CN101557408B - 一种无线传感器网络主动式休眠调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，该方法包括以下步骤：在唤醒信号内嵌入剩余时间长度标识，以广播形式下发；邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述剩余时间长度标识，确定激活时刻，再次进入休眠状态；所述激活时刻到达时，所述邻节点激活。采用本发明所提供的方法，可以使网络节点的激活时间最大限度的缩短，减少空闲监听的时间，实现网络节点最大限度的节能。

Description

一种无线传感器网络主动式休眠调度方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感器网络主动式休眠调度方法。

背景技术

通常情况下，无线传感器节点以干电池、纽扣电池等提供能量，由于网络规模较大或工作于无人值守环境等原因，系统布设完毕后电池难以充电或进行更换。同时，在设计过程中需要充分考虑在满足应用需求的前提下尽最大可能延长网络寿命。因此，提高能量效率以延长工作时间成为无线传感器网络主要的设计准则之一。

在无线传感器网络中，导致能量损耗的主要因素包括空闲监听、串听、碰撞和控制开销四个方面。其中，引起能量损耗最多的是移动节点的空闲监听和串听。目前，解决这种能量损耗的有效方法是采用节点休眠机制。在无线传感器网络中，实现节点休眠的关键问题是如何实现节点间的唤醒同步。另外，移动节点的休眠还会造成业务传输时延的增加，在支持对时延有较高要求的业务时，需要及时唤醒移动节点。

在现有技术中，主动式唤醒机制是实现休眠节点及时唤醒的主要方法之一。

参见图1所示，为现有技术中节点发送数据分组的时序图。

在无线传感器网络中，网络中的节点以Tw为一个休眠周期。在一个休眠周期内，节点在固定时间醒来Tj时间，对信道进行监听。节点在需要进行数据分组发送时，首先通过广播形式发送一段Tp长度的唤醒信号。唤醒信号的长度Tp与移动节点的休眠周期Tw之间必须满足Tw＜Tp的关系，以保证节点覆盖范围内的所有邻节点均能监听到该节点发送的唤醒信号。当所有邻节点均被唤醒时，节点再发送数据分组。邻节点在接收到唤醒信号后被激活，将一直保持监听状态，直到整个唤醒信号结束，数据分组业务发送完毕，再进入休眠状态或其他状态。

采用主动式唤醒机制的媒体访问控制（MAC）协议主要是B-MAC协议，这种协议存在的主要问题是：当邻节点监听到节点发出的唤醒信号被激活后，将一直保持监听状态，直至整个唤醒信号结束，所有邻节点均被激活，数据分组业务传送完成。这样大大延长了节点的空闲监听时间，增加节点的能耗。

同时，这种机制在发送单播业务时会产生严重的串听问题。无线传感器网络中，节点均采用广播形式发送唤醒信号。当节点需要发送单播业务分组，希望唤醒特定的目的节点，但是非目的节点也可以接收到唤醒信号并保持激活状态，从而造成串听问题，浪费节点能量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，通过在唤醒信号中添加剩余时间长度信息，缩短节点的监听时间，实现节点最大限度的节能。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，该方法包括以下步骤：

步骤A：在唤醒信号内嵌入剩余时间长度标识和目的节点地址标识，以广播形式下发，其中所述目的节点地址标识用于指示接收数据分组的节点；

步骤B：邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述剩余时间长度标识和目的节点地址标识，确定激活时刻，再次进入休眠状态，该步骤具体包括：步骤B1：覆盖范围内的邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述目的节点地址标识，得到目的节点地址；步骤B2：与所述目的节点地址信息相同的邻节点解析所述剩余时间长度标识，得到剩余时间长度，确定激活时刻，再次进入休眠状态；

步骤C：所述激活时刻到达时，所述目的节点地址标识与本地地址信息相同的所述邻节点激活。

其中，该方法还包括：

步骤D：所述邻节点激活后，与所述邻节点交互数据分组业务，当所述邻节点包括中心控制节点时，向所述中心控制节点发送嵌入业务类型号的数据分组业务，根据所述业务类型号，所述中心控制节点返回分组回复，所述分组回复中嵌入相应于该业务的休眠时间间隔信息。

