專利名稱：一種移動多媒體在物聯網中的自適應動態信道分配方法
技術領域：
本發明涉及一種無線信道的自適應動態分配方法，尤其涉及一種移動多媒體在物聯網中的自適應動態信道分配方法。
背景技術：
物聯網通過各種信息傳感設備和技術實時采集終端設備信息，相互結合形成網絡，并最終實現物與物、物與人之間的互通互聯。無線傳感器網絡(WSN)作為物聯網核心組成部分，應用范圍廣泛。通過將多媒體信息感知功能引入WSN，能夠實現更精準的環境監測， 擴展物聯網的應用領域。但是由于多媒體數據和WSN的數據特征和傳輸特點明顯不同，必須解決多媒體數據和WSN集成和融合中多媒體通信引發數據洪流處理、網絡擁塞和延時，以及多媒體節點移動造成的網絡接入和信道管理等關鍵問題。傳統無線網絡為了最大化帶寬利用率，提供公平的信道使用并降低延時。這些無線網絡工作在ISM頻段，具有高數據傳輸率，采用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方式來解決沖突問題，具有較小的延時、高的帶寬利用率并可以滿足無線網絡不易準確偵測是否有沖突發生的需求。但是這些無線網絡功耗高、網絡容量有限，而且不適合數據的多跳轉發。WSN設計目標是低功耗、高能量效率、低成本和低速率。由于WSN節點一般采用電池供電，通常會通過周期性休眠來降低節點功耗延長工作時間，采用競爭機制或調度機制進行信道管理和分配。WSN在處理多媒體數據時面臨巨大的挑戰當有大量數據需要傳輸時易造成網絡擁塞；數據延時較大，無法保證時鐘同步等。另外，很多多媒體節點為便攜設備，當多媒體節點移動時會造成網絡結構的變化，目前的WSN對移動多媒體節點的處理沒有很好的解決方案。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種移動多媒體在物聯網中的自適應動態信道分配方法。本發明采用如下技術方案實現發明目的
一種無線信道的自適應動態分配方法，其特征在于，包括如下步驟
(1)中心節點建立網絡后監聽無線信道，定期發送網絡心跳幀，保證網絡內的時鐘同
I K
少；
(2)中心節點偵聽網絡，當接收到網絡數據包時，對數據包類型進行分析，當網絡數據包為網絡接入請求時，轉步驟(3)，當網絡數據包為多媒體通信請求時，轉步驟(4)，當網絡數據包為多媒體通信數據時，轉步驟(5)，當網絡數據包為多媒體通信結束請求時，轉步驟
(6)，當網絡數據包為移動多媒體節點廣播信息時，轉步驟(7)，當網絡數據包為網絡接入點RSSI上傳信息時，轉步驟(8)；(3)如果有空閑的信道，更新中心節點列表，返回時間信息和超幀設置信息，新節點加入完成，中心節點查看網絡負載和信道情況，如需調整超幀設置，更新并廣播超幀設置信息，網絡內的節點接收到廣播信息后對自身的系統時鐘和數據子幀進行設置；
(4)查看多媒體信道占用情況，如無，拒絕多媒體通信請求，如有，中心節點鎖定信道，設置超幀長度為T，設置高主頻，廣播信道更新信息，通知多媒體終端建立通信鏈路，分配多媒體信道，通知相關網絡接入點準備通信鏈路管理；
(5)轉發多媒體通信數據到目的地址；
(6)中心節點收回多媒體信道，根據網絡負載和數據傳輸情況進行信道重新設置系統時鐘和信道，并將新的系統時鐘和信道設置廣播發送；
(7)提取多媒體終端的RSSI值并保存；
(8)中心節點進行數據分析，通過對比各網絡接入點的RSSI值并與歷史數據作對比，進而確定移動多媒體終端的子網絡和移動趨勢，并將該信息發送到各相關網絡接入點，進行網絡和信道切換。作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(8)包括如下步驟
(8. I)中心節點判斷多媒體終端是否正在通信或者網絡內是否有足夠的多媒體信道，如果多媒體終端沒有進行多媒體通信或者有足夠的多媒體信道，轉步驟(8. 2)，如果多媒體終端正在進行多媒體通信且沒有足夠的多媒體信道，轉步驟(8. 3)；
(8. 2)中心節點廣播信道更新消息，發送網絡切換和信道分配指令到相關的網絡接入點，完成網絡切換，同時發送網絡切換指令到多媒體終端，更改網絡接入點為新的網絡接入占.
