTS时间片往协调节点发送数据。然而，P-frozen算法节点还需要有退出GTS的操作，如果在节点发送数据量不大的情况下，频繁的加入和退出GTS，会导致能耗增加。如图2所示，P-Fr0zen策略假设协调器节点可以从部分叠加而破损的帧中提取出头部的地址信息和帧长信息，然后由协调节点给相应的节点分配专用的GTS时间片，并通知该节点，让该节点在专用的GTS时间片发送数据。
发明内容
本发明的主要目的在于解决隐藏冲突对整个网络性能的影响，在减少无谓的能量消耗的同时，提高网络的吞吐量和生存周期。为实现上述目的，本发明公开了一种基于冲突识别和分组的隐藏冲突避免方法(HNCDAS =Hidden Node Collision Detection and Avoid Strategy)。该方法采用隐藏关系识别方式，从冲突数据帧中提取出隐藏节点地址信息，接着依据获得的隐藏关系，将节点动态地调整到不同的竞争组，竞争组内的节点在同一周期仍按照二进制后退方法竞争发送消息，而不同的竞争组在不同的时隙发送消息，从而彻底解决隐藏冲突问题。本发明采用的技术方案如下所述
一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，具体包括如下步骤
1)初始化在网络初始化阶段，假设所有节点都不存在隐藏冲突关系，将所有节点都归并在同一组；
2)隐藏冲突关系识别在节点通信过程中，当两个节点的数据包发生隐藏冲突时，从冲突数据帧中提取出隐藏冲突的两个节点的信息；
3)动态分组根据步骤2)提取出的节点信息，将发生隐藏冲突的节点划分到不同的竞
争组；
4)组间合并在组与组间检测内部所有节点，如果没有隐藏冲突则将其进行合并。如图3所示，让节点发送数据包时在尾部额外增加2个字节，这样，节点的信息同时存放在数据包的头部和尾部。所述节点的信息包括源地址、帧长和CRC。其中，CRC信息用于校验源地址信息是否被破坏。所述步骤2)隐藏冲突关系识别，当两个数据包发生隐藏冲突时，协调器可从接收到的部分破损数据包的头部和尾部分别提取出这两个节点的地址，这两个地址构成一对隐藏关系。从而使协调节点能够识别出到底是哪两个节点发送隐藏冲突，协调器节点保存该隐藏关系，并启动步骤3)动态分组，根据先前的隐藏关系，将节点划分到不同的分组，实现彻底消除隐藏节点的目的。所述步骤3 )动态分组包括
3. 1)如果一个竞争组中的两个节点发生冲突，则将其中一个节点从当前所在的组中清除，然后从其他竞争组中选出与之不存在隐藏关系的组，将该节点加到所选的组去；如果这样的组不存在，则新建一个竞争组，然后将该节点加入；
3. 2)分别检查当前两个节点与其他竞争组的隐藏冲突关系，如果存在节点与5个以上的组都存在隐藏冲突关系，则说明该节点位置发生了移动，清除该节点与其他节点的关系。需要说明的是，并不是数据部分叠加就一定能提取出隐藏关系，例如在图3中，节点2发送的时间往前提前，则有可能把节点1的地址信息也给覆盖掉；或者节点1的数据帧较长，覆盖了节点2的数据帧尾。如果提取不出隐藏关系，则不启动动态分组。本发明与现有的解决方案相比，具有额外开销少、消息复杂度低、动态调整等优点，节点分组没有额外的隐藏关系搜索过程，不需要借助额外的广播帧来获取隐藏关系。本发明是在节点间数据通信过程中动态进行，可根据通信的状况(如节点的加入、移除、位置改变等情况)进行自适应调整，更贴近实际应用。在数据传递率、吞吐率和能量利用率都有明显的提高。
图1为两种数据重叠的情况示意图，其中(a)为起始部分重叠，(b)为部分重叠。图2为现有技术P-Frozen信息提取策略示意图。图3为本发明的冲突信息提取策略示意图。图4为实施例1的各阶段动态分组示意图。图5为从受损数据中提取发生碰撞的节点地址示意图，其中(a)为实施例1，(b)为实施例2示意图。图6为实施例2的各阶段动态分组示意图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。实施案例1 工业监控现场
