CN101801057B - 无线传感器网络簇间快速通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络簇间快速通信方法，包括：簇头之间组成链式的传输通道，在每次通信的开始源簇头预先通过发送很短的预约发送包(RP)并沿着簇头组成的多跳链路快速传递到汇聚节点，当RP经过每个中间簇头时，中间簇头在RP中对应的字段中填写本次需要传输的数据包数目。汇聚节点收到RP后回复一个预约确认包(CP)并沿着逆向路径传输回发起请求的源簇头，沿途接收CP的簇头根据自身需要发送数据包的数目合理调度睡眠和通信过程。最后簇头之间形成多跳传输通道，采用类似多级流水线方式将数据快速传递到汇聚节点，本发明能有效提高簇间通信的效率，较大程度降低传输延迟和能耗。

Description

无线传感器网络簇间快速通信方法

技术领域

本发明涉及无线网络领域，特别涉及无线传感器网络协议设计领域，具体给出一种无线传感器网络簇间快速通信方法，尽管可将给出的特征应用于其他网络设计中。

背景技术

无线传感器网络通常是由许多资源受限的节点组成的多跳自组织网络，在环境监测、军事管理、工业控制、医疗系统等诸多领域有着广泛的应用。由于无线传感器网络单个节点的能量和处理能力比较有限，节点通常需要通过协作的方式感知、采集和处理信息并发送给汇聚节点，故此类网络对能耗、延迟、可靠性等方面性能有较高的要求。

在无线传感器网络的应用中，通常节点的数量比较大，分布范围比较广，大范围的网络结构使得采用平面自组织的方式构建网络难以满足性能要求。而分簇机制能够较好地增强网络规模增大时候数据通信能力，保持网络的可扩展性方面性能，并能增强能耗管理和较好融入拓扑控制方法。在分簇的网络组织结构中，簇内节点通常分为簇头和普通节点，簇头节点通常管理局部的通信，然后通过簇头间的协作将数据传输到汇聚节点。在实际的应用中普通节点先将数据传输到簇头节点并在簇头节点进行缓存，簇头节点在适当的时候通过簇头间协作方式将数据传输到汇聚节点，如图1所示。

在基于分簇的无线传感器网络中，通常的通信过程是由簇内的普通节点发送数据给本簇的簇头节点，然后簇头节点之间组成一定的通信方式间网内收集到的数据传输给汇聚节点以便进行处理和控制。由于簇内节点收集到的数据都发给本簇的簇头节点，使得簇头节点上的数据负荷很重，数据包在簇头积压从而严重影响网络的通信性能。为此需要合理组织簇头间的通信方式，使得簇头收集到数据后能够快速高效地传输给汇聚节点，并能合理调度传输过程以降低能耗。

发明内容

技术问题：本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供无线传感器网络簇间快速通信方法。

技术方案：无线传感器网络簇间快速通信方法，其具体内容为：

按照分簇方式组织网络，簇头间形成链式的传输通路，簇间通信过程分为预约阶段和数据通信阶段两部分，其通信过程包括以下步骤：

①在预约阶段源簇头预先通过发送很短的传输请求包RP并沿着簇头组成的多跳链路传输到汇聚节点，当RP经过每个簇头时，簇头节点会在RP中对应的字段中填写本次需要发送的数据包数目。

②汇聚节点收到RP后回复一个预约确认包CP并沿着逆向路径传输回发起请求的源簇头，沿途接收CP的簇头节点根据需要发送的数据包数目得知具体通信时间并合理调度睡眠/唤醒以及通信过程。

③在数据通信阶段，数据包从源簇头开始发送，沿着预约的传输路径采用类似多级流水线方式将数据快速传输到汇聚节点。汇聚节点接收完数据后，返回一个数据确认包KP沿着反向路径传输到源簇头，沿途接收到KP的簇头得知数据是否被正确接收，一旦发现数据包在传输过程中丢失则在下一次启动重传。

④为避免长期运行导致的节点时钟偏差，每隔一定的时间由汇聚节点发起一个同步矫正过程，沿着CP包传输的路径将汇聚节点的时间信息通知给所有的簇头节点以维持时间同步。

作为本发明的一种优选方式，其中的步骤①包括以下步骤：

1)源簇头构建一个RP包，其中包含了一个专门记录每个簇头需要发送数据包数目的字段，将自身需要发送的数据包数目记录在相应的字段中，然后发送RP包给传输通路上的下一跳簇头节点。

2)中间簇头收到RP包后，根据当前数据缓冲区中的数据包数目和每次最大允许发送数据包的限制，计算本次需要发送的数据包数目，在收到的RP包中对应的字段中填写本次需要传输数据包数目，然后将RP包转发给下一跳簇头节点。