(8. 3)中心節點首先發送警告信息給移動多媒體終端，移動多媒體終端發出周期性的警告音并顯示提示消息，當移動多媒體終端返回到原來子網覆蓋范圍，告警取消；當移動多媒體終端繼續移動到新的子網覆蓋范圍，中心節點強制結束通信，收回信道，同時廣播信道更新信息。作為對本技術方案的進一步限定，所述步驟(4)包括如下步驟
(4. I)判斷多媒體通信請求為子網內部多媒體通信還是子網間的多媒體通信，若為子網內部的多媒體通信時，轉步驟(4. 2)，若為子網間的多媒體通信，轉步驟(4. 3)；
(4. 2)多媒體通信占用兩個無線信道，涉及中心節點、相關的網絡接入點和兩個無線多媒體終端，由網絡接入點負責通信鏈路的維護和管理，并向中心節點上傳通信鏈路變更情況，由中心節點負責通信鏈路的關閉和分配；
(4. 2)當網間的多媒體通信時，根據多媒體數據的中轉次數N占用2*N個無線信道，涉及中心節點、N個相關網絡接入點和兩個無線多媒體終端，由中心節點負責通信鏈路的分配、關閉、維護和管理，網絡接入點負責數據的轉發和終端通信狀態的檢查。與現有技術相比，本發明的優點和積極效果是本發明提出了一種針對移動對媒體物聯網的無線信道自適應分配方法，與以往的無線網絡的信道分配方法相比，本方法針對移動多媒體節點的移動造成的網絡結構的變化和信道重新分配進行了優化，解決傳感網集成和融合中的關鍵基礎問題。本發明有望在下一代互聯網、居民健康醫療和數字城市等諸多涉及國計民生的重要領域得到應用。移動多媒體物聯網是一個嶄新的研究領域，作為下一代互聯網的核心技術具有非常重要的研究意義。
圖I為本發明優選實施例的信道分配示意圖。圖2為本發明移動多媒體節點的移動感知檢測網絡圖。圖3為本發明中心節點的工作流程圖。圖4為本發明網絡接入點的工作流程圖。圖5為本發明多媒體終端的工作流程圖。圖6為本發明普通傳感器節點的工作流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和優選實施例對本發明作更進一步的詳細描述。參見圖1，該信道分配方法由超幀作為基本的處理單元，超幀的時間長度由WSN中的多媒體節點種類和數量以及網絡規模動態調整，基本超幀長度為網絡多媒體數據傳輸條件下的時間長度，該時間長度由多媒體數據的編碼速率和同時進行多媒體數據傳輸的多媒體終端數量決定，設為T，活躍期和休眠期根據網絡負載情況由中心節點設定。該信道分配方法由以下4個關鍵部分組成
(I)沒有多媒體數據時，采用較低的時間同步精度并降低節點主頻減少功耗，超幀時間長度由普通傳感器網絡內的數據傳輸頻度和節點數量決定，一般設置為基本超幀長度的整數倍。同時根據網絡負載情況動態調整數據子幀時間長度，普通數據信道為競爭方式隨機接入，采用CSMA/CA方式避免沖突。(2)多媒體數據傳輸時節點主頻提高，設置超幀時間長度為T，進入全速工作模式并采用高時間同步精度，在縮短數據子幀時間的同時保證網絡性能。(3)普通傳感器節點只在數據子幀內進行網絡偵聽和數據發送操作，其余時間進入休眠狀態，避免多媒體數據對節點的干擾，降低普通傳感器節點MAC協議復雜度。(4)在多媒體子幀內，根據通信數量劃分時間片并采用TDMA調度方式為節點分配信道，避免沖突和串擾。對于由于移動多媒體節點的移動會造成網絡結構的變化和信道的重新分配，本發明采用基于RSSI技術的節點移動感知檢測方法，通過多個網絡接入點獲取RSSI信息進行比對確定節點的運動趨勢和所在區域，在確定節點移動到新的網絡接入點覆蓋范圍后進行網絡切換和信道的重新分配。參見圖2，移動多媒體無線傳感器網絡由如下4種設備組成中心節點A，網絡接入點(B, C，D, E)，多媒體終端(Al, BI, B2, Cl, C2, E2)和普通傳感器節點F。