CN101083658A - 一种角度随机中继协议实现方法 - Google Patents
一种角度随机中继协议实现方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101083658A CN101083658A CN 200710070006 CN200710070006A CN101083658A CN 101083658 A CN101083658 A CN 101083658A CN 200710070006 CN200710070006 CN 200710070006 CN 200710070006 A CN200710070006 A CN 200710070006A CN 101083658 A CN101083658 A CN 101083658A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- node
- message
- inclination angle
- sensor
- angle
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000008447 perception Effects 0.000 claims description 36
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 claims description 27
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 claims description 27
- 230000009191 jumping Effects 0.000 claims description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 9
- 230000006854 communication Effects 0.000 claims description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 7
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 7
- 230000005059 dormancy Effects 0.000 claims description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 3
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 claims description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 3
- 235000008694 Humulus lupulus Nutrition 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000007958 sleep Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
Abstract
本发明公开了一种角度随机中继协议实现方法。用于节点分布式决定、功率受限、低业务速率的无线传感器网络，通过其他节点中继实现数据包的路由。该通信系统包括：在预定范围内多个传感器节点，单个汇聚节点。网络建立时，所有传感器节点获取自身相对于汇聚节点的倾斜角，并在网络运行时，根据自身倾斜角和发送节点倾斜角间差值是否最小分布式判定本节点是否是最优中继。该方法特点：是否参与路由、进入何种模式完全由节点自身分布式决定；节点无需建立和维护网络的拓扑信息，即能有效路由感知信息。本方法适应传感器网络节点存储空间、处理计算能力有限的特点，延长网络的工作寿命。
Description
技术领域
本发明涉及数字信息传输，尤其是涉及以通路配置为特征的一种角度随机中继协议实现方法。
背景技术
无线传感器网络是由一组分布在设定位置的多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，用于传感器节点协作地感知、采集和处理该网络覆盖的地理区域中感测对象的信息。它的应用范围较Ad Hoc网络有了更大的扩展，数量和分布密度远远超过后者中的节点数，而且大部分节点不像Ad Hoc节点一样快速移动，其拓扑结构的改变原因大多由节点的休眠、故障或失效引起的。传感器节点发送收集的感知信息到汇聚节点。在距离汇聚节点预定范围内的传感器节点能直接发送数据，在汇聚节点预定范围外的传感器节点通过邻近汇聚节点的传感器节点作为中继间接发送信息。
传感器网络的结构将在图1简要描述。参考图1，常规的传感器网络包含汇聚节点和多个传感器节点。虽然图1仅描绘了一个汇聚节点，传感器网络也可以包括两个及其以上汇聚节点，取决于网络的应用场景。
由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络拓扑信息，其上运行的网络协议不能太复杂。同时，传感器拓扑结构由于休眠和移动而动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出更高要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前的研究重点时网络层协议和数据链路层协议。网络层协议决定感知信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。传感器网络协议栈在图2简要描述，包括早期协议栈和改进协议栈。改进协议栈说明跨层协议设计在无线传感器网络中的重要性。
