CN101801034B - 无线传感器网络有服务保障的快速切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，主要解决传统切换方法高切换时延带来的服务质量恶化及数据丢包率增加的问题。该方法通过根据用户的运动状态和业务类型为用户分配不同的信道接入方式、带宽、功率及传输方式，使用户的服务质量在接入层得到保障；通过以信号强度、链路质量和地理位置信息为基础构建了一个复合的移动判决计量，采用二阶AR预测算法预测移动用户的下一时刻的运动状态，并为用户在将移动到的子网中预留资源，以减少切换时延，消除“乒乓效应”。该方法能显著降低切换过程中的切换时延，减小数据丢包率并使用户的服务质量得到保障，可用于对服务质量要求高并对切换延迟敏感的医疗监测、智能家居、智能交通等领域。

Description

无线传感器网络有服务保障的快速切换方法

技术领域

本发明涉及短距离无线通信领域，特别涉及无线传感器网络中移动用户的切换方法，可用于需要为移动用户提供有服务保障的快速切换的应用场景中。

背景技术

无线传感器网络作为一种新兴的技术在生物医疗、环境监测、智能家居等领域有着广阔的应用前景。无线传感器网络在信息获取方面有着与其他网络不可比拟的优势，可极大地弥补现有无线网络信息采集方面的不足，必将成为未来泛在网络的一个子集。

无线传感器网络由传感器节点、子网汇聚节点和用户组成。大量传感器节点部署在监测区域并组建成网络。子网汇聚节点负责存储及处理传感器节点监测到的数据并且响应用户的查询。在传统的无线传感器网络移动切换方案中，仅仅使用不稳定的接收信号强度(RSS，Receive Signal Strength)作为切换的判决准则，会产生“乒乓效应”；而且在接入新子网的重新关联过程会产生较大的切换延迟与频繁的信令交互。而对数据速率较高的业务来讲，较大的切换延迟会使丢包率增大；对于整个系统来讲，“乒乓效应”和频繁的信令交互会使网络的吞吐量下降。

随着无线传感器网络应用领域的进一步拓展，对支持用户移动性的需求与日俱增。比如说，在医疗监测领域中，病人配带的血压、血氧监测传感器将病人的身体状况实时的发送给监控中心。这样的病人摆脱了传统线缆的束缚，在自由的移动的同时还可以享受全方位的监护。但是用户的移动同时也会带来越区切换问题。如果按照传统的重新关联的方式来解决用户移动的问题的话，那么在切换过程中会产生较大的切换延迟并且会发生服务中断的情况。

用重新关联解决移动切换问题之所以会产生较大的切换延迟及频繁的信令交互的原因是因为，当用户从原子网移动到另一个新子网的时候，用户首先要和原子网的汇聚节点断开连接；其次要通过主动扫描或被动扫描进行服务发现，也即获取新子网汇聚节点的地址；当用户在收到新子网汇聚节点对主动扫描的响应后，用户试图与新子网汇聚节点建立同步；在用户与新子网汇聚节点建立同步后，用户向新子网汇聚节点发送关联请求；新子网汇聚节点收到关联请求后，如果根据当前子网状态决定让用户加入子网，则为用户分配短地址并向用户发送关联响应；当用户成功与新子网汇聚节点关联成功后，可立即采用基于竞争的CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)方式与新子网汇聚节点进行通信，但如果想采用有保障的接入方式则需向新子网汇聚节点发出保障时隙GTS(Guaranteed Time Slot)使用申请，并等待新子网汇聚节点对该使用申请的审核结果。根据上述的描述可知在用户加入新子网时先要和原子网汇聚节点取消关联，紧接着要与新子网汇聚节点做包括扫描、关联和GTS请求在内的三次交互。也就是说，在传统的切换过程中，需要进行七次信令的传递。如图5所示，这七次信令传递的过程中包括四次发送时延：4×t_send，包括子网汇聚节点处理时延的三次接收时延：3×t_recv，在发送时还会有由于竞争接入信道而产生的时延：4×t_con，所以总的时延为：T_delay＝4×t_con+4×t_send+3×t_recv。这么高的切换时延将会产生很高的丢包率，并可能产生服务中断，而且由于用户频繁的发送控制信令还会使网络的吞吐量下降。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的缺点，提出一种无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，以减小切换过程中的时延和数据丢包率，提高网络吞吐量及服务质量。

