CN101282299A - 多跳网络中一种测量运动体位移速度的方法 - Google Patents

Abstract

多跳网络中测量运动体位移速度的方法包括三个过程：1.感知区域的节点和汇聚节点(Sink)建立最小跳数路由表；2.建立包括初始化调度表、源调度表和转发调度表在内的调度策略，该策略的核心是源节点根据其距Sink的跳数自主改变转发路径中各节点的占空比；3.源节点利用源调度表发送数据，转发节点根据源调度表信息获得转发调度表并进行数据转发，初始化调度表用于维护网络的同步和源调度表与转发调度表的协调。Sink只需根据两个节点的距离和接收到的数据的时间间隔就可计算出物体的移动速度。

Description

多跳网络中一种测量运动体位移速度的方法

技术领域

本发明应用于多跳网络中测量运动物体逼近某目标节点的移动速度，属无线通信网技术领域。

背景技术

多跳网络(例如自组织网络、无线传感器网络)是近年来获得迅速发展和广泛应用的新型网络技术，它能够将无线通信技术和网络技术有机地融为一体，在很多人工不便或不宜的场合，如战场、环境和自然灾害监控、有害有毒工作现场的监视等方面具有独特的优势。本发明涉及的应用场景是依据多跳网络的相关协议构成某种具体网络形式(例如无线传感器网络)，对运动物体逼近(或离开)某目标节点的移动速度进行自动检测并通过汇聚节点(Sink)实时汇报到测控中心。

在多跳网络中，节点传输数据通常可以采用单跳或多跳这两种方法进行。单跳方式是将需传输的数据(例如传感器采集到的数据)直接发送到基站(BS，Base Station)或Sink，优点是数据传输的实时性好，但对于距Sink较远的节点来说，采用单跳方式的能耗很大，而在多跳网络中的节点一般是不能或不便补充能量的，因此，采用单跳方式会导致网络的生存期缩短；采用多跳方式对于节点来说比较节能，但数据的传输存在较大的时延，且此时延会随源节点距Sink的距离增加而增大，因此需要在数据包中包含检测的时间标记，这就要求整个网络要进行时间同步，增加了硬件的复杂性和通信的开销。在一些较为复杂的多跳网络中，往往含有许多相对固定的节点(包括源节点和Sink)和若干可移动节点，而测量移动节点向某些特定节点逼近(或离开)的速度在许多应用场合具有重要的意义，因此找到一种既节能又有效的测速方法有广阔的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种在多跳网络中对移动节点进行测速的方法，以节点能耗少、算法复杂度低以及节省网络硬件成本为目的。为了区别起见，以下将移动节点称为运动物体。

技术方案：本发明的多跳网络中测量运动体位移速度的方法为：该多跳网络的媒体访问控制层采用固定时延感知媒体访问控制协议，及配合该协议的三种节点调度表：初始化调度表、源调度表和转发调度表，该方法依次按下列三个过程执行：

步骤1.建立最小跳数路由表和初始化调度表：感知区域的节点和汇聚节点，采用有限泛洪方式建立每个节点的邻节点的信息表，使源节点的数据可按最小跳数路由传输至汇聚节点，汇聚节点决定时延的值和初始化调度表的占空比；

步骤2.建立包括初始化调度表、源调度表和转发调度表在内的调度策略并按下述方法完成各调度表之间的转换：各个源节点根据步骤1所设定的时延值和源节点本身距汇聚节点的跳数决定自身的源调度表的参数；转发节点根据接收到的源调度表信息调整自身的占空比使之与源调度表参数相同，从而获得转发调度表；所有转发节点在转发完毕后均回到初始化调度表状态，从而保证各节点的同步；

步骤3.数据的感知、发送、接收和计算：源节点对运动物体的感知，根据对其传感器设定的感知信号强度阈值来完成，不同源节点产生的感知数据经各转发节点多跳传输至汇聚节点，汇聚节点根据源节点之间的距离和所接收数据的时间间隔计算运动体的位移速度。