传感器网络的数据链路层协议决定了无线信道的使用方式，着重考虑的内容是节省能量、可扩展性和网络效率(公平性、实时性、网络吞吐量和带宽利用率)，重要性依次递减。网络能量浪费的主要原因为：数据链路层协议采用竞争使得数据碰撞而重传，节点接收处理不必要的数据，节点不发送数据时空闲侦听无线信道，控制消息过多。现有数据链路层协议分类为：给每个节点分配固定的无线信道使用时段(时分多址)，随机竞争和其他协议(如采用频分多址或码分多址)。基于时分多址的数据链路层协议，由于没有碰撞、没有太多控制信息、能及时进入睡眠状态，非常适合传感器网络节省能量的需求。但是时分多址需要节点间严格的时间同步，且可扩展方面存在不足，需要改进。
传感器网络的网络层协议要求是能量高效，具有可扩展性、鲁棒性和快速收敛性。一般路由协议的过程将在图3简要描述，建立路由，选取备用路由和重新找寻路由造成洪泛广播和需要占用大量存储能力、计算能力、通信能量。现有路由协议分类是：能量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置路由协议、可靠的路由协议。地理位置路由假设节点知道自己的地理位置信息，以及目的节点的地理位置，利用这些位置信息作为路由选择的依据，避免洪泛传播从而减少路由建立的开销，优于其他路由协议，但节点需要知道自身精确位置。位置信息如果通过信标节点迭代取得，通信开销很大，且节点位置精度计算与迭代次数相关。
发明内容
为了解决上面传感器网络数据链路层与网络层现有协议的缺点，并融入定位与时间同步，本发明的目的在于提供一种角度随机中继协议实现方法，使得原来节点存储空间与处理能力都优先的传感器网络系统能够适应网络拓扑的动态变化，减少控制消息与洪泛广播，并且，感知消息能以最少跳数转发到汇聚节点，显著提高网络工作效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
该通信系统包括预定范围内多个传感器节点和采用无线方式与传感器节点进行通信交互的单个汇聚节点，其特征在于：
传感器节点有休眠模式和活动模式，节点仅在活动模式收集感知信息、发送感知消息、中继其他节点的感知消息，节点在休眠模式休眠固定时间后自动转入活动模式，节点分布式决定自身处于何种模式；
传感器节点和汇聚节点能判定邻居节点的角度区间，分布式计算出自身相对于汇聚节点的倾斜角；
活动节点侦听到发送节点的请求消息后，根据自身倾斜角和发送节点倾斜角间差值是否最小分布式判定本节点是否是最优中继；
所有传感器节点在两个频率上工作，数据频率与忙音频率：数据频率用于数据消息与控制消息的发送接收；忙音频率仅在节点接收消息时工作，用于避免暴露和隐藏终端问题。
本发明包含以下步骤：
步骤1：传感器节点收集到感知信息后，成为发送节点，广播发送请求消息来寻求潜在的中继节点；
步骤2：发送节点覆盖范围内的活动节点侦听到发送请求消息后，根据无线传感器网络建立时获取的自身倾斜角和发送节点倾斜角差值确定回应的清除发送消息的发送时隙，差值越小的节点发送时隙越靠前；
步骤3：发送节点根据接收到清除发送消息的情况返回不同消息至处于活动模式的节点，即活动节点：没有收到清除发送消息，通知其他活动节点继续发送该消息；收到一个清除发送消息，握手成功返回感知消息；收到不能解码的消息，通知发送该消息的节点启动碰撞避免机制；
步骤4：发送节点覆盖范围内的活动节点侦听到发送节点的消息后，分布式判定是否继续发送清除发送消息、接收感知消息、转入休眠模式；
步骤5：握手成功的接收节点正确接收感知消息后，返回确认信息至发送节点，并开始寻求潜在的中继节点。
在无线传感器网络建立时，传感器节点获取自身相对于汇聚节点的倾斜角包含以下几个步骤：
步骤1：所有传感器节点按节点号轮循或随机发送码字，内容为节点号，各节点由此判定邻节点的角度区间；
步骤2：汇聚节点发送角度消息给第一跳节点，码字中包含训导信息，收到的节点提取同步信息、将消息中的角度区间作为自身倾斜角；
步骤3：第一跳节点发送角度消息给第二跳节点，码字中包含训导信息，收到的节点提取同步信息、计算自身倾斜角；
同样步骤直到所有传感器节点都计算出自身倾斜角。
在传感器节点收到多个上一跳节点角度消息后提取自身倾斜角等信息包含以下几个步骤：
步骤1：选取最小跳数消息，舍弃其他消息，跳数计数加一作为自身跳数；
步骤2：计算选取消息中倾斜角和角度区间的差值，选取差值最小的消息；
步骤3：倾斜角加上差值的跳数修正值为自身倾斜角。
除感知消息外，所有的控制消息等长且占用1个时隙。
本发明具有的有益效果是：
1)通过以汇聚节点为信标节点、测量邻节点角度区间，传感器节点获取自身角度信息与跳数信息来采集数据确定事件发生的位置，减少位置信息的通信开销；
2)通过网络建立时洪泛取得角度信息过程提取同步信息，实现时分多址，采用握手机制避免碰撞、忙音频率避免暴露终端和隐藏终端等方式使用无线信道；
3)通过节点自身角度信息和随机竞争确保感知消息沿着优化路径正确转发，节点分布式决定是否参与转发，无需获取任何拓扑信息；
4)通过节点休眠和活动模式切换，高效利用网络能量。
本发明适应传感器网络节点存储空间、处理计算能力有限的特点，延长网络的工作寿命。
附图说明
图1是现有技术传感器网络结构。
图2是早期和改进后的传感器网络协议栈。
图3是现有大部分路由协议过程。
图4是角度转发协议中倾斜角的定义。
图5是网络建立时传感器节点获取同步信息与角度信息过程。
图6是传感器节点计算自身倾斜角过程。
图7是传感器节点的跳数对自身倾斜角计算中加权系数的影响。
图8是传感器节点随机转发感知消息过程。
