CN100486195C - 无线自组网的节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线自组网的节能方法。它是通过减小活跃时间在整个活跃/休眠周期中所占的比例，来降低自组网的各节点的能耗，为此提供了节能的无线自组网工作模式。采用本方法对活跃时间与休眠时间之比减小至1/100或更小，则能使无线自组网的生存时间达到一个月以上。

Description

无线自组网的节能方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是无线自组网系统。具体是一种无线自组网的简单有效的节能方法。

背景技术

无线自组网中的节点通常采用电池提供能量，可以使用的电量非常有限，对于运用于某些特殊环境或有成千上万节点的无线传感器网络来说，对电池的更换是不可能的，但是无线传感器网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，必须尽量提高各个节点的能量利用率，以延长网络的寿命。

无线自组网的节能问题涉及到无线自组织(Ad Hoc)网络协议栈的每一层。到目前为止，人们提出了许多软硬件的解决方案。例如：调制模式选择、链路层优化、流量分发、拓扑管理、计算和通信的折衷等方案。但这些方案都是在传输状态和接收状态下的节能措施，一般节点处于传输和接收状态的时间只占整个活跃状态的极小部分，大部分时间处于空闲状态。在无线自组网中，大部分能量是被节点的空闲状态所消耗，用于实际通信的能量只占全部消耗能量的一部分。因此，最直观的想法就是：能否尽量减少节点活跃状态的时间，而不影响网络的连通性。本方法正是从这个角度考虑的。

IEEE 802.11(无线局域网媒介访问控制层及物理层协议)工作组提出过一种使用分布协调功能(DCF)的节能模式。这种节能模式要求所有节点同步，在每个信号时隙开始时同时进入活跃状态，并保持活跃状态一段时间，即ATIM(Ad hoc通信指示消息)窗口。在ATIM窗口中所有节点都处于活跃状态，因此有数据要发送的节点必须乘此窗口发送或通知接收节点。一旦收到ATIM帧，接收节点首先判断此ATIM包是否要求广播或多播，如果不是则立即回送一个ATIM-ACK包。至此，完成了ATIM握手过程后，发收双方节点开始以RTS(请求时间片)-CTS(空闲时间片)-DATA(数据)-ACK(确认)的方式发送和接收数据。没有数据发送和接收的节点，则进入休眠状态，直到下一个信号时隙开始。

在分布协调功能(DCF)的节能模式下，信号时隙的ATIM窗口只是用来建立连接而不发送数据，ATIM窗口对网络吞吐量和能耗有着极大的影响：如果ATIM窗口太小，会导致没有足够的时间发送ATIM帧，从而影响数据发送；如果ATIM窗口太大，则没有足够的时间发送数据帧，会限制网络吞吐量吞吐量。ATIM窗口不能取得太小，它使得802.11协议不能取得很好的节能效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线自组网的节能方法，降低各节点的能耗，延长网络的使用寿命。

为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种无线自组网的节能方法，其特征在于通过减小活跃时间在整个活跃和休眠周期中所占的比例，来降低无线自组网的各节点的能耗，延长网络的使用寿命，为减小活跃时间在整个活跃和休眠周期中所占的比例，采用如下节能的无线自组网工作模式：

(1)所有节点保持时间同步，在每个信号时隙开始时进入活跃状态，在活跃时间内节点打开射频收发器和处理器，射频收发器可以发送包含时间信息的信标帧(Beacon)和数据，信标帧间隔若干个信号时隙才发送一次。活跃时间之后进入休眠时间，休眠之后又进入活跃时间，如此一直循环下去。一个完整的活跃和休眠周期称为一个信号时隙。

(2)每个节点上电后首先监听信标帧，有如下两种情况：设定活跃时间为100毫秒，休眠时间为900毫秒，

①第一种情况是该节点收到了别的节点发出的信标帧，它将本节点设为非协调者，非协调者只能转发别的节点发出的信标帧，自己不能主动发送信标帧。一旦该节点成为了非协调者，它在每个信号时隙开始后只接收信标帧，当经过20个信号时隙仍收不到信标帧时，经随机延时后该节点将本节点设为协调者，协调者会主动发送信标帧。

