[发明专利]信标模式下ZigBee无线传感器网络错峰时隙分配的方法

说明书

本发明公开了信标模式下ZigBee无线传感器网络错峰时隙分配的方法，包括：基于无线传感器网络节点在环境监测应用中采样的相对周期大小和紧急性按延迟敏感度对数据类型进行划分，在终端的MAC层根据划分的数据类型设计新的时隙请求帧来负载数据类型信息；在协调器端采用改进后的背包算法对竞争期内到达的时隙请求帧完成分配，在保证异类数据相对传输延迟的情况下，充分的利用保证时隙，提升非竞争期时隙的最大传输价值，满足更多节点的传输请求。此外，对于未分配到时隙的节点，采用指数平滑预测算法来对数据进行补全，在一定层面上保证了数据的完整性。

技术领域

本发明属于低功耗近距离无线组网通信技术领域，尤其涉及异类数据传输场景下的一种信标模式下ZigBee无线传感器网络错峰时隙分配的调度方法。

背景技术

ZigBee无线传感器网络的传输问题，往往涉及到网络协议的不同层面，包含网络层，MAC层等等。在基于802.15.4协议的信标模式下的ZigBee网络中，节点通常依靠超帧中非竞争期的保证时隙来传输数据以提高传输的可靠性,非竞争期传输的核心是对于时隙的分配。由于不同的数据对于传输的延迟要求不同(尤其是紧急数据的传输，通常要保证最低的延迟以尽快让协调器知道)，协议原有的时隙分配算法为FCFS，当低延迟要求的数据因为GTS请求到达时间导致被分配到顺序靠后的GTS或者无法成功分配到GTS时，延迟要求相对较低的数据占用了大量时隙可能会导致发送延迟要求较高的数据发送失败。

在时隙分配处理方面，相关研究提出了基于数据优先级的时隙分配算法，对于数据按照优先级从高到低排序进行分配，在一定程度上解决了异类数据传输时的相对延迟，但非竞争期内时隙利用率和分配成功率相对较低。隐式iGAME算法。它可以支持更高的带宽利用率，并可以在许多设备之间共享GTS，从而提高非竞争期内可用节点的数量，但是当延迟保证小于信标间隔，则iGAME无法保证GTS时隙的分配，且对于时隙分配的饥饿问题并未解决。自适应GAS算法，它考虑了基于信标的星形网络中与每个GTS请求相关的延迟。该算法与其他算法的不同之处在于，它满足了对延迟敏感的事务的延迟约束。在高级GTS调度(AGS)算法中，消除了发送GTS请求，并根据传感器的发现时间顺序和对实际分配的GTS使用情况的观察，将GTS分配给了传感器，但是对于GTS的使用情况预测不适合于突发情况的特殊处理。此外，研究表明通过重新设计超帧结构，将两个超帧合并，对时隙的重新划分，保证时隙请求和时隙分配均可在一个超帧内完成，从而降低所有节点的传输延迟，并且扩大了非竞争期的长度，可以容纳更多的时隙请求，但是新的设计并未针对异类数据传输特殊性和紧急情况进行优先发送，而且对于未成功分配的节点未作出额外处理，且超帧内的非活跃期被压缩。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供信标模式下ZigBee无线传感器网络错峰时隙分配的方法，包括：根据移动传感器中采样周期和紧急性对数据类型进行划分，根据数据类型产生新的时隙请求帧承载数据类型信息，在竞争期内发送相应的时隙请求帧，在非竞争期内由协调器采用改进背包算法对到达的时隙请求帧完成时隙分配，而对于未被成功分配到时隙的节点，采用指数平滑算法来完成数据补全。

进一步的，移动传感器网络中终端节点在应用层根据发送数据的相对采样周期和紧急性确定其对延迟的敏感程度，完成数据类型的划分。

进一步的，结合数据类型的划分，利用标准MAC层时隙请求帧中的保留位，其中帧的第六位和第七位分别承载数据的紧急性和相对周期大小信息，作为非竞争期内保证时隙的分配的核心参数。

进一步的，时隙分配由协调器改进背包算法完成，改进背包算法包括：。

进一步的，数据类型的划分包括：数据类型包括长周期正常数据、长周期紧急数据、短周期正常数据和短周期紧急数据，且按照不同数据对于延迟的敏感程度从大到小排序依次为短周期异常数据、长周期紧急数据、短周期正常数据和长周期正常数据，数据类型的确定在节点的MAC上层应用层进行确定，并通过MLME-GTS.reuqest原语产生。