基于事件响应的信道资源调度策略的制作方法

本发明涉及无线网络通信
技术领域：
的信道资源调度策略，尤其涉及基于事件响应的信道资源调度策略。
背景技术：
：单信道无线传感器网络中节点使用单一频率进行通信，造成通信竞争剧烈，相互干扰严重，网络延迟大等缺点。无线传感器网络中事件触发时，相关节点对事件做出响应。节点交换数据之前需要检测信道是否可用，若信道已被占用则延迟一段时间再次检测，直到信道空闲之后再进行通信协商并交换数据，若存在多个节点同时产生通信的需求，则网络整体延迟时间将急剧增加。此时若其他信道处于空闲状态，则无形中造成了频谱资源的浪费。同时，单信道网络中信道协商效率低下，加剧了网络延迟和信道利用率低的问题。另外当网络使用的信道受到外界严重干扰时整个网络将面临瘫痪的危险，单信道通信无法提供可靠、高效、实时的网络通信。技术实现要素：本发明目的在于提供一种缓解通信竞争、降低网络延迟、提高网络带宽和吞吐量、保障网络可靠运行的基于事件响应的信道资源调度策略。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述策略中，网络节点分为中心节点cn(centernode)和普通节点；网络中所有节点都处于一跳范围内，即所有节点都可以直接通信；所述中心节点配备三个射频模块且三个射频模块固定使用相应的三个频谱间隔最大的信道；所述普通节点配备两个射频模块，每个射频模块在中心节点三个射频模块的三个信道中动态切换，在三个信道中选取一个信道作为控制信道；普通节点需要传送数据时，需要与中心节点通过控制信道交换rts帧和cts帧来协商普通节点发送或接收数据所占用的信道和时间，控制信道可作为普通信道供节点进行数据传输使用，之后重新选择控制信道。进一步的，所述信道资源调度策略包括以下步骤：步骤1，所有普通节点切换到初始控制信道；步骤2，中心节点广播anc帧，声明控制信道所在信道，及其状态是否为可用；所有普通节点将没有通信任务和刚完成通信任务的射频模块的信道切换至anc帧所指示的控制信道；步骤3，节点有通信计划任务的射频模块，即已接收到cts帧(wait＝1)但尚未传送数据的模块在接收到anc帧后在当前信道开始通信；步骤4，中心节点利用每个信道对应的射频模块监控信道上通信任务的进程，当信道上通信结束后，广播一个anc帧；步骤5，事件触发，相关节点做出响应，产生待传送给目标节点的数据；步骤6，每个有待传送数据的节点根据之前收到最新的anc帧判断当前控制信道所在的信道，及控制信道是否可用；若当前控制信道不可用，则等待接收新的anc帧；若当前控制信道可用，则根据csma-ca机制向中心节点发送rts帧，等待接收cts帧；若节点在一个时间阈值内未接收到cts帧则重新进行步骤6；步骤7，中心节点收到某节点a发送的rts帧后，解析其目标节点b；查询调度表，若目标节点b已建立两个通信任务，则拒绝该次发送请求，不做回应；否则，判断当前是否存在空闲信道：1)若当前存在空闲信道chi，则将节点a和目标节点b以及a请求的时长记录在chi的表单中；中心节点发送cts帧给a和b，cts帧中ch_index位域的值为chi，wait位域的值为0，表示它们切换到信道chi后立即进行数据传送；节点a和b收到信息后，切换至信道chi开始工作，进入步骤4；2)若当前不存在空闲信道，则查阅调度表中所有信道的占用时间(chj_time)，选取最短的chj_time所在信道chj，并将chj_time与阈值time_threshold比较；(2-1)若chj_time小于time_threshold，则将节点a和b标记在信道chj下，将时间也记录下来；中心节点cn发送cts帧(ch_index＝chj；wait＝1)给节点a和b，表示它们切换到信道chj后不能立即通信，而是要等待接收中心节点发送的anc帧，进行步骤3；(2-2)若chj_time不小于time_threshold，则将节点a和b标记在当前控制信道下；此种情况就需要切换控制信道；中心节点发送cts帧(ch_index＝ctrl_ch；wait＝1)给节点a和b，表示它们保持在当前信道但不能立即通信，而是要等待接收anc帧，进行步骤3；之后中心节点广播anc帧，ctrl_ch为此时chi_time值最小的信道，delay的值不为0，表示控制信道不可用，进行步骤2。进一步的，所述中心节点配备三个射频模块组成射频单元，所述普通节点配备两个射频模块组成普通节点射频单元，所述中心节点射频单元有如下三种工作模式：模式1，工作在控制信道，首先发送一个delay值为0的anc帧声明控制信道可用，之后与普通节点交换命令帧；模式2，工作在数据信道，负责中心节点与普通节点之间的数据传送；模式3，负责侦听其所在信道，当这个信道上通信的节点工作结束后，发送anc，普通节点的射频单元在没有通信任务的时候要保持在控制信道，通信的时候是相互独立的，它们之间不会产生影响，这样一个普通节点就可以同时建立两个通信任务。