②第二种情况是该节点打开后在12个信号时隙间隔内收不到信标帧，它将本节点设为协调者，以后会主动发送信标帧。

(3)当已经到达应该休眠的时间，但还有数据没发完或还有数据没收完时，节点不进入休眠状态，等收发及应答完成后若有足够的剩余休眠时间节点再进入的休眠状态。节点进入休眠状态后，射频收发器将会先进入休眠状态，之后当处理器没有数据处理任务时处理器也进入休眠状态。

(4)由于传感器网络中数据的突发性，在大部分时间内没有数据需要被发送。如果节点在活跃时间内没有数据要发送也没有收到其它节点发来的数据，则它在活跃时间结束后立刻进入休眠状态。

活跃时间与休眠时间之比达到1/100或更小，整个无线自组网的生存时间就能达到一个月以上。

本发明与现有技术相比较，其有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本方法具有如下优点：

(1)占用资源少。本方法算法简便，几乎不占用处理器额外计算资源，因此可以嵌入到其它程序中。又因为信标帧相比数据帧短得多，且偶尔才发送，因此信标帧只占用很少的网络带宽。

(2)程序模块化，实现简便。只需在原有程序中添加与节能有关的代码就能立刻达到节能效果。

(3)节能效果显著。当采用活跃时间100毫秒，休眠时间1秒的方式时，可以节约90％以上的能量；当休眠时间更长时，节能效果更佳明显。对于传感器网络来说，网络的生存时间是至关重要的，本方法可以使电池供电的无线传感器网络使用更长的时间而不需要更换电池。

(4)自适应性。本方法可以根据网络的负载自动调节活跃时间长度。当网络负载低时，可以自动缩短活跃时间长度，以节约更多的能量；而在网络负载高时，可以自动增加活跃时间长度，以减少延时。

附图说明

图1是无线自组网Beacon的区域转发过程示意图。

图2是休眠的转发机制示意图。

图3是Beacon发送间隔示意图。

图4是收发Beacon的转换机制流程图。

图5是射频收发器和处理器的休眠机制流程图。

图6是信标帧的帧结构图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

本系统每个节点试验使用的元器件都是市场上的通用器件。微处理器采用的可以是Atmel公司或德州仪器公司的8位单片机。射频收发器使用Chipcom公司的CC2420芯片。小型锂离子电池容量大约为2200mAh，如果能达到2mA的平均系统电流消耗，则电池大约能用一个月。

节能和减少时延是一对矛盾体：为了节能节点必须尽量减少处于活跃状态的时间，由于无线自组网的建立需要花费大量时间，从而导致总的时延的增加；为了减少时延，节点必须时刻保持活跃状态，从而又增加了能耗。除了发送自身感知的数据之外，每个节点又都是路由器，需要为其它节点转发报文。在典型的无线传感器网络环境下，无线传感器节点接收的大部分报文(大概有65％)需要转发给其它节点。本方法提出的节能机制正是要在这两者之间实现一种平衡：节点的平均电流消耗为2mA，节点醒过来之后查询传感器、处理和发送传感器数据，然后再重新进入休眠模式。活跃时间和休眠时间长度由具体应用场合及每次数据量的大小而定。对于普通的传感器应用场合，每个无线传感器节点通常需要每隔10秒以上才会有一个数据包要发送，因此可以将活跃时间取为100毫秒，休眠时间取为900毫秒。

下面以图1来说明本节能方法的实现步骤。如图1所示，假设A区域的2号节点最先打开。

(1)它首先监听信标帧，在12秒内若没有收到信标帧，则认为在自己周围没有其它节点，将本节点设为协调者，并建立初始路由表，以后每个信号时隙2号节点将主动发送信标帧。在信标帧中包含了2号节点的本地时间。2号节点在每个信号时隙(长度为1秒)内，前100毫秒为活跃时间，打开射频收发器，发送数据或转发数据；后900毫秒为休眠时间，关闭射频收发器和处理器。

