基于协调忙音智能保护的异构无线网络合作共存方法

摘要

本发明涉及一种基于协调忙音智能保护的异构无线网络合作共存方法，针对异构网络共存问题，设计智能的协调忙音保护策略，涵盖频率、时间、空间和功率等多个维度，通过“预警”和“并行保护”，一方面兼容TDMA、CSMA及混合接入机制；另一方面，避免了共存网络的侦听盲区问题，扩大了多类共存网络的侦听范围和网络合作优化的信息量；其中，基于干扰解耦的网间干扰分类方法，以各类网络是否可以侦听到对方为划分标准，以共存子域数量最少为目标，避免了对共存干扰“考虑过多”或“考虑不全面”的问题；“两端规则”和“左右规则”选择忙音信道，在低开销干扰信号特征提取的基础上，对共存环境中的弱势网络进行合理保护，提高共存网络的综合性能。

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种基于协调忙音智能保护的异构无线网络合作共存方法。

背景技术

共存是保障ISM频段无线传感器网络性能的有效手段之一。根据我国国家无线电管理委员会2005年颁布的《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》，无线传感器网络工作于ISM频段。除无线传感器网络外，工作于ISM频段的无线设备还包括微波炉、射频识别RFID、无绳电话、蓝牙等，无线信道的开放共享特性使得这些原有设备会与无线传感器网络互相干扰。另外，随着无线传感器网络的应用市场越来越广阔，网络越来越庞大且复杂，不同类网络之间以及面向不同应用的同类网络之间的频率拥挤和竞争问题凸显，这导致无线传感器网络的确定性性能要求，例如，可靠性、实时性、能耗、吞吐量等，面临着巨大的挑战。此外，业务类型的特殊性、网络行为的复杂性、组网模式的多样性及接入机制的差异性，导致不同类型无线传感器网络的性能偏好不同。因此，需要继续开展共存理论和方法的研究，使得不同网络在满足各自性能要求的前提下，和谐共处。

共存已经成为国内外无线网络研究的热点技术，主要分为合作共存和非合作共存两种模式。对于非合作共存模式，多网之间无协调交互，只能利用物理层协议参数在空域、时域、频域三个方面建立干扰的概率模型。对于合作共存模式，多网之间存在协调交互，模型可以进一步扩展到利用数据链路层的协议参数。非合作共存模式可以在一定程度上避免干扰和冲突，但对网络性能的提升能力有限。合作共存模式可更好地降低冲突，挖掘网络容量，已成为未来共存技术的方向。除学者外，国际上还成立了专门的工作组，例如国际电工委员会IEC TC65中的WG17工作组，致力于多网共存技术和标准的研究。

合作共存和优化方法是一类在线的协调和控制的优化问题，其特征在于共存环境中的多类网络需要达到“知己知彼”，且根据底层协议本身的参数设置联合控制占用无线资源的时间、频率和功率。然而，在合作共存方法的实现过程中往往面临信息收集不完全的情况，共存的多类网络之间依靠有限的侦听能力获取部分信息，实现“知己知彼”面临巨大挑战。具体体现在下面三个问题：

问题1：无协议兼容性。现有的IEEE 802.15.4和IEEE 802.11产品仅仅实现协议自身定义的功能，没有实现两类协议的兼容，因此，IEEE 802.15.4和IEEE802.11之间无法获得彼此的信息，而仅能采取侦听机制获取部分信息。

问题2：侦听范围有限。两类网络是否可以侦听到对方包括三种情况：互相侦听到对方、一方可以侦听到另一方、互相侦听不到对方。因此，存在无法侦听到对方的情况。

问题3：协议差异较大。IEEE 802.15.4和IEEE 802.11两类协议的射频参数以及接入机制差异较大，进而导致接入方式、接入频率以及接入时间的组合庞大。在某一时间点，一方网络无法准确把握另一方网络确切的射频参数以及接入机制。特别是现有大多数IEEE 802.15.4协议采用时分多址访问(Time DivisionMultiple Access,TDMA)和载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access,CSMA)结合的接入机制，而IEEE 802.11无法进行本地区分。

此外，大多数协议规定采用CSMA和TDMA的联合接入机制，这类随机和确定结合的传输方法增加了联合控制的难度。同时，引起多网干扰的因素众多，以单个网络的性能最大化为目标，且针对单个关键影响因子建立模型和设计算法较为片面，而综合考虑多网联合性能和众多影响因子则面临解空间庞大的问题。

