CN101801114A - 链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，它是对信息的上行或下行采用链式时间同步的时隙控制和数据融合方法，实行如下过程：路由自动建立、时间基准同步发送、快速分簇、数据融合、数据上行。通过这些过程的独特控制，使得链式多跳传感器网络的数据传输既省电又快速。

Description

链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的时间同步及数据融合方法，适合于无线传感器节点是链式分布的多跳式网络中。

背景技术

无线传感器网络通常由于被测对象的形状不同而有不同的结构，有一类是链式多跳无线传感器网络，其被测对象是呈线状或带状的，如河流水质监测、油气管道监测、大坝监测等。

链式多跳无线传感器网络具有如下的特点：

(1)路径单一。普通传感器网络节点周围会有多个相邻节点，传输路径是多条的；而链式多跳无线传感器网络，节点信息只能顺着唯一的直线依次传递。

(2)多跳路由。由于链式多跳的单一路径，源节点采集到的信息必定要经过其它节点的接力转发才能到达汇聚节点。

(3)每个节点处理的信息量不均衡。每个节点不但要采集本地的信息，还要对邻居节点送来的信息进行处理和转发，所以信息量是沿着传递路线递增的，越靠近汇聚节点，需要处理的信息量就越大。

这种单一路径的多跳数据传送，在能量受限的无线传感器网络中，其能耗和延时是二个非常关键的指标，与一般结构的无线传感器网络相比有明显的不同。

无线传感器网络通常由电池供电，为了节能必须间隙地工作，这种间隙工作又分为同步方式和异步方式。同步方式使得网络内各节点在同一时间工作，同一时间睡眠，而异步方式没有这种同步功能，节点间靠等待时间来实现数据交换，所以异步方式在节点间多跳传送时，延时问题非常突出。目前常用的无线传感器网络MAC协议有很多种，这些协议注重通用性，比较适合普通面型和层次型网络，而未能充分考虑链式多跳无线传感器网络的特点，因此性能无法得到优化；数据融合技术也是无线传感器网络降低能耗的技术之一。传统的网络协议需对每个信息包进行单独转发，由此造成节点转发的数据包数量线性增长，控制信息的开销很大，数据融合技术是通过将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包，然后一起传送，从而降低控制信息的开销，减少单位信息传送的能量消耗。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足提供一种链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，达到既省电又快速的数据传输。

为实现上述目的，本发明采用了以下几个关键技术：

1一种链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，具体特征在于对信息的上行或下行采用链式时间同步的时隙控制和数据融合方法，实行如下过程：

1)路由自动建立：将汇聚节点设定其为序号0，从0号节点开始依此经过路由发起和呼叫应答，将网内所有节点进行逻辑编号；

2)时间基准同步发送：时间基准由汇聚节点周期性地发出，保证所有的节点以这个时间基准为参考，进行工作和休眠定时；

3)快速分簇：由汇聚节点开始，由命令控制簇头和簇的大小，这种分簇方法易于时间同步而且速度快；

4)数据融合：将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包；

5)数据上行：包含数据簇内传输，整个簇包的上行传输，传输的每个环节都要按照所述链式同步的时隙控制。

上述链式时间同步时隙控制是：

链式时间同步的时隙控制如图1所示，无论是信息的上行或下行，都按照这个模式进行，这里有二个特点：

(1)接收时隙与发送时隙之间进行交错排列。

节点n的发送“TX”时隙与节点n-1的接收“RX”时隙是对齐的，因此多个节点在时序上形成一条环环相扣的时隙链，因此取名为“链式时间同步”；

(2)接收和发送都留有双倍的时隙。

为了避免传输中的错误和时间上的抖动，在接收和发送都留有双倍的时隙。从图1(a)中可以看出，当数据是无错误传输时，接收端正确地收到了数据并回答ACK后进入休眠，发送端发完数据，等收到ACK后也进入休眠，因此，无论是接收或发送，在时间上只多了一个很短的ACK发和收；当数据传输失败时，发送端在规定时间内没有收到ACK，那么在第二时隙的“TX”重新发送，接收端在第二时隙的“RX”重新接收，如图1中(b)所示。这种方法在数据传输可靠时，并没有明显地增加耗电，因为它具有自动休眠机制，只有当传输有错时，才会有重传的能量消耗。因此，这种控制方法以增加一个极短时间的时隙，换取了传输的容错性和抗时间抖动。

