CN101494900A

CN101494900A - 一种无线传感网络的节点同步方法

Info

Publication number: CN101494900A
Application number: CNA2009100286830A
Authority: CN
Inventors: 吴鑫; 马永; 王辉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2009-07-29

Abstract

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。无线传感网络中大多数节点由电池提供电源。节点的功耗管理是无线传感网络设计中的重要问题。一个根本的解决办法是节点在多数时间内处于低功耗睡眠状态。节点在睡眠状态下必须能够同步苏醒才能完成网络功能。本算法提出一种同步机制。网络中存在同步器，负责周期性的发送同步帧；同步帧在网络中通过路由器逐步转发到达所有节点；网络中的节点利用同步帧与同步器取得一致时钟。通过本算法描述的机制，无线传感网络中几乎所有节点都可以由电池供电并周期性的睡眠。

Description

一种无线传感网络的节点同步方法

技术领域

无线传感网络系统的技术领域，解决在网络低能耗情况下的节点同步机制。

背景技术

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。每个节点一般由传感单元、处理单元，以及通信单元组成，也有部分节点具有控制外部机械系统或电气系统的控制单元。传感部分主要的任务是将需要监测的数据通过一定的模式读入节点。通信单元是射频模块，负责在各个节点间建立统一的通信通道并相互通信。处理单元负责处理传感器接收到的数据，也负责处理通信单元的数据。处理单元同时也协调节点上各个功能单元的协同。

无线传感网络在过去的十多年在学术界研究很深入。近年来，随着各种标准机构的推广和政府部门的支持，工业方面的应用正在如火如荼的展开。尽管如此，目前无线传感网络仍然没有被市场广泛采用。究其原因，其中最重要的一个问题是能耗问题始终没有有效的解决方案。无线传感网络的能耗是指各个节点的能耗。一般来说，要使无线传感节点之间能真正的实现无线连接，他们之间就不可能存在电源线，因而电池供电是根本的方式。因为电池容量有限，节点在工作状态的能耗就极大地影响节点的寿命。目前一般工业无线传感产品的节点耗能在几十毫安量级。考虑到电池的容量一般在几百到几千毫安时，无线传感节点一般只能处于工作状态几十个小时。对于无线传感网络要解决的多数问题，这么短的寿命是不能被市场接受的。

解决无线传感网络的寿命问题常用的方法是让传感节点多数时间处于睡眠状态，在需要的时候才苏醒。目前微电子技术的发展，使得节点在睡眠时的能耗可以控制在几个到几十个微安，有时候甚至可以做到零点几个微安。假设传感器的节点的工作周期占整个生命周期的千分之几，节点的寿命就可以达到几年。市场就可以接受这种解决方案。

让节点在多数时间处于睡眠状态，对无线传感网络来说是个理想状态。无线传感网络的连接是通过射频无线方式。跟有线连接不同的是，一个处于信息发送端的节点不能通过通信媒体唤醒目的节点。目的节点必须在信息到来之前苏醒，打开射频收发器并使之处于接收状态。从而，此类无线传感网络的一个根本的通信问题就是目的节点和源节点的同步苏醒。一方面因为发送节点的事件触发具有随机性，另一方面由于晶振漂移的不确定性，节点之间的同步问题就变得复杂。

为了解决同步的问题，当前比较成熟的算法是允许处于网络终端的节点保持短工作周期、长时间处于睡眠状态，而强制具有路由器作用的节点处于常醒常听模式。这样，终端节点每次醒来后可以自由和网络进行信息交换。终端节点因为可以保持很低的工作周期而维持低能耗，长寿命。对于一些应用，比如有条件给路由器提供常电，但对终端节点的寿命要求很高，这个算法实行起来非常有效。然而，这其中的问题是路由节点不能进入睡眠状态省电，因而不得不用市电或者其他无穷能量的供电方式。

发明内容

本发明所要解决的问题是，无线传感网络的所有节点，包括路由节点，都可以进入睡眠状态，保持低功耗。通过本发明所阐述的算法原则，尽管所有节点都在多数时间里处于睡眠状态，他们仍然可以同步地发送和接收数据，完成网络功能。

一种无线传感网络由有限规模的网络节点组成。这些节点可以通过功能划分为，同步器、路由器、和终端节点。同步器是网络中的能够发送起始同步帧的节点。路由器是网络中能够对信息进行转发功能的节点。终端节点是网络中可以收发信息但是不做信息转发的节点。因为是通过功能划分，同步器可以是独立的专用节点或者由别的普通节点代理。

该无线传感网络的同步器负责周期性的发送网络同步帧到网络中；该同步帧通过路由器的逐级转发，逐渐被网络中的所有节点接收到；网络中的节点通过同步帧的接收时间和帧内包含的信息计算网络时钟，达到与全网络的时钟同步。

