无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法技术方案

本发明专利技术属于功率管理技术领域，公开了无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，网络中的每个节点启动时，经过一个初始化阶段，建立邻节点信息表；初始化结束后，节点根据本发明专利技术提出的功率分配方法，为其邻节点分配竞争信道的功率。然后将功率分配方法得到的分配结果集附加在节点发送的Beacon中，广播给其他邻节点；节点有数据发送时，根据目的节点为其分配的发送功率发送数据。本发明专利技术所提的功率分配方法，时间复杂度较低，且不需要额外的通信开销；实现了节点的捕获效应，并利用捕获效应来解决网络中的冲突，提高了信道利用率和网络吞吐量。

A network conflict resolution method based on power allocation in wireless communication system

The invention belongs to the field of power management technology, and discloses a network conflict resolution method based on power allocation in the wireless communication system. When each node in the network starts, the neighbor node information table is set up after an initialization stage; after the initialization, the node is based on the power allocation method proposed by the invention. The adjacent nodes allocate the power of the competitive channel. Then the distribution result set obtained by the power allocation method is attached to the Beacon sent by the node, and it is broadcast to other adjacent nodes; when the node has data transmission, the data is sent according to the transmission power assigned by the destination node. The power allocation method proposed by this invention has low time complexity and no additional communication overhead, realizes the capture effect of the node, and uses the capture effect to solve the conflict in the network, and improves the channel utilization and network throughput.