面对上述问题，如何立足于现有成果，扩大多类共存网络的信息量，实现多网联合利益的最大化，成为亟待解决的难题。

发明内容

针对非合作共存模式短视、对网络性能提升有限的缺陷，以及已有合作共存模式存在无协议兼容性、侦听范围有限、协议差异较大、以单个网络的性能最大化为目标等问题，提出一种基于协调忙音智能保护的异构无线网络合作共存方法，扩大多类共存网络的侦听范围和网络信息量，覆盖共存网络的侦听盲区，且不影响共存网络的整体性能；涵盖频率、时间、空间和功率等多个维度且面向CSMA、TDMA及其混合接入机制的低开销、易实现的网络共存接入，一方面保证TDMA传输的确定性要求，另一方面研究基于CSMA机制的网络如何利用空闲时机伺机传输以及如何进行自适应信道检测和跳频。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于协调忙音智能保护的异构无线网络合作共存方法，包括以下步骤：

步骤1：根据网络的侦听范围，将共存网络网间的干扰分为三类：抑制情况干扰、冲突情况干扰和混合情况干扰，且三类干扰集合互斥；

步骤2：根据CCA模式2以及RSSI检测功能采集干扰信号密度特征，并进行干扰分析；

步骤3：设计发射协调忙音设备，即共存协调设备CCD的协议栈：CCD物理层和介质访问控制层采用IEEE 802.15.4的协议栈，上层增加共存管理器，从时域、频域和空域三个维度控制协调忙音信号CBS的传输时间、传输信道、传输功率以及共存协调设备CCD位置的布放；

步骤4：CSMA、TDMA及混合机制调节忙音信号传输的信道、时隙和功率，并安排CCD布放的位置。

所述抑制情况干扰为：两类网络可以相互侦听到对方，优先获得信道使用权的一类网络将抑制另一类网络的传输，导致另一类网络无限期等待的情况；

所述冲突情况干扰为：两类网络无法相互侦听到对方，两者之间的传输产生冲突的情况；

所述混合情况干扰为：A类网络可以单方面侦听到B类网络是否正在传输数据，一方面B类网络优先传输将抑制A类网络；另一方面，A类网络传输过程中与功率较高的B类网络产生冲突的情况。

所述步骤2具体为：

当CCA模式2下返回IDLE值，即信道空闲，而RSSI值大于阈值时，则表示网络中存在IEEE 802.11信号，具体遵循以下计算：

其中，I(t)表示t时刻是否存在干扰信号；如果CCA_2＝IDLE&RSSI＞α，α为协议定义的阈值，则表示存在IEEE 802.11干扰信号，此时I(t)为1；否则，I(t)为1；

通过在线方式实时获取RSSI数据记录干扰信号的强度，记为f(d,t)：

$>f(d,t)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{RSSI},& I\left(t\right)=1\\ 0,& I\left(t\right)=0\end{array}\right)$>

所述CSMA机制为：IEEE 802.15.4设备和IEEE 802.11设备采用请求发送/清除发送的握手方式协商传输，CCD设备侦听到网络中的CTS信号后，根据CTS信号，按照“两端规则”和“左右规则”选择信道发送CBS信号，CBS发射时间至少为从数据传输开始到接收端返回ACK。

所述按照“两端规则”和“左右规则”选择信道发送CBS信号，具体为：

分析可用信道集合，记为C；

采用中间信道通信时，CCD信道选择原则定义为“两端规则”，即选择数据传输信道的左右两侧信道；

采用边缘信道通信时，CCD信道选择原则定义为“左右规则”，即：左边缘选右信道，右边缘选左信道；

对于集合C中可能包含的多个备用信道，选择探测RSSI值最小的一个信道。

所述CBS发射时间为：

t_CBS≥t_data+t_delay+t_ACK+δ

其中，t_CBS表示CBS信号的持续时间，t_data、t_ACK以及t_delay分别表示IEEE802.15.4设备数据传输时间、ACK传输时间以及数据传输结束到ACK开始的间隔时间，δ表示保护余量。

所述TDMA机制为：

在CBS发射信号前，首先发送一个预告信号，并在CCA与数据传输之间预留保护时间δ；CBS信号传输信道、功率和布放位置的选择与CSMA机制相同；将t_CBS时间局限在一个时隙时间T_slot内，即：

T_slot＞t_CBS≥t_data+t_delay+t_ACK+δ

其中，t_CBS表示CBS信号的持续时间，t_data、t_ACK以及t_delay分别表示IEEE802.15.4设备数据传输时间、ACK传输时间以及数据传输结束到ACK开始的间隔时间，δ表示保护余量。