为实现上述目的，本发明实现步骤包括如下：

1)用户进入无线传感器网络，通过主动发送扫描请求获取网络所提供的服务信息，并根据收到的主动扫描响应选择其要加入的子网，同时向要加入的子网汇聚节点发送关联请求；

2)子网汇聚节点根据用户关联请求中的用户移动状态、请求的服务类型及当前的子网资源决定是否允许该用户加入其子网，如果允许用户加入子网则转到步骤3)，不允许则转到步骤14)；

3)子网汇聚节点根据用户的类别、运动状态及业务类型为用户分配不同的信道接入方式、传输方式及传输功率，并向要求接入子网的用户发送关联响应；

4)用户根据其当前业务的具体情况，通过子网汇聚节点分配的信道接入方式、传输方式及传输功率向子网汇聚节点提出详细的带宽使用申请，该详细的带宽使用申请包括使用保障时隙个数及使用时间；

5)子网汇聚节点收到用户的带宽使用申请后，根据子网的当前状态判断是否批准该申请，如果子网当前有足够的空闲保障时隙则申请被批准，则子网汇聚节点向用户发送申请成功响应，转到步骤6)，如果该申请超出了子网提供资源的能力，则向用户发送当前子网能提供最大的带宽信息，转到步骤7)；

6)用户根据收到的子网汇聚节点申请批准信息，开始使用子网的资源，转到步骤8)；

7)用户根据子网所能提供的最大带宽信息，结合当前业务情况判断是否加入该子网，如果所提供的最大带宽能够满足业务的需求，则选择加入该子网，开始使用子网的资源，转到步骤8)，否则转到步骤14)；

8)用户在每间隔T_per时间后，向子网汇聚节点发送其当前的信号强度、链路质量和地理位置信息，其中间隔T_per的设定是先默认设置为1s，再根据用户的运动状态动态调节，如用户的运动速度较快，则缩短周期；如用户的运动速度较慢，则延长周期；

9)汇聚节点在收到用户的信号强度、链路质量和地理位置信息后，通过二阶AR预测算法预测用户下一时刻的状态，并按照 ${({\mathrm{cur}\_\mathrm{coord}}_x-\hat{x}\left(t\right))}^2+{({\mathrm{cur}\_\mathrm{coord}}_y-\hat{y}\left(t\right))}^2>{R_{\mathrm{cur}}}^2$ 准则判断切换过程是否被触发，其中cur_coord_x，cur_coord_y代表当前子网汇聚节点的平面位置信息，R_cur代表当前汇聚节点的覆盖半径，

为对用户在t时刻的位置信息的预测值，如果切换被触发则转到步骤10)，否则转到步骤8)；

10)原子网汇聚节点根据预测信息中下一时刻用户的位置信息确定用户将接入的新子网，并向新子网的汇聚节点报告该用户的信息，提出加新子网及预约新子网资源的申请；

11)如果原子网汇聚节点的申请被批准，则原子网的汇聚节点通知用户切换到新汇聚节点覆盖的子网；如果原子网汇聚节点的申请未被批准，则原子网汇聚节点将告知用户其辅助切换过程失败；

12)如果用户得到进行切换的命令，则直接接入新汇聚节点覆盖的子网；如果得到辅助切换失败的信息，则重复步骤1)至步骤7)，加入新汇聚节点覆盖的子网；

13)用户接入新子网后，如果原子网汇聚节点仍然存有用户的数据，则原子网汇聚节点将此数据发给新子网汇聚节点，由该新汇聚节点将此数据转发给用户；

14)用户的请求得不到满足，用户断开与子网的连接。

本发明具有如下优点：

(1)由于本发明的子网汇聚节点根据用户的种类、运动状态及业务类型为用户采用不同的系统资源分配及使用方式，使网络资源得到合理的、充分的利用并能对移动用户提供一定的服务保障。

