发明内容

针对上述背景技术的问题，本发明提供一种运动状态下的无线体域网进行信道分配的方法，该方法能够使无线体域网的sink节点根据共享信息制定相应的传输策略，可以有效降低工作在相同频率的无线体域网之间的干扰。

针对多组无线体域网共存的动态场景，进行协同调度为不同体域网分配信道，能够有效的提高数据传输的有效性和可靠性，而且有效降低了节点的能耗。

本发明的目的是为运动状态下的无线体域网进行信道分配。主要通过以下方案实现：

无线体域网的通信划分为三层，第一层为传感器节点至sink节点之间的通信，第二层为sink节点至服务中心的通信，第三层为服务中心至医院等机构的通信。

在第一层通信中，需要寻找一种合理有效的方法为场景中各个无线体域网分配合适的工作信道，提高节点间通信的总吞吐率，减少节点受到的无线电干扰，提高网络性能。同时在第二层通信中，在对信道进行分配的同时也要考虑对sink发送功率进行功率控制，有利于节点长期、稳定、高效工作，提高网络空间信道的复用性和吞吐率，同时降低网络能耗，避免过热造成人身损害。

第一层通信中无线体域网所受到的干扰主要来自无线体域网的内部和外部，其中来自无线体域网外部的干扰可以是来自其他无线体域网的，也可以是来自与无线体域网工作在相同频段的设备，比如蓝牙，WiFi等等。根据2012年推出的IEEE802.15.6协议，其将QoS分为7个优先级：1(最低优先级)～7(最高优先级)。

当只有一个无线体域网在环境中存在时，使用TDMA的方式根据各自节点的优先级对信道进行分配，避免传感器节点在向sink通信时相互之间产生干扰。若传感器节点处于相同的优先级，则由sink随机为其分配时隙，并记录接收到的来自各个传感器节点的信号强度。

当有多个无线体域网存在于同一个狭小环境时，首先，目标无线体域网判断是否受到干扰，方法为：当双方的sink彼此之间的距离D小于四倍的传感器最大通信半径R且持续时间T大于T_th时，判定无线体域网双方产生干扰。其中T_th为一个定量阈值，一般取T_MAP为超帧结构中MAP段的时长，N_S为当前单个体域网内的传感器节点个数。然后，针对无线体域网之间的干扰多是产生在距离较近且无物体遮挡的情况下，此时主要考虑自由空间的传输损耗LS＝32.45+20×log(f)+20×log(d)，其中传输频率f的单位为MHz，传输距离d的单位为km。产生干扰的不同无线体域网的sink节点相互交换其时隙分配表和其传感器节点的信号强度，实现超帧同步。

其中，还需要判断同时隙工作的sink节点是否受到干扰，方法为：计算在相同时隙内通信的信干噪比(SINR)，判断是否会对对应的sink节点产生干扰。若SINR<SINR_th，则产生了干扰，双方sink在当前通信的传感器节点所工作的时隙后增加一个时隙，两个节点随机分配先后顺序；否则没有产生干扰，双方sink可在同一时隙进行通信工作。

其中信干噪比其中σ²表示加性高斯白噪声，S_i为第i个sink节点的接收功率，I表示外部的干扰。

在第二层通信中，sink采用CSMA/CA方式在2.4Ghz频段与服务中心进行通信。由于第二层通信采用CSMA/CA的方式，当存在大量无线体域网的用户时，会使得无线信道性能下降，用户之间的信息通信会产生碰撞，从而降低网络吞吐量，也降低了能源效率。

其中，共存的sink节点之间有以下两种情况：

a.没有干扰：两个sink的距离大于或等于R’+R。这是允许两个sink使用同一信道而不造成独立于客户端分布的干扰的最小距离。其中R’表示距离sink的一个最大距离，在这个距离内的其他体域网的sink同时传输将触发服务中心接收器的载波感知。从该sink或与该sink相关的体域网的传输将触发服务中心接收器的载波感知。两个sink可以同时传输信息。

b.产生干扰：两个sink之间的距离小于R’+R。服务中心将无法正确地确定接收传输来源。两个sink无法同时传输信息。

对于存在的N个无线体域网，若满足条件a，则由服务中心随机为其分配信道，若满足条件b，首先计算出服务中心和各sink之间的最短信道路径，在此最短信道路径下采用CSMA/CA的方式进行信道分配。最短信道路径由如下迪杰斯特拉方法计算得出：

设G＝(V,E)是一个带权有向图，把sink集合V分为两组A和B，将已经分配到信道的sink列入集合A，未分配到信道的sink列入集合B，按最短路径长度的递增次序依次把B中的sink加入A中，同时，从B中将其移除，直到遍历完B中所有的sink，在加入的过程中，总保持从服务中心到A中各sink的最短路径长度不大于从服务中心到B中任何sink的最短路径长度；

每个sink对应一个距离E，A中sink的距离E是指服务中心到此sink顶点的最短路径长度，B中sink的距离是指从服务中心经过A中的sink为中继到此sink的当前最短路径长度。

由于存在多个无线体域网，可能会检测到冲突，为降低再冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法传输。为了保证这种退避维持稳定，采用了二进制指数退避算法，其算法过程如下：

1.确定基本退避时间，一般将端到端的往返时间2t视为基本退避时间。

2.定义参数k＝min[冲突次数，10]，k与冲突次数有关，冲突次数越多，k的值越大，最大不超过10。

3.取一个随机数r为离散整数集合[0,1,2，……，(2^k-1)]中的一个随机数，等待的时延为r倍的基本退避时间，即2rt。

4.当冲突次数大于10后，则一直在[0,1,2,……,1023]中随机选取一个数作为r的取值。

考虑到无线体域网移动过程中和服务中心之间距离的变化，当距离变近时，若仍保持原有的发射功率，则加大了sink的能耗，同时也会对其他无线体域网产生干扰。因此，服务中心根据接收到的无线体域网sink的信号强度与期望接收到的信号强度对比得偏差值e，通过离散的增量式PID算法控制对应的无线体域网sink进行发射功率：

Δu(k)＝K_p(e(k)-e(k-1))+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

K_p、K_i、K_d分别表示比例项、微分项、积分项，e(k-i)表示前i轮所接收到的信号强度偏差，Δu(k)为控制sink下一轮的发射功率。

本发明的有益效果：

该信道分配方案充分考虑了干扰，功率控制等问题，针对多无线体域网信道分配问题提出相应的解决方案，提高了数据传输的可靠性，节约了能耗。