所述混合机制采用传输模式标志参数TransmitMode结合保护时间δ分段处理的方法：

CSMA传输模式下：TransmitMode＝0且δ＝0；

TDMA传输模式下：TransmitMode＝1且δ≥0；

其中，保护余量δ长度的选取由用户根据实时性要求设置；TransmitMod表征当前数据的传输模式，定义为0/1变量：

所述步骤4具体为：

根据共存网络协商结果调节CBS发送时间和发送信道；

根据共存网络的干扰区域调节CBS的发射功率和CCD布放位置。

所述根据共存网络的干扰区域调节CBS的发射功率和CCD布放位置，包括：

(1)CBS功率调节：CBS功率设置为与IEEE 802.15.4网络设备相同级别；

(2)CBS布放位置：CBS布放在IEEE 802.15.4网络设备无法侦听到IEEE802.11网络设备的区域。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明方法针对基于TDMA和CSMA机制的异构网络共存问题，通过“预警”和“并行保护”，一方面兼容TDMA、CSMA及混合机制；另一方面，避免了共存网络的侦听盲区问题，扩大了多类共存网络的侦听范围和网络合作优化的信息量，从而优化了共存网络的性能；

2.本发明方法提出的共存网络网间干扰分类方法，根据共存情况下多类网络的干扰耦合关系，以各类网络是否可以侦听到对方为划分标准，以共存子域数量最少为目标，避免了对共存干扰“考虑过多”或“考虑不全面”的问题；

3.本发明方法提出的“两端规则”和“左右规则”，在低开销干扰信号特征提取的基础上，对共存环境中的弱势网络进行合理保护，提高共存网络的综合性能。

附图说明

图1为IEEE 802.11网络和IEEE 802.15.4网络共存示意图；

图2为异构网络之间频谱重叠干扰示意图；

图3为CCA+RSSI抽取IEEE 802.11b网络信号密度特征示意图；

图4为信道重叠和CBS信道选择示意图；

图5为本发明方法协调忙音设备的原理图；

图6为CSMA模式下的CBS智能保护；

图7为TDMA模式下的CBS智能保护。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为一个典型的异构网络(IEEE 802.11网络和IEEE 802.15.4网络)共存的拓扑图。包括1个IEEE 802.15.4协调器、若干IEEE 802.15.4节点、1个IEEE 802.11接入点(AP，Access Point)以及若干IEEE 802.11节点。各类节点之间通过无线方式连接，遵从不同的通信协议，如IEEE 802.15.4和IEEE802.11等。

由于无线传输的开放特性，且IEEE 802.15.4和IEEE 802.11网络一般工作在2.4GHz频段。因此，两类网络之间的数据传输存在相互冲突和干扰的情况。如图2所示，特别是IEEE 802.11网络，网络中节点的发射功率较强，将完全覆盖同频段低功率传输的IEEE 802.15.4，从而导致IEEE 802.15.4传输失败，严重影响IEEE 802.15.4的性能。此外，IEEE 802.15.4和IEEE 802.11协议参数的个性设计也带来众多干扰问题，包括：

(1)从时间的维度，存在传输优先级偏向问题：以表1中IEEE 802.15.4的参数为例，IEEE 802.15.4的切换、等待、检测和退避时间相对较长，导致IEEE802.15.4报文的等待时间过长，传输优先级较低，影响报文传输的实时性；

(2)从频率和功率的维度，存在信号淹没和抢占问题：ISM频段的开放共享特征决定了同一网络不同节点之间以及多个网络之间互相干扰，即网内干扰和网间干扰。特别是网间干扰，由于不同标准定义的功率、带宽、接收灵敏度等参数不同，导致不同网络之间的干扰情况较为复杂。以低速率/低功率的IEEE802.15.4网络和高速率/高功率的IEEE 802.11网络的共存为例，如表1所示，IEEE802.15.4网络的信号强度、带宽以及接收灵敏度明显处于劣势，对于IEEE 802.11网络密集部署的场合，IEEE 802.15.4无线信号更容易被“淹没”或“抢占”，影响报文传输的可靠性；

(3)从空间的维度，存在共存重叠区域界定问题：空间重用是共存的一个重要方法。无线信号的时变衰减特性，以及不同底层标准限定的侦听功率以及侦听阈值等信道探测参数的不同，导致不同类网络的侦听范围不同，进而误判共存环境中是否存在其他类网络。

表1 IEEE 802.15.4和IEEE 802.11b/g参数

IEEE 802.15.4IEEE 802.11bIEEE 802.11g中心频率f_c2410MHz2412MHz2412MHz带宽2MHz22MHz22MHz传输功率0dBm17dBm17dBm接收灵敏度-85dBm-76dBm-82dBm传输速率250kbps11Mbps6Mbps退避单位长度320μs20μs9μs退避窗CW_min73115短帧间间隔SIFS192μs10μs10μsDCF帧间间隔DIFS无定义50μs28μs空闲信道评估CCA128μs无定义无定义SIR阈值5～6dB5～6dB5～6dBTx-Rx切换时间t_tr<128μs<10μs<10μsRx-Tx切换时间t_rt<128μs<5μs<5μs