工业监测现场必须做到安全、及时、稳定、灵活。对于监控过程中采集到的各散布的危化品状况以及周边环境的状况，必须实时可靠地传输到中心节点进行统一处理，做到安全监控和警报。本发明能够将散布在监测区域的各WSN节点数据很好地采集起来，避免隐藏节点的关系导致数据的碰撞丢失，提高整个网络的数据传输的稳定性和可靠性。1、设计WSN节点，该WSN节点由传感器模块、处理器模块、无线传输模块组成，其中，传感器模块负责监测工业现场的环境系数，处理器负责对监测到的环境系数进行简单处理，无线传输模块负责节点间的数据传递。
2、将WSN节点以一定密度随机散落在工业现场监控区域。如图4 (a)所示，该工业现场有7个监控节点，存在五个隐藏节点组，分别是{{1,2},⑶，{4，5}，{6}，{7}}
3、启动节点，初始化整个无线传感器网络。一开始假设所有节点都是属于同一个组。在初始阶段，动态分组方法将这7个节点将划分到一个竞争组G ={{1，2，3，4，5，6，7}}，隐藏关系如表1所示。
权利要求
1.一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，其特征在于包括如下步骤初始化在网络初始化阶段，假设所有节点都不存在隐藏冲突关系，将所有节点都归并在同一组；隐藏冲突关系识别在节点通信过程中，当两个节点的数据包发生隐藏冲突时，从冲突数据帧中提取出隐藏冲突的两个节点的信息；动态分组根据步骤2)提取出的节点信息，将发生隐藏冲突的节点划分到不同的竞争组；组间合并在组与组间检测内部所有节点，如果没有隐藏冲突则将其进行合并。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，其特征在于所述步骤2)节点的信息同时存放在数据包的头部和尾部。
3.根据权利要求2所述的一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，其特征在于所述节点的信息包括源地址、帧长和CRC。
4.根据权利要求3所述的一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，其特征在于所述CRC用于校验源地址信息是否被破坏。
5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，其特征在于所述步骤3)动态分组包括3. 1)如果一个竞争组中的两个节点发生冲突，则将其中一个节点从当前所在的组中清除，然后从其他竞争组中选出与之不存在隐藏关系的组，将该节点加到所选的组去；如果这样的组不存在，则新建一个竞争组，然后将该节点加入；3. 2)分别检查当前两个节点与其他竞争组的隐藏冲突关系，如果存在节点与5个以上的组都存在隐藏冲突关系，则说明该节点位置发生了移动，清除该节点与其他节点的关系。
6.根据权利要求5所述的一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法，其特征在于竞争组内的节点在同一周期按照二进制后退方法竞争发送消息，而不同的竞争组则在不同的时隙发送消息。
全文摘要
隐藏节点问题是导致IEEE802.15.4协议性能下降的一个重要因素，提出了一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法。本发明将IEEE802.15.4的CFP周期划分为多个等分时隙，从隐藏冲突导致的部分破损帧中提取出隐藏节点地址信息，依据当前获得的隐藏关系动态的将节点调整到不同的竞争组，竞争组内的节点在同一周期仍按照二进制后退方法竞争发送消息，而不同的竞争组在不同的时隙发送消息，从而彻底解决隐藏冲突问题。与其它隐藏冲突解析方法相比，基于冲突识别和分组的隐藏冲突避免方法具有额外开销少和动态调整等优点,在数据传递率、吞吐率和能量利用率方面都有明显的提高。
文档编号H04W24/02GK102572892SQ20111040702
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者李拥军, 苏悦洪, 谢嵘, 邹少聪 申请人:华南理工大学