图9是握手机制及传感器节点时分多址。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图4所示，本发明是一种支持节点分布式决定的角度随机转发中继协议，包括有：多个传感器节点(即图中空心圆，虚线圆为该节点的通信区域)，汇聚节点(即图中实心圆)。假设所有节点都位于以汇聚节点为原点的坐标系内，传感器节点的倾斜角如图4定义。
如图5所示，说明预定范围内随机或特定分布传感器节点后无线传感器的建立过程。
所有传感器节点采用轮循或随机方式发送角度测量申请消息，普通传感器节点及汇聚节点在非发送时侦听且判断邻节点角度区间。由汇聚节点发起洪泛，发送角度消息给第一跳节点，收到的节点提取同步信息，将角度区间作为自身倾斜角，记录跳数；之后第一跳节点发送角度消息给第二跳节点，收到的节点提取同步信息，计算自身倾斜角，记录跳数；如此直至网络中所有节点提取出同步信息，获取自身角度信息和跳数信息。假设角度区间的个数是Np。
如图6所示，说明节点在收到所有上一跳节点的角度消息后如何计算出自身倾斜角的过程。
如节点收到单条角度消息，则只能根据该消息判断自身倾斜角；如节点收到多条角度消息，则选取最优消息判断自身倾斜角。判定依据为角度区间是否超出1～Np、倾斜角和角度区间的差值是否最小、倾斜角是否最小。
选取最优角度消息后根据跳数的加权系数重新修正角度区间，由此计算本节点倾斜角，若倾斜角超出1～Np则需进行修正。如图7所示，说明本节点跳数对加权系数的影响，跳数越大则加权系数越小，两者成反比。
如图8所示，说明传感器节点随机转发感知消息直至汇聚节点的过程。
当传感器节点收集到足够感知信息后，想要发送感知消息给汇聚节点。作为发送节点，会侦听数据和忙音频率，如果两者有一忙则回退随机时隙再次侦听，直至两个信道均空闲时广播发送请求消息。
覆盖范围内的活动节点侦听到该消息后，根据自身与发送节点倾斜角之差和自身跳数决定在接下来的Np个时隙中何时返回清除发送消息，跳数越小、差值越小的侦听节点返回消息的时隙越靠前，跳数越大、差值越大的侦听节点返回消息的时隙越靠后。
发送节点根据返回消息来判定下一跳节点，如果一个时隙内只有一个节点返回则握手成功；如果一个时隙内多个节点返回消息则发生碰撞，启动碰撞解决机制，碰撞的节点以概率0.5决定是否再次返回消息；如果时隙内没有侦听节点返回消息则发送节点要求侦听节点继续返回消息。
侦听节点在未返回清除发送消息时，侦听到感知消息的发送则自动放弃返回，否则侦听感知信号，判断自身是否是下一跳节点，如是则接收，不是则放弃接收感知消息。
下一跳节点在接收完感知消息后，返回确认消息给发送节点，如果感知消息传送中发生不可预料的碰撞，则在确认消息中要求发送节点重发感知消息。下一跳节点在正确收到感知消息后开始新一轮寻找中继转发节点的过程。
如此反复，直至感知消息正确发送到汇聚节点。如图9所示，说明握手机制及传感器节点时分多址下感知消息中继的时隙分配。
如上面在本发明的典型实施例中描述的，本发明能解决传感器网络现有数据链路层与路由层现有协议的缺点，并融入定位与时间同步，提供一种支持分布式决定的无线传感器网络路由系统及方法，使得传感器节点无需较多控制信息或额外设备便能迭代计算出自身倾斜角，并以此为依据随机转发感知信息，以最少跳数直至汇聚节点，使得原来节点存储空间与处理能力都优先的传感器网络系统能够适应网络拓扑的动态变化，显著提高网络工作效率。本发明的全部过程已经在计算机上使用Mathworks公司的MATLAB 7.0软件进行了编程仿真和验证，试验结果表明：本发明方法中利用倾斜角信息随机转发路由感知消息实合理的，没有发生路由空洞、路由环路、链路中断和不可控制的状态等现象。
Claims (5)
1.一种角度随机中继协议实现方法，该通信系统包括预定范围内多个传感器节点和采用无线方式与传感器节点进行通信交互的单个汇聚节点，其特征在于：
传感器节点有休眠模式和活动模式，节点仅在活动模式收集感知信息、发送感知消息、中继其他节点的感知消息，节点在休眠模式休眠固定时间后自动转入活动模式，节点分布式决定自身处于何种模式；
传感器节点和汇聚节点能判定邻居节点的角度区间，分布式计算出自身相对于汇聚节点的倾斜角；
活动节点侦听到发送节点的请求消息后，根据自身倾斜角和发送节点倾斜角间差值是否最小分布式判定本节点是否是最优中继；
所有传感器节点在两个频率上工作，数据频率与忙音频率：数据频率用于数据消息与控制消息的发送接收；忙音频率仅在节点接收消息时工作，用于避免暴露和隐藏终端问题。
2.根据权利要求1所述的一种角度随机中继协议实现方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1：传感器节点收集到感知信息后，成为发送节点，广播发送请求消息来寻求潜在的中继节点；
步骤2：发送节点覆盖范围内的活动节点侦听到发送请求消息后，根据无线传感器网络建立时获取的自身倾斜角和发送节点倾斜角差值确定回应的清除发送消息的发送时隙，差值越小的节点发送时隙越靠前；
步骤3：发送节点根据接收到清除发送消息的情况返回不同消息至处于活动模式的节点，即活动节点：没有收到清除发送消息，通知其他活动节点继续发送该消息；收到一个清除发送消息，握手成功返回感知消息；收到不能解码的消息，通知发送该消息的节点启动碰撞避免机制；
步骤4：发送节点覆盖范围内的活动节点侦听到发送节点的消息后，分布式判定是否继续发送清除发送消息、接收感知消息、转入休眠模式；
步骤5：握手成功的接收节点正确接收感知消息后，返回确认信息至发送节点，并开始寻求潜在的中继节点。
3.根据权利要求2所述的一种角度随机中继协议实现方法，其特征在于：无线传感器网络建立时，传感器节点获取自身相对于汇聚节点的倾斜角包含以下几个步骤：
步骤1：所有传感器节点按节点号轮循或随机发送码字，内容为节点号，各节点由此判定邻节点的角度区间；
步骤2：汇聚节点发送角度消息给第一跳节点，码字中包含训导信息，收到的节点提取同步信息、将消息中的角度区间作为自身倾斜角；