针对异构网络存在的相互干扰问题，本发明方法提出的一种基于协调忙音智能保护的异构无线网络合作共存方法，结合附图，下面详细介绍具体实现步骤。

步骤1：共存网络网间干扰分类。

根据IEEE 802.15.4节点和IEEE 802.11节点是否可以侦听到对方，划分为抑制情况干扰、冲突情况干扰和混合情况干扰，并将各类干扰信号存入对应的集合中。其中，抑制情况干扰集合记为S1；冲突情况干扰集合记为S2；混合情况干扰集合记为S3。三个干扰集合互斥，即

(S1∩S2)∪(S1∩S3)∪(S2∩S3)＝Φ

其中，∩表示交集，∪表示并集，Φ表示空集。

步骤2：干扰信号密度特征采集和分析。

如图3所示，两类网络执行CC2420的CCA模式2以及RSSI检测，如果CCA模式2下返回IDLE值(信道空闲)，而RSSI值大于阈值α时，网络中存在IEEE 802.11信号；否则，网络中不存在IEEE 802.11信号。此时，根据下面公式判断得出IEEE 802.11信号标记为“混合情况干扰”。

其中，I(t)表示t时刻是否存在干扰信号；如果CCA_2＝IDLE&RSSI＞α，则表示存在IEEE 802.11干扰信号，此时I(t)为1；否则，I(t)为1。

记录干扰信号的强度，记为f(d,t)，存入混合情况干扰集合中。

f(d,t)具体为：

$>f(d,t)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{RSSI},& I\left(t\right)=1\\ 0,& I\left(t\right)=0\end{array}\right)$>

步骤3：CSMA和TDMA混合接入下的协调忙音智能保护。

以面向CSMA传输方式的CCD智能保护为例，说明CBS信道选择、保护时间设计、功率调节以及CCD位置布设。

(1)设计CCD协议栈

如图5所示，CCD物理层和MAC层采用IEEE 802.15.4的协议栈，上层增加了共存管理器，从时域、频域和空域三个维度控制CBS的传输(传输时间、传输信道以及传输功率)以及CCD位置的布放。

(2)按照“两端规则”和“左右规则”选择合适的信道发送CSB信号

IEEE 802.11b设备的射频信息包括：占用1、6、11三个信道，带宽为20MHz，中心频率的计算为：(2.407-0.005i)GHz,i＝1,6,11；

IEEE 15.4设备的射频信息包括：占用11-26共计16个信道，带宽为5MHZ，中心频率的计算为：(2.405-0.005k)GHz,k∈[11,26]。

信道集合为C＝{i＝6，k＝16/17/18/19}时，IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4设备的射频重叠如图4所示，从可用集合C中选择CBS发送信道的方法为：

1)IEEE 802.15.4设备采用中间信道进行通信时的信道选择：

●采用信道17进行通信，CBS可选的信道集合为{信道16，信道18}；

●采用信道18进行通信，CBS可选的信道集合为{信道17，信道19}。

●采用中间信道通信时，CBS信道选择原则定义为“两端规则”，即，可以

选择通信信道的左右信道。

对于采用信道18进行通信的情况，备选信道为{信道17，信道19}，如果RSSI₁₇>RSSI₁₉，则选择信道17作为CBS发送信道。

2)IEEE 802.15.4设备采用边缘信道进行通信时的信道选择：

●采用信道16进行通信，CCD可选的信道集合为{信道17}；

●采用信道19进行通信，CCD可选的信道集合为{信道18}。

●采用边缘信道通信时，CCD信道选择原则定义为“左右规则”，即：左边缘选右信道，右边缘选左信道。

(3)CBS发射时间定义为数据传输开始到接收端返回ACK

如图6所示，根据CBS发射时间t_CBS的定义以及IEEE802.15.4的协议参数，t_data的最大值为4256μs(微秒)，t_delay为1000μs，t_ACK为352μs，δ＝0(CSMA机制下，δ一般为0)，则t_CBS的值为：

t_CBS≥t_data+t_delay+t_ACK+δ

＝4256+1000+352

＝5608

(4)CBS功率调节

根据IEEE 802.5.4协议参数设置，取CBS功率设置为最大值——100mW(20dBm)。

(1)CCD布放位置

CCD布放在混合干扰区域，确保IEEE 802.15.4可以侦听到IEEE 802.11数据。

面向TDMA传输方式的CCD智能保护与面向CSMA传输方式的CCD智能保护惟一不同的是，δ＞0，且CBS的持续时间不超过一个时隙的长度，如图7所示。

混合传输方式的CCD智能保护下，设置传输标志用于不同接入方式的切换。针对不同的接入方式，使用上述不同策略和参数设置方法。