【技术实现步骤摘要】
无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法
本专利技术属于功率管理
，尤其涉及无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：在无线传感器网络中，由于无线传感器节点自身能量的有限性，应用场景的特殊性，不能及时对其补充能量。为节约能量，无线传感器网络中的节点多工作在休眠/唤醒的占空比模式。该模式下，节点接收数据的机会减少，加大了发送节点之间的竞争，故容易产生冲突。而无线传感器网络常用的通信模式，如汇聚和分发，更是进一步加剧了冲突。因而，在无线传感器网络的应用中，高效的冲突解决机制成了一项基本和关键的技术。目前国内外常用的冲突解决机制大体分为冲突避免、修改物理层和冲突容差这三种方法。其中，冲突避免的方法，如CSMA随机退避，在竞争节点少，数据传输量小的情况下可以有效工作，但不适用于低占空比或者密度大的网络。而修改物理层的方法，如ZigZag等技术，则要求接收机具备先进的物理层技术，且由于不同厂家生产芯片的差异性，该方法往往不具有普适性。相比之下，冲突容差的方法，则是利用芯片的捕获效应成功解析出较强一路信号，可以比较有效的解决网络中的冲突问题。捕获效应的发生需要同时满足两个条件：一、强信号不晚于弱信号一个前导波接收时间到达；二、强信号的信干躁比SINR超过一定阈值SINRTHR。为了满足条件二，就需要一种功率分配方法，由节点来控制它的邻节点的发送功率，保证邻节点不管以怎样的组合方式竞争，总会有一个邻节点发送的分组信号能够被接收节点以不低于80％的概率成功解析。采用穷尽搜索的方法进行功率分配时，对所有邻节点的可用发送功率等级进行全排列，一定能得到最优解。采用贪心的方法进行功率分配时，每次选择邻节点中最小的可用发送功率等级，直到遍历完所有邻节点或者没有可用发送功率等级，时间复杂度低，为O(n)。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)冲突避免的方法在竞争节点少，数据传输量小的情况下可以有效工作。但在低占空比或者密度大的网络中，由于参与竞争的节点个数增多，各节点退避时间相差不大，导致节点需要不停的退避直至信道空闲，从而增大数据包传输延迟，且消耗大量能量，减少了传感器节点的使用寿命。(2)修改物理层的方法要求接收机具备先进的物理层技术，且不同厂家生产的芯片具有一定差异性，若想将修改物理层的方法从一个芯片移植到另一芯片往往需要对相应方法做大量修改，对于一些不支持特定物理层技术的芯片来说，甚至是无法实现移植的。(3)采用穷极搜索的方法进行功率分配，要遍历所有可能的组合，时间复杂度为O(n！)。在密度大的网络中，每个节点有8～10个邻节点，由于穷尽搜索方法时间复杂度高，而传感器节点的计算和内存又有限，传感器节点根本没有办法运行穷尽搜索方法。因此，当网络密度大时，不能用穷尽搜索的方法进行功率分配。(4)采用贪心的方法进行功率分配，得到的解只是局部最优，而不是全局最优。因此，在密度大的网络中，由贪心方法进行功率分配得到的分配结果集有超过70％的概率无法容纳所有的邻节点，从而降低了信道利用率。解决上述技术问题的难度和意义：由于传感器节点的计算和内存有限，所提功率分配方法需要时间复杂度较低才可以在节点上运行，然而节点的每个邻节点都有8个发送功率等级可供选择，且在密度大的网络中，节点的邻节点个数又比较多，在进行功率分配时，为了使分配结果集中容纳更多的邻节点，时间复杂度不可避免的会变大。此外，由功率分配方法得到的分配结果集中，各邻节点的接收信号强度需要满足捕获效应对信干躁比的要求，这就限制了分配结果集中可容纳邻节点的个数。本专利技术所提功率分配方法权衡时间复杂度和分配结果集可容纳邻节点的个数，使得所提的功率分配方法既能在节点上以较短时间运行出结果，又可以尽可能的容纳更多邻节点，通过节点控制其邻节点的发送功率，提高信道的竞争成功率，从而解决网络中的冲突问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法。本专利技术是这样实现的，一种基于功率分配的网络冲突解决方法，所述基于功率分配的网络冲突解决方法在网络中的每个节点启动时，会经过一个初始化阶段，建立邻节点信息表；初始化结束后，节点根据功率分配方法，为邻节点分配竞争信道的功率；将功率分配方法得到的分配结果集附加在节点发送的Beacon中，广播给其他邻节点；节点有数据发送时，根据目的节点为其分配的发送功率发送数据。进一步，所述节点的初始化阶段，通过Beacon进行通信，建立邻节点信息表，邻节点信息表中，每一个邻节点的属性包括邻节点号及该邻节点到本节点的路径损耗。进一步，所述功率分配方法执行前，先对备选节点集合进行处理，将每个邻节点不可用发送功率等级置为不可用，用N/A表示。进一步，所述节点发送数据时，为确保发送方发送的分组到达接收方的时间满足捕获效应对时间的要求，需提前将待发送的分组装载到CC2420的发送缓存TXFIFO中，并设置好发送功率；在规定时间内收到接收方的Beacon，则在收到Beacon的SFD下降沿立即触发选通命令STXON，将数据发出去；否则转为休眠。进一步，所述功率分配方法执行时，初始化当前解R为当前总干扰强度I为-97dBm，当前递归次数N为1，当前结果元组T为(255,0)，信干躁比阈值SINRTHR为经验值2.0dB。节点根据邻节点信息表中各邻节点到本节点的路径损耗，以及邻节点可用的8个发送功率等级所对应的发送功率，分别计算每个邻节点使用不同发送功率发送数据时，到达本节点的接收信号强度，得到一个二维表，作为备选节点集合L的初始值。进一步包括：执行Sum[dBm](R)操作，得到当前总干扰强度I，然后执行JudgeResultTuple(L,R,I,N,index)操作；在依次遍历备选节点集合中的邻节点时，执行GetResultNumExp((L,R,I,N,index)操作；遍历完备选节点集合中的所有邻节点后，取使得分配结果集容纳元组个数的期望值最大的元组，作为当前结果元组T。进一步包括：执行AddTupleToResult(T，R)操作，然后执行Set_N/A(L,T)操作。置N＝N+1，递归执行上一步，直到备选节点集合为空，或备选节点集合中无可用发送功率等级，结束递归，当前解R即为分配结果集。本专利技术的另一目的在于提供一种应用所述基于功率分配的网络冲突解决方法的无线通信系统。综上所述，本专利技术的优点及积极效果为：1)本专利技术提出的功率分配方法工作所需的路径损耗参数是通过节点正常工作必需的Beacon以及网络中的正常数据传输来获取的，而且功率分配的结果也是通过附加在Beacon上广播出去的，方法的实现并没有增加额外的通信开销。2)本专利技术提出的功率分配方法时间复杂度为O(n^2)，适用于计算能力和内存有限的传感器节点。和贪心方法相比，该方法在每次递归的过程中除考虑当前备选节点集合中最小可用发送功率等级外，还考虑了选取当前发送功率等级对分配结果集容纳元组个数的期望值的影响，使得分配结果集中能够容纳更多的邻节点。且解集中的所有节点无论以怎样的组合竞争信道，总可以保证有一个邻节点发送的分组信号能够被接收节点以不低于80％的概率成功解析。3)本专利技术提出的网络冲突解决方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，其特征在于，所述基于功率分配的网络冲突解决方法在网络中的每个节点启动时，会经过一个初始化阶段，建立邻节点信息表；初始化结束后，节点根据功率分配方法，为邻节点分配竞争信道的功率；将功率分配方法得到的分配结果集附加在节点发送的Beacon中，广播给其他邻节点；节点有数据发送时，根据目的节点为其分配的发送功率发送数据。

【技术特征摘要】
1.无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，其特征在于，所述基于功率分配的网络冲突解决方法在网络中的每个节点启动时，会经过一个初始化阶段，建立邻节点信息表；初始化结束后，节点根据功率分配方法，为邻节点分配竞争信道的功率；将功率分配方法得到的分配结果集附加在节点发送的Beacon中，广播给其他邻节点；节点有数据发送时，根据目的节点为其分配的发送功率发送数据。2.如权利要求1所述的无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，其特征在于，所述节点的初始化阶段，通过Beacon进行通信，建立邻节点信息表，邻节点信息表中，每一个邻节点的属性包括邻节点号及该邻节点到本节点的路径损耗。3.如权利要求1所述的无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，其特征在于，所述功率分配方法执行前，先对备选节点集合进行处理，将每个邻节点不可用发送功率等级置为不可用，用N/A表示。4.如权利要求1所述的无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，其特征在于，所述优选的，节点发送数据时为确保发送方发送的分组到达接收方的时间满足捕获效应对时间的要求，需提前将待发送的分组装载到CC2420的发送缓存TXFIFO中，并设置好发送功率；在规定时间内收到接收方的Beacon，则在收到Beacon的SFD下降沿立即触发选通命令STXON，将数据发出去；否则转为休眠。5.如权利要求1所述的无线通信系统中一种基于功率分配的网络冲突解决方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈中，周丽芝，李文，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61