(2)之后，B区域的4号节点打开。在收到2号节点发出的信标帧后，4号节点立即根据收到的信标帧内包含的时间信息更新自己的时间，与2号节点同步，并将本节点设为非协调者，以后每个信号时隙4号节点只接收信标帧。以类似的方法，1号节点和3号节点加入该网络。

(3)由于信标帧为广播包，各节点将收到的信标帧中的生存周期(TTL)减1后转发出去，直至TTL减为0时丢弃该信标帧。

(4)C区域的5号节点在收到4号节点转发的信标帧之后，与4号节点同步，并将本节点设为非协调者，以后每个信号时隙5号节点也只接收信标帧，并转发信标帧。C区域内的其它节点通过5号节点加入该网络。

(5)整个网络中的节点采用相同的活跃/休眠时间比，100毫秒是活跃时间，后900毫秒是休眠时间。所有节点时间同步，在每个信号时隙开始时按照信标帧传输路径方向先后进入活跃状态和休眠状态(见图2)，在休眠时间整个网络中节点的射频收发器和处理器都处于休眠状态，这可以延长网络的生存时间。

(6)当网络中的非协调者节点超过20秒收不到信标帧时，经过随机延时后将本节点设为协调者，以后每个信号时隙只发送信标帧。

(7)当休眠时间到，但还有数据没发完或还有数据没收完时，节点都不进入休眠状态，等收发及应答完成后若有足够的剩余休眠时间节点再进入的休眠状态。节点进入休眠状态后，射频收发器将会先进入休眠状态，之后当处理器没有数据处理任务时处理器也进入休眠状态。

(8)当本节点要发送数据给下一跳节点，而下一跳节点正处于休眠状态时，本节点缓存该数据包，等到下一个信号时隙再重新发送，若尝试3次后仍没有成功，则丢弃该数据包。

如图2所示，在网络建立之后，所有节点时间同步，在每个信号时隙开始时按照信标帧传输路径方向先后进入活跃状态可实现最短的下行链路信息传输延时。由于下行链路方向为A到B到C，B节点比A节点晚一个包发送时间(5到10毫秒)醒来，C节点又比B节点晚一个包发送时间醒来。

节点在活跃时间内可以发送携带时间同步信息的信标帧(BC)、路由建立请求和传感器数据(DA)等。当某一节点安装在某一区域内并打开后，进入原网络的信号覆盖范围内时，这个节点将收到信标帧，该信息同时包含该网络的网络号、网络容量以及时隙分配策略的信息。该节点可以根据信标帧与该网络同步，并在活跃时间内发出服务请求。与该节点相邻的节点会发出确认帧，同意该节点加入网络，并会发出路由表更新命令。之后，该节点就能与这些节点直接进行通信。其中t2-t1为A节点信号时隙的活跃状态时间，t3-t2为A节点信号时隙的休眠状态时间，它们的时间之比越小就越省电，但还要兼顾每次发送数据量的大小及要求数据的采集周期。

本方法所使用的信标帧基于IEEE 802.15.4(低速率无线个人网络媒介访问控制层及物理层协议)所采用的信标帧修改而得。

802.15.4是IEEE标准化协会提出的一个针对低速率无线个人区域网络(Low-RatcWireless Personal Area Network，LR-WPAN)的标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速率互连提供统一的标准。在802.15.4中采用信标帧传递网络信息、同步信息、休眠策略和媒介访问权利等。整个网络的活跃与休眠都由信标帧来控制。

本方法中采用的信标帧的具体帧结构如图6所示：

在帧控制域中，添加了休眠策略(Sleep Scheme)信息和跳数(Hop Count)信息。休眠策略告知其它节点本节点的具体休眠策略，1表示活跃，0表示休眠。跳数告知其它节点本节点距离协调器的跳数，最小是0，最大是3。

 

位：0-2	3	4	5	6	7-9	10-11	12-13	14-15
									帧类型	是否加密	数据中止标志	请求确认	网内标志	休眠策略	目的地址模式	跳数	源地址模式

