CN100438474C

CN100438474C - 分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法

Info

Publication number: CN100438474C
Application number: CNB2006100376250A
Authority: CN
Inventors: 朱赟; 徐友云; 蔡跃明
Original assignee: PLA University of Science and Technology
Current assignee: PLA University of Science and Technology
Priority date: 2006-01-06
Filing date: 2006-01-06
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2026-01-06
Also published as: CN1794687A

Abstract

本发明公开了一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，开启分簇结构无线传感器网络中簇头和汇聚节点无线通信设备，使其处于发送或侦听状态，而簇内普通节点没有数据帧需要收发时可关闭无线通信设备进入休眠状态，簇头与普通节点之间采用带冲突避免的载波侦听多路访问方式。它提出了节点随休眠次数基于二进制指数自适应改变休眠时间的机制，并且通过联合簇头周期性发送簇头传输指示图管理帧的机制，使得分簇结构无线传感器网络能异步工作在单信道条件下，可缓解了同步模式中节点碰撞重传和同步控制信令过多的问题，有效地提高了网络的节能效率。

Description

分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法

技术领域

本发明涉及无线网络的数据链路层技术，具体是分簇结构无线传感器网络中数据链路层节能机制。

背景技术

无线传感器网络(WSN)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术，在军事侦察、环境科学、医疗卫生、工业自动化、商业应用等方面具有广泛的应用前景。由于现在节点能量供应问题没有得到很好的解决，节点本身不能补充能量或补充不足，因此无线传感器网络需要首先考虑节能，其次为可扩展性，最后才考虑到网络效率，如网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。数据链路层的能量浪费主要表现在空闲侦听、接收不必要的数据、碰撞重传和控制信令过多等方面。目前数据链路层节能机制的研究主要集中在媒介访问控制(MAC)子层，为了减少能量消耗，节点可以通过动态关闭自身的无线传输设备来节省能量消耗，一般采用“侦听/休眠”交替的无线信道侦听机制，节点在需要收发数据时才处于活跃状态，其余时间尽量进入休眠状态。

针对不同的无线传感器网络应用，人们在带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)基础上提出了许多节能机制，如在2002年W.Ye等人提出的S-MAC协议(W.Ye，J.Heidemann，and D.Estrin.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks.In21st Conference of the IEEE Computer and Communications Societies(INFOCOM)，volume 3，pages 1567-1576，June 2002.)中采用周期性侦听/休眠的低占空比工作方式；2003年T.Dam等提出的T-MAC协议(T.van Dam and K.Langendoen.An adaptive energy-efficient MACprotocol for wireless sensor networks.In 1st ACM Conf.on Embedded Networked SensorSystems(SenSys 2003)，pages 171-180，Los Angeles，CA，November 2003.)中根据通信流量动态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间，并提出未来请求发送和满缓冲区优先两种方法缓解早睡问题。

发明内容

本发明公开了一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，可异步工作在单信道条件下，这种方法不同于S-MAC、T-MAC和802.11功率管理机制等中节点需要维持同步休眠/侦听调度周期的工作模式，缓解了同步模式中碰撞重传和控制信令过多的问题，同时在设计中本方法可与现有IEEE 802.11标准(IEEE Std.802.11-1999.Wireless LANMedium.Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S].IEEE ComputerSociety LAN MAN standards Committee，New York，1999.)在实现方式上最大程度上的一致，简单高效，有利于在较短的时间内开发出按照本方法工作的设备。

本发明采用如下技术方案：

一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，开启分簇结构无线传感器网络中簇头和汇聚节点的无线通信设备，使其处于发送或侦听状态，而簇内普通节点没有数据帧需要收发时可关闭无线通信设备进入休眠状态，簇头与普通节点之间采用带冲突避免的载波侦听多路访问方式，该带冲突避免的载波侦听多路访问方式为：