上述过程1)路由自动建立的方法是：在初始阶段，各个节点的睡眠和苏醒时刻不在同一个节拍上，而且节点还没有一个统一的序号，链式多跳无线传感器网络的路由建立是要给节点进行逻辑序号的标定，并使节点保持一个初始的时间同步，如图2所示。定义汇聚节点序号为0，图中由右到左的节点0、A、B、C等代表位置顺序，节点“A”离汇聚节点“0”最近。具体路由建立过程如下：

(1)序号等于0的汇聚节点广播路由命令，广播的发射功率是可控的，控制在大约二跳范围，路由命令被距离最近的节点A和B接收，C节点由于距离远无法正确接收。

(2)节点A和B分别向汇聚节点发送应答帧，应答帧包含接收到的场强信息RSSI。为避免冲突，发送应答帧时，根据RSSI值的大小不同其退避延时值也不同。

(3)汇聚节点分别收到A和B的应答帧，比较二个RSSI值的大小，判定RSSI值大的序号为N+1。由于节点A靠得更近，其RSSI值较大，所以节点A的序号应为1。汇聚节点发送编号命令给节点A，规定节点A的序号为1，同时通知节点A开始广播路由命令。

(4)序号N等于1的节点A广播路由命令，路由命令被距离最近的节点B和C接收，同时也被汇聚节点接收。

(5)节点B和C分别向节点A发送应答帧，应答帧包含接收到的场强信息RSSI；汇聚节点接收到节点A的广播路由命令后，知道本节点的任务已完成，不比再向A节点发送应答命令。

(6)重复步骤(3)，节点A发送编号命令给节点B，规定节点B的序号为2，同时通知节点B开始广播路由命令。

这样直到所有的节点都完成了逻辑序号的标定，这时各节点处于时间的初始同步，随时可以接收命令，为下一步时间基准同步作好准备。

上述过程2)时间基准同步发送的方法是：时间基准由汇聚节点周期性地发出，保证所有的节点以这个时间基准为参考，进行工作和休眠定时，如图3所示。一个周期包括命令下行、数据上行、休眠三个阶段。由于命令下行的数据格式简单且长度较短，节点之间的时隙配合按照图1的时隙控制，这个下行时隙长度必须与命令长度相配。每个节点当接收到下行命令时就启动定时器，定时长度等于时间基准的一个重复周期。

上述过程3)快速分簇的方法是：在汇聚节点发出下行命令的过程中分簇就已经开始，如图4所示。簇头和簇的大小可由下行命令中的参数设定。由汇聚节点开始沿下行顺序进行分簇，下行命令一边传送，分簇一边进行，命令传到最后一个节点时，分簇也结束。这种由汇聚节点开始且可由命令控制的分簇方法，易于时间同步而且快速，当命令传到后面一定距离后，前面的簇就可以同时进行数据融合和数据上传，这在后面图6的时序中可以清楚地看到。

上述过程4)数据融合的方法是：为减小总的控制信息的开销，不对每个节点的数据进行单独转发，而是利用数据融合技术将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包，从而大幅度降低转发的数据包数目，降低数据控制总开销，节省电能。

这个融合过程是分簇进行的，如图4。数据在上行过程中自动完成数据融合，其总的长度是固定的，这个长度可以由命令下行时设定。

不管是单个节点的数据包还是融合后较长的数据包，都符合下面的格式：数据包的格式：

前导码	同步字	数据长  度	目的地  址	源地址	包类型	有效数  据	校验字
								2Bytes	4Bytes	1Bytes	2Bytes	2Bytes	1Bytes	N	2Bytes

数据包融合前后的数据格式如下：

数据融合前：

数据融合后：

这里的“控制信息”包含了数据包格式中定义的前导码、同步字、数据长度、目的地址、源地址、包类型；“数据”包含了数据包格式中定义的有效数据和校验字。

上述过程5)数据上行的具体过程如下：数据上行可以分为二个过程。

第一过程是融合前的簇内传送，在一个簇内，融合过程就是数据上行的过程，在这个过程中，数据包长逐点增加，汇聚到簇头，见图4。

第二过程是融合后的数据包传送，是以融合后的长包为单位向汇聚节点传送，在这个过程中，数据包长不变化，见图4。

在数据上行过程中，节点间的时隙配合是按照图1的时隙控制进行，这个上行时隙的基本长度是以融合后的包长设计，这样可以简化上行过程的时隙控制，在簇内传输过程有充足的时间裕量，时间同步更加稳健。