网络中的路由器不仅通过同步帧与网络达到时钟同步，而且需要将同步帧转发到其周围的节点。路由器的工作流程包括如下步骤：路由器睡眠苏醒，打开射频接收器等待同步帧；收到同步帧后，如果是新的同步帧，就更新同步帧，并转发，如果不是新的同步帧，就抛弃；然后路由器校准自身时钟，开始正常网络任务；完成通信后计算睡眠时间，设定唤醒时钟，开始睡眠。路由器在转发同步帧时使用CSMA算法访问信道，以避免与邻近路由器发生信息碰撞。

网络中的同步帧包括如下内容：帧在所有节点中的滞留时间、帧经过的路由器数目、帧在所有路由器节点中传送时的CSMA避让时间片数目以及同步帧序列号。

网络中的节点总是处于周期性的睡眠状态。在绝大多数的时间里，他们总是处于睡眠状态。尽管网络中的节点进入睡眠的时间可能有所不同，他们总是同时苏醒，完成工作。网络在苏醒状态的工作流程如下：

步骤一：节点睡眠周期结束而苏醒，除同步器外，所有节点进入射频接收状态；

步骤二：网络中的同步器构造并发送同步帧到全网络；

步骤三：处于同步器周围的节点在收到同步帧后，记录接收时间；其中路由器更新同步帧内容并转发新帧到网络中；同步帧在网络中以这种方式逐级扩散，直到到达每个节点；

步骤四：网络中的所有节点收到同步帧，开始正常通信；

步骤五：各个节点完成通信并等待一定时间段后，确认通信结束，准备进入睡眠；节点利用同步帧的信息计算此次睡眠时间，设置睡眠时钟，进入睡眠；

步骤六：网络处于睡眠状态，等待下次苏醒。

节点在每次苏醒后试图接收同步帧，在没有收到同步帧之前不做数据通信。如果节点在设定等待时间内没有收到同步帧，节点将缩短睡眠时间，睡眠时间的缩短幅度与节点丢失同步帧的周期数成正比，直到同步帧被再次接收到。

附图说明

图1是本发明所描述的无线传感网络的节点示意图

图2是本发明中同步器的工作流程示意图

图3是本发明中路由器的工作流程示意图

图4是本发明中终端节点的工作流程示意图

图5是本发明中无线传感网络的同步帧结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

一个无线网络中存在多个节点。如图1所示。这些节点可以通过功能划分为，同步器，路由器，和终端节点。同步器是网络中的能够发送起始同步帧的节点。路由器是网络中能够对信息进行转发功能的节点。终端节点是网络中可以收发信息但是不做信息转发的节点。因为是通过功能划分，同步器可以是独立的专用节点或者由别的普通节点代理。

因为当前晶振的生产技术非常成熟，我们可以假定在一个无线传感网络中，各个节点的晶振漂移可以被控制在有限范围，是有限值，比如40ppm。对于网络中任意两个节点，他们在睡眠周期结束的时候，时钟的差别可以据此被评估并确定在特定的范围内。这个误差值在计算节点的睡眠时间时被扣除，因而可以确保两个节点不会因此丢失同步状态。

同一网络中的节点可能分组，各组间分别使用不同的睡眠周期。为简化起见，我们先考虑一个网络中的所有节点都按照同一固定周期工作，即节点总是处于工作状态或者睡眠状态，工作时间和睡眠时间之和是一个固定值。为了各个节点能够达到同步，所有节点都将网络中同步器的时钟当作参考时钟。在每次从睡眠状态转为工作状态后，每个节点需要获取同步器的时钟，下次睡眠时间是基于同步器的时钟而不是自身的时钟。这样，网络节点可以基本实现同时工作同时睡眠的理想状态。

节点每次从睡眠中醒来后通过下面的方法获取同步器的时钟。同步器在发送同步帧的时刻直接构造并发送同步帧。其工作流程如图2所示。网络中的其它节点每次睡眠结束苏醒后打开接收器等待同步帧。同步器的邻近节点可以直接拿到同步器的同步帧，可以据此计算同步器的时钟信息。如果同步器的邻近节点是路由器，它还需要转发同步帧。在转发之前，路由器根据它自身的处理延时更新同步帧的内容。与它邻近的节点可以收到更新后的同步帧。路由器的工作流程如图3所示。同步帧经由同样的原则逐渐外延，到达网络中的所有节点。网络的终端节点在收到同步帧后，和路由器一样需要计算同步器的时钟，不同的是，终端节点并不需要转发同步帧。终端节点处理流程如图4所示。图3和图4中Twork是网络中的节点一次睡眠苏醒后的预定工作时间，Tsleep是睡眠周期，Tadj是节点晶振漂移和本次苏醒总工作时间之和。