该多跳网络的媒体访问控制层采用了固定时延感知媒体访问控制协议，通过调整占空比使不同跳数源节点的数据传输时延基本相同。

除汇聚节点之外的所有节点都拥有初始化调度表、源调度表和转发调度表，分别对应于无数据传输的时刻、感知节点发送数据的时刻和转发节点转发数据的时刻调度使用。

建立包括初始化调度表、源调度表和转发调度表在内的调度策略后，各调度表之间的转换是根据严格的时序关系完成的，通过数据包中的控制信息，使传输路径上节点的三个调度表的监听时段始终对齐，使调度表同步。

源节点对运动物体的感知采用统一的感知信号强度阈值，将到达阈值的第一时间确定为感知时刻，有效减小测量误差。

本发明给出了一种在多跳网络中对运动物体进行测速的方法，采用了基于占空比的具有设定时延的MAC协议和配合该协议的三种节点调度表。具体步骤分三个阶段：(1)建立最小跳数路由表阶段，包括建立最小跳数路由信息列表和初始化调度表，对多跳网络中的全部源节点和Sink采用有限泛洪方式建立每个节点的邻节点的信息列表，使源节点的数据可按最小跳数路由准则传输至Sink，而Sink决定时延的值和初始化调度表的占空比；(2)建立调度表阶段，包括对初始化调度表、源调度表和转发调度表实施的调度策略，各个源节点根据设定时延的值决定自身的源调度表的参数，转发节点根据源调度表信息获得转发调度表；(3)数据的感知、发送、接收和计算，源节点将获得的数据经各转发节点多跳传输至Sink，由Sink计算运动物体的移动速度。

有益效果：对运动物体的移动速度提供了一种简单、低耗、易于实现的测量手段，能够应用于一些需要近似实时测量运动物体移动速度的场合，特别是无人值守现场。

附图说明

图1为测量多跳网络中运动物体移动速度的示意图。图中：S1、S2为两个能够感知到物体移动的节点(例如：传感器和通信设备)，t_s1和t_s2分别为它们的感知时刻，t_r1和t_r2分别为它们的接收时刻。

图2为源节点及其转发路径。

图3为各节点接收和发送的时序图。其中：SYNC为同步信号，可不定期发送以维护调度表的同步；RTS为发送请求信号，CTS为发送允许信号。

图4为实施案例源调度表的占空比。

具体实施方式

多跳网络中测量运动体位移速度的方法采用了固定时延感知媒体访问控制(FDS-MAC，Fixed Delay Sense Media Access Control)协议及配合该协议的三种节点调度表：初始化调度表、源调度表和转发调度表，该方法依次按下列三个过程执行：

步骤1.建立最小跳数路由表和初始化调度表：感知区域的节点和汇聚节点Sink，采用有限泛洪方式建立每个节点的邻节点的信息表，使源节点的数据可按最小跳数路由传输至Sink，Sink决定时延的值和初始化调度表的占空比；

步骤2.建立包括初始化调度表、源调度表和转发调度表在内的调度策略：各个源节点根据步骤1所设定的时延值和源节点本身距Sink的跳数决定自身的源调度表的参数：转发节点根据接收到的源调度表信息调整自身的占空比使之与源调度表参数相同，从而获得转发调度表；初始化调度表保证源调度表和转发调度表的同步。

步骤3.数据的感知、发送、接收和计算：不同源节点产生的感知数据经各转发节点多跳传输至Sink，Sink根据源节点之间的距离和所接收数据的时间间隔计算运动体的位移速度。

多跳网络的MAC层采用FDS-MAC协议，其核心内容是通过调整占空比使不同跳数源节点的数据传输时延基本相同。

每个节点都拥有初始化调度表、源调度表和转发调度表，分别对应于无数据传输的时刻、感知节点发送数据的时刻和转发节点转发数据的时刻调度使用。

节点的三个调度表之间的转换是根据严格的时序关系完成的，通过数据包中的控制信息，使传输路径上的节点的三个调度表的监听时段始终对齐，使调度表同步。

源节点对运动物体的检测采用统一的感知信号强度阈值，将到达阈值的第一时间确定为感知时刻，有效减小了测量误差。

在图1中，当物体从源节点S1处(感知时间是Sink的参考时刻t₁)移动到源节点S2处(感知时间是Sink的参考时刻t₂)时，S1、S2分别将感知信号经多跳传输至Sink。由于存在传输时延，Sink分别于t_r1＝t₁+t_d和t_r2＝t₂+t_d’时刻收到这两个信号。假设源节点已经完成了自身定位，不同源节点传输数据到Sink的传输时延近似相等(即t_d≈t_d’)，源节点向Sink传输的数据中包含自身的位置信息，则Sink很容易计算出两个源节点的距离d，从而计算出物体的移动速度，为

