[发明专利]一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络通信MAC协议优化技术领域，具体涉及一种无线传感器网络Zigbee隐藏冲突解析方法。

背景技术

无线传感器网络作为一种新型的网络和计算技术，它可将客观世界中不断变化的信息传递给人们，为人们提供各种形式的数据与服务。无线传感器网络具有自适应性、抗毁性、容易部署和低成本等优点，在环境监测、工矿企业信息收集、恶劣环境数据收集、军事与国防应用领域有着广泛的应用。IEEE802.15.4协议是一种低功耗、短距离、低速率、低复杂度的无线接入协议，是目前无线传感器网络中的主要MAC协议，极具发展前景。

隐藏节点问题是IEEE802.15.4网络普遍存在的问题，802.15.4网络的节点数量大，分布随机性强，研究表明，在节点随机分布的网络中，发生隐藏冲突的概率高达 41%，频繁的隐藏冲突导致大量的消息重传，不仅会降低网络的吞吐量和增加端到端通信延时，而且会导致大量无谓的能量消耗，大大降低整个网络的生存周期。无线传感网络节点所携带的能量是有限的且大都不可补充，节能是无线传感器网络首要考虑的问题。隐藏冲突所造成的网络性能下降和大量能源无谓消耗是802.15.4亟待完善的问题。针对隐藏冲突问题，目前已有多种解决方案提出，但均存在一定的弊端和局限。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。

当多个节点向协调器节点发送数据时，数据包会在协调器端产生叠加，如图1所示，这种数据包重叠有起始部分重叠和部分重叠两种情况。由于起始部分重叠只有在节点选择同一时刻发送数据才会发生，而部分重叠在整个数据发送过程中都会发生，显然部分重叠发生的概率要远远高于起始部分重叠。在协调器接收到的部分叠加的数据包中，有一部分信息未被损坏，我们可以提前取出来，并加以利用。

现有的技术方案及弊端如下所述：

1)引入RTS/CTS握手协议。在802.11协议中，使用RTS/CTS握手协议可以很好地消除隐藏冲突。而在802.15.4协议中，由于802.15.4 MAC帧较小，如果引入RTS/CTS握手协议，那么发送RTS/CTS 包产生冲突的可能性与传送数据帧一样，采用RTS/CTS机制既不能有效地抑制隐藏冲突，还会导致多余的能量消耗。因此RTS/CTS握手协议不适用与802.15.4网络。

2)busy tone。除了用RTS/CTS机制来抑制隐藏冲突外，另外一个解决隐藏冲突问题的方法是busy tone，它们大多以RTS/CTS为基础，需要额外的频道传送busy tone信号，因此需要在硬件上增加额外的无线收发器，增加了硬件的成本。一些研究则在不增加额外的频道情况下使用busy tone的概念，但是网络中的节点为了接收busy tone信号必须时常打开接收器，因此造成多余能量的消耗，不适应于无线传感器网络这种能量严格受限的应用。

3)控制发送功率。利用控制发送功率的方法来减少隐藏冲突问题，但是提高发送功率的会增加接收端受干扰的范围，而且，提高发送功率也增加了节点的能量消耗。

4)分组策略。Hwang等提出了一种用于时隙802.15.4的分组的策略，该策略根据节点间的隐藏关系把节点划分为N个只有竞争冲突的组（N<=6），然后将CAP均匀分成N个时间片，组内节点只能在规定的时间片内竞争发送数据。但如果某一时间片所属的组没有节点要发送数据，其他组也不能使用该时间片。该策略的主要问题是算法的消息复杂度高，会消耗节点大量能量，尽管还有一些方法来降低消息复杂度，但这种策略都不适应节点移动的场景；另外一些研究则针对某些应用节点发送数据，提出不均匀的时间片划分方法。

5)P-frozen策略。该策略假设协调节点能够从因隐藏冲突破损的帧中提取出地址和长度信息，然后由协调节点给相应的节点分配GTS时间片，该节点将在专用的GTS时间片往协调节点发送数据。然而，P-frozen算法节点还需要有退出GTS的操作，如果在节点发送数据量不大的情况下，频繁的加入和退出GTS，会导致能耗增加。

如图2所示，P-Frozen策略假设协调器节点可以从部分叠加而破损的帧中提取出头部的地址信息和帧长信息，然后由协调节点给相应的节点分配专用的GTS时间片，并通知该节点，让该节点在专用的GTS时间片发送数据。