数据上行并不是在下行命令结束时才开始，当下行命令传到后面一定距离后，前面的簇就可以同时进行数据融合和数据上传。如图6中，包1数据在下行命令传到第二簇的末节点8时开始上传。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明对信息的上行或下行采用了链式时间同步的时隙控制和数据融合，使数据传输既省电又快速。

附图说明

图1时隙控制过程示意图

图2路由自动建立过程示意图

图3是路由自动建立过程示意图

图4是时基同步发送过程示意图

图5是快速分簇过程示意图

图6是数据融合过程示意图

具体实施方式

本发明的一个优选实例结合附图详述如下：参见图1，本链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，对信息的上行或下行采用链式时间同步的时隙控制和数据融合方法，实行如下过程：路由自动建立、时间基准同步发送、快速分簇、数据融合、数据上行。

路由自动建立是将汇聚节点设定为序号0，从0号节点开始依此经过路由发起和呼叫应答，将网内所有节点进行逻辑编号；时间基准由汇聚节点周期性地发出，保证所有的节点以这个时间基准为参考，进行工作和休眠定时；快速分簇由汇聚节点开始且可由命令控制簇的大小和簇头，这种分簇方法易于时间同步而且速度快；数据融合将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包，从而大幅度降低转发的数据包数目，降低数据控制总开销，节省电能；数据上行过程是最复杂的过程，它包含了数据簇内传输，整个簇包的上行传输，传输的每个环节都要按照严格的时隙控制。

参见图2，上述链式时间同步的时隙控制是：无论是信息的上行或下行，都按照这个模式进行：   1)接收时隙与发送时隙之间进行交错排列：节点n的发送“TX”时隙与节点n-1的接收“RX”时隙是对齐的，因此多个节点在时序上形成一条环环相扣的时隙链，因此取名为“链式时间同步”；

2)接收和发送都留有双倍的时隙：为了避免传输中的错误和时间上的抖动，在接收和发送都留有双倍的时隙。参见图3，上述路由自动建立的方法是：

定义汇聚节点序号为0，按顺序编号为0、A、B、C……，节点“A”离汇聚节点“0”最近，具体路由建立过程如下：

(1)序号等于0的汇聚节点广播路由命令，广播的发射功率是可控的，控制在大约二跳范围，路由命令被距离最近的节点A和B接收，C节点由于距离远无法正确接收；

(2)节点A和B分别向汇聚节点发送应答帧，应答帧包含接收到的场强信息RSSI；为避免冲突，发送应答帧时，根据RSSI值的大小不同其退避延时值也不同；

(3)汇聚节点分别收到节点A和B的应答帧，比较二个RSSI值的大小，判定RSSI值大的序号为N+1；由于节点A靠得更近，其RSSI值较大，所以节点A的序号应为1；汇聚节点发送编号命令给节点A，规定节点A的序号为1，同时通知节点A开始广播路由命令；

(4)序号N等于1的节点A广播路由命令，路由命令被距离最近的节点B和C接收，同时也被汇聚节点接收；

(5)节点B和C分别向节点A发送应答帧，应答帧包含接收到的场强信息RSSI；汇聚节点接收到节点A的广播路由命令后，知道本节点的任务已完成，不比再向A节点发送应答命令；

(6)重复步骤(3)，节点A发送编号命令给节点B，规定节点B的序号为2，同时通知节点B开始广播路由命令；

这样直到所有的节点都完成了逻辑序号的标定，这时各节点处于时间的初始同步，随时可以接收命令，为下一步时间基准同步作好准备。

参见图4，上述的时间基准同步发送的方法是：时间基准由汇聚节点周期性地发出，保证所有的节点以这个时间基准为参考，进行工作和休眠定时：一个周期包括命令下行、数据上行、休眠三个阶段；由于命令下行的数据格式简单且长度较短，节点之间的时隙配合按照所述的链式时间同步的时隙控制，这个下行时隙长度必须与命令长度相配；每个节点当接收到下行命令时就启动定时器，定时长度等于时间基准的一个重复周期。