1)帧与帧之间在物理媒介上必须有帧间间隔，由物理层属性决定；使用IEEE 802.11中SIFS(最短帧间间隔)的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，该服务包括ACK应答帧、CTS允许发送帧和数据DATA帧等；使用IEEE 802.11中DIFS分布式帧间间隔用以发送RTS请求发送帧、DAS(Data Allowing to Send，数据允许发送)帧和首次发送C0TIM(簇头传输指示图)帧等；簇头需要周期性地发送簇头传输指示图CTIM帧，间隔时间为T_CTIM，T_CTIM用于第2个及其后连续的CTIM帧，其值为物理层时隙时间的整数倍。上述CTIM帧在IEEE 802.11标准中管理帧传输指示图单元基础上提出，用以指示普通节点是否有数据帧在簇头处，帧长为7至47个字节，包括管理帧的MAC头部、帧实体和帧检验序列(FCS)域，帧实体中包含位图控制和部分虚拟位图，位图控制用于区分单播帧和广播帧，若要向某节点传输数据帧，则部分虚拟位图中对应该节点关联识别码的比特设置为1，根据所需传送的数据帧个数，部分虚拟位图最多由31个字节组成。上述DAS控制帧在IEEE 802.11标准中控制帧的基础上提出，帧长为14字节，包括帧控制、持续时间、发送地址域(本节点的MAC地址)和FCS四个域，DAS帧用于节点向簇头发送，通过发送地址域表明自己身份，以取回在簇头的数据帧；

2)当簇头要向簇内普通节点传输数据帧时，簇头需要周期性地发送CTIM帧，间隔时间为T_CTIM，直到收到其它节点发送的帧后停止发送；当簇头没有数据帧需要传输时，转入侦听信道：

3)普通节点的侦听时间为T_D，，当普通节点侦听信道的侦听时间超过T_D时没有数据帧需要收发，可进入休眠状态；

每个节点都维持一个节点休眠计数器(SSC)，其初始值都为0，当节点需要进入休眠，SSC值递增1，一旦SSC达到门限值aSSC_max后保持该值，当节点成功交互后由于网络局部范围内存在相关性，节点有存在后续业务的可能性，则SSC置0，当节点接收到CTIM帧后，通过分析发现自己的关联识别码在部分虚拟位图中，则SSC也置0；基于二进制指数的休眠时间SleepTime可用下式来表示：

SleepTime＝min(2^(ssc-1)*T_sleep，T_{max_sleep})-Random*T_basic

其中min表示取小，^表示取指数；当节点准备进入休眠状态时它的节点休眠计数器(SSC)值递增1，若SSC达到门限值aSSC_max，SSC将保持该值直至成功完成一次帧交互后复位归0；T_sleep为基本休眠周期，T_{max_sleep}为最长休眠周期，由无线传感器网络所能容忍的最大时延与到汇聚节点的最大跳数来设定；Random表示为均匀分布在[0，CW_sleep]范围内的随机整数，CW_sleep的数值集合为2的整数幂减1，根据簇内节点平均个数来设定；T_basic为物理层的时隙时间；普通节点的侦听时间T_D需大于两倍的CTIM帧的发送时间与T_CTIM之和，可保证当簇头周期性发送CTIM帧时节点处于接收状态可接收到一个CTIM帧：

4)普通节点在接收状态时侦听到簇头发送的CTIM帧后，对收到的CTIM帧进行分析，根据关联识别码确定自己有数据帧在簇头处后，则它的休眠计数器归0，与簇头的通信方式采用DAS-DATA-ACK三握手传输过程；