(2)由于本发明提供了结合信号强度、链路质量及位置信息构造判决准则，减少了系统不必要的切换次数，有效的限制了“乒乓效应”的不利影响。

(3)由于本发明利用移动用户辅助切换，减少了切换算法的复杂度，从整体上提升了网络性能。

(4)由于本发明采用运动状态预测算法，使网络可以跟踪预测用户的运动状态，使网络对用户进行有效的管理。

(5)由于本发明采用资源预留方式为移动用户提前预约网络资源，从而减少了切换延迟，提高了系统切换的可靠性。

附图说明

图1是本发明使用的无线传感器网络结构示意图；

图2是本发明采用的超帧结构示意图；

图3是本发明采用的动态接入轮询法示意图；

图4是本发明中实施快速切换流程示意图；

图5是传统移动切换流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

在给出本发明的具体实施步骤之前，对本发明的网络整体结构、应用场景和基本设计思想做简要的说明。

如图1所示，本发明使用的网络结构由采集信息的无线传感器节点、子网汇聚节点和移动用户构成。无线传感器节点用来采集物理环境的信息并通过无线链路将信息发给子网汇聚节点，子网汇聚节点负责其子网内的信息融合并负责其子网内资源的管理与分配，移动用户动态的向网络注入查询和收集信息。子网汇集节点彼此之间通过有线网络或无线网络连接在一起，将各个子网整合成一个灵活、可扩展的无线传感器网络。这种网络结构可提供多种数据服务与应用，并支持多个移动用户同时使用网络。子网汇聚节点在分配网络资源时，首先会判定节点的类型。对于传感器节点来讲，如果节点是采集的非实时信息则采用CSMA/CA方式接入信道，并在图2中的竞争接入期开始竞争信道的使用；如果节点采集的是实时信息，则为其分配GTS，并在图2中的有保障的接入期使用信道。GTS使用户无冲突的发送接收数据，相对于CSMA/CA接入方式来讲，有较好的链路可靠性及较高的吞吐量。子网汇聚节点通过为用户分配GTS接入方式来保证其服务质量。

GTS采用如图3所示的动态轮询接入法实现。动态轮询接入法通过按需分配带宽使网络带宽的资源浪费减少到最小，并消除了由于竞争接入产生的接入时延及浪费的带宽，从而提高了信息吞吐率。采用动态轮询接入法实现的GTS接入机制非常适合通信业务随时间动态变化和对时延要求较敏感的应用场景。子网汇聚节点根据子网当前的状态动态的决定是否让用户使用GTS，这种动态性体现在子网汇聚节点根据其维护的资源池进行决策，决定是否让用户加入子网和使用子网资源。如果允许用户使用则发放给用户使用令牌。当用户得到令牌后即可无冲突的发送和接收数据。在图3中，子网汇聚节点管理着四个用户，这四个用户分别代表四种不同的工作方式。对于用户1而言，当得到令牌后，没有数据需要发送同时也没有需要从子网汇聚节点接收的数据，所以他的回合很快结束。对于用户2而言，当得到令牌后，立刻发送其要上传给子网汇聚节点的数据。当子网汇聚节点收到该数据时，子网汇聚节点向该用户发送ACK进行确认。由于子网汇聚节点没有其他数据发送给该节点，所以该用户的回合也立即结束。对于用户3而言，当得到令牌后，没有数据发送给子网汇聚节点但需要接收子网汇聚节点发送给他的数据。当该用户收到子网汇聚节点的数据后，向子网汇聚节点发送ACK进行确认之后，他的回合结束。对于用户4而言，当得到令牌后，由于有数据需要发送给子网汇聚节点，所该用户立即将数据发出，子网汇聚节点接收该数据后，发现也同样有数据需要发送给该用户，所以也立即将数据发送给该用户并采用“捎带技术”对收到的帧进行确认。该用户收到汇聚节点发来的数据后，对该数据进行确认后，他的回合结束。

