一種基于嵌套復合超幀結構的網間干擾避免方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通信領域，尤其涉及基于嵌套復合超幀結構的網間干擾避免方法。
【背景技術】
[0002]在人口基數大且老齡化越來越嚴重的中國，用于醫療保健方面的人力、物力資源日益短缺，迫切需要研究新方法解決老人的健康監護問題。以人體為中心的無線體域網由部署在體內、體表的傳感器實時監控人體的生理指標，并通過網絡中的協調器無線傳送給遠程終端處理，避免了設備之間連線對病人活動的影響，不失為高血壓、糖尿病等老年病的一種最佳解決方案。此外，其還可以滿足人們對體感游戲、運動情況監測等日常生活方面的需求。因此無線體域網在醫療支持、健康狀況監控和消費電子等領域有著越來越廣泛的應用前景，受到了前所未有的重視。
[0003]無線體域網作為一種服務于人體健康的監測型技術，涉及生命安全，對可靠性要求較苛刻，而對于像中國這類人口眾多的國家，網間干擾問題勢必比較嚴重，因此，有必要研究體域網的網間干擾避免機制，尤其是中國養老院、醫院病房等體域網設備使用更為集中情形下的干擾抑制問題。
[0004]目前基于物理層的網間干擾避免方案主要有功率控制及跳頻等方案，而基于MAC層的方案主要有分布式或集中式的網間組網方案，這些方案大多存在干擾避免機制效果不理想、無線體域網個數受限、負載較大等問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于，為克服現有技術的缺陷，提供一種基于嵌套復合超幀結構的網間干擾避免方法。
[0006]本發明提供的一種基于嵌套復合超幀結構的網間干擾避免方法，其特征在于:將應用場景抽象為具有星型拓撲結構的兩級網絡模型，根據該模型設計嵌套的復合超幀、改進相關幀的結構，并給出該復合超幀下的通信機制。
[0007]上述場景特征為:類似于醫用物聯網下的養老院、醫院病房等網絡設備使用較為集中、網絡拓撲可抽象為兩級網絡架構的應用場景。
[0008]為了便于描述，下面基于醫用物聯網來描述該方法。
[0009]上述兩級網絡模型特征為:
[0010]將各個無線體域網的協調器稱為子協調器，其發送的信標幀稱為子信標幀。每個無線體域網內的各個節點與其子協調器之間構成二級子網，各個網絡的子協調器與總協調器之間構成一級子網。不同級子網之間為透明傳輸。
[0011]上述嵌套復合超幀結構包含總信標期、協調器競爭期、子信標期、獨占接入期、隨機接入期和非競爭期。總信標期用于總協調器向各個子協調器發送總信標幀。協調器競爭期用于子協調器之間通過發送協調器競爭幀與競爭確認幀來競爭序號。該序號既決定了子協調器于子信標期發送子信標幀的順序，又決定了二級子網于非競爭期獲得時隙的情況:如果實際場景中無線體域網的個數L不大于非競爭期中子非競爭期的個數M，則所有二級子網在非競爭期均按照競爭到的順序占用子非競爭期進行通信，如果實際場景中無線體域網的個數L大于非競爭期中子非競爭期的個數M，則只有競爭到序號I至M的二級子網按序號順序占用子非競爭期，而其他二級子網不能使用任何一個子非競爭期。子信標期用于二級子網中的各個子協調器按其競爭到的序號依次向其各自的節點廣播子信標幀，其包含N個子時隙，N代表該兩級網絡在某個有限的物理空間區域中最多所能容納的無線體域網數量。上述的幀結構包含總信標幀、協調器競爭幀、競爭確認幀、子信標幀、連接管理幀。總信標幀在現有信標幀的基礎上增加組ID字段、子信標期起始時刻字段和子非競爭期個數字段，其中組ID字段為接收該總協調器調度的二級子網以及總協調器所組成的組ID;子信標期起始時刻字段表示子信標期的開始時間；子非競爭期個數字段為子非競爭期的個數，其個數為M，表示將復合超幀中的非競爭期均分為M個子非競爭期，即該機制下每個復合超幀中最多有M個二級子網通過競爭可以獲得子非競爭期的使用權，一般N大于等于M。協調器競爭幀在現有立即確認幀的基礎上優化，增加了組ID字段，競爭確認幀在現有立即確認幀的基礎上優化，增加了組ID字段、競爭序號字段，其中組ID字段的含義與總信標幀中組ID字段含義相同，競爭序號字段表示子協調器競爭到的序號。子信標幀在現有信標幀的基礎上優化，使用其中的MAC參數字段中保留的Ibit以表示該二級子網在下一個超幀中是否可以占用非競爭期。連接管理幀在現有連接管理幀的基礎上優化，增加子非競爭期的開始時刻字段及子非競爭期結束時刻字段，用于表示該網絡的非競爭期的起止時刻。
[0012]與現有技術相比，本發明技術優勢在于:
[0013]解決類似于養老院、醫院病房等網絡設備使用較為集中、網絡拓撲可抽象為兩級網絡架構情形下的網間干擾問題，該方法能夠有效地避免網間干擾，改善丟包率、吞吐量等性能。
【附圖說明】
[0014]圖1是兩級網絡拓撲圖；
[0015]圖2是基于兩級網絡的嵌套復合超幀結構；
[0016]圖3是總信標幀的幀結構；
[0017]圖4是協調器競爭幀的幀結構；
[0018]圖5是競爭確認幀的幀結構；
[0019]圖6是子信標幀的幀結構；
[0020]圖7是連接管理幀的幀結構；
[0021 ]圖8是各個二級子網信道占用情況示意圖；