5)普通节点在非休眠状态有数据帧发送到簇头时，它的休眠计数器归0，普通节点与簇头的通信方式可采用常规的RTS-CTS-DATA-ACK四握手传输过程；

6)帧格式、退避规程、恢复规程、鉴权服务、关联机制和加密服务等技术规范都可采用IEEE 802.11标准。

本发明针对以下描述的分簇结构无线传感器网络：传感器节点按分簇算法形成多个簇，在这种网络拓扑管理机制下，簇内的节点可划分为簇头(CH，cluster head)和普通节点(STA，station)。每个簇内有一个簇头，由簇头来构建骨干连通网络。簇头一直保持活动，协调簇内节点的工作，收集和处理簇内节点发来的数据，负责数据的转发和融和等功能，并将数据发送给汇聚节点(Sink)。由于簇头能量消耗比较大，需要分簇算法经常选举簇头以均衡网络中节点能量消耗。分簇式拓扑结构有利于分布式算法的应用，可扩展性较好，适合大规模部署的无线传感器网络。

本发明是在带冲突避免的载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)上提出的。该访问方式中节点在开始新的数据发送前必须首先监听当前物理信道的媒介状态。由物理载波侦听机制和虚拟载波侦听机制用于决定媒介状态，当任一机制报告媒介忙，则认为媒介忙，否则认为媒介空闲；物理载波侦听检测机制由物理层提供；虚拟载波侦听检测机制参考NAV(网络分配矢量)实现，节点在接收到合法帧后，应使用该帧的持续时间和识别码域的信息更新其NAV，但条件为新的NAV数值应比当前NAV数值大，且该帧不是发送至该节点的；NAV可视为计数器，由统一速率递减至0，当NAV为0时，表明媒介空闲，否则为忙。节点在发送帧前，应检测媒介上是否其它节点正在发送帧；如果媒介空闲，则节点就可以发送帧；如果媒介检测表明处于忙状态时，节点将推迟发送，直至当前帧发送完毕；在推迟发送或成功发送后，如果需要立即再次发送，节点将选择随机退避时间。帧与帧之间在媒介上必须有帧间间隔，相关参数由物理层属性决定。发送节点与接收节点可通过交换短的控制帧RTS/CTS(请求发送/允许发送)来确保在请求使用媒介的时间期间内媒介空闲。鉴权过程用于声明合法的身份，关联过程用于分配关联识别码。帧格式、退避规程、恢复规程、鉴权服务、关联机制和加密服务等技术规范都可采用IEEE 802.11标准。

为了指示普通节点(STA)是否有数据帧在簇头(CH)处，本发明在IEEE 802.11标准中管理帧传输指示图单元基础上提出CTIM(簇头传输指示图)。在图1定义了该帧的格式，帧长为7至47个字节；位图控制用于区分单播帧和广播帧；部分虚拟位图由簇头维护，设置对应于STA的关联识别码的比特位来识别在CH处缓存的数据帧。当STA对收到的CTIM帧进行分析，根据关联识别码确定有数据帧在CH处后，可发送DAS(Data Allowing to Send，数据允许发送)控制帧，而CH接收到DAS后可发送对应的数据帧。DAS控制帧在IEEE 802.11标准中控制帧的基础上提出，其帧格式如图2所示，帧长为14字节。DAS包含发送地址域(本节点的MAC地址)，不同于CTS和ACK帧中包含接收地址域。

在无线传感器网络中为了减少节点能量消耗，节点要尽量处于低功耗的休眠状态，当节点没有帧需要接收或发送可转入休眠状态。考虑到无线传感器网络的流量具有突发性，本发明提出一种自适应休眠机制，由于节点完成一次帧交换后可能仍然有后续业务存在，此时节点进入短休眠周期，以提高网络的实时性，尽量降低端到端的传输时延；当多次侦听/休眠后仍无帧交互，则存在后续业务的可能性较小，节点进入的休眠周期也相应基于二进制指数增加，提高节能效率。每个STA都维持一个节点休眠计数器(STA sleep count，SSC)，初始值为0，当节点准备进入休眠状态时它的SSC值递增1；当SSC达到门限值aSSC_max，SSC将保持该值直至复位归0；若STA成功完成一次帧交互时，由于网络局部范围内存在相关性，STA有存在业务的可能性，则SSC被复位为0。休眠时间SleepTime可用下式来表示：

