扩展性重视的基于节点异构性的无线体域网资源分配方法

本发明涉及无线体域网，具体涉及一种扩展性重视的基于节点异构性的无线体域网资源分配方法。

背景技术：

1、无线体域网是一种以人体为中心的传感网，广泛应用于人体健康监测、运动、娱乐等多个方面。体域网由一个协调器和多个可穿戴或植入式的传感器节点组成，每个传感器节点会采集一种或多种的生命体征，例如：体温、呼吸率、血糖、血压等，然后将采集的数据发送给协调器，再由协调器转发给远程控制中心对数据进行处理与分析。

2、无线体域网的传感器节点通常采集不同数据，因此不同节点通常具有不同的传输要求，一方面，不同节点通常采用不同采样率进行数据采样，因此对传输时隙的需求不一样；一方面，为了诊断的精确以及及时，医疗节点通常比其他普通节点对数据新鲜度有更高的要求；最后，由于节点放置在人体身上的位置不同，不同节点传输的信道条件通常也有很大区别。为了满足不同节点的不同传输要求，为数据传输设计最合理的资源分配方案极为重要。近年来，许多学者致力于研究体域网中的资源分配问题，即如何满足异构性节点的性能需求，降低节点间的竞争冲突，提升资源分配的有效性和时隙的利用率。

3、无线体域网的资源分配是该领域的重要部分，其主要包含超帧设计、接入时隙分配、传输顺序安排等问题。目前，学者们提出的方案未能取得在不同数量节点接入情况下竞争接入方式的信道利用率和竞争冲突减少之间的平衡，一方面，减少退避值选择范围能够提高信道利用率，但是在多节点情况下会造成大量冲突，减少数据发送可靠性，消耗更多能量；另一方面，保持较大的退避值选择范围降低了信道利用率，也使得节点消耗更多能量检测信道，造成一定的能量浪费。除此之外，学者们很少考虑到体域网传输环境下发送数据包大小调整的问题，数据包的大小对数据传输成功率有一定影响，对存在信道衰落问题的体域网而言，选取合适的数据包大小能使传输可靠性更高，同时也避免了因为长时间无法接入信道而造成的超时丢包等问题；同时，不同传感器节点有不同的数据量发送需求，也有不同的数据新鲜度要求，在满足自身数据新鲜度要求的同时，如何更高效率地发送数据与数据包大小有关系，使用更大的数据包大小能提高信道利用率，减少能量消耗，而具体使用多大的数据包，则要考虑需要发送数据量的多少，因此如何调整数据包大小是一个重要问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种扩展性重视的基于节点异构性的无线体域网资源分配方法。

2、本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

3、一种扩展性重视的基于节点异构性的无线体域网资源分配方法，其中，无线体域网由若干个传感器节点和一个协调器组成，所述协调器与传感器节点间的通信以超帧为时间单位，超帧由信标、竞争部分、非竞争部分和非活跃期组成，竞争部分包括用于高优先级节点和紧急节点的竞争阶段、用于普通节点的竞争阶段以及竞争重传阶段，以下用于高优先级节点和紧急节点的竞争阶段、用于普通节点的竞争阶段、非竞争部分和非活跃期分别简称为eap阶段、cap阶段、polling阶段和inactive，polling阶段包括good节点发送与重传子阶段、唤醒bad节点子阶段、bad节点发送与重传子阶段；

