[发明专利]一种高带宽效率的无线纳米传感器网络动态接入控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无线纳米传感器网络技术，涉及一种无线纳米传感器网络动态接入控制方法。

技术背景

由于纳米技术的迅速发展，纳米级大小的传感器即纳米传感器已经能够工业生产。无线纳米传感器网络是利用纳米传感器的无线通信技术进行相互连接所组成的网络，在工业、环境、医疗等领域有十分广泛的应用前景。鉴于纳米传感器节点仅仅具有约几百纳米的大小，其纳米处理器的处理能力非常有限，因此设计复杂度极低的通信协议是无线纳米传感器网络有待研究的关键问题之一。

无线纳米传感器网络通信协议的各个子协议设计都需要考虑到计算复杂度问题，包括物理层调制模式的设计和数据链路层的多址接入方法的设计。关于物理层调制模式的设计，由于键控开关调制即OOK调制具有较低的复杂度，是无线纳米传感器较有应用前景的调制方式之一。OOK调制方式是仅仅在发送“1”比特时发送一个脉冲信号，而在发送“0”比特时保持安静即天线上不发送任何电压信号。而关于数据链路层的多址接入方法的设计，目前为止，有很多文献和专利研究设计了适用于不同无线网络的多址接入方法，比如适用于无线局域网的IEEE802.11MAC协议等。但这些方法都是针对已有网络的宏观节点来设计，由于这些宏观节点具有相对较高的计算处理能力，这些方法具有相对高的复杂性，比如无线局域网的多址接入方法是基于复杂的基于退避算法的载波监听多路访问机制，而采用CDMA技术的蜂窝网则通过生成复杂的相互正交的扩频码来实现多址接入。但这些高复杂度的多址接入方法都不适用处理能力非常有限的纳米传感器节点。

对于采用OOK调制的无线纳米传感器网络，并且每个纳米传感器节点都采取如下发送方式：每发送出一个比特符号后空闲一个固定的时间间隔T后再发送下一个比特符号，则可以大大降低符号发送冲突的发生频率。但是这种时域扩展的OOK调制方式，有一定的概率发生相邻节点发送信息比特连续冲突。更重要的是，采用这种方式，即使节点上的数据流量很低、几乎不会发生冲突的时候也是一个周期T内仅仅发一个比特，不会适应流量的动态变化，发送的带宽利用率过低。因此，设计开发一种同样具有较低复杂度、低冲突甚至无冲突并且高效利用带宽资源的接入控制方法十分必要。

发明内容

为了克服现有OOK调制无线纳米传感器网络的无线多址接入方法的带宽利用率较低、冲突频率较高的不足，本发明提出一种高带宽效率的无线纳米传感器网络动态接入控制方法，既能做到无冲突，而且具有较高的带宽利用率。

为了实现上述技术任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种高带宽效率的无线纳米传感器网络动态接入控制方法，其特征在于：所述动态接入控制方法包括以下步骤：

1）接入节点操作，过程如下：

(1.1)给中继节点发送一个接入请求控制包来通知中继节点本节点有数据流要发往中继节点；

(1.2)接收来自中继节点的回复控制包，然后从该回复控制包中读出中继节点所指定的开始发送时刻t和本节点接入速率r，t和r是由中继节点确定好并写入回复控制包里的；

(1.3)在时刻t开始，以T为周期，在每个周期的开始时刻连续发送r个比特符号，周期内发送完这r个比特符号后的剩余T-r×T_s时间内不发送任何比特符号，即保持发送电路空闲。其中T_S是物理层发送一个调制符号所消耗的时间，T是根据网络时延要求等方面而预先设置好的值，它是T_S的整数倍的值；

(1.4)在数据发送过程中，如果某个周期的空闲时间内接收到来自中继节点的控制包，则跳到步骤(1.2)；

2）中继节点操作，过程如下：

(2.1)接收接入节点所发送的接入请求控制包，更新接收节点个数参数i:i←i+1，i在网络刚部署或节点重启的时候初始化为0；

(2.2)令如果N_i＜2，则跳到步骤(2.6)来结束操作并且不给接入节点回复任何控制包以表示拒绝其接入请求，如果N_i≥2则进行下一步操作；

(2.3)根据公式(1)求出控制包接入速率r，

其中，α为占空比；

(2.4)令其中t是本中继节点将会收到下一个比特符号的时刻；

(2.5)取k=1；

(2.6)如果k＞i则跳到步骤(2.8)；如果k≤i则新建一个记录着tk值与r值的速率更新控制包，并将该控制包发送给i个接入节点中尚未接收速率更新控制包的节点；

(2.7)k←k+1并跳回到步骤(2.6)；