SleepTime＝min(2^(SSC-1)*T_sleep，T_{max_sleep})-Random*T_basic(1)

其中min表示取小，^表示取指数；T_sleep为基本休眠周期，T_{max_sleep}为最长休眠周期，由无线传感器网络所能容忍的最大时延与STA到汇聚节点的最大跳数来设定；Random表示为均匀分布在[0，CW_Sleep]范围内的随机整数，CW_Sleep的数值集合为2的整数幂减1，根据簇内节点平均个数来设定；T_basic为物理层的时隙时间，与Random相乘用于产生休眠时间中的随机时间分量，使得休眠时间取值呈随机性，避免数个节点同时睡眠或唤醒，降低发送或接收帧造成的碰撞概率；上述网络参数在实际中需要根据无线传感器网络的应用场合来设定，根据QOS(服务质量)在各种性能参数之间进行折中。

簇头(CH)和汇聚节点需要一直保持活动状态，因此簇头之间以及与汇聚节点间通信采用CSMA/CA访问方式。簇头需要收集和处理簇内节点发来的数据，负责数据的转发和融和等功能，并将数据发送给汇聚节点。普通节点(STA)没有帧需要接收或发送可转入休眠状态，可采用本发明提出的自适应休眠方法。在图3和图4中给出了CH和STA状态转移图。在图3和图4中通过CH和STA状态转移图，阐述了CH和STA之间的访问规程。帧与帧之间在媒介上必须有帧间间隔，由物理层属性决定；使用SIFS(最短帧间间隔)的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，如ACK(应答)帧、CTS(允许发送)帧和DATA(数据)帧等；使用DIFS(分布式帧间间隔)用以发送RTS(请求发送)帧、DAS帧和首次发送CTIM帧等；T_CTIM用于第2个及其后连续的CTIM帧。CH状态可以分为接收、发送和退避等状态。CH状态转移图由图3表示，图中数字标识的步骤描述如下：

1、发送到簇内STA的数据帧被缓存在CH中，CH周期性地发送CTIM帧，CTIM帧中部分虚拟位图设置该数据帧对应于STA的关联识别码的比特位，当收到其它节点发送的帧后停止发送CTIM帧；

