一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法。包括：嵌套的复合超帧结构、改进的帧结构以及该结构下的通信机制。本发明专利技术实施例能够有效地避免网间干扰，改善丢包率、吞吐量等性能。

A method to avoid inter network interference based on nested composite superframe structure

【技术实现步骤摘要】
一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法
本专利技术涉及通信领域，尤其涉及基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法。
技术介绍
在人口基数大且老龄化越来越严重的中国，用于医疗保健方面的人力、物力资源日益短缺，迫切需要研究新方法解决老人的健康监护问题。以人体为中心的无线体域网由部署在体内、体表的传感器实时监控人体的生理指标，并通过网络中的协调器无线传送给远程终端处理，避免了设备之间连线对病人活动的影响，不失为高血压、糖尿病等老年病的一种最佳解决方案。此外，其还可以满足人们对体感游戏、运动情况监测等日常生活方面的需求。因此无线体域网在医疗支持、健康状况监控和消费电子等领域有着越来越广泛的应用前景，受到了前所未有的重视。无线体域网作为一种服务于人体健康的监测型技术，涉及生命安全，对可靠性要求较苛刻，而对于像中国这类人口众多的国家，网间干扰问题势必比较严重，因此，有必要研究体域网的网间干扰避免机制，尤其是中国养老院、医院病房等体域网设备使用更为集中情形下的干扰抑制问题。目前基于物理层的网间干扰避免方案主要有功率控制及跳频等方案，而基于MAC层的方案主要有分布式或集中式的网间组网方案，这些方案大多存在干扰避免机制效果不理想、无线体域网个数受限、负载较大等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为克服现有技术的缺陷，提供一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法。本专利技术提供的一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法，其特征在于：将应用场景抽象为具有星型拓扑结构的两级网络模型，根据该模型设计嵌套的复合超帧、改进相关帧的结构，并给出该复合超帧下的通信机制。上述场景特征为：类似于医用物联网下的养老院、医院病房等网络设备使用较为集中、网络拓扑可抽象为两级网络架构的应用场景。为了便于描述，下面基于医用物联网来描述该方法。上述两级网络模型特征为：将各个无线体域网的协调器称为子协调器，其发送的信标帧称为子信标帧。每个无线体域网内的各个节点与其子协调器之间构成二级子网，各个网络的子协调器与总协调器之间构成一级子网。不同级子网之间为透明传输。上述嵌套复合超帧结构包含总信标期、协调器竞争期、子信标期、独占接入期、随机接入期和非竞争期。总信标期用于总协调器向各个子协调器发送总信标帧。协调器竞争期用于子协调器之间通过发送协调器竞争帧与竞争确认帧来竞争序号。该序号既决定了子协调器于子信标期发送子信标帧的顺序，又决定了二级子网于非竞争期获得时隙的情况：如果实际场景中无线体域网的个数L不大于非竞争期中子非竞争期的个数M，则所有二级子网在非竞争期均按照竞争到的顺序占用子非竞争期进行通信，如果实际场景中无线体域网的个数L大于非竞争期中子非竞争期的个数M，则只有竞争到序号1至M的二级子网按序号顺序占用子非竞争期，而其他二级子网不能使用任何一个子非竞争期。子信标期用于二级子网中的各个子协调器按其竞争到的序号依次向其各自的节点广播子信标帧，其包含N个子时隙，N代表该两级网络在某个有限的物理空间区域中最多所能容纳的无线体域网数量。上述的帧结构包含总信标帧、协调器竞争帧、竞争确认帧、子信标帧、连接管理帧。总信标帧在现有信标帧的基础上增加组ID字段、子信标期起始时刻字段和子非竞争期个数字段，其中组ID字段为接收该总协调器调度的二级子网以及总协调器所组成的组ID；子信标期起始时刻字段表示子信标期的开始时间；子非竞争期个数字段为子非竞争期的个数，其个数为M，表示将复合超帧中的非竞争期均分为M个子非竞争期，即该机制下每个复合超帧中最多有M个二级子网通过竞争可以获得子非竞争期的使用权，一般N大于等于M。协调器竞争帧在现有立即确认帧的基础上优化，增加了组ID字段，竞争确认帧在现有断开连接帧的基础上优化，增加了组ID字段、竞争序号字段，其中组ID字段的含义与总信标帧中组ID字段含义相同，竞争序号字段表示子协调器竞争到的序号。子信标帧在现有信标帧的基础上优化，使用其中的MAC参数字段中保留的1bit以表示该二级子网在下一个超帧中是否可以占用非竞争期。连接管理帧在现有连接管理帧的基础上优化，增加时间段开始时刻字段、时间段结束时刻字段，用于表示该网络的非竞争期的起止时刻。与现有技术相比，本专利技术技术优势在于：解决类似于养老院、医院病房等网络设备使用较为集中、网络拓扑可抽象为两级网络架构情形下的网间干扰问题，该方法能够有效地避免网间干扰，改善丢包率、吞吐量等性能。