其中的步骤1)中记录每个簇头需要发送数据包的字段组织方式具体为：首先计算簇头需要发送的数据包数目，然后计算存储数据包数目需要的字节数。其中存储每个簇头节点数据包发送数目的信息位数可表示为 $n_{\mathrm{bit}}={\log }_2^{{\mathrm{Nh}}_{\max }},$ 而记录所有簇头节点数据包发送数目信息需要的字节数为n_byte＝n_bit×Nh_c/8，其中Nh_max为每次簇间传输过程中最大允许数据包发送数目，Nh_c为簇头节点的数目。

其中步骤2)计算本次需要发送的数据包数目Nh_bst的具体方法为为：限制每个簇头节点在每次簇间传输过程中最大允许数据包发送数目Nh_max，而节点当前缓冲区中数据包数目为Nh_cur，当Nh_max＜Nh_cur时，本次需要发送的数据包数目为Nh_max，否则本次需要发送的数据包数目设置为Nh_cur。

作为本发明的又一优选方式，所述步骤②具体为：汇聚节点沿着RP包的反向路径发送CP包给源簇头节点，每个簇头节点收到CP包后计算需要睡眠的时间，直到需要自己发送数据的时刻醒来进行数据通信。

其中每个簇头节点收到CP包后计算需要睡眠的时间具体方法为：设每个簇头需要发送的数据包数目依次为A1，B1，C1，...，传输一个数据包所需要的时间为T_p，则睡眠时间为T_p×(A1)+T_p×(A1+B1)+T_p×(A1+B1+C1)+...。

作为本发明的又一优选方式，所述步骤③包括以下步骤：

1)源簇头根据本次需要传输的数据包数目Nh_bst，发送Nh_bst个数据包，然后进入睡眠以降低功耗，经过计算得到的时间结束后唤醒。

2)中间簇头根据预定的时间唤醒，从前一跳接收到的数据包后加上本节点需要发送的数据包，然后发送采用一次发送多个数据包的方式传递给下一跳的簇头，发送完毕进入睡眠以降低能耗。

3)当汇聚节点接收到所有的数据包后，回复一个确认数据包KP并沿着数据传输的逆向路径传递到源簇头，沿途每个中间簇头根据KP包中的信息确定自身发送的数据包是否被正确接收，以判断是否需要在下次通信进行重传。

作为本发明的再一优选方式，所述步骤④具体方法为：协议设计中预设一个时间T_b，一旦协议运行超过T_b，则簇头节点在CP包中对应的字段捎带一个时间信息，将汇聚节点的时间信息沿着簇头间数据传输的逆向路径传输到每个簇头节点，使得所有的簇头节点根据这个时间信息进行同步，避免长期运行导致的时钟漂移。

有益效果：本发明中采用的无线传感器网络簇间快速通信方法，使簇头节点收集到的数据能及时传输给汇聚节点避免严重积压问题，很大程度提高了传输效率，使得数据包传输的吞吐率、延迟性能大大提高。通过计算数据包的传输时间精确设定睡眠和唤醒时间，能在不影响传输性能条件下很好地降低能耗。此外通过汇聚节点实现的同步机制能很好解决簇头节点运行的时间偏差问题。

附图说明

图1分簇的网络结构图，

图2簇间通信过程示意图，

图3预约发送包RP和预约确认包CP的格式。其中有：PT包类型，LEN：包长度，DA：目的地址，ToS：sink节点时间，PNNS：需要发送的报数目，CRC循环冗余效验，CHn簇头号。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步说明。图1为传感器网络分簇结构图，通信方式为：簇内普通节点首先将数据包发送给簇头节点，然后簇头节点组成多跳链式传输通路，数据从源簇头沿着这个链式通路传输到汇聚节点sink。

在每次数据发送前，源簇头预先通过发送很短的传输请求包RP并沿着簇头组成的多跳链路传输到汇聚节点，如图2所示。由于每个簇头都有可能有数据需要发送，并且事先不知道其他簇头需要发送多少数据包，为确定整个簇间通信的时间以便节点能够合理控制睡眠时间，源簇头在发起通信时构建一个RP包沿着簇头组成的多跳链路快速传输到汇聚节点，其中包含了一个专门记录每个簇头需要发送数据包数目的字段，如图3所示。RP包的结构具体为：首先根据最大需要发送的数据包数目计算存储数据包数目需要的字节数。为避免过长的传输延迟，在协议设计中限制每个簇头节点在每次簇间传输过程中最大允许数据包发送数目Nh_max，另外假设簇头节点的数目为Nh_c，则RP包按照位图方式组织和管理簇头需要发送的数据包数目。例如簇头节点最大允许的发送数目为3，则用2比特空间表示簇头需要发送的数据包数目，即时用00、01、10、11分别代表0、1、2、3个需要发送的数据包，故一个字节可以存储4个节点的数据包发送数目信息。故按照这种组织方式，存储每个簇头节点数据包发送数目的信息位数可表示为 $n_{\mathrm{bit}}={\log }_2^{{\mathrm{Nh}}_{\max }},$ 而记录所有簇头节点数据包发送数目信息需要的字节数为n_byte＝n_bit×Nh_c/8。故RP包中都有预留的相应位置以存放每个簇头需要发送的数据包数目。