参见图5，上述的快速分簇的方法是：在汇聚节点发出下行命令的过程中分簇就已经开始，簇头和簇的大小可由下行命令中的参数设定；由汇聚节点开始沿下行顺序进行分簇，下行命令一边传送，分簇一边进行，命令传到最后一个节点时，分簇也结束；这种由汇聚节点开始且可由命令控制的分簇方法，易于时间同步而且快速，当命令传到后面一定距离后，前面的簇就可以同时进行数据融合和数据上传。

上述的数据融合的方法是：将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包，从而大幅度降低转发的数据包数目，降低数据控制总开销，节省电能；

这个融合过程是分簇进行的，数据在上行过程中自动完成数据融合，其总的长度是固定的，这个长度由命令下行时设定；

数据包的格式：

前导码	同步字	数据长  度	目的地  址	源地址	包类型	有效数  据	校验字
								2Bytes	4Bytes	1Bytes	2Bytes	2Bytes	1Bytes	N	2Bytes

数据包融合前后的数据格式如下：

数据融合前：

数据融合后：

这里的“控制信息”包含了数据包格式中定义的前导码、同步字、数据长度、目的地址、源地址、包类型；“数据”包含了数据包格式中定义的有效数据和校验字。

参见图6，上述的数据上行的具体过程是：数据上行可以分为二个过程：

第一过程是融合前的簇内传送，在一个簇内，融合过程就是数据上行的过程，在这个过程中，数据包长逐点增加，汇聚到簇头；

第二过程是融合后的数据包传送，是以融合后的长包为单位向汇聚节点传送，在这个过程中，数据包长不变化；

在数据上行过程中，节点间的时隙配合是按所述链式时间同步的时隙控制进行的，这个上行时隙的基本长度是以融合后的包长设计；当下行命令传到后面一定距离后，前面的簇就可以同时进行数据融合和数据上传。

Claims (7)

1.一种链式多跳无线传感器网络的快速分簇数据传输方法，具体特征在于对信息的上行或下行采用链式时间同步的时隙控制和数据融合方法，实行如下过程：

1)路由自动建立：将汇聚节点设定其为序号0，从0号节点开始依此经过路由发起和呼叫应答，将网内所有节点进行逻辑编号；

2)时间基准同步发送：时间基准由汇聚节点周期性地发出，保证所有的节点以这个时间基准为参考，进行工作和休眠定时；

3)快速分簇：由汇聚节点开始，由命令控制簇头和簇的大小，这种分簇方法易于时间同步而且速度快；

4)数据融合：将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包；

5)数据上行：包含数据簇内传输，整个簇包的上行传输，传输的每个环节都要按照所述链式同步的时隙控制。

2.根据权利要求1所述的链式多跳传感器网络的快速分簇数据传输方法，其特征在于所述链式时间同步的时隙控制是：

无论是信息的上行或下行，都按照这个模式进行：

1)接收时隙与发送时隙之间进行交错排列：

节点n的发送“TX”时隙与节点n-1的接收“RX”时隙是对齐的，因此多个节点在时序上形成一条环环相扣的时隙链，因此取名为“链式时间同步”；

2)接收和发送都留有双倍的时隙：

为了避免传输中的错误和时间上的抖动，在接收和发送都留有双倍的时隙。

3.根据权利要求1所述的链式多跳传感器网络的快速分簇数据传输方法，其特征在于所述过程1)路由自动建立的方法是：

定义汇聚节点序号为0，按顺序编号为0、A、B、C……，节点“A”离汇聚节点“0”最近，具体路由建立过程如下：

(1)序号等于0的汇聚节点广播路由命令，广播的发射功率是可控的，控制在大约二跳范围，路由命令被距离最近的节点A和B接收，C节点由于距离远无法正确接收；

(2)节点A和B分别向汇聚节点发送应答帧，应答帧包含接收到的场强信息RSSI；为避免冲突，发送应答帧时，根据RSSI值的大小不同其退避延时值也不同；

(3)汇聚