其中，所述步骤D中数据分组业务为广播业务。

其中，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的所有节点。

其中，所述步骤D中数据分组业务为单播业务。

其中，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的特定节点。

其中，所述步骤A中的唤醒信号还包括目的节点地址标识。

其中，所述步骤B包括：

其中，该方法还包括步骤E：：

提取所述分组回复中的休眠时间间隔信息；

根据所述休眠时间间隔信息进入定时休眠状态，屏蔽业务分组的发送。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在本发明所提供的无线传感器网络主动式休眠调度方法中，发送广播业务分组时，通过在唤醒信号内嵌入剩余时间长度信息，使接收到唤醒信号的邻节点再次进入休眠状态，直到唤醒信号结束时激活，接收数据分组。采用本发明所提供的方法，可以使节点的激活时间最大限度的缩短，减少空闲监听的时间，实现网络节点最大限度的节能。

同时，本发明还提供了一种针对单播业务的有目的的主动唤醒方法，在唤醒信号中嵌入目的节点地址标识，只激活需要接收数据分组业务的节点，其他节点仍保持休眠状态，解决了单播业务中串听带来的节点能量损耗问题，实现节能目的。

附图说明

图1为现有技术中节点发送数据分组的时序图；

图2为本发明第一实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图；

图3为本发明第二实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图；

图4为本发明第一实施例所提供的节点发送数据分组的时序图；

图5为本发明第三实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图；

图6为本发明第四实施例所提供的休眠间隔调整的方法流程图；

图7为本发明第四实施例所提供的休眠间隔调整的时序图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为实现上述目的，本发明提供了一种无线传感器网络主动式休眠调度方法。参见图2，为本发明第一实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤201：在唤醒信号的唤醒小分组内嵌入剩余时间长度标识，以广播形式下发；

所述唤醒信号由唤醒小分组组成。为了实现节点最大程度的休眠，在唤醒信号的每个唤醒小分组内嵌入了剩余时间长度标识，该标识表示本周期内唤醒信号发送的剩余时间长度；

步骤202：发送唤醒信号的节点覆盖范围内的邻节点在休眠周期内的固定时间醒来，接收唤醒信号，解析其中包含的剩余时间长度标识，得到本周期唤醒信号发送的剩余时间长度信息，对自身休眠时间进行调整，确定激活时刻，再次进入休眠状态；

步骤203：在所述激活时刻，所有邻节点同步激活，进行数据分组业务交互。

参见图3所示，为本发明第二实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图。该方法中，节点需要对其覆盖范围内的所有邻节点进行数据分组业务交互，即为广播业务。该方法具体包括以下步骤：

步骤301：初始化无线传感器网络；

步骤302：节点判断自身是否需要进行广播数据分组业务发送，如果是，进入步骤303，如果否，进入步骤306；

步骤303：节点构造唤醒信号，在唤醒信号的每个唤醒小分组内嵌入唤醒信号剩余时间标识，该标识表示本周期内唤醒信号发送的剩余时间长度，并以广播形式下发；

步骤304：节点覆盖范围内的所有邻节点接收到唤醒信号，解析唤醒信号内的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态；

此处的激活时间即为本周期唤醒信号的结束时刻，因此对节点覆盖范围内的所有邻节点而言，其激活时间是统一的，即为同步激活；

步骤305：在本周期唤醒信号结束时刻，所有邻节点同时激活，节点发送数据分组业务，进入步骤310；

步骤306：节点在休眠周期内的固定时刻醒来，监听唤醒信号；

步骤307：判断节点是否接收到其他节点发送的唤醒信号，如果是，进入步骤308，如果否，进入步骤310；

步骤308：节点根据接收到的唤醒信号，解析唤醒信号内的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对自身休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态；

步骤309：节点在相应时刻激活，接收数据分组业务，进入步骤310；

步骤310：节点再次进入休眠状态，返回步骤302，准备下一周期动作。

参见图4所示，为本发明第一实施例所提供的节点发送数据分组的时序图。图中，邻节点的每节实框表示一个休眠周期，实框中的阴影部分表示邻节点处于激活状态，空白部分表示邻节点处于休眠状态，虚框中的空白部分表示邻节点处于接收状态。