4、所述无线体域网资源分配方法包括以下步骤：

5、s1.根据节点优先级及节点紧急性决定是否进行退避值的提前分配；

6、s2.根据节点的发送请求以及已分配退避值进行退避值分配；

7、s3.根据各优先级节点数量决定不同优先级节点随机退避值选择范围；

8、s4.根据竞争阶段发生碰撞的次数决定竞争重传阶段退避值选择范围；

9、s5.根据节点历史发送状态以及节点的传输优先级决定节点发送顺序；

10、s6.根据节点的缓存数据量以及预测产生数据量分配节点发送时隙数量；

11、s7.根据发送时的信道状态以及缓存内数据量决定发送数据包的大小；

12、s8.根据节点发送状态决定节点重传的顺序及重传时隙的分配。

13、进一步地，所述步骤s1中需要进行退避值的提前分配的节点包括ieee 802.15.6标准里规定的优先级为7的节点以及产生了紧急数据的节点，以下称ieee 802.15.6标准中规定的优先级为优先级i；高优先级节点与紧急节点通常有更高的传输可靠性要求与更低的传输时延要求，提前分配退避值为这类节点提供了更多的传输机会，减少了节点发生超时丢包的可能，分配独立的退避值也避免了节点之间可能发生的竞争冲突，提高了高优先级节点发送的可靠性。节点的优先级是由节点自身属性确定的，暂不考虑节点加入和退出网络的情况，网络中已有的高优先级节点是确定的，因此先给高优先级节点分配退避值，而紧急节点的产生是不确定的，数量是动态变化的，因此跟在高优先级节点后分配。由于eap阶段服务节点的优先级较高，因此eap阶段的主要考虑的是数据传输的可靠性与及时性，虽然有部分高优先级节点可能在该阶段没有数据需要发送，会造成一定的信道浪费，但还是预留了对应的退避值给所有节点。

14、其中，ieee 802.15.6标准将节点的优先级设定为共7个等级，优先级7为最优级，每个优先级ι为7的节点都拥有一个独立的编号，首先按节点的重要性给优先级ι为7的节点进行排序，则最重要节点编号为1，第二重要节点编号为2，以此类推；

15、对每个优先级ι为7的节点分配一个独立的退避值即为节点本身编号对产生了紧急数据的节点分配一个独立的退避值即为eap阶段已分配节点数量：

16、式中，neap为eap阶段中已提前分配退避值的节点数量。

17、进一步地，所述步骤s2根据节点发送请求以及已分配退避值进行退避值分配中，服务于两类节点，一类是提前发送了退避值分配请求的节点以及信息年龄到达指定阈值的节点，这两类节点明确需要发送，提供特定退避值给该类节点避免了多个节点之间的竞争冲突，而无需提供更多的退避时隙用于退避竞争也提高了信道的利用率。

18、以上两类节点所分配的退避值表示为：

19、

20、式中，neap为eap阶段中已提前分配退避值的节点数量，ncap为cap阶段即当前竞争阶段已提前分配退避值的节点数量。

21、进一步地，所述步骤s3根据各优先级节点数量决定不同优先级节点随机退避值选择范围中，

22、首先，进行退避优先级的定义：

23、其中，φi是退避优先级，pi是ieee 802.15.6标准中规定的节点的优先级；剩余节点都没有提前进行退避值分配，若该类节点想要在cap阶段发送数据，只能进行竞争退避，因此如何选择退避范围使得竞争冲突较小并提高信道利用率成了重点。

24、对于在前一阶段没有预约的节点以及新要加入无线体域网的节点，如果在cap阶段发送数据，需要随机选取一个退避值，该退避值需要大于之前已分配的退避值的最大值，才能避免自由竞争的节点与已分配退避值节点之间的冲突，而较高优先级节点的退避值需要比低优先级节点的退避值小，能保证高低优先级节点之间不会产生竞争冲突，避免低优先级节点抢占高优先级节点发送机会的现象出现。另外，由于该类节点没有预先申请退避值，可以预测多数节点可能并无数据需要发送，因此退避值范围可以进行一定的限制，以提高信道的利用率，这个限制可以通过不同优先级节点数目决定，不同网络中节点数目是不一定的，因此不同优先级节点的数目也是不定的，对于节点数目多的优先级，可以分配更大的退避值选择范围，节点数目小的优先级，可以分配较小的退避值范围而不会产生很大的竞争冲突。

25、退避值选取规则如下：

26、对于优先级φi为3的节点，选取的退避值为：

27、

28、其中，neap为eap阶段已预先分配退避值的节点数目，ncap为cap阶段已分配退避值的节点数目，ncap1为优先级φi为3的节点的总数目，为优先级φi为3但是已在eap阶段或cap阶段预先分配好退避值的节点的数目；