帧控制域(Frame Control Field)结构

休眠策略标志位是可选的，当采用分片，即将活跃时间分为8个等长时间片时，3位休眠策略标志可以指示该节点在那些时间片内是处于活跃状态的。当节点收到了其它节点发出的信标帧后，该节点可以根据收到的信标帧中的帧控制域所包含的休眠策略信息和跳数信息来决定自己的休眠策略。当节点通过特定算法计算得只需在某几个时间片打开射频收发器，则它会在自己发出的信标帧内写入自己的休眠策略，并依据这个休眠策略在相应的活跃时间也关闭射频收发器，这可以减少能量消耗，同时也可以减少不必要的数据发送，从而减少数据碰撞的机会。

如图3所示，各节点经历活跃时间之后进入休眠时间，当休眠时间到了又进入活跃状态，如此一直循环下去。由于单片机的时钟偏差大大小于信号时隙，为了提高同步信息的效率和省电，信标帧可间隔若干个信号时隙才发送一次。图中t5-t4为发送信标帧的时间间隔(BI)，BI的选取既要考虑省电有要考虑各节点的同步时间不会有太大的偏差。

如图4所示为收发信标帧转换机制的程序实现框图。网络的同步机制具有自修复能力，当网络中的协调者节点失效、移除或损坏时，非协调器节点超时收不到信标帧时，为了使各个非协调者节点避免同时发送信标帧而发生冲突，非协调器节点经随机延时后没有收到信标帧时，才将本节点设为协调者，发送信标帧。这样非协调器节点就能自动协调由其中一个担当协调器节点，重新建立起发送信标帧的同步机制。

如图5所示为射频收发器和处理器的休眠机制的程序实现框图。射频收发器和处理器并不是同时进入休眠状态的，射频收发器先于处理器进入休眠，后于处理器苏醒。因为处理器除了进行无线收发之外，还要进行串口通信、数据采集、数据处理、路由维护和信息转发缓冲队列维护等处理。当休眠时间到，但还有数据没发完或还有数据没收完时，节点不会进入休眠状态，只有等收发及应答完成且还有足够的剩余时间时节点才会进入休眠状态。当节点将进入休眠状态时，首先射频收发器会进入休眠状态(低功耗状态)，然后当处理器完成所有的处理任务后处理器也会进入休眠状态。在节点休眠时间结束之前，处理器会首先醒来，之后射频收发器也会醒来，这时节点就进入了活跃状态。

Claims (1)

1.一种无线自组网的节能方法，其特征在于减小活跃时间在整个活跃和休眠周期中所占的比例；为减小活跃时间在整个活跃和休眠周期中所占的比例，采用如下节能的无线自组网工作模式：

(1)所有节点保持时间同步，在每个信号时隙开始时进入活跃状态，在活跃时间内节点打开射频收发器和处理器，射频收发器发送包含时间信息的信标帧和数据，但信标帧在间隔若干信号时隙才发送一次；活跃时间之后进入休眠时间，一个完整的活跃和休眠周期构成一个信号时隙；

(2)每个节点上电后首先监听信标帧，有如下两种情况：设定活跃时间为100毫秒，休眠时间为900毫秒，

①该节点收到了别的节点发出的信标帧，则将本节点设为非协调者，只能转发别的节点发出的信标帧，自己不能主动发送信标帧，在每个信号时隙开始后只接收信标帧；当经过20个信号时隙收不到信标帧时，经随机延时后，将本节点设为协调者，会主动发送信标帧；

②该节点打开后12个信号时隙内收不到信标帧，则将本节点设为协调者，随后会主动发送信标帧；

(3)当已经到达应该休眠的时间，但还有数据没发完或还有数据没收完时，节点不进入休眠状态，等收发及应答完成后有足够的剩余休眠时间，该节点再进入休眠状态；该节点进入休眠状态后，射频收发器将会进入休眠状态，之后当处理器没有数据处理任务时也进入休眠状态；

(4)若节点在活跃时间内没有数据要发送，也没有收到其它节点发来的数据，则它在活跃时间结束后立刻进入休眠状态。

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