在对用户的移动切换处理方面，本发明采用了基于运动状态预测的移动台辅助切换方法。首先，对用切换判据准则而言，本实施例改进了传统的仅仅参考信号强度作为判据准则参考量的方案。在本发明同时参考信号强度、链路质量和地理位置信息这三个值来设计判决的参考计量。链路质量指的是当前链路质量的好快，可以通过接收数据帧的信噪比来指示。位置信息可以通过移动用户自身的GPS设备来获取。移动用户每隔一定时间间隔会向当前关联的汇聚节点发送其当前的信号强度、链路质量和位置信息。

参照图4，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1：用户进入无线传感器网络，通过主动发送扫描请求获取网络所提供的服务信息。

步骤2：子网汇聚节点向用户发送主动扫描响应。

步骤3：用户根据收到的主动扫描响应确定要加入的子网，并向该子网的汇聚节点发送关联请求，关联请求包括用户当前的移动状态及请求服务的类型。

步骤4：子网汇聚节点根据用户关联请求中的移动状态及请求服务的类型，并根据当前的子网资源决定是否允许该用户加入其子网，该用户的移动状态分为移动速度大于25km/h高速运动状态、移动速度处于10km/h到25km/h之间中等运动状态和移动速度小于10km/h低速运动状态，用户的请求服务的类型分为实时业务和非实时业务，如果用户处于高速运动状态且使用实时业务且子网资源不充足的条件下不允许用户加入子网，转到步骤17，否则允许用户加入子网，转到步骤5；

步骤5：子网汇聚节点根据用户的类别、运动状态及业务类型为用户分配不同的信道接入方式，传输方式及传输功率，子网汇聚节点为使用时延敏感业务且移动速度小于25km/h的移动用户分配无竞争的保障时隙接入方式，并提供带确认的数据传输，对所属类别优先级高的用户使用大于正常传输模式的传输功率，并向要求接入子网的用户发送关联响应，用户被划分为普通用户和高级用户，步骤5所述的优先级高的用户是指高级用户。

步骤6：用户根据其当前业务的具体情况，通过子网汇聚节点分配的信道接入方式、传输方式及传输功率向子网汇聚节点提出详细的带宽使用申请，以有效解决子网汇聚节点过度分配带宽所造成的带宽浪费，该详细的带宽使用申请包括使用保障时隙个数及使用时间。

步骤7：子网汇聚节点收到用户的带宽使用申请后，根据子网的当前状态判断是否批准该申请，如果子网当前有足够的空闲保障时隙则申请被批准，子网汇聚节点向用户发送申请成功响应，转到步骤8，否则向用户发送当前子网能提供最大的带宽信息，转到步骤9。

步骤8：用户根据收到的子网汇聚节点申请被批准的信息，开始使用子网的资源，转到步骤10。

步骤9：用户根据子网所能提供的最大带宽信息，结合当前业务情况判断是否加入该子网，如果所提供的最大带宽能够满足业务的需求则用户选择加入该子网，并开始使用子网的资源，转到步骤10，否则转到步骤16。

步骤10：用户在每间隔T_per时间后，向子网汇聚节点发送当前的信号强度、链路质量和地理位置信息，其中间隔T_per的设定是先默认设置为1s，再根据用户的运动状态动态调节，如用户的运动速度较快，则减小T_per；如用户的运动速度较慢，则增大T_per。

步骤11：子网汇聚节点在收到用户的信号强度、链路质量和地理位置信息后，通过二阶AR预测算法预测用户下一时刻的状态，二阶AR预测算法的模型为 $\hat{s}\left(t\right)=2s(t-1)-s(t-2),$ 其中s(t)代表用户t时刻的状态信息，s(t)＝[r(t)，l(t)，x(t)，y(t)]^T，其中r(t)代表子网汇聚节点接收到用户的信号强度的值，l(t)代表子网汇聚节点接收到用户的链路质量的值，x(t)、y(t)代表子网汇聚节点接收到用户的平面位置信息的值，在得到预测值后判断切换过程是否被触发，切换过程触发判决准则是： ${({\mathrm{cur}\_\mathrm{coord}}_x-\hat{x}\left(t\right))}^2+{({\mathrm{cur}\_\mathrm{coord}}_y-\hat{y}\left(t\right))}^2>{R_{\mathrm{cur}}}^2,$ cur_coord_x，cur_coord_y代表当前子网汇聚节点的平面位置信息，R_cur代表当前汇聚节点的覆盖半径，