$V=\frac{d}{t_{r2}-t_{r1}}=\frac{d}{t_2-t_1}$

为了使不同源节点传输数据到Sink具有基本相同的传输时延，本发明在多跳网络中采用了一种称之为固定时延感知媒体访问控制(FDS-MAC，Fixed DelaySense Media Access Control)的协议。在该协议下，每个节点采用监听和休眠交替工作的模式，数据传输采用多跳方式，不同的数据传输路径的占空比各不相同。图2是源节点数据传输的示意图，图3是各节点的工作时序图。

本发明采用的多跳网络中的源节点包括感知设备和通信设备，也可以是一种无线传感器网络。网络节点收发信机通常处于以下四种状态之一：发送状态，接收状态，空闲监听状态和休眠状态。节点在发送状态时能耗最大，接收状态次之，空闲监听状态再次之(约相当于接收状态的50％～100％)，休眠状态最小(几乎不耗能)。当网络的数据量不大时(如测量物体的移动速度)，采用监听和休眠交替工作模式可有效减少节点空闲监听时间，且不会造成数据的漏传或拥塞。

设一个监听时段(记为T_Listen，取固定值)和一个休眠时段(记为T_Sleep)之和为一帧时间T_f，K为占空比，数值上等于T_Listen与T_f的比值，t_cs(n)为第n跳节点的侦听延迟，t_cs为侦听延迟的平均值，t_tx为一个数据包(含控制信令)的传输时间，t_s(n)为第n跳节点的休眠时间，则第n跳节点的时延为

            D_n＝t_s(n)+t_cs(n)+t_tx                        (1)

载波侦听的竞争始于每帧的起始，一个节点接收到一个数据包后，必须在下一跳节点醒后(即下一帧的开始)才可转发，所以一帧时间可记为

            T_f＝t_cs(n-1)+t_tx+t_s(n)

第n跳的休眠时延为

            t_s(n)＝T_f-[t_cs(n-1)+t_tx]                    (2)

将式(2)代入式(1)，得

            D_n＝T_f+t_cs(n)-t_cs(n-1)

第一跳是个例外，因为源节点可在一帧的任意时刻产生一个数据包，所以第一跳的休眠延迟t_s(1)是(0，T_f)之间的随机数。设该值均匀分布于(0，T_f)，则平均值为T_f/2。综上所述，一个数据包N跳后的总时延为

$D\left(N\right)=D_1+\underset{n=2}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{D}_n$

${=t}_{s\left(1\right)}+t_{\mathrm{cs}\left(1\right)}+t_{\mathrm{tx}}+\underset{n=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(T_f+t_{\mathrm{cs}\left(n\right)}-t_{\mathrm{cs}(n-1)})$

$=t_{s\left(1\right)}+(N-1)T_f+t_{\mathrm{cs}\left(N\right)}+t_{\mathrm{tx}}$

第N跳源节点到Sink的平均传输时延为

$\stackrel{\‾}{D\left(N\right)}=\frac{T_f}{2}+(N-1)T_f+t_{\mathrm{cs}}+t_{\mathrm{tx}}$

$=(N-\frac{1}{2})T_f+t_{\mathrm{cs}}+t_{\mathrm{tx}}$

$=\frac{1}{K\left(N\right)}(N-\frac{1}{2})T_{\mathrm{Listen}}+t_{\mathrm{cs}}+t_{\mathrm{tx}}$