步骤3：第一跳节点发送角度消息给第二跳节点，码字中包含训导信息，收到的节点提取同步信息、计算自身倾斜角；
同样步骤直到所有传感器节点都计算出自身倾斜角。
4.根据权利要求3所述的一种角度随机中继协议实现方法，其特征在于：传感器节点收到多个上一跳节点角度消息后提取自身倾斜角等信息包含以下几个步骤：
步骤1：选取最小跳数消息，舍弃其他消息，跳数计数加一作为自身跳数；
步骤2：计算选取消息中倾斜角和角度区间的差值，选取差值最小的消息；
步骤3：倾斜角加上差值的跳数修正值为自身倾斜角。
5.根据权利要求2所述的一种角度随机中继协议实现方法，其特征在于：除感知消息外，所有的控制消息等长且占用1个时隙。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200710070006 CN101083658A (zh) | 2007-07-13 | 2007-07-13 | 一种角度随机中继协议实现方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200710070006 CN101083658A (zh) | 2007-07-13 | 2007-07-13 | 一种角度随机中继协议实现方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101083658A true CN101083658A (zh) | 2007-12-05 |
Family
ID=38912924
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200710070006 Pending CN101083658A (zh) | 2007-07-13 | 2007-07-13 | 一种角度随机中继协议实现方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101083658A (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101489248B (zh) * | 2009-03-03 | 2011-02-16 | 中国科学院软件研究所 | 一种无线传感器网络拓扑的轻量级监视方法 |
| US20110137133A1 (en) * | 2008-08-20 | 2011-06-09 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Monitoring vital parameters of a patient using a body sensor network |
| CN103036604A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-10 | 浙江大学城市学院 | 基于物联网的城市路边停车位中继通信协议实现方法 |
| CN110445619A (zh) * | 2017-03-30 | 2019-11-12 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 区块链系统、消息处理方法及存储介质 |
| CN110598648A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-12-20 | 江苏慧眼数据科技股份有限公司 | 视频人脸检测的方法、视频人脸检测单元和系统 |
-
2007
- 2007-07-13 CN CN 200710070006 patent/CN101083658A/zh active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110137133A1 (en) * | 2008-08-20 | 2011-06-09 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Monitoring vital parameters of a patient using a body sensor network |
| US8884754B2 (en) | 2008-08-20 | 2014-11-11 | Koninklijke Philips N.V. | Monitoring vital parameters of a patient using a body sensor network |
| CN101489248B (zh) * | 2009-03-03 | 2011-02-16 | 中国科学院软件研究所 | 一种无线传感器网络拓扑的轻量级监视方法 |
| CN103036604A (zh) * | 2012-12-21 | 2013-04-10 | 浙江大学城市学院 | 基于物联网的城市路边停车位中继通信协议实现方法 |
| CN103036604B (zh) * | 2012-12-21 | 2015-05-20 | 浙江大学城市学院 | 基于物联网的城市路边停车位中继通信协议实现方法 |
| CN110445619A (zh) * | 2017-03-30 | 2019-11-12 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 区块链系统、消息处理方法及存储介质 |
| CN110445619B (zh) * | 2017-03-30 | 2020-10-16 | 腾讯科技（深圳）有限公司 | 区块链系统、消息处理方法及存储介质 |
| CN110598648A (zh) * | 2019-09-17 | 2019-12-20 | 江苏慧眼数据科技股份有限公司 | 视频人脸检测的方法、视频人脸检测单元和系统 |