路由器在转发同步帧时要使用CSMA算法。如果信道不空，路由器随机避让几个时间片(slots)，然后进行下一次侦听。在每次避让的时间片确定后，节点要对同步帧的特定域进行更新，从而确保同步帧的信息域准确。如果信道为空就发送帧到信道里。

如果节点在等待了3倍Twork时间仍然没有接收到同步帧，节点将缩短睡眠周期，准备下次睡眠。其睡眠缩短值为3倍的Twork再乘以没有收到同步帧的总失败周期数。此一过程继续直到同步帧被收到为止。

同步帧的信息域由以下几个部分组成。如图5所示，同步帧序列号，帧在节点中的滞留时间，帧经过的路由器数目，以及帧在所有路由器节点中传送时的CSMA避让时间片数目。同步帧的序列号是由同步器决定的。同步器内部储存一个序列号计数器，每次发送同步帧之前，同步器将计数器增1。如果计数器达到最大值，下次置它为0。同步帧的序列号在帧转发过程中一律保持不变。网络中的节点通过同步帧的序列号确定是否首次收到此帧。如果单一同步帧被某个节点多次收到，只有第一次收到的帧被执行预定的操作，其余被遗弃。这样就避免了网络中同步帧被反复转发。

帧的滞留时间域用来记录同步帧在每个节点中因为各种原因滞留的时间。比如同步器的处理时间，射频单元传送延时，接收节点的射频单元接收延时，接收节点的处理时间等。

帧的路由器数目域在每个路由器中被增1。节点在收到一个同步帧后，可以通过这个域判别此帧在信道中被传送的次数，即此域中的数字加一。在我们的算法中，同步帧具有固定格式。网络中的通信速率是固定的，因而一个帧在空中的传输时间就可以用帧长度和通信速率计算出来。

帧的CSMA避让时间片数由路由器根据每次发送的实际情况更新。接收节点通过这个数据和时间片的长度计算因为信道繁忙造成的帧延时。

接收节点在收到同步帧之后，利用帧中提供的数据对同步帧经历的延时进行计算。因为各个节点按照固定周期工作，接收节点通过帧的延时以及接收时刻准确计算出同步器下次发送同步帧的时刻。在网络中的节点完成正常的网络任务后，节点重新回到睡眠状态。睡眠的时间长度由同步器下次发送同步帧时刻来计算。

对于那些各个节点按照不同睡眠周期工作的无线网络，我们可以通过节点的睡眠周期把网络分割为若干组。因为组之间要相互通信，有些节点可以遵循多个组的睡眠周期，为组间做数据转发。特别是同步器，需要服务每个组。每个组分别适用我们的算法。

Claims

1、一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于该无线传感网络中存在一个称为同步器的节点，负责周期性的发送网络同步帧到网络中；该同步帧通过路由器的逐级转发，逐渐被网络中的所有节点收到；网络中的节点通过同步帧的接收时间和帧内包含的信息计算网络时钟，达到与全网络的时钟同步。

2、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于该网络所有由电池供电的节点周期性的进入睡眠状态，所说的节点根据下述的方式工作：睡眠一段时间后苏醒，工作一段时间后进入下次睡眠，然后再苏醒，再睡眠，周而复始。

3、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于网络中的节点按照一定的周期同时开始工作，网络工作流程包含如下步骤：

步骤二：网络中的同步器构造并发送同步帧到全网络；

步骤四：网络中的所有节点收到同步帧，开始正常通信；

步骤六：网络处于睡眠状态，等待下次苏醒。

4、根据权利要求1中所洗的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于同步帧包括如下内容：帧在所有节点中的滞留时间、帧经过的路由器数目、帧在所有路由器节点中传送时的CSMA避让时间片数目以及同步帧序列号。

5、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于网络中的路由器不仅通过同步帧与网络达到时钟同步，而且需要将同步帧转发到其周围的节点；路由器的工作流程包括如下步骤：路由器睡眠苏醒，打开射频接收器等待同步帧；收到同步帧后，如果是新的同步帧，就更新同步帧，并转发，如果不是新的同步帧，就抛弃；然后路由器校准自身时钟，开始正常网络任务；完成通信后计算睡眠时间，设定唤醒时钟，开始睡眠。

6、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于路由器通过下述步骤判断收到的同步帧是否是第一次到达本节点：路由器比较本次收到的同步帧的序列号和存储的序列号，如果前者大于后者，或者前者为0而后者为序列号可能的最大值，本帧被保留，存储的序列号被新值代替；否则，帧被遗弃。

7、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于所说的路由器需使用CSMA算法对信道进行访问。

8、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于节点在收到同步帧之前不做数据通信。

9、根据权利要求1中所说的一种无线传感网络的节点同步方法，其特征在于如果节点在苏醒后指定的等待时间内没有收到同步帧，节点将缩短睡眠时间，睡眠时间的缩短幅度与节点丢失同步帧的周期数成正比，直到同步帧被再次接收到。