中心節點A負責網絡的建立和維護，網絡接入點和子網的管理，信道的分配和管理等內容，中心節點位置固定，采用高性能微處理器，具有最高的發射功率和最高的接收靈敏度。網絡接入點(B，C，D，E)負責子網的建立和維護，子網內的終端管理、信道分配和管理等內容，網絡接入點接入網絡后位置固定，具有高的發射功率和高的接收靈敏度。多媒體終端(Al，BI, B2, Cl, C2, E2)具有數據采集功能，是一種特殊的數據終端，可以和中心節點、網絡接入點和其他的多媒體終端進行通信。具有移動功能的多媒體終端具有特殊的標識，中心節點和網絡接入點可以識別并存儲移動多媒體終端的信息。普通傳感器節點F具備數據采集和無線通信功能，只能和中心節點和網絡接入點進行通信和數據交互，加入網絡后根據中心節點或網絡接入點的指令或定期發送數據。為了數據通信更為可靠，本發明將無線網絡范圍劃分為無線信號覆蓋范圍I和有效網絡覆蓋范圍2，在無線信號覆蓋范圍內網絡接入點可以和子網絡多媒體終端、普通傳感器節點以及中心節點正常通訊，中心節點可以和子網絡多媒體終端、普通傳感器節點以及網絡接入點正常通訊。有效網絡覆蓋范圍較無線信號覆蓋范圍小，信號強度較無線信號覆蓋范圍信號強，該區域內的RSSI信號強度具有較好的線性度。參見圖3 —圖6，一種無線信道的自適應動態分配方法，包括如下步驟
(1)中心節點建立網絡后監聽無線信道，定期發送網絡心跳幀，保證網絡內的時鐘同步；
(2)中心節點偵聽網絡，當接收到網絡數據包時，對數據包類型進行分析，當網絡數據包為網絡接入請求時，轉步驟(3)，當網絡數據包為多媒體通信請求時，轉步驟(4)，當網絡數據包為多媒體通信數據時，轉步驟(5)，當網絡數據包為多媒體通信結束請求時，轉步驟
(6)，當網絡數據包為移動多媒體節點廣播信息時，轉步驟(7)，當網絡數據包為網絡接入點RSSI上傳信息時，轉步驟(8)；
(3)如果有空閑的信道，更新中心節點列表，返回時間信息和超幀設置信息，新節點加入完成，中心節點查看網絡負載和信道情況，如需調整超幀設置，更新并廣播超幀設置信息，網絡內的節點接收到廣播信息后對自身的系統時鐘和數據子幀進行設置；
(4)查看多媒體信道占用情況，如無，拒絕多媒體通信請求，如有，中心節點鎖定信道，設置超幀長度為T，設置高主頻，廣播信道更新信息，通知多媒體終端建立通信鏈路，分配多媒體信道，通知相關網絡接入點準備通信鏈路管理；
(5)轉發多媒體通信數據到目的地址；
(6)中心節點收回多媒體信道，根據網絡負載和數據傳輸情況進行信道重新設置系統時鐘和信道，并將新的系統時鐘和信道設置廣播發送；
(7)提取多媒體終端的RSSI值并保存；
(8)中心節點進行數據分析，通過對比各網絡接入點的RSSI值并與歷史數據作對比，進而確定移動多媒體終端的子網絡和移動趨勢，并將該信息發送到各相關網絡接入點，進行網絡和信道切換。所述步驟(8)包括如下步驟
(8. I)中心節點判斷多媒體終端是否正在通信或者網絡內是否有足夠的多媒體信道，如果該多媒體終端B2由子網B移動到新的子網內C，如果多媒體終端沒有進行多媒體通信或者有足夠的多媒體信道，轉步驟(8. 2)，如果多媒體終端正在進行多媒體通信且沒有足夠的多媒體信道，轉步驟(8. 3);
(8. 2)中心節點廣播信道更新消息，發送網絡切換和信道分配指令到相關的網絡接入點B和C，完成網絡切換，同時發送網絡切換指令到多媒體終端B2，更改網絡接入點C為新的網絡接入點；
(8. 3)中心節點首先發送警告信息給移動多媒體終端B2，移動多媒體終端B2發出周期性的警告音并顯示提示消息，當移動多媒體終端B2返回到原來子網B覆蓋范圍，告警取消；當移動多媒體終端B2繼續移動到新的子網C覆蓋范圍，中心節點強制結束通信，收回信道，同時廣播信道更新信息。所述步驟(4)包括如下步驟
(4. I)判斷多媒體通信請求為子網內部多媒體通信還是子網間的多媒體通信，若為子網內部的多媒體通信時，轉步驟(4. 2)，若為子網間的多媒體通信，轉步驟(4. 3)；
