[发明专利]一种用于无线传感器网络的并行传输方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线电传输技术领域，尤其涉及一种用于无线传感器网络的并行传输方法及其系统。

背景技术

随着嵌入式系统的快速发展和无线通信技术的日益成熟，无线传感器网络被更多的应用到环境检测，生物医疗以及国防军事等领域。为了能够将传感收集信息成功的传回基站(sink)，每个传感器节点不仅需要通过路由协议来寻找自己的下一跳节点地址，还需要不停的监测无线信道，然后在信道空闲的时候将自己的消息发送出去。同大多数无线网络结构一样，无线传感器网络依靠MAC（Media Access Control，介质访问控制子层协议）层协议来协调节点之间的无线传输信道使用，以防止信号冲突从而导致不必要的能量损耗和传输紊乱。

大多数现有的MAC协议普遍认为，当传感器节点判断当前无线信道处于繁忙(busy)状态的时候，必须延迟数据传输，否则同一时间的多次传输将会产生信道冲突，导致部分甚至全部传输失败。CSMA（Carrier Sense Multiple Access）就是这样的一种MAC协议，且被广泛应用于大多数无线网络系统中。CSMA规定，在每次传输之前，传输节点会利用某些探测手段(比如能量探测)去探测信道是否空闲(idle)，如果探测值大于某个基本阈值，则传输必须延迟，直到下次探测显示信道可用。可以看到，为了保证每次传输的质量，CSMA严格的限制了信道的单一使用性，在某些部署密集和传输频率高的网络里会极大的降低网络的吞吐量(throughput)，从另外一个角度来看则会增加数据的采集延迟，对于某些应用(比如说树林火灾监控)来讲数据的非实时性是没有意义且不可忍受的。

图1描述了无线信道冲突模型。图1简要描述为：图1(a)无论信噪比多大,都会冲突；图1(b)捕获效应:在报头的时间间隔内,足够大的信噪比可以保证接收方成功解析；图1(c)捕获效应:否则,无论信噪比多大都会冲突；图1(d)MIM(MIM:Message in Message,是一种物理层允许并行传输的能力):只要信噪比满足条件即可。每个包可以大致分为两个部分：报头，主要是用来进行帧同步；包内容，主要包括传感收集信息以及协议需要的控制信息等。每个包都有自己的能量参数，表示传感器用多大的能耗级别(power level)来发送该包，正常情况下传输能级越高，传输的范围越广，接收成功率越高，同时能量消耗也越大。目前通常以信噪比SINR(Signal to interference plus noise ratio)来衡量传输信号和干扰信号之间的能级强度差。图1(a)刻画的是传统的冲突类型，例如现在有一个消息包A想要传输，而当前已经存在另外一个消息包B正在传输，如果依旧决定立刻发送该消息包，则无论以多大的能级，都会很大概率导致两个包都传输失败。

如图1(b)所示，虽然当前想要传输的信号(消息包C)在干扰信号(消息包D)之后，但是时间间隔不长于一个报头的时间，则只要传输信号对干扰信号的信噪比SINR足够高，就可以保证传输信号能够成功被接收方解析。可惜一个报头的时间往往只有20ms或者更短，所以仅仅利用捕获效应来减少MAC层的时间延迟并不能够获得很明显的效果。为了消除捕获效应时间上的限制(图1(c))，MIM(Message in Message)作为一种新的物理层解析能力被开发出来。如图1(d)，对于拥有MIM底层配置的传感器节点，只要传输信号对于干扰信号的信噪比SINR足够高，无论传输信号落后于干扰信号多少时间，该节点都可以成功的解析信号。所以MIM极大的提高了并行传输的可能性，本发明的无线传感器网络的并行传输方法及其系统正是为了增加基于MIM的并行传输，从而颠覆了传统CSMA中的“传输信号必须为干扰信号让路”的思想。