为对用户在t时刻的位置信息的预测值，如果切换被触发则转到步骤12，否则转到步骤10。

步骤12：子网汇聚节点根据预测信息中下一时刻用户的位置信息确定用户将接入的新的子网，并向管理该子网的汇聚节点报告该用户的信息，提出加入该新子网及预约资源的申请，其中原子网汇聚节点向新子网汇聚节点报告用户的信息包括用户的类别、用户的移动状态、用户使用的接入方式及用户占用的带宽，对于新子网汇聚节点的选取准则是： ${({\mathrm{coord}\left[i\right]}_x-\hat{x}\left(t\right))}^2+{({\mathrm{coord}\left[i\right]}_y-\hat{y}\left(t\right))}^2<{R_i}^2,$ 其中coord[i]_x、coord[i]_y为第i个子网汇聚节点的平面位置信息，R_i为其覆盖半径，

为对用户在t时刻的位置信息的预测值。

步骤13：如果原子网汇聚节点的申请被批准，则原子网的汇聚节点通知用户进行切换到新子网汇聚节点覆盖的子网；如果原子网汇聚节点的申请未被批准，则原子网汇聚节点将告知用户其辅助切换过程失败。

步骤14：如果用户得到进行切换的命令，则直接接入新汇聚节点覆盖的子网；如果得到辅助切换失败的信息，则重复步骤1至步骤9的过程加入新汇聚节点覆盖的子网。

步骤15：用户接入新子网后，如果原子网汇聚节点仍然存有用户的数据，则原子网汇聚节点将此数据发给新子网汇聚节点，由该新汇聚节点将此数据转发给用户。

步骤16：用户的请求得不到满足，用户断开与子网的连接。

Claims (5)

1.一种无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，包括以下步骤：

1)用户进入无线传感器网络，通过主动发送扫描请求获取网络所提供的服务信息，并根据收到的主动扫描响应选择其要加入的子网，同时向要加入的子网汇聚节点发送关联请求；

2)子网汇聚节点根据用户关联请求中的用户移动状态、请求的服务类型及当前的子网资源决定是否允许该用户加入其子网，如果允许用户加入子网则转到步骤3)，不允许则转到步骤14)；

3)子网汇聚节点根据用户的类别、运动状态及业务类型为用户分配不同的信道接入方式、传输方式及传输功率，并向要求接入子网的用户发送关联响应；

4)用户根据其当前业务的具体情况，通过子网汇聚节点分配的信道接入方式、传输方式及传输功率向子网汇聚节点提出详细的带宽使用申请，该详细的带宽使用申请包括使用保障时隙个数及使用时间；

5)子网汇聚节点收到用户的带宽使用申请后，根据子网的当前状态判断是否批准该申请，如果子网当前有足够的空闲保障时隙则申请被批准，则子网汇聚节点向用户发送申请成功响应，转到步骤6)，如果该申请超出了子网提供资源的能力，则向用户发送当前子网能提供最大的带宽信息，转到步骤7)；

6)用户根据收到的子网汇聚节点申请批准信息，开始使用子网的资源，转到步骤8)；

7)用户根据子网所能提供的最大带宽信息，结合当前业务情况判断是否加入该子网，如果所提供的最大带宽能够满足业务的需求，则选择加入该子网，开始使用子网的资源，转到步骤8)，否则转到步骤14)；

8)用户在每间隔T_per时间后，向子网汇聚节点发送其当前的信号强度、链路质量和地理位置信息，其中间隔T_per的设定是先默认设置为1s，再根据用户的运动状态动态调节，如用户的运动速度较快，则缩短周期；如用户的运动速度较慢，则延长周期；

