一种无线体域网网间干扰避免方法与流程

本发明涉及体域网信号处理技术领域，特别涉及一种基于频次响应的分布式无线体域网网间干扰避免方法。

背景技术：

无线体域网是一种以人体为中心的短距离通信网络，它可以用于监控和测量人体的一些重要的身体特征，在生活和医疗方面有重要的作用。随着体域网的普及，体域网用户急剧增加，多用户的场景对体域网的性能带来了一定的挑战。体域网是一种对可靠性和低能耗要求很高的网络，因为它传递的是重要的人体信息，并且网内的传感器节点能量极为有限。当多个体域网集中在一个有限的空间并且在同一个信道同时收发时，网络的正常信息传输会受到影响，引起重传丢包等现象，造成网络性能的下降，例如吞吐量的下降，延时和能耗的增加。

由于体域网的标准ieee802.15.6仅仅定义了26个信道，信道数量十分有限，因此多个网络工作在同一个信道的可能性很大，而当体域网的传输范围内存在其他同信道工作的网络时，不可避免地网络的信息传输会受到影响。这些问题都是由于体域网之间的同频网间干扰造成的，这种网间干扰不仅会影响网络的可靠性，并且重传丢包会大大增加网络的耗能，缩短网络寿命，因此需要想办法减轻体域网的网间干扰，维持网络的正常性能。

与其他网络技术的干扰不同，体域网的网间干扰是多个网络之间的干扰，网络之间互不相通，网络不能获取其他网络的信息，并且网间干扰会随着人体的移动变化动态改变。由于体域网干扰的动态性，传统通信技术的宏观调配信道分布的集中式策略并不适用于体域网，每个体域网都采取分布式的自适应调节策略。因此需要设计一种能够使体域网尽快从干扰中恢复到正常工作状态的干扰避免算法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无线体域网网间干扰避免方法，该方法可在当前信道受到网间干扰影响时及时切换到空闲信道上，避免了体域网的网间干扰，维持了网络的正常性能。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种无线体域网网间干扰避免方法，包括：

协调器周期性统计网络吞吐量，并与吞吐量阈值作比较，判断当前信道是否受到网间干扰影响，当统计的吞吐量低于吞吐量阈值时，认为网络需要实现网间干扰避免，执行下述算法：

协调器在每一轮检测选中信道并更新频次，得到每一轮各信道选择概率集合，非冲突时保持在本信道上传输，冲突时根据选择概率集合选择下一轮的信道；周期性重复以上算法，当网络环境稳定时网络会一直在同一个空闲信道上传输。

通过上述方法，实现了网络的自适应调节，起到了避免网间干扰的效果

具体的，包括以下步骤：

(1)协调器有m个可选信道集，每一轮协调器选择一个信道进行检测和传输，对于信道i设置相应的选择频次ni，当信道i被选择时，频次ni+1，检测的总轮数为r，每检测一次信道轮数r+1；初始时轮数r等于信道集的个数m，每个信道的选择频次为1，即初始时每个信道的选择概率为1/m，协调器首轮等概率随机选择一个信道进行检测。

(2)体域网协调器每一轮统计网络单位时间内的吞吐量并与设定的吞吐量阈值作比较，判断当前信道是否存在网间干扰冲突。

(3)如果协调器检测到当前吞吐量没有低于阈值，则继续在当前信道上传输，并改变当前信道i的选择频次ni+1。当协调器检测到当前信道存在网间干扰时，需重新选择一个新的信道，进行步骤(4)，若没有检测到网间干扰，则回到步骤(2)。

(4)协调器根据信道i被选择的频次ni和总轮数r的比例，得到冲突时选择信道i的概率ki＝ni/r，并根据各信道的选择概率划分(0，1)区间范围，产生一个(0，1)之间的随机数，根据随机数落下的区间选择下一轮信道值，并广播通知网络其他节点，使得整个网络调整到新的信道上。