进一步的，为了解决多信道通信中的广播问题，使网络中所有节点了解到控制信道变换的情况，定义一种新的广播帧anc(announcement)，所述广播帧anc包含当前控制信道的状态信息，同时广播帧anc取代了cts帧的部分功能；进行资源调度所定义rts帧格式如表1、cts帧格式如表2、anc帧格式如表3：表1rts帧格式表2cts帧格式表3anc帧格式表中，ctrl_ch表示被指定的新的控制信道，delay的值决定新的控制信道是否可用，delay的值为0时，新的控制信道可用，非0则不可用，没有通信任务的普通节点保持静默，等待接收下一个delay值为0的anc帧后才认定控制信道有效，如果节点的状态为已经接收cts帧，正在等待通信，则当其收到anc帧后立即开始通信；否则，anc帧则代表包含切换控制信道信息的命令帧cts帧中ch_index表示中心节点为src_addr和dst_addr分别代表的发送节点和接收节点分配的信道，wait控制该对节点切换到目标信道之后是否立即开始通信，若否，则等待接收anc帧之后开始通信；wait为1则cts帧中src_addr和dst_addr分别代表的发送节点和接收节点在切换至ch_index所表示的信道之后进入等待通信状态，接收到anc帧后开始通信，wait为0则切换至分配的信道后立即开始通信。中心节点维护一个信道调度信息表，该表包含了每个信道是否为控制信道、占用时长、占用节点等信息，在接收到子节点新的发送请求时，中心节点根据此表的信息来分配信道和时隙，见表4，其中未标记灰色的部分是正在进行通信的任务，标记灰色的部分为正在等待通信的计划任务，表4中心节点信道调度表chanelch1_1ch1_2ch2_1ch2_2ch3_1ch3_2ctrl_chyes/no/no/time/timetimetimetimetimetx/node_anode_cnode_anode_cnode_erx/node_bnode_dnode_dnode_enode_f工作过程大致如下：多信道无线网络可以让网络内的节点利用多个信道同时进行通信，有效提高网络带宽和吞吐量并缓解网络延迟问题。针对一跳范围内的多信道通信事件监测网络，设计了基于多射频模块的信道资源调度策略。利用现有标准硬件，设计多射频模块统一协调工作的复合模块可以达到节点同时刻多信道并行数据传输的目的。以时分复用和频分复用技术为基础，采用信道集中分配的策略简化信道分配过程、避免同频干扰，灵活调度信道资源，最终有效地降低网络延迟、增加通信带宽和网络吞吐量，进而提高网络实时性和可靠性。与现有技术相比，本发明具有如下优点：1、采用信道集中分配的策略，简化了信道分配过程，提高信道协商效率，避免了隐藏节点的问题；2、以时分复用和频分复用技术为基础，提出控制信道可变的方法，灵活调度信道资源，充分提高了信道资源利用率的同时还解决了多信道网络中的广播问题；3、利用多射频模块协调工作的复合模块，实现节点同时刻多信道并行数据传输，极大的提高通信效率。附图说明图1为本发明中多射频模块构成的无线通信系统。图2为本发明中节点通信流程示意简图。图3为本发明中信道资源调度流程示意图。图4为本发明中信道及时隙分配示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步说明：所述策略中，网络节点分为中心节点cn(centernode)和普通节点；网络中所有节点都处于一跳范围内，即所有节点都可以直接通信；所述中心节点配备三个射频模块且三个射频模块固定使用相应的三个频谱间隔最大的信道；所述普通节点配备两个射频模块，每个射频模块在中心节点三个射频模块的三个信道中动态切换，在三个信道中选取一个信道作为控制信道；普通节点需要传送数据时，需要与中心节点通过控制信道交换rts帧和cts帧来协商普通节点发送或接收数据所占用的信道和时间，控制信道可作为普通信道供节点进行数据传输使用，之后重新选择控制信道。网络中节点使用多射频单元协作的复合模块，相互之间可以直接进行无需中心节点转发数据，如图1所示。信道资源由中心节点集中分配，普通节点需要传送数据时，需要与中心节点通过控制信道交换rts帧和cts帧来协商其发送或接收数据所占用的信道和时间，如图2所示。