2、CH发送完CTIM帧后侦听信道上是否有其它节点发送的帧；

3、当CH接收到STA发送的DAS帧后，发送对应于该数据目的节点的数据帧；

4、数据帧发送完后，监听数据目的节点发送的ACK(应答)帧，以确认数据帧已被目的节点正确接收到；

5、CH接收到STA发送的RTS(请求发送)帧后，向该数据发送节点返回CTS(允许发送)帧进行应答；

6、CH接收到数据发送节点发送的Data(数据)帧后，确认自己已经正确接收，并向发送节点返回ACK帧；

7、CH向发送节点返回ACK帧后，转入接收状态，并监听信道。

STA状态可以分为接收、发送、退避和休眠等状态，STA状态转移图由图4表示，图中数字标识的步骤具体如下：

1、STA侦听信道状态，侦听时间为T_D，侦听时间结束时无数据帧需要接收或发送时，可进入休眠状态；

2、当休眠时间结束后STA转入接收状态，并侦听信道状态；

3、当STA需要向CH传输数据帧时，侦听信道状态确定媒介空闲后发送RTS帧；

4、当STA接收到CH发送的CTS帧后，开始发送数据帧；

5、发送完数据帧后，STA接收到ACK帧；

6、STA接收到其它节点发送给它的RTS帧后，则返回CTS帧；

7、STA正确接收到数据帧后，向数据发送节点返回ACK帧；

8、发送完ACK后，STA进入接收状态；

9、侦听到簇头发送的CTIM，发现自己在簇头处有被缓存的数据帧，通过发送DAS帧到簇头，以接收被缓存的数据帧。

对于要发送帧的STA而言，当侦听发现媒介忙时，则该STA调用退避规程。当发起帧交换的STA预测传送失败后，一般通过重传进行差错恢复，重传过程一直持续到该帧成功发送或者重传次数达到门限值为止。STA和CH的退避规程、恢复规程等都采用IEEE 802.11标准。STA的侦听时间T_D需大于两倍的CTIM分组的发送时延与簇头周期性发送CTIM的帧间间隔为T_CTIM之和，这样能保证当簇头周期性发送CTIM帧时STA处于接收状态可正确接收到一个CTIM帧。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本自适应休眠方法是一种在分簇结构无线传感器网络数据链路层中简单易于实现的节能机制，它提出了节点随休眠次数基于二进制指数自适应改变休眠时间的机制，并且通过联合簇头周期性发送簇头传输指示图管理帧的机制，使得分簇结构无线传感器网络能异步工作在单信道条件下，且不同于其它节能机制中数据链路层采用随机访问方式需要维持同步休眠/侦听调度周期的模式，可缓解了同步模式中节点碰撞重传和同步控制信令过多的问题，有效地提高了网络的节能效率，同时简单高效，实现容易，避免信令开销大，并在设计中可与现有IEEE 802.11标准在实现方式上最大程度上的一致，有利于在较短时间内研发出采用本发明的设备。

附图说明

图1簇头传输指示图(CTIM)管理帧的格式。

图2数据允许发送(DAS)帧的格式。

图3簇头的状态转移图。

图4普通节点的状态转移图。

图5虚拟单元格划分示意图。

图6簇头和普通节点的访问机制图。

图7数据包发送比例的性能比较图。

图8不同节点休眠时间比例图。

图9节点平均功耗的性能比较图。

图10平均端到端时延的性能比较图。

具体实施例

一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，开启分簇结构无线传感器网络中簇头和汇聚节点无线通信设备，使其处于发送或侦听状态，而簇内普通节点没有数据帧需要收发时可关闭无线通信设备进入休眠状态，簇头与普通节点之间采用带冲突避免的载波侦听多路访问方式，该带冲突避免的载波侦听多路访问方式为：

1)帧与帧之间在物理媒介上必须有帧间间隔，由物理层属性决定；使用IEEE 802.11中SIFS(最短帧间间隔)的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，如ACK(应答)帧、CTS(允许发送)帧和数据(DATA)帧等；使用IEEE 802.11中DIFS(分布式帧间间隔)用以发送RTS(请求发送)帧、DAS(Data Allowing to Send，数据允许发送)帧和首次发送CTIM(簇头传输指示图)帧等；T_CTIM用于第2个及其后连续的CTIM帧，其值为物理层时隙时间的整数倍。上述CTIM帧在IEEE 802.11标准中管理帧传输指示图单元基础上提出，用以指示普通节点是否有数据帧在簇头处，帧长为7至47个字节，包括管理帧的MAC头部、帧实体和帧检验序列(FCS)域，帧实体中包含位图控制和部分虚拟位图，位图控制用于区分单播帧和广播帧，若要向某节点传输数据帧，则部分虚拟位图中对应该节点关联识别码的比特设置为1，根据所需传送的数据帧个数，部分虚拟位图最多由31个字节组成。上述DAS控制帧在IEEE 802.11标准中控制帧的基础上提出，帧长为14字节，包括帧控制、持续时间、发送地址域(本节点的MAC地址)和FCS四个域，DAS帧用于节点向簇头发送，通过发送地址域表明自己身份，以取回在簇头的数据帧；

2)当簇头要向簇内普通节点传输数据帧时，簇头需要周期性地发送CTIM帧，间隔时间为T_CTIM，直到收到其它节点发送的帧后停止发送；当簇头没有数据帧需要传输时，转入侦听信道；