29、对于优先级φi为2的节点，选取的退避值为：

30、

31、式中，ncap2为优先级φi为2的节点的总数目，为优先级φi为2但是已在eap阶段或cap阶段预先分配好退避值的节点的数目。

32、对于优先级φi为1的节点，选取的退避值为：

33、

34、式中，ncap3为优先级φi为1的节点的总数目，为优先级φi为1但是已在eap阶段或cap阶段预先分配好退避值的节点的数目。

35、进一步地，所述步骤s4根据竞争阶段发生碰撞的次数决定竞争重传阶段退避值选择范围中，发生竞争冲突的节点需要重新选择退避值，发生一次竞争冲突大概率是由两个节点产生的，因此由竞争冲突的次数可以预测需要重传的节点的数量，因此重传退避值选择范围需要有一个更大的范围，避免重新出现竞争冲突。

36、在竞争重传阶段，因为竞争冲突而需要重传的节点需要重新选取一个退避值

37、式中，nc为协调器记录的竞争阶段发生冲突的次数。

38、进一步地，所述步骤s5过程如下：

39、s51、根据节点上一次的发送状态，把节点分别放入good节点队列和bad节点队列，其中，放入bad节点队列的节点是在上一次发送时检测到低于阈值的信号强度，放入good节点队列的节点是在上一次发送时检测到高于等于阈值的信号强度；

40、s52、将good节点队列中节点先按优先级ι进行分类，其中，医疗节点、优先级ι为5、6、7的节点分为一类，先进行发送优先级计算并进行排序，剩余good节点队列中节点计算发送优先级并排序后并入前一类节点尾部，完成good节点队列中节点发送顺序的排序，其中good节点队列中发送优先级计算公式如下：

41、式中，δt为节点信息年龄因子；m为节点数据量因子，其中，用于计算good节点发送优先级的第一权重w1、第二权重w2满足w1+w2＝1；节点信息年龄因子越大说明协调器保存该节点的数据越老旧，需要排序在前避免超时丢包，节点数据量因子考虑了两方面内容，一方面需要保证已经缓存大量数据的节点较快发送避免超出缓存丢包，另一方面对于即将生成数据占比较大的节点的发送排序较后，以提高使用大数据包发送的可能。

42、s53、将bad节点队列中节点计算发送优先级并进行排序，其中，bad节点队列中发送优先级计算公式如下：

43、

44、式中，为节点信道模型因素；γ为信道可靠性因子，其中，用于计算bad节点发送优先级的第三权重w3、第四权重w4满足w3+w4＝1。节点信道模型因素使用标准提供的信道模型，可以预测出在经历一段时间后数据发送的成功率，预测成功率较高的节点先发送，成功率较低的节点等待更长时间以争取更高的成功率；信道可靠性因子根据节点历史发送状态预测节点本身的稳定性，稳定性较差的节点发送排序较后，以争取更高的发送成功率。

45、进一步地，所述步骤s6中时隙数量计算公式如下：

46、

47、其中，表明决定节点发送时隙数量时节点缓存内数据量，为节点在超帧内的新采样率，nalloc表示已经分配的时隙数量，tslot表示时隙长度，r表示节点发送速率。

48、进一步地，所述步骤s7给出了数据包大小的调整过程。在信道状态较好的情况下可以封装更大的数据包进行发送，在降低能耗的同时能有更高的信道利用率，在信道质量较差的情况下需要使用更小的数据包，能够提供更高的发送成功率。同时，发送数据包大小需要考虑节点本身生成的数据量的多少，要求数据量较小的节点使用较大的数据包会造成数据传输的延迟，增大平均信息年龄，根据数据量调整数据包大小能增强数据传输的及时性。

49、步骤s7过程如下：

50、s71、在polling阶段，协调器发送polling帧给将要发送数据的节点，其中polling帧为包括发送节点id的管理帧，节点接收polling帧并估算当前信噪比γ；

51、s72、节点根据数据包的发送成功率公式及当前缓存内数据量决定初始最佳数据包大小：

52、根据数据包大小及比特信噪比，估算出数据包的发送成功率

53、pisucc(γ,li)＝(1-pb,b(γ))li

54、式中，pb,b(γ)为根据信噪比计算出的比特错误率，li为发送数据包大小；

55、不同的优先级节点有不同的数据传输要求，高优先级节点需要保证更高的发送成功率，因此需要有更高的限制，普通节点可以考虑牺牲一部分的发送成功率来换取更高的信道利用率和更低的能耗。