中间簇头收到RP包后，根据当前数据缓冲区中的数据包数目和每次最大允许发送数据包的限制，计算本次需要发送的数据包数目，计算本次需要发送的数据包数目Nh_bst的具体方法为为：节点首先检查当前缓冲区中数据包数目为Nh_cur，当发现Nh_max＜Nh_cur时，本次需要发送的数据包数目Nh_bst设置为Nh_max，否则本次需要发送的数据包数目Nh_bst设置为Nh_cur。然后节点在收到的RP包中对应的字段中填写本次需要传输数据包数目，然后将RP包转发给下一跳簇头节点。在接收完RP包后不立即进行确认以减小开销。

当汇聚节点接收到RP包后构建一个CP包，并将RP包的信息复制到CP包中，然后丢弃RP包。CP包中除了包含RP包的信息外，还预留了一个时间字段用于存储汇聚节点的时间信息，以便定时执行时间同步功能，如图3所示。汇聚节点沿着RP包的反向路径发送CP包给源簇头，链路中每个簇头收到CP包后计算需要睡眠的时间并进入睡眠，直到需要自己发送数据的时刻醒来进行数据通信。其中每个簇头节点收到CP包后计算需要睡眠的时间具体方法为：设每个簇头需要发送的数据包数目依次为A1，B1，C1，...，传输一个数据包所需要的时间为T_p，则睡眠时间为T_sleep＝T_p×(A1)+T_p×(A1+B1)+T_p×(A1+B1+C1)+...。

在簇头节点真正进行数据传输时，采用类似多级流水线的方式将数据快速高效地传输给汇聚节点。由于每个簇头节点可能没有数据需要发送，也可能有多个数据需要发送，故沿着簇头向汇聚节点的路径传输过程中，数据包的数目通常会逐渐增多。如图2中，簇头1需要发送一个数据包(A1)，簇头2需要发送两个数据包(B1、B2)，簇头3没有数据包需要发送，簇头4需要发送3个数据包(D1、D2、D3)，则传输过程中，当前簇头节点不仅要将自己的数据包发送给下一跳节点，还需要将从上一跳簇头节点收到的数据包转发到下一跳节点中。由于靠近汇聚节点的簇头节点需要一段时间才能收到数据包，在传输开始就处于侦听状态会耗费需要不必要的能耗，故每个节点根据CP中得到的消息，在没有收到数据包前进入睡眠以降低能耗，然后在轮到自己需要接收和发送数据时醒来进行数据传输，节点在此过程中睡眠的时间T_sleep计算方法如前所述。

当汇聚节点接收到所有的数据包后，回复一个确认数据包KP并沿着数据传输的逆向路径传递到源簇头，KP包中包含了本次传输丢失的数据包编号，以进行选择性确认告知所有的簇头节点已经被正确传输的数据包编号，沿途每个中间簇头根据KP包中的信息确定自身发送的数据包是否被正确接收。例如本次通信过程共发送13个数据包，其中簇头3发送数据包的编号为4、5。如果传输过程中数据包4由于某些原因被破坏或者丢失，则汇聚节点无法正确接收到数据包4，则它在KP包中记录数据包4，当KP传递给源簇头的过程中，簇头3得知数据包4丢失，则在下次传输过程中重传丢失的数据包4。通过这种选择性确认的方式，使得簇头在传输发生错误时候不需要立即启动重传机制，从而避免影响到其它正常的数据包，提高了传输效率。

由于簇头节点运行过程中也存在时钟漂移，当簇头节点运行一段时间后各节点的时钟偏差超过一定程度就会导致通信错误，故簇头节点之间需要定期进行同步以保证正确的通信。簇头节点的同步是由汇聚节点发起的，协议设计中预设一个时间T_b，一旦协议运行超过T_b，则簇头节点在CP包中对应的字段捎带一个时间信息，将汇聚节点的时间信息沿着簇头间数据传输的逆向路径传输到每个簇头节点，使得所有的簇头节点能够进行同步，保持和汇聚节点具有相同的时间信息。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于簇头间形成链式的传输通路，簇间通信过程分为预约阶段和数据通信阶段两部分，通信过程包括以下步骤：