3)当普通节点侦听信道的侦听时间超过T_D时没有数据帧需要收发，可进入休眠状态；每个节点都维持一个节点休眠计数器(SSC)，其初始值都为0，当节点需要进入休眠，SSC值递增1，一旦SSC达到门限值aSSC_max后保持该值，当节点成功交互后由于网络局部范围内存在相关性，节点有存在后续业务的可能性，则SSC置0，当节点接收到CTIM帧后，通过分析发现自己的关联识别码在部分虚拟位图中，则SSC也置0；基于二进制指数的休眠时间SleepTime可用下式来表示：

SleepTime＝min(2^(SSC-1)*T_sleep，T_{max_sleep})-Random*T_basic

其中min表示取小，^表示取指数；当节点准备进入休眠状态时它的节点休眠计数器(SSC)值递增1，若SSC达到门限值aSSC_max，SSC将保持该值直至成功完成一次帧交互后复位归0；T_sleep为基本休眠周期，T_{max_sleep}为最长休眠周期，由无线传感器网络所能容忍的最大时延与到汇聚节点的最大跳数来设定；Random表示为均匀分布在[0，CW_Sleep]范围内的随机整数，CW_Sleep的数值集合为2的整数幂减1，根据簇内节点平均个数来设定；T_basic为物理层的时隙时间；普通节点的侦听时间T_D需大于两倍的CTIM帧的发送时间与T_CTIM之和，可保证当簇头周期性发送CTIM帧时节点处于接收状态可接收到一个CTIM帧；

为更好地理解本发明的技术方案，以下是一个网络仿真的实施例。目前已实用的Mica节点是美国加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点，在本例中采用Mica节点的性能特征来设置仿真参数。这款产品中采用了RFM公司的TR1000芯片，其性能参数如下：载波频段为916.5MHz固定频点；调制方式为幅移键控(ASK)时最大数据传输速率为115.2kbps，误码率为10^-3时接收机敏感度为-91dBm；发送、接收和休眠状态平均功率分别是24.75mW、13.5mW和15μW；编码方式为透明编码。簇头节点的T_CTIM为6.1ms，普通节点的参数设置如下：T_D为12.2ms，T_sleep取61ms，T_{max_sleep}为305ms，T_basic为200μs，CW_Sleep为31，aSSC_max取4。仿真软件采用GLOMOSIM软件(http://pcl.cs.ucla.edu/projects/glomosim/)，仿真时间设为1000秒。路由协议采用最大可用能量节点路由。收发信机不同状态的转换时延如下表一所示。数据分组为采用基于UDP(用户数据报协议)的泊松到达业务流，其数据报文的长度为200字节。数据链路层的基本访问模式采用802.11DCF，将其与采用自适应休眠方法后的模式进行仿真比较。

表一收发信机不同状态的转换时延(μs)

	发送	接收	休眠
	发送	接收	休眠	发送	0	20	10
接收	12	0	10	发送	0	20	10
接收	12	0	10	休眠	16	20	0

分簇算法采用P.Santi等人提出的一种GAF改进算法(P.Santi.Maintaining a connectedbackbone in wireless sensor networks.In：1st European Workshop on Wireless Sensor Networks，Berlin，Jan 2004)。GAF算法是以节点地理位置为依据的分簇算法，该算法把监测区域划分成虚拟单元格，将节点按照位置信息划入相应的单元格；在每个单元格种定期选举产生一个簇头节点，只有簇头保持活动，其它节点可相应进入休眠状态。由于GAF算法没有考虑节点的剩余能量，而改进算法采用随机型簇头选择机制，选举剩余能量多的节点作为簇头有利于延长传感器节点的生存时间和网络生存时间。