[0022]圖9是嵌套復合超幀結構下的通信流程。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖對技術方案進行詳細闡述。
[0024]本發明實例提供了一種基于嵌套復合超幀結構的網間干擾避免機制。
[0025]本發明實例將應用場景抽象為具有星型拓撲結構的兩級網絡模型，根據該模型設計嵌套的復合超幀結構，并給出該結構下的通信機制。
[0026]通過本發明實例可以有效避免多個網絡共享同一信道時的網間干擾，改善丟包率、吞吐量等性能，在提尚網絡的可靠性的同時，提尚廣品的用戶體驗。
[0027]本發明實例主要是針對類似于養老院、醫院病房等這類應用場景提出解決方案，其一般都會在室內部署與協調器功能類似的總協調器。本發明實施例擬利用該總協調器統一調度各個網絡的協調器，并通過協調器間相互競爭的方式使用信道資源，從而協調各個網絡占用信道的時間，達到避免網間干擾的目的。
[0028]基于養老院活動室、醫院病房等這類場景構建的兩級網絡拓撲結構如圖1所示。為便于描述，將各個網絡的協調器稱為子協調器，其發送的信標幀稱為子信標幀。其中，每個網絡內的各個節點與其子協調器之間構成二級子網，各個二級子網的子協調器與總協調器之間構成一級子網。不同級子網之間為透明傳輸。
[0029]總協調器決定復合超幀及其各個時期的起止時間，并協調各個二級子網占用信道的時間及順序。各個二級子網能否于非競爭期占用信道及占用順序均通過子協調器之間的相互競爭并由總協調器最終決定。
[0030]兩級網絡構成如圖2所示的嵌套的復合超幀結構。其中總信標期、協調器競爭期用于一級子網的通信，子信標期、獨占接入期、隨機接入期、非競爭期用于二級子網的通信。本發明實施例將非競爭期均分為多個子非競爭期，然后由子協調器根據其在一級子網中競爭到的順序，將某個子非競爭期分配給其所屬二級子網內的節點，同時所有二級子網內部節點均以CSMA/CA方式競爭使用獨占接入期及隨機接入期，完成相應通信。
[0031]為了便于描述，本發明實例將基于IEEE802.15.6協議來介紹該兩級網絡的通信機制，以字段為單位對相關幀進行改動，改動部分在幀結構圖中以斜體及陰影表示，而其余部分均采用IEEE802.15.6協議通信。該機制下所做的改動同樣適用于4n/4j等其他體域網標準的幀結構。
[0032]總信標期用于總協調器向各個子協調器發送總信標幀，其幀結構如圖3所示，其中，組ID字段為接收該總協調器調度的二級子網以及總協調器所組成的組ID;子信標期起始時刻字段表示子信標期的開始時間；子非競爭期個數字段為子非競爭期的個數，其個數為M，表示將復合超幀中的非競爭期均分為M個子非競爭期，即該機制下每個復合超幀中最多有M個二級子網通過競爭可以獲得子非競爭期的使用權，一般N大于等于M，N代表該兩級網絡在某個有限的物理空間區域中最多所能容納的無線體域網數量，根據該N值確定子信標期的子時隙數。
[0033]協調器競爭期用于子協調器之間競爭序號。該序號既決定了子協調器于子信標期發送子信標幀的順序，又決定了二級子網于非競爭期獲得時隙的情況。在此期間，子協調器、總協調器分別發送本發明實施例根據現有斷開連接幀(Disconnect frame)設計的簡短的協調器競爭幀(Hub Contend frame)、競爭確認幀(Contend Ack frame)。此兩種幀的幀結構如圖4、圖5所示，其中，競爭確認幀的幀體中包含競爭序號(Contend SequenceNumber)字段，表示子協調器競爭到的序號。
[0034]子信標期用于二級子網中的各個子協調器按其競爭到的序號依次向其各自的節點廣播子信標幀。其中，MAC參數(MAC Capability)字段中在IEEE802.15.6協議中原本預留了 4bit字段未用，本發明實施例利用其中的Ibit表示該二級子網在下一個超幀中是否可以占用非競爭期。由于不同級子網之間為透明傳輸，二級子網內的節點并不知道一級子網層關于復合超幀的時間分配情況，僅通過其子協調器發送的子信標幀獲取各個接入時期的起止時間，因此子信標幀中仍包含隨機接入期起始時刻、隨機接入期結束時刻兩個字段，且字段的值與總信標幀中的對應字段的值相同，但子信標幀中不需要告知節點子非競爭期的起止時隙，因為節點在競爭非競爭期中的時隙時僅申請所需的時隙長度，而具體的時隙安排由子協調器完成。對于競爭到序號i的二級子網，其非競爭期起始時刻、非競爭期結束時刻分別如公式(1)(2)所示:第i個子非競爭期起始時刻=隨機接入期結束時刻+(1-1) X每個子非競爭期的長度(I)第i個子非競爭期結束時刻=隨機接入期結束時刻+i X每個子非競爭期的長度(2)
[0035]其中當競爭到序號i的二級子網內某個節點于隨機接入期向子協調器申請非競爭期中上傳數據的時隙時，子協調器通過如圖7所示的連接管理幀(connect Assignmentframe)為其安排第i個子非競爭期中的時隙，如果該節點獲得第i個子非競爭期內第m至第η個時隙，則子協調器通過該連接管理幀中的時間段起始時刻(Interval Start)字段、時間段結束時刻(Internal End)字段為其分配的非競