(5)网络整体切换信道后回到步骤(2)，一段时间内网络会在一个空闲的信道上一直传输，直到重新遇到网间干扰。

优选的，步骤(2)中，吞吐量阈值的设定与当前节点个数和传输速率及理论最大传输速率相关。

更进一步的，步骤(2)中，通过阈值法判断当前信道是否存在网间干扰冲突，设定系数α＜1，确定吞吐量阈值tth＝tm*α，其中tm为吞吐量指标。假设系统的理论最大速率为tmax，去除ack包所占的带宽，实际最大发送速率只有理论最大速率的一半tmax/2，因此网络的最大吞吐量不会超过tmax/2。

当实际网络的各节点的理论吞吐量之和低于tmax/2的时候，认为网络未饱和，网络的实际吞吐量均值与各节点设定的传输速率和节点的个数相关。当节点的吞吐量之和低于tmax/4时，根据经验可设置α＝0.7。当节点的吞吐量之和介于tmax/4到tmax/2之间时，根据经验可设置α＝0.6。

当实际网络节点的理论吞吐量之和高于tmax/2的时候，即网络已经达到饱和状态，即使增加节点个数也不会提高网络吞吐量，因此以tmax/2作为基准，统一一个相同的吞吐量阈值系数α。根据实验经验可设置阈值系数α＝0.5。当协调器检测到当前吞吐量低于当前阈值时，认为网络受到严重干扰。

步骤(3)中协调器在每一轮以吞吐量作为信道检测标准，当检测到当前吞吐量超过阈值，则认为当前信道质量好，不需要切换信道，并且当前信道i的选择频次为ni+1。当检测到吞吐量低于阈值时，认为在当前信道遇到了网间干扰，需要在当前信道集上重新选择一个信道进行传输，选择的概率由步骤(4)进行计算。

优选的，步骤(4)中遇到冲突时选择下一轮信道的概率是根据每个信道的选择频次和总轮数的比例计算的，步骤如下：一是产生一个(0，1)范围的随机数，二是根据各信道的概率将(0，1)区间分成m个范围，每个范围的宽度分别对应各个信道的概率大小，三是根据随机数落在的区间确定下一轮选择的信道。

优选的，步骤(5)中，在重新遇到网间干扰时会再次利用信道选择频次和轮数计算各个信道的选择概率，并根据该概率选择下一轮信道。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、由于体域网独特的移动性和独立性，传统的网络间干扰避免方法不能满足其需求。本发明旨在通过体域网的自适应调节，独立地监测当前的网络状态信息，由协调器根据吞吐量信息判定当前信道是否受到网间干扰影响，并及时切换到空闲信道上，所有操作与其他网络无关，也无需获得其他网络的信息，实现了实时的自适应调节。

2、本发明利用非合作动态博弈模型模拟了网络的信道竞争，简化了网络结构，通过每一轮的信道检测情况选择是否切换信道，冲突时根据频次响应选择下一轮的信道，使得网络能在一段时间内收敛到一个空闲信道并在重新遇到网间冲突时根据历史得到的混合策略尽快找到其他空闲信道，恢复正常通信，保持高性能。

附图说明

图1为本发明方法中传感器节点的工作流程图。

图2为本发明方法中协调器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例提供了一种无线体域网网间干扰避免方法，该方法基于博弈论的非合作动态博弈模型，利用信道吞吐量检测模拟信道的博弈，冲突时根据变化的频次集合选择空闲概率最高的信道，使得网络能有效快速地收敛到空闲的信道上，保持网络的高性能。

下面结合图1、2，对本发明一种无线体域网网间干扰避免方法进行具体的说明。

s1、协调器有m个可选信道集，每一轮协调器选择一个信道进行检测和传输，对于信道i设置相应的选择频次ni，当信道i被选择时，频次ni+1，检测的总轮数为r，每检测一次信道轮数r+1。初始时各信道的选择频次均为1，初始时轮数r等于信道集的个数m，则初始时各信道的选择概率为1/m，协调器首轮等概率选择某一信道i进行传输和检测。

s2、参见图1，体域网中各传感器节点以固定速率给协调器发送数据，数据包括数据包以及数据包的退避次数和重传次数。协调器根据接收到的数据包周期性统计当前网络的实际吞吐量。

s3、协调器根据统计的吞吐量反映本轮的信道状况，判断网络是否受到网间干扰。具体的：每一轮协调器检测当前信道一定时间内的吞吐量：

如果吞吐量高于设置的吞吐量阈值，则下一轮继续在当前信道i上传输，改变当前信道i的选择频次ni+1，总的轮数r+1。

如果吞吐量低于吞吐量阈值，则认为当前网络遇到了网间干扰冲突，则当前信道i轮数r+1，选择频次不变，执行步骤s4。

上述的吞吐量阈值通过下述公式计算得到：

tth＝tm*α；

其中，设定系数α＜1，tm为吞吐量指标。假设系统的理论最大速率为tmax，去除ack包所占的带宽，实际最大发送速率只有理论最大速率的一半tmax/2，因此网络的最大吞吐量不会超过tmax/2。