附图说明图1是两级网络拓扑图；图2是基于两级网络的嵌套复合超帧结构；图3是总信标帧的帧结构；图4是协调器竞争帧的帧结构；图5是竞争确认帧的帧结构；图6是子信标帧的帧结构；图7是连接管理帧的帧结构；图8是各个二级子网信道占用情况示意图；图9是嵌套复合超帧结构下的通信流程。具体实施方式下面结合附图对技术方案进行详细阐述。本专利技术实例提供了一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免机制。本专利技术实例将应用场景抽象为具有星型拓扑结构的两级网络模型，根据该模型设计嵌套的复合超帧结构，并给出该结构下的通信机制。通过本专利技术实例可以有效避免多个网络共享同一信道时的网间干扰，改善丢包率、吞吐量等性能，在提高网络的可靠性的同时，提高产品的用户体验。本专利技术实例主要是针对类似于养老院、医院病房等这类应用场景提出解决方案，其一般都会在室内部署与协调器功能类似的总协调器。本专利技术实施例拟利用该总协调器统一调度各个网络的协调器，并通过协调器间相互竞争的方式使用信道资源，从而协调各个网络占用信道的时间，达到避免网间干扰的目的。基于养老院活动室、医院病房等这类场景构建的两级网络拓扑结构如图1所示。为便于描述，将各个网络的协调器称为子协调器，其发送的信标帧称为子信标帧。其中，每个网络内的各个节点与其子协调器之间构成二级子网，各个二级子网的子协调器与总协调器之间构成一级子网。不同级子网之间为透明传输。总协调器决定复合超帧及其各个时期的起止时间，并协调各个二级子网占用信道的时间及顺序。各个二级子网能否于非竞争期占用信道及占用顺序均通过子协调器之间的相互竞争并由总协调器最终决定。两级网络构成如图2所示的嵌套的复合超帧结构。其中总信标期、协调器竞争期用于一级子网的通信，子信标期、独占接入期、随机接入期、非竞争期用于二级子网的通信。本专利技术实施例将非竞争期均分为多个子非竞争期，然后由子协调器根据其在一级子网中竞争到的顺序，将某个子非竞争期分配给其所属二级子网内的节点，同时所有二级子网内部节点均以CSMA/CA方式竞争使用独占接入期及随机接入期，完成相应通信。为了便于描述，本专利技术实例将基于IEEE802.15.6协议来介绍该两级网络的通信机制，以字段为单位对相关帧进行改动，改动部分在帧结构图中以斜体及阴影表示，而其余部分均采用IEEE802.15.6协议通信。该机制下所做的改动同样适用于4n/4j等其他体域网标准的帧结构。总信标期用于总协调器向各个子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法，其特征在于，所述方法为：将研究的场景抽象为具有星型拓扑结构的两级网络模型，基于该两级网络模型得到嵌套的复合超帧结构和优化的帧结构，再基于复合超帧结构和优化的帧结构进行通信；/n其中，所述研究场景为集中式的场景，且集中式场景包含：医用物联网的养老院或医院病房；/n所述的两级网络模型被设置为：每个网络内的各个节点与其子协调器之间构成二级子网，各个二级子网的子协调器与总协调器之间构成一级子网；所述嵌套复合超帧结构包含总信标期、协调器竞争期、子信标期、独占接入期、随机接入期和非竞争期；/n其中，所述总信标期用于总协调器向各个子协调器发送总信标帧；所述协调器竞争期用于子协调器之间竞争序号，子协调器向总协调器发送协调器竞争帧，总协调器向子协调器回复竞争确认帧；所述子信标期用于二级子网中的各个子协调器按其竞争到的序号依次向其各自的节点广播子信标帧；竞争到非竞争期中时隙的网络于所述随机接入期发送管理帧，未竞争到非竞争期中时隙的网络于所述随机接入期发送数据帧；所述非竞争期由若干子非竞争期组成，子非竞争期的起止时刻由连接管理帧决定；两级子网之间为透明传输；/n所述优化的帧种类包含：总信标帧、协调器竞争帧、竞争确认帧、子信标帧、连接管理帧，并对这五种帧的帧结构分别进行优化。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于嵌套复合超帧结构的网间干扰避免方法，其特征在于，所述方法为：将研究的场景抽象为具有星型拓扑结构的两级网络模型，基于该两级网络模型得到嵌套的复合超帧结构和优化的帧结构，再基于复合超帧结构和优化的帧结构进行通信；
其中，所述研究场景为集中式的场景，且集中式场景包含：医用物联网的养老院或医院病房；
所述的两级网络模型被设置为：每个网络内的各个节点与其子协调器之间构成二级子网，各个二级子网的子协调器与总协调器之间构成一级子网；所述嵌套复合超帧结构包含总信标期、协调器竞争期、子信标期、独占接入期、随机接入期和非竞争期；
其中，所述总信标期用于总协调器向各个子协调器发送总信标帧；所述协调器竞争期用于子协调器之间竞争序号，子协调器向总协调器发送协调器竞争帧，总协调器向子协调器回复竞争确认帧；所述子信标期用于二级子网中的各个子协调器按其竞争到的序号依次向其各自的节点广播子信标帧；竞争到非竞争期中时隙的网络于所述随机接入期发送管理帧，未竞争到非竞争期中时隙的网络于所述随机接入期发送数据帧；所述非竞争期由若干子非竞争期组成，子非竞争期的起止时刻由连接管理帧决定；...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹卫霞，张博雅，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11