9)汇聚节点在收到用户的信号强度、链路质量和地理位置信息后，通过二阶AR预测算法预测用户下一时刻的状态，并按照 ${(\mathrm{cur}\_{\mathrm{coord}}_x-\hat{x}\left(t\right))}^2+{(\mathrm{cur}\_{\mathrm{coord}}_y-\hat{y}\left(t\right))}^2>{R_{\mathrm{cur}}}^2$ 准则判断切换过程是否被触发，其中cur_coord_x，cur_coord_y代表当前子网汇聚节点的平面位置信息，R_cur代表当前汇聚节点的覆盖半径，

为对用户在t时刻的位置信息的预测值，如果切换被触发则转到步骤10)，否则转到步骤8)；

10)原子网汇聚节点根据预测信息中下一时刻用户的位置信息确定用户将接入的新子网，并向新子网的汇聚节点报告该用户的信息，提出加入新子网及预约新子网资源的申请；

11)如果原子网汇聚节点的申请被批准，则原子网的汇聚节点通知用户进行切换到新汇聚节点覆盖的子网；如果原子网汇聚节点的申请未被批准，则原子网汇聚节点将告知用户其辅助切换过程失败；

12)如果用户得到进行切换的命令，则直接接入新汇聚节点覆盖的子网；如果得到辅助切换失败的信息，则重复步骤1)至步骤7)，加入新汇聚节点覆盖的子网；

13)用户接入新子网后，如果原子网汇聚节点仍然存有用户的数据，则原子网汇聚节点将此数据发给新子网汇聚节点，由该新汇聚节点将此数据转发给用户；

14)用户的请求得不到满足，用户断开与子网的连接。

2.根据权利1所述的无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，其特征在于，步骤2)所述的子网汇聚节点根据用户关联请求中的用户移动状态、请求的服务类型及当前的子网资源决定是否允许该用户加入其子网，是将用户的移动状态分为用户移动速度大于25km/h高速运动状态、移动速度处于10km/h到25km/h之间中等运动状态和移动速度小于10km/h低速运动状态，将用户的请求服务的类型分为实时业务和非实时业务，如果用户处于高速运动状态且使用实时业务且子网资源不充足的条件下不允许用户加入子网，否则允许用户加入子网。

3.根据权利1所述的无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，其特征在于，步骤3)中所述的根据用户的类别、运动状态及业务类型为用户分配不同的信道接入方式、传输方式及传输功率，是由子网汇聚节点为使用时延敏感业务且移动速度小于25km/h的移动用户分配无竞争的保障时隙接入方式，并提供带确认的数据传输，并对所属类别优先级高的用户使用大于正常传输模式的传输功率。

4.根据权利1所述的无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，其特征在于，步骤9)所述的通过二阶AR预测算法预测用户下一时刻的状态，是通过二阶AR预测算法的模型：

进行预测，其中s(t)代表用户t时刻的状态信息，s(t)＝[r(t)，l(t)，x(t)，y(t)]^T，其中r(t)代表子网汇聚节点接收到用户的信号强度的值，l(t)代表子网汇聚节点接收到用户的链路质量的值，x(t)、y(t)代表子网汇聚节点接收到用户的位置信息的值。

5.根据权利1所述的无线传感器网络有服务保障的快速切换方法，其特征在于，步骤10)所述的子网汇聚节点根据预测信息中下一时刻用户的位置信息确定用户将接入的新子网，是通过 ${({\mathrm{coord}\left[i\right]}_x-\hat{x}\left(t\right))}^2+{({\mathrm{coord}\left[i\right]}_y-\hat{y}\left(t\right))}^2<{R_i}^2$ 准则，确定用户下一时刻所属位置子网的汇聚节点，其中coord[i]_x、coord[i]_y为第i个子网汇聚节点的平面位置信息，R_i为其覆盖半径，

为对用户在t时刻的位置信息的预测值。

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