K(N)是第N跳源节点采用的占空比，t_cs和t_tx是网络的设计参数，可视为常数。在FDS-MAC协议中，将根据不同的N来改变K(N)的值，从而保证

基本不变。根据具体的应用场景，我们可以事先设定时延D的值，令

                    T＝D-t_cs-t_tx

当总跳数为N时，对应的占空比为

$K\left(N\right)=\frac{1}{T}(N-\frac{1}{2})T_{\mathrm{Listen}}$

本发明进行测速的具体步骤分三个阶段：建立最小跳数路由表阶段；建立调度表阶段；数据感知、发送、接收和计算阶段。下面分别说明。

1.建立最小跳数路由表

Sink以泛洪方式向各节点发出查询分组。分组包含Sink的身份ID，距离Sink的最小跳数值H_min，此时，H_min＝0。

Sink的邻节点接收到Sink的查询分组后，将H_min的值加1作为新值存储并转发出去。对转发节点来说，若收到的H_min值小于原存储的H_min，则以收到的值替换原存储值，同时将查询分组的ID值改为本节点的ID值，继续以泛洪的方式转发。若收到的H_min值大于原存储值，则丢弃该分组，不作处理。

一段时间后，各个节点根据H_min值和ID值建立了最小跳数路由。

此后，每个节点向Sink发送包含本节点的ID号和距Sink跳数的数据包，Sink据此建立节点集合。然后，Sink以广播方式向各节点发出设定时延D的值和一个初始化调度表，当节点无任何数据需发送时，节点以这个初始化调度表进入周期性的监听和休眠阶段。

2.建立调度表

调度表是指以占空比为核心内容的数据转发策略。

FDS-MAC协议由于其占空比是变化的，并且由源节点距Sink的跳数决定，为了保证不同节点的协同工作，特为每个节点安排了3种调度表。这3种调度表分别是：由Sink发起的初始化调度表，由源节点发起的源调度表和转发节点根据不同源节点而建立的转发调度表。建立调度表的具体步骤如下：

1)Sink根据应用要求确定t_cs、t_tx和D的值并确定初始化调度表，然后向各节点广播，每个节点记录这些值和初始化调度表。实际上，此时已确定了监听时段的长度T_Listen。

2)对于源节点(设该节点距Sink的跳数为N)，首先计算K(N)并保存，只要Sink不改变时延值，则K(N)就不再变化。这样每个源节点均建立了自己的源调度表。

3)当源节点需要发送数据时，源节点以初始化调度表首先进行载波侦听，当信道空闲时，向邻节点广播RTS数据包，该数据包包含源节点的跳数和源调度表的占空比等调度信息。

4)邻节点接收到源节点的RTS包后，比较源节点距Sink的跳数和自己距Sink的跳数的大小，如自身跳数大于或等于源节点的跳数，说明不是转发节点，则丢弃该调度表，否则用源节点的调度表代替自己的调度表，使之成为转发调度表并执行之。

5)转发节点接收到源节点(或上一跳节点)的RTS包后，发出CTS数据包，该包也包括了源节点的跳数和占空比，转发节点的下一跳节点可以收到该CTS包，这样就可以使用与源节点占空比相同的转发调度表。

3.数据的感知、发送、接收和计算

源节点对运动物体的检测采用统一的感知信号强度阈值确定感知时刻，一旦达到此阈值，就判断为物体已到达该节点，立即将数据发送出去。由于每个感知节点设定的阈值相同，这样可以保证在感知时刻运动物体距源节点的距离基本相同，减小了距离的测量误差。

源节点(设为第N跳节点)计算出每跳节点的占空比，然后进行载波侦听，当信道空闲时，源节点广播RTS数据包，该数据包包含节点的ID、占空比信息和跳数信息。所有的N跳和(N+1)跳节点收到该包后，由于它们不是转发节点，丢弃该包，不改变自身的调度表。而(N-1)跳节点接收到RTS数据包后，发出CTS数据包。该CTS数据包也包含源节点的占空比和跳数信息。由于(N-1)跳和(N-2)跳节点具有相同的初始化调度表，因此，(N-2)跳节点一定能接收到(N-1)跳节点的CTS包，这样可以用转发调度表代替(N-1)跳和(N-2)跳的初始化调度表。依次类推，源节点的各转发节点均可以用源节点的调度表实现数据的转发，从而实现数据的设定时延传输。每个转发节点发送完毕后均要回到初始调度表状态，这样才可以保证各节点对不同源节点的转发。