为了解决多信道通信中的广播问题，使网络中所有节点了解到控制信道变换的情况，定义一种新的广播帧anc(announcement)，所述广播帧anc包含当前控制信道的状态信息，同时广播帧anc取代了cts帧的部分功能；进行资源调度所定义rts帧格式如表1、cts帧格式如表2、anc帧格式如表3：表1rts帧格式表2cts帧格式表3anc帧格式表中，ctrl_ch表示被指定的新的控制信道，delay的值决定新的控制信道是否可用，delay的值为0时，新的控制信道可用，非0则不可用，没有通信任务的普通节点保持静默，等待接收下一个delay值为0的anc帧后才认定控制信道有效，如果节点的状态为已经接收cts帧，正在等待通信，则当其收到anc帧后立即开始通信；否则，anc帧则代表包含切换控制信道信息的命令帧，cts帧中ch_index表示中心节点为src_addr和dst_addr分别代表的发送节点和接收节点分配的信道，wait控制该对节点切换到目标信道之后是否立即开始通信，若否，则等待接收anc帧之后开始通信；wait为1则cts帧中src_addr和dst_addr分别代表的发送节点和接收节点在切换至ch_index所表示的信道之后进入等待通信状态，接收到anc帧后开始通信，wait为0则切换至分配的信道后立即开始通信。中心节点维护一个信道调度信息表，该表包含了每个信道是否为控制信道、占用时长、占用节点等信息，在接收到子节点新的发送请求时，中心节点根据此表的信息来分配信道和时隙，见表4，其中未标记灰色的部分是正在进行通信的任务，标记灰色的部分为正在等待通信的计划任务，表4中心节点信道调度表chanelch1_1ch1_2ch2_1ch2_2ch3_1ch3_2ctrl_chyes/no/no/time/timetimetimetimetimetx/node_anode_cnode_anode_cnode_erx/node_bnode_dnode_dnode_enode_f本实施例基于本发明的信道资源调度策略进行实施，具体的操作过程如下：步骤1，所有普通节点切换到默认的控制信道，中心节点的三个射频模块分别固定对应一个信道。其中对应当前控制信道的射频单元广播一个anc帧，声明控制信道为当前信道，且状态为可用；步骤2，某节点a产生待传送数据，根据csma-ca机制在控制信道上向中心节点发送一个rts帧，说明数据传送目标节点以及占用时长，等待接收cts帧；若超过时间阈值仍未收到cts，则延迟一段时间再次发送rts。步骤3，中心节点首先判断目标节点是否已建立两个通信任务，若有则目标节点不可用，中心节点不回复cts帧；若可用，中心节点对信道和时隙进行调度，决策过程如图3所示，具体描述如下：1)若当前存在空闲信道，则中心节点回复cts帧，节点和目标节点收到cts帧后进入所分配的信道立即开始通信，如图4中纯灰色部分和横线部分；2)若当前不存在空闲信道，则查阅调度表中所有信道的占用时间，选取占用时间最短的信道，并将占用时间与设定的阈值比较：(2-1)若该信道占用时间小于时间阈值，则中心节点回复cts帧，记录该计划任务。节点和目标节点收到cts帧后切换到所分配的信道但不进行通信，等待接收中心节点发送的anc帧后才开始传输数据，如图4中斜线部分；(2-2)若该信道占用时间不小于时间阈值，则中心节点回复cts帧，记录该计划任务。节点和目标节点收到cts帧后保持在当前信道但不进行通信，等待接收中心节点发送的anc帧后才开始传输数据，如图4中竖线部分。这种情况就需要切换控制信道，新的控制信道将是占用时间最短的信道且其状态当前不可用，中心节点广播包含该信息的anc帧，所有无通信任务的节点切换至新的控制信道并保持静默；步骤4，节点进行通信任务传输数据时，中心节点对应该信道的射频单元侦听此信道。待通信结束后，中心节点在该信道上广播anc帧，将控制信道的信息告知刚结束通信的一对节点，同时也通知该信道上等待通信的节点开始传输数据；步骤5，刚结束通信的节点根据收到anc帧中的信息返回到控制信道，若控制信道不可用，则保持静默等待新的anc帧；若控制信道可用，当产生待传送数据时，再次根据csma-ca机制协商信道和时隙。步骤6，若新的控制信道不可用，则等到该信道上所有通信任务完成以后，中心节点广播anc帧，通知节点控制信道的状态变为可用，有待传送数据的节点可以开始进行信道协商。本实施例中，普通节点根据接收到的cts帧和anc帧决定通信时刻，获知控制信道所在；中心节点集中调度信道、时隙资源，通过对控制信道的灵活应用提高信道的利用率。引入的anc帧很好的实现多信道网络广播，避免节点丢失的风险。算法复杂度低，易于实施。以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。当前第1页12