①在预约阶段的开始源簇头预先通过发送很短的预约发送包RP并沿着簇头组成的多跳链路传输到汇聚节点，当RP经过每个中间簇头时，中间簇头会在RP包中对应的字段中填写本次需要发送的数据包数目；

②汇聚节点收到RP后回复一个预约确认包CP并沿着逆向路径传输回发起请求的源簇头，沿途接收CP的簇头节点根据需要发送的数据包数目得知具体通信时间并合理调度睡眠/唤醒以及通信过程；

③在数据阶段数据包从源簇头开始发送，沿着预约好的传输路径采用类似多级流水线方式将数据快速传输到汇聚节点，汇聚节点接收完数据后，返回一个数据确认包KP沿着反向路径传输到源簇头，沿途接收到KP的簇头得知数据是否被正确接收，一旦发现数据包在传输过程中丢失则在下一次启动重传，

④为避免长期运行导致的节点时钟偏差，每隔一定的时间由汇聚节点发起一次同步过程，汇聚节点发送同步包并沿着CP传输的路径将汇聚节点的时间信息通知给所有的簇头节点以维持时间同步。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于所述步骤①包括以下步骤：

1)源簇头构建一个RP，其中包含了一个专门记录每个簇头需要发送数据包数目的字段，将自身需要发送的数据包数目记录在相应的字段中，然后发送RP给传输通路上的下一跳簇头节点，

2)中间簇头收到RP后，根据当前数据缓冲区中的数据包数目和每次最大允许发送数据包的限制，计算本次需要发送的数据包数目，在收到的RP中对应的字段中填写本次需要传输数据包数目，然后将RP包转发给下一跳簇头节点。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于所述步骤1)中记录每个簇头需要发送数据包的字段组织方式具体为：首先计算簇头需要发送的数据包数目，然后计算存储数据包数目需要的字节数，令Nh_max为每次簇间传输过程中最大允许数据包发送数目，Nh_c为簇头节点的数目，则存储每个簇头节点数据包发送数目的信息位数n_bit可表示为

而记录所有簇头节点数据包发送数目信息需要的字节数n_byte表示为n_byte＝n_bit×Nh_c/8。

4.根据权利要求2所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于所述步骤2)计算本次需要发送的数据包数目Nh_bst的具体方法为为：限制每个簇头节点在每次簇间传输过程中最大允许数据包发送数目Nh_max，而节点当前缓冲区中数据包数目为Nh_cur，当Nh_max＜Nh_cur时，本次需要发送的数据包数目为Nh_max，否则本次需要发送的数据包数目设置为Nh_cur。

5.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于所述步骤②具体为：汇聚节点沿着RP的反向路径发送CP给源簇头节点，每个簇头节点收到CP后计算需要睡眠的时间，直到需要自己发送数据的时刻醒来进行数据通信。

6.根据权利要求5所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于每个簇头节点收到CP后计算需要睡眠的时间具体方法为：设相邻三个簇头当前需要发送的数据包数目依次为A1，B1，C1，传输一个数据包所需要的时间为T_p，则睡眠时间依次为T_p×(A1)，T_p×(A1)+T_p×(A1+B1)，T_p×(A1)+T_p×(A1+B1)+T_p×(A1+B1+C1)。

7.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于所述步骤③包括以下步骤：

1)源簇头根据本次需要传输的数据包数目Nh_bst，发送Nh_bst个数据包，然后进入睡眠以降低功耗，经过计算得到的时间结束后唤醒以接收KP，

2)中间簇头根据预定的时间唤醒，从前一跳接收到的数据包后加上本节点需要发送的数据包，然后发送采用一次发送多个数据包的方式传递给下一跳的簇头，发送完毕进入睡眠以降低能耗，并在合适的时间醒来接收KP，

3)当汇聚节点接收到所有的数据包后，回复一个数据确认包KP并沿着数据传输的逆向路径传递到源簇头，沿途每个中间簇头根据KP包中的信息确定自身发送的数据包是否被正确接收，如果丢失则在下次重传丢失的数据包。

8.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇间快速通信方法，其特征在于所述步骤④具体方法为：通信过程中预设一个时间T_b，一旦节点运行时间超过T_b，则簇头节点在CP包中对应的字段记录一个时间信息，将汇聚节点的时间信息沿着簇头间数据传输的逆向路径传输到每个簇头节点，使得所有的簇头节点根据这个时间信息进行同步，避免长期运行导致的时钟漂移。

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