(4. 2)多媒體通信占用兩個無線信道，涉及中心節點、相關的網絡接入點和兩個無線多媒體終端，由網絡接入點負責通信鏈路的維護和管理，并向中心節點上傳通信鏈路變更情況，由中心節點負責通信鏈路的關閉和分配；
(4. 2)當網間的多媒體通信時，根據多媒體數據的中轉次數N占用2*N個無線信道，涉及中心節點、N個相關網絡接入點和兩個無線多媒體終端，由中心節點負責通信鏈路的分 配、關閉、維護和管理，網絡接入點負責數據的轉發和終端通信狀態的檢查。網絡接入點的工作流程為(1)加入網絡，獲取超幀設備信息，啟動網絡時鐘，啟動偵聽；(2)偵聽網絡；(3)判斷是否接收到網絡數據包，如果沒有接收到，判斷是否超時，如果沒有超時，繼續偵聽網絡，如果超時，進入休眠狀態；(4)如果接收到網絡數據包，進行數據包類型分析，如果數據包為網絡接入請求，如果有空閑信道，更新網絡接入點列表，返回時間信息和超幀設置設置信息，節點加入完成，如無空閑信道，轉發請求到中心節點；如果數據包為多媒體數據，轉發多媒體數據；如果數據包為多媒體通信結束請求，結束多媒體通信，通知中心節點；如果數據包為多媒體通信請求，轉發請求到中心節點；如果數據包為對媒體鏈路建立通知，更新超幀設置和多媒體信道分配設置，分配多媒體信道；如果數據包為多媒體終端廣播信息，提取RSSI值上傳中心節點；如果數據包為信道分配信息，更新節點主頻和系統時鐘，子網內廣播信道分配信息。多媒體終端工作流程為(1)加入網絡，獲取超幀設置信息，啟動網絡時鐘，啟動偵聽；(2)偵聽網絡；(3)判斷是否接收到網絡數據包，如果沒有收到，判斷是否超時，如果超時，進入休眠期，如果不超時，繼續監聽網絡；(4)如果接收到網絡數據包，對數據包類型進行分析，如果數據包是網絡心跳包，校準本機時間并發送心跳應答包；如果數據包類型為多媒體數據，轉發多媒體數據；如果數據包是多媒體結束通知，結束多媒體通信；如果數據包是多媒體通信請求，顯示提示信息，根據按鍵做出相應的同意或拒絕操作，發送數據包；如果數據包是多媒體鏈路建立通知，啟動語音模塊，進入語音通信流程，在指定的時隙發送和接收語音數據；如果數據包是網絡切換指令，更新子網設置信息；如果數據包是信道分配信息，更新節點主頻和系統時鐘，設置超幀和活躍期時間。普通傳感器節點的工作流程為(1)加入網絡，獲取超幀設置信息，啟動網絡時鐘，啟動偵聽；(2)偵聽網絡；(3)判斷是否接收到網絡數據包，如果沒有接收到，判斷是否超時，如果超時，進入休眠狀態，如果沒有超時，繼續偵聽網絡；(4)如果接收到網絡數據包，分析網絡數據包類型，如果數據包是網絡心跳包，校準本機時間并發送心跳應答包，如果有傳感器數據，添加到數據包尾發送；如果數據包是網絡管理數據包，根據數據包內容作相應的操作；如果數據包是網絡切換指令，更新子網的設置信息；如果數據包是信道分配信息，更新節點主頻和系統時鐘，設置超幀和活躍期時間。當然，上述說明并非對本發明的限制，本發明也不僅限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也屬于本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種無線信道的自適應動態分配方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)中心節點建立網絡后監聽無線信道，定期發送網絡心跳幀，保證網絡內的時鐘同I