通常分簇结构无线传感器网络存在多个传感器节点通过簇头向一个或少数几个汇聚节点传输数据的通信方式，因此仿真中节点布置采用如图5所示，左右各是一个虚拟单元格，r为100米，虚拟单元格1中放置了20个传感器节点，虚拟单元格2中只放置了一个汇聚节点A，节点在仿真区域内都处于静止状态。随机选择1个数据接收节点和1个数据发送节点，如图5中节点C和D分别作为数据接收和发送节点，通过簇头B与汇聚节点A进行通信，数据帧的传输方向分别是D-＞B-＞A和A-＞B-＞C，节点E等为无业务的普通节点。汇聚节点A与簇头B始终都处于活动状态，访问规程采用802.11DCF。在图6中给出了簇头与普通节点之间的访问机制图，从图中可以看出当簇头B有数据帧要发送时，它周期性发送CTIM帧，当接收到DAS帧后，开始发送数据帧；发送节点D在活跃状态有数据帧发送时，采用RTS-CTS-DATA-ACK四握手传输过程；接收节点C在活跃状态时接收到簇头B发送的CTIM帧，发现自己有数据帧缓存在B，采用DAS-DATA-ACK三握手传输过程；当C、D完成分组交互后，如无分组业务则转入休眠状态；簇内的其它节点由于处于接收状态时未发现自身有分组业务，则侦听完毕后转入休眠状态。图6中帧间间隔由物理层属性决定。

在图7中给出的是数据包发送比例的性能比较图；从图中可以发现数据链路层802.11协议下，系统在业务节点的负载发送速率大约为11包/秒时数据包发送比例开始由1减少，在负载为12.5包/秒时数据包发送比例减少到大约80％；而采用自适应休眠方法后大约为7包/秒时数据包发送比例开始由1减少，在负载为12.5包/秒时数据包发送比例减少到大约32％左右；由此发现采用休眠机制后节点在无分组接收和发送情况下会进入休眠状态，则当分组到达时节点可能处于休眠状态造成包发送比例较低，而不休眠情况下节点无业务情况下会处于接收状态，因此采用休眠机制后数据包发送比例性能降低了。图8为采用自适应休眠方法后不同节点休眠时间比例图；无业务的普通节点无需进行同步，只要在接收状态时侦听T_D时间后进入休眠状态，每次休眠时间随休眠次数递增，直至达到最大休眠时间，从图中可以看出休眠时间占整个时间的96％；有业务的节点在负载较低时，由于休眠时间随休眠次数的变化而不同，休眠时间比例在55％到70％间变化，在负载增加时，节点的休眠时间比例随数据包发送速率的增加而递减。图9给出的是节点平均功耗的性能比较图，可以看出采用二种协议时系统的节点平均功耗都随负载的增加而递增；采用节能机制后节点耗能约为采用802.11时的10.5％；簇头始终处于活跃，无法进入休眠状态，因此耗能较大，而普通节点无需进行同步，只要监听信道一段时间后发现无分组需发送或接收则可进入休眠状态，因此控制信令耗能有所降低，在分簇结构的无线传感器网络中，簇头节点耗能较快，需要经常选举更替。在图10给出的是业务节点到簇头的平均端到端时延性能比较图；从图中可以发现在负载较低时采用802.11协议的系统平均时延为70毫秒左右，而数据包发送速率大约为11包/秒时系统逐渐开始饱和，平均时延增加较快；而采用休眠机制后平均时延在负载较低时0.23至2秒之间变化，原因是休眠时间采用随休眠次数的变化而不等，在负载增加到数据包发送速率为7包/秒后，平均端到端时延迅速增加。从以上仿真结果可以看出，采用自适应休眠方法改进后可以大幅度地降低能量消耗，节省节点能量，延长网络生存时间，但在网络负载较高时数据包成功发送比例和节点平均端到端时延性能都有所下降。

Claims

1、一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，其特征在于开启分簇结构无线传感器网络中簇头和汇聚节点的无线通信设备，使其处于发送或侦听状态，而簇内普通节点没有数据帧需要收发时可关闭无线通信设备进入休眠状态，簇头与普通节点之间采用带冲突避免的载波侦听多路访问方式，该带冲突避免的载波侦听多路访问方式为：