56、对于高优先级节点及紧急节点，初始最佳数据包大小应该满足：

57、

58、对于普通节点，初始最佳数据包大小应该满足：

59、

60、s73、根据缓存数据量调整数据包大小，得到调整后的数据包大小lmid：

61、

62、式中，为当前节点缓存内数据量，单位bit，ls为上一步算出的初始最佳数据包大小；

63、s74、根据数据包成功率变化决定是否使用调整后的数据包大小，得到中间数据包大小lm：

64、

65、式中，μ为可容忍的成功率损失；

66、s75、根据数据包上下限得到最终发送数据包大小lfin：

67、

68、式中，lmin为最小数据包大小，lmax为最大数据包大小。

69、进一步地，所述步骤s8过程如下：

70、s81、good节点队列中节点根据已分配的传输顺序及时隙数量进行数据传输，当发生错误并且整个传输过程未出现信道衰落时，在已分配的good节点时隙后给该节点重新分配重传时隙；首先根据节点数据量进行传输时隙的分配，如果节点成功发送所有数据，即用完了所分配的时隙，没有产生时隙浪费；如果节点在传输时发生信道衰落，即该节点在一段时间内能成功发送数据的可能性不高，因此不需要重新分配重传时隙，及时止损；如果节点产生数据不规律，或是突然产生了紧急数据，可以考虑申请重传时隙进行发送，提高了数据发送的及时性，使得发送时隙的分配满足节点的发送需要，也不分配过多时隙从而造成浪费。

71、s82、good节点队列中节点重传阶段完成后协调器唤醒坏节点，bad节点队列中节点根据已分配的传输顺序及时隙数量进行数据传输，当发生错误并且整个传输过程未出现信道衰落时，在已分配bad节点时隙后给该节点后重新分配重传时隙。

72、本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

73、(1)本发明设计了一种退避值预先分配方法及根据网络节点数退避值范围选择方法，提高了竞争阶段的信道利用率并减少了竞争冲突。现有退避值选择方法通常没有考虑网络中节点数目的影响，在网络中节点数目较多时容易发生低优先级节点抢占高优先级节点发送机会、竞争冲突加剧等问题，而在节点数目较少时也容易造成信道利用率下降的问题，本发明为高优先级节点及紧急节点预先分配退避值，避免了高优先级节点的竞争冲突，以提高竞争阶段数据发送的可靠性，也使得这些节点能更快速地接入信道；根据网络中节点数目为不同优先级普通节点安排不同的退避值选择范围，一方面避免低优先级节点抢占高优先级节点发送机会，另一方面尽可能地提高信道利用率，减少竞争冲突；最后，该方法使得竞争阶段的长度能够自适应变化，提高了超帧中的时间利用率。

74、(2)本发明设计了一种根据信道状态及缓存数据量进行数据包长度调整的方法。现有的方法很少考虑数据包大小对数据传输造成的影响，数据量大的节点使用小数据包会造成不必要的能量与信道时间的浪费，盲目使用大数据包会降低数据传输的可靠性并造成更大的信息年龄。本方法会选择合适的数据包长度使得传感器节点在存在信道衰落的情况下有更高的数据传输可靠性，也提高了信道利用率，减少了包头负载带来了能量损耗。

75、(3)本发明设计了一种节点发送顺序选择方法。现有排序方法仅考虑信道、采样率等因素，无法满足不同传感器实际产生数据和传输要求。本方法首先按good节点、bad节点排序，使得各个节点在发送时有更大几率遇到好的信道状态，其次，good节点根据缓存数据量因素与信息年龄因素排序，保证数据发送的实时性以及发送时有更多的数据量，bad节点排序主要保证发送的可靠性，结合数据包大小调整方法能有更高的通信可靠性，使得节点有更高几率能使用更大的数据包，提高能量利用率与信道利用率。

76、(4)本发明设计了一种及时反应的发送时隙分配方法，polling阶段发送分为good节点发送、good节点重传、bad节点发送、bad节点重传四个阶段。现有方法在分配传输时隙时预测发送成功率并预留重传时隙，可能会出现发生信道衰落时或信道质量好时无法完整利用分配时隙以及产生紧急数据时无法及时分配更多时隙的问题。本方法在分配传输时隙时只考虑发送时缓存的数据量，需要重传的数据和产生的额外紧急数据放在节点重传阶段进行发送，使得每个节点占用的发送时间满足自身的发送需要的同时不会延缓其他节点的发送，提高了信道利用率。