当两个源节点的数据经多跳传输到达Sink后，Sink根据源节点的位置信息(可由源节点的ID确定)计算出这两个源节点的距离d以及接收到这两个信号的时间间隔，就可以计算出物体的移动速度。

实施案例

下面以图1所示场景介绍利用上述方法进行测速的过程。设S1为最远跳(N＝4)节点，S2有2跳。设定监听时段T_Listen为200ms，载波侦听平均时间t_cs为50ms，节点的数据发送时间t_tx为50ms，设定S1的源调度表的占空比K(S1)为80％，得到固定时延的值为

$D=\frac{1}{0.8}\×(4-\frac{1}{2})\×200+50+50=975\left(\mathrm{ms}\right)$

而S2的源节点调度表的占空比为

$K\left(S2\right)=\frac{1}{T}(2-\frac{1}{2})T_{\mathrm{Listen}}=34.3\%$

图4为S1和S2源调度表占空比的示意图。

设S1的坐标位置为(2，4)，S2的坐标位置为(4，2)，则S1、S2的距离为

$d=\sqrt{{(4-2)}^2+{(4-2)}^2}=2.83\left(\mathrm{unit}\right)$

设Sink分别于t_r1＝1s和t_r2＝1.5s收到这两个信号，则物体的移动速度为

$V=\frac{2.83}{1.5-1}=5.66\mathrm{unit}/s.$

Claims (5)

1.一种多跳网络中测量运动体位移速度的方法，其特征在于该多跳网络的媒体访问控制层采用固定时延感知媒体访问控制协议，及配合该协议的三种节点调度表：初始化调度表、源调度表和转发调度表，该方法依次按下列三个过程执行：

步骤1.建立最小跳数路由表和初始化调度表：感知区域的节点和汇聚节点，采用有限泛洪方式建立每个节点的邻节点的信息表，使源节点的数据可按最小跳数路由传输至汇聚节点，汇聚节点决定时延的值和初始化调度表的占空比；

步骤2.建立包括初始化调度表、源调度表和转发调度表在内的调度策略并按下述方法完成各调度表之间的转换：各个源节点根据步骤1所设定的时延值和源节点本身距汇聚节点的跳数决定自身的源调度表的参数；转发节点根据接收到的源调度表信息调整自身的占空比使之与源调度表参数相同，从而获得转发调度表；所有转发节点在转发完毕后均回到初始化调度表状态，从而保证各节点的同步；

步骤3.数据的感知、发送、接收和计算：源节点对运动物体的感知，根据对其传感器设定的感知信号强度阈值来完成，不同源节点产生的感知数据经各转发节点多跳传输至汇聚节点，汇聚节点根据源节点之间的距离和所接收数据的时间间隔计算运动体的位移速度。

2.如权利要求书1所述的多跳网络中测量运动体位移速度的方法，其特征在于该多跳网络的媒体访问控制层采用了固定时延感知媒体访问控制协议，通过调整占空比使不同跳数源节点的数据传输时延基本相同。

3.如权利要求书1所述的多跳网络中测量运动体位移速度的方法，其特征在于除汇聚节点之外的所有节点都拥有初始化调度表、源调度表和转发调度表，分别对应于无数据传输的时刻、感知节点发送数据的时刻和转发节点转发数据的时刻调度使用。

4.如权利要求书1所述的在多跳网络中测量运动体位移速度的方法，其特征在于建立包括初始化调度表、源调度表和转发调度表在内的调度策略后，各调度表之间的转换是根据严格的时序关系完成的，通过数据包中的控制信息，使传输路径上节点的三个调度表的监听时段始终对齐，使调度表同步。

5.如权利要求书1所述的在多跳网络中测量运动体位移速度的方法，其特点在于源节点对运动物体的感知采用统一的感知信号强度阈值，将到达阈值的第一时间确定为感知时刻，有效减小测量误差。

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