1)帧与帧之间在物理媒介上必须有帧间间隔，由物理层属性决定；使用IEEE 802.11中最短帧间间隔SIFS的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，该服务包括应答ACK帧、允许发送CTS帧和数据DATA帧；使用IEEE 802.11中分布式帧间间隔DIFS用以发送请求发送RTS帧、数据允许发送DAS帧和首次发送簇头传输指示图CTIM帧；簇头需要周期性地发送簇头传输指示图CTIM帧，间隔时间为T_CTIM，T_CTIM于第2个及其后连续的簇头传输指示图CTIM帧，其值为物理层时隙时间的整数倍；上述簇头传输指示图CTIM帧在IEEE 802.11标准中的管理帧传输指示图单元基础上提出，用以指示普通节点是否有数据帧在簇头处，帧长为7至47个字节，包括管理帧的MAC头部、帧实体和帧检验序列FCS域，帧实体中包含位图控制和部分虚拟位图，位图控制用于区分单播帧和广播帧，若要向某节点传输数据帧，则部分虚拟位图中对应该节点关联识别码的比特设置为1，根据所需传送的数据帧个数，部分虚拟位图最多由31个字节组成；上述DAS控制帧在IEEE802.11标准中的控制帧的基础上提出，帧长为14字节，包括帧控制、持续时间、发送地址域本节点的MAC地址和FCS四个域，DAS帧用于节点向簇头发送，通过发送地址域表明自己身份，以取回在簇头的数据帧；

2)当簇头要向簇内普通节点传输数据帧时，簇头需要周期性地发送簇头传输指示图CTIM帧，间隔时间为T_CTIM，直到收到其它节点发送的帧后停止发送；当簇头没有数据帧需要传输时，转入侦听信道：

3)普通节点的侦听时间为T_D，当普通节点侦听信道的侦听时间超过T_D时没有数据帧需要收发，可进入休眠状态；每个节点都维持一个节点休眠计数器SSC，其初始值都为0，当节点需要进入休眠，节点休眠计数器值递增1，一旦节点休眠计数器达到门限值aSSC_max后保持该值，当节点成功交互后由于网络局部范围内存在相关性，节点有存在后续业务的可能性，则节点休眠计数器置0，当节点接收到簇头传输指示图CTIM帧后，通过分析发现自己的关联识别码在部分虚拟位图中，则节点休眠计数器也置0：基于二进制指数的休眠时间SleepTime表示：

SleepTime＝min(2^(ssc-1)*T_sleep，T_{max_sleep})-Random*T_basic

其中min表示取小，^表示取指数；当节点准备进入休眠状态时它的节点休眠计数器值递增1，若节点休眠计数器达到门限值aSSC_max，节点休眠计数器将保持该值直至成功完成一次帧交互后复位归0；T_sleep为基本休眠周期，T_{max_sleep}为最长休眠周期，由无线传感器网络所能容忍的最大时延与到汇聚节点的最大跳数来设定；Random表示为均匀分布在[0，CW_sleep]范围内的随机整数，CW_sleep的数值集合为2的整数幂减1，根据簇内节点平均个数来设定；T_basic为物理层的时隙时间；普通节点的侦听时间T_D需大于两倍的簇头传输指示图CTIM帧的发送时间与T_CTIM之和，可保证当簇头周期性发送簇头传输指示图CTIM帧时节点处于接收状态可接收到一个簇头传输指示图CTIM帧；

4)普通节点在接收状态时侦听到簇头发送的簇头传输指示图CTIM帧后，对收到的簇头传输指示图CTIM帧进行分析，根据关联识别码确定自己有数据帧在簇头处后，则它的休眠计数器归0，与簇头的通信方式采用数据允许发送DAS-数据DATA-应答ACK三握手传输过程：

5)普通节点在非休眠状态有数据帧发送到簇头时，它的休眠计数器归0，普通节点与簇头的通信方式可采用常规的请求发送RTS-允许发送CTS-数据DATA-应答ACK四握手传输过程；

6)帧格式、退避规程、恢复规程、鉴权服务、关联机制和加密服务技术规范都采用IEEE802.11标准。