如图所示，在本发明中，邻节点以Tw为一个休眠周期。在一个休眠周期内，节点在固定时间醒来Tj时间，对信道进行监听。当节点需要进行数据分组业务发送时，为保证不同节点间的信号不冲突，节点采用载波侦听多路访问（CSMA）方式，首先对信道进行监听。在确认无其他节点占用信道时，发送唤醒信号，唤醒信号长度（Tp）大于等于邻节点的休眠周期长度（Tw），以保证唤醒节点覆盖范围内的所有邻节点。

为了使节点获得更长时间的休眠，更有效的节能，本发明在节点发送的唤醒信号的每个唤醒小分组中嵌入了本周期内唤醒信号剩余时间标识，表示该唤醒信号剩余时间长度（Td）信息。

参见表1所示，为节点发送的唤醒信号帧结构。其中，P_type表示帧结构，P_subtype表示子帧结构，Ts表示唤醒信号剩余时间标识，Da为空。

P_type（4）

P_subtype（4）

Ts

Da

表1：唤醒信号帧结构。

当节点在任意一个周期内监听到唤醒信号后，解析唤醒信号中包含的唤醒信号剩余时间标识Ts，得到剩余时间长度信息，确定激活时间，然后节点再次进入休眠状态。唤醒信号发送完毕，节点覆盖范围内的所有邻节点同时激活，进行数据分组业务接收，直到业务分组传送完成为止。

如图4所示，邻节点1在第三个休眠周期内监听到t1时刻节点发送的唤醒信号，在此唤醒信号中包含有唤醒剩余时间长度Td，此时Td＝Tp－t1，邻节点1将继续保持休眠状态，直至Tp－t1时间后再激活，进行数据分组接收；同样，对邻节点2，在第三个休眠周期内监听到t2时刻业务分组发送节点发送的唤醒信号，在此唤醒信号中包含有唤醒剩余时间长度Td，此时Td＝Tp－t2，邻节点2将继续保持休眠状态，直至Tp－t2时间后再激活，进行数据分组接收。

如果节点没有数据分组业务需要发送，将在固定时刻激活，监听唤醒信号。采用本发明所提供的方法，节点的每个休眠周期内，用于监听唤醒信号的激活时间很短，可以降低节点能耗。并且，节点利用较短的唤醒时间，可以保证广播数据分组发送的及时性。

在节点需要发送单播数据分组业务时，只对单播业务中指定的邻节点（称目的节点）进行数据分组发送。但是，由于无线传感器网络的广播特性，唤醒信号可被节点覆盖范围内所有的邻节点接收。为了避免所有邻节点均被唤醒处于激活状态，本发明在实施例一的基础上，进一步提出了一种针对单播业务的有目的的主动唤醒方法。

参见图5，为本发明第三实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图。该方法中，节点只需要对其覆盖范围内的特定节点进行数据分组业务交互，即为单播业务。该方法具体包括以下步骤：

步骤501：初始化无线传感器网络；

步骤502：节点判断自身是否需要进行数据分组业务发送，如果是，进入步骤503，如果否，进入步骤510；

步骤503：判断节点要发送的是广播业务还是单播业务，如果是广播业务，进入步骤504，如果是单播业务，进入步骤506；

步骤504：构造唤醒信号，在唤醒信号的每个唤醒小分组内嵌入唤醒信号剩余时间标识，该标识表示本周期内唤醒信号发送的剩余时间长度，并以广播形式下发；

参见表2所示，为唤醒信号帧结构。其中，Da为目的节点地址标识。

P_type（4）

P_subtype（4）

Ts

Da

表2：唤醒信号帧结构。

在广播业务中，Da为空。

步骤505：节点覆盖范围内的所有邻节点接收到唤醒信号，解析唤醒信号内的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态，进入步骤509；

步骤506：构造唤醒信号，在唤醒信号的每个唤醒小分组内嵌入唤醒信号剩余时间标识和目的节点地址标识，剩余时间标识表示本周期内唤醒信号发送的剩余时间长度，目的节点标识表示需要接收单播数据分组的节点的地址，并以广播形式下发；

在单播业务中，表2所示的唤醒信号帧结构中的Da为需要接收单播数据分组的节点的地址信息；

此时，节点采用CSMA方式对信道进行监听，在确认信道为闲时，发送足够长的唤醒信号，唤醒覆盖范围内的邻节点，否则，随机退避一段时间后再次尝试发送；

步骤507：节点覆盖范围内的邻节点接收到唤醒信号，解析所述目的节点地址标识，得到目的节点地址，并判断所述目的节点地址与本地地址信息是否相同，如果是，进入步骤508，如果否，进入步骤516；