当实际网络的各节点的理论吞吐量之和低于tmax/2的时候，认为网络未饱和，网络的实际吞吐量均值与各节点设定的传输速率和节点的个数相关。当节点的吞吐量之和低于tmax/4时，根据经验可设置α＝0.7。当节点的吞吐量之和介于tmax/4到tmax/2之间时，根据经验可设置α＝0.6。

当实际网络节点的理论吞吐量之和高于tmax/2的时候，即网络已经达到饱和状态，即使增加节点个数也不会提高网络吞吐量，因此以tmax/2作为基准，统一一个相同的吞吐量阈值系数α。根据实验经验可设置阈值系数α＝0.5。当协调器检测到当前吞吐量低于当前阈值时，认为网络受到严重干扰。

s4、协调器根据当前各信道的选择频次和轮数比例得到下一轮选择信道的概率。

协调器根据信道i被选择的频次ni和总轮数r的比例，得到了遇到网间干扰冲突时选择信道i的概率ki＝ni/r，并根据各信道的选择概率划分(0,1)区间范围，产生一个(0，1)之间的随机数，根据随机数落下的区间选择下一轮信道值，并广播通知网络其他节点，各传感器节点接收来自协调器的跳频指令及信道号后，提取信道号并跳频到协调器指定的信道上，使得整个网络调整到新的信道上。

s5、调整到新的信道后回到步骤s2，周围环境稳定时网络会在一个空闲的信道上一直传输，直到网络重新遇到网间干扰，在重新遇到网间干扰时会再次利用信道选择频次和轮数计算各个信道的选择概率，并根据该概率选择下一轮信道。

为了验证算法的准确性，本发明提供了一个具体的实例来操作上述步骤，具体为：

(1)传感器节点及协调器均采用ti公司的cc2530芯片，移植tinyos开源操作系统。

(2)在3个信道的信道集中，在其中2个信道上放置干扰节点，仅留出一个空闲信道。在受干扰信道放置两个干扰节点，传输速率为80kbps，不断地发送数据包以干扰网络，无需得到ack响应。

(3)传感器节点每20ms发送一个大小为100字节的数据包到协调器，传输速率为40kbps，一个网络有两个传感器发送节点和一个协调器节点。初始时各信道的选择频次为1，总轮数r为3，因此各信道的选择概率为1/3，协调器首轮随机选择一个信道。

(4)协调器收集节点发送的数据通过计数方法获得当前信道1秒的吞吐量。由于协调器的理想吞吐量为80kbps，吞吐量没有达到饱和状态，因此吞吐量阈值系数α应该设定为0.6，因此吞吐量阈值设置为tth＝0.6*80kbps＝48kbps。

(5)协调器通过一个数组记录每个信道的选择频次ni，当协调器检测到当前信道的实际吞吐量高于吞吐量阈值时，对应信道的选择频次ni+1，总轮数r+1，协调器下一轮不切换信道继续传输。当协调器检测到当前信道的实际吞吐量低于吞吐量阈值时，对应信道的选择频次ni不变，总轮数r+1，协调器根据当前各信道的选择频次计算各信道的选择概率ki＝ni/r，并产生一个(0,1)之间的随机数，根据随机数落下的区间选择下一轮信道值。

(6)协调器得到下一轮的信道后将广播该信道并跳频，节点收到信道值后也跳频到相同的信道继续数据传输，调整到新的信道后继续周期性重复以上算法，周围环境稳定时网络会在一个空闲的信道上一直传输，直到网络重新遇到网间干扰，在重新遇到网间干扰时会再次利用信道选择频次和轮数计算各个信道的选择概率，并根据该概率选择下一轮信道。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。