K少; (2)中心節點偵聽網絡，當接收到網絡數據包時，對數據包類型進行分析，當網絡數據包為網絡接入請求時，轉步驟(3)，當網絡數據包為多媒體通信請求時，轉步驟(4)，當網絡數據包為多媒體通信數據時，轉步驟(5)，當網絡數據包為多媒體通信結束請求時，轉步驟(6)，當網絡數據包為移動多媒體節點廣播信息時，轉步驟(7)，當網絡數據包為網絡接入點RSSI上傳信息時，轉步驟(8)； (3)如果有空閑的信道，更新中心節點列表，返回時間信息和超幀設置信息，新節點加入完成，中心節點查看網絡負載和信道情況，如需調整超幀設置，更新并廣播超幀設置信息，網絡內的節點接收到廣播信息后對自身的系統時鐘和數據子幀進行設置； (4)查看多媒體信道占用情況，如無，拒絕多媒體通信請求，如有，中心節點鎖定信道，設置超幀長度為T，設置高主頻，廣播信道更新信息，通知多媒體終端建立通信鏈路，分配多媒體信道，通知相關網絡接入點準備通信鏈路管理； (5)轉發多媒體通信數據到目的地址； (6)中心節點收回多媒體信道，根據網絡負載和數據傳輸情況進行信道重新設置系統時鐘和信道，并將新的系統時鐘和信道設置廣播發送； (7)提取多媒體終端的RSSI值并保存； (8)中心節點進行數據分析，通過對比各網絡接入點的RSSI值并與歷史數據作對比，進而確定移動多媒體終端的子網絡和移動趨勢，并將該信息發送到各相關網絡接入點，進行網絡和信道切換。
2.根據權利要求I所述無線信道的自適應動態分配方法，其特征在于，所述步驟(8)包括如下步驟 (8. I)中心節點判斷多媒體終端是否正在通信或者網絡內是否有足夠的多媒體信道，如果多媒體終端沒有進行多媒體通信或者有足夠的多媒體信道，轉步驟(8. 2)，如果多媒體終端正在進行多媒體通信且沒有足夠的多媒體信道，轉步驟(8. 3)； (8. 2)中心節點廣播信道更新消息，發送網絡切換和信道分配指令到相關的網絡接入點，完成網絡切換，同時發送網絡切換指令到多媒體終端，更改網絡接入點為新的網絡接入占. (8. 3)中心節點首先發送警告信息給移動多媒體終端，移動多媒體終端發出周期性的警告音并顯示提示消息，當移動多媒體終端返回到原來子網覆蓋范圍，告警取消；當移動多媒體終端繼續移動到新的子網覆蓋范圍，中心節點強制結束通信，收回信道，同時廣播信道更新信息。
3.根據權利要求I所述無線信道的自適應動態分配方法，其特征在于，所述步驟(4)包括如下步驟 (4. I)判斷多媒體通信請求為子網內部多媒體通信還是子網間的多媒體通信，若為子網內部的多媒體通信時，轉步驟(4. 2)，若為子網間的多媒體通信，轉步驟(4. 3)； (4. 2)多媒體通信占用兩個無線信道，涉及中心節點、相關的網絡接入點和兩個無線多媒體終端，由網絡接入點負責通信鏈路的維護和管理，并向中心節點上傳通信鏈路變更情況，由中心節點負責通信鏈路的關閉和分配； (4. 2)當網間的多媒體通信時，根據多媒體數據的中轉次數N占用2*N個無線信道，涉及中心節點、 N個相關網絡接入點和兩個無線多媒體終端，由中心節點負責通信鏈路的分配、關閉、維護和管理，網絡接入點負責數據的轉發和終端通信狀態的檢查。
全文摘要
本發明公開了一種無線信道的自適應動態分配方法，其特征在于，包括如下步驟中心節點建立網絡后監聽無線信道，定期發送網絡心跳幀，保證網絡內的時鐘同步；中心節點偵聽網絡，當接收到網絡數據包時，對數據包類型進行分析，當網絡數據包為網絡接入請求時，轉步驟(3)，當網絡數據包為多媒體通信請求時，轉步驟(4)，當網絡數據包為多媒體通信數據時，轉步驟(5)，當網絡數據包為多媒體通信結束請求時，轉步驟(6)，當網絡數據包為移動多媒體節點廣播信息時，轉步驟(7)，當網絡數據包為網絡接入點RSSI上傳信息時，轉步驟(8)。
文檔編號H04W48/10GK102821390SQ20121032286
公開日2012年12月12日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者付勇, 郭強, 孔祥龍, 劉瑞霞, 王英龍 申請人:山東省計算中心