| CN110598648B (zh) * | 2019-09-17 | 2023-05-09 | 无锡慧眼人工智能科技有限公司 | 视频人脸检测的方法、视频人脸检测单元和系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hanzo et al. | A survey of QoS routing solutions for mobile ad hoc networks | |
| Hong et al. | Load balanced, energy-aware communications for Mars sensor networks | |
| Stojmenovic et al. | Loop-free hybrid single-path/flooding routing algorithms with guaranteed delivery for wireless networks | |
| US7693119B2 (en) | Transmission power control over a wireless ad-hoc network | |
| Nath et al. | Communicating via fireflies: Geographic routing on duty-cycled sensors | |
| US7911978B1 (en) | Adaptive topology discovery in communication networks | |
| US7729285B2 (en) | Energy-efficient network protocol and node device for sensor networks | |
| Simplot‐Ryl et al. | Energy‐Efficient Backbone Construction, Broadcasting, and Area Coverage in Sensor Networks | |
| Tseng et al. | Fully power-aware and location-aware protocols for wireless multi-hop ad hoc networks | |
| WO2002078229A1 (en) | An access and routing protocol for ad hoc networks using synchronous collision resolution and node state dissemination | |
| CN101083658A (zh) | 一种角度随机中继协议实现方法 | |
| Al-Karaki et al. | Efficient virtual-backbone routing in mobile ad hoc networks | |
| KR20060132113A (ko) | 무선 센서 네트워크에서 가상 싱크와 로테이션을 사용한라우팅 경로 설정 방법 | |
| Shah et al. | Modeling and analysis of opportunistic routing in low traffic scenarios | |
| Mu | An improved AODV routing for the zigbee heterogeneous networks in 5G environment | |
| Minet | Energy efficient routing | |
| PalChaudhuri et al. | Design of adaptive overlays for multi-scale communication in sensor networks | |
| Mahfoudh | Energy efficiency in wireless ad hoc and sensor networks: routing, node activity scheduling and cross-layering | |
| Hassanein et al. | A new approach to service discovery in wireless mobile ad hoc networks | |
| KR100954380B1 (ko) | 무선 센서 네트워크에서 셀을 이용한 위치기반 라우팅 방법 | |
| Santos et al. | A geographic routing algorithm for wireless sensor networks | |
| Forero | Geometric Aspects and Random Delays in Probabilistic Broadcasting for Wireless Ad Hoc Networks | |
| CN117119618B (zh) | 室内大规模实时无线传感网络组网系统及计算机设备 | |
| Goto et al. | Data gathering using mobile agents in dense mobile wireless sensor networks | |
| Jemili et al. | A layered cluster based routing for an ad hoc environment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20071205 |