步骤508：需要接收单播数据分组的目的节点解析唤醒信号内的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态，进入步骤509；

步骤509：在激活时间到达时刻，节点发送数据分组业务，进入步骤516；

步骤510：节点在休眠周期内的固定时刻醒来，监听唤醒信号；

步骤511：判断节点是否接收到其他节点发送的唤醒信号，如果是，进入步骤512，如果否，进入步骤516；

步骤512：节点根据接收到的唤醒信号，判断其中是否包含目的节点地址标识，如果是，进入步骤513，如果否，进入步骤514；

步骤513：节点解析所述唤醒信号中的目的节点地址标识，得到目的节点地址信息，并判断所述目的节点地址信息与本地地址信息是否相同，如果是，进入步骤514，如果否，进入步骤516；

步骤514：节点解析所述唤醒信号中的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态，进入步骤515；

步骤515：节点在相应时刻激活，接收数据分组业务，进入步骤516；

步骤516：节点再次进入休眠状态，返回步骤502，准备下一周期动作。

同时，本发明还提供了一种基于业务类型的休眠间隔调整方法。该方法主要用于当节点的覆盖范围内存在中心控制节点时，节点向中心控制节点发送数据分组业务的阶段。

参见图6，为本发明第四实施例所提供的休眠间隔调整的方法流程图。该方法包括以下步骤:

步骤601：节点有数据分组业务需要向中心控制节点发送时，在待发送的数据分组中嵌入该项业务的业务类型号，并发送给中心控制节点；

步骤602：中心控制节点根据接收到的数据分组中的业务类型号进行相应的分组回复，并在分组回复中嵌入相应于该业务的休眠时间间隔信息，返回分组回复给节点；

中心控制节点依据收到的数据分组中的业务类型号进行相应的分组回复。由于在设计中不同业务的业务类型号是不一样的，因此对不同的业务类型号所进行的分组回复也是不一样的。

步骤603：节点通过提取分组回复中的休眠时间间隔信息，实施自身业务间隔的动态调整，进入定时休眠状态，屏蔽业务分组的发送，其定时休眠的时间长度由休眠时间间隔信息决定。

参见图7所示，为本发明第四实施例所提供的休眠间隔调整的时序图。如图所示，中心控制节点不休眠，始终处于激活状态。中心控制节点覆盖范围内的节点有数据分组业务向中心控制节点发送时，数据分组中携带该项业务的业务类型号。节点以CSMA机制向中心控制节点发送数据分组。中心控制节点接收到后向其发送相应的分组回复，节点收到后实施自身业务间隔的动态调整，进入定时休眠状态，屏蔽业务分组的发送，其休眠时间可根据需要调整，本图中假设休眠时间为30秒。采用这种方法，可以最大限度地增加休眠时间，以使节点更有效的节能。

以上对本发明所提供的一种无线传感器网络主动式休眠调度方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤A：在唤醒信号内嵌入剩余时间长度标识和目的节点地址标识，以广播形式下发，其中所述目的节点地址标识用于指示接收数据分组的节点；

步骤B：邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述剩余时间长度标识和目的节点地址标识，确定激活时刻，再次进入休眠状态，该步骤具体包括：步骤B1：覆盖范围内的邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述目的节点地址标识，得到目的节点地址；步骤B2：与所述目的节点地址信息相同的邻节点解析所述剩余时间长度标识，得到剩余时间长度，确定激活时刻，再次进入休眠状态；

步骤C：所述激活时刻到达时，所述目的节点地址标识与本地地址信息相同的所述邻节点激活；

步骤D：所述邻节点激活后，与所述邻节点交互数据分组业务，当所述邻节点包括中心控制节点时，向所述中心控制节点发送嵌入业务类型号的数据分组业务，根据所述业务类型号，所述中心控制节点返回分组回复，所述分组回复中嵌入相应于该业务的休眠时间间隔信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中数据分组业务为广播业务。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的所有节点。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中数据分组业务为单播业务。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的特定节点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤E：

提取所述分组回复中的休眠时间间隔信息；

根据所述休眠时间间隔信息进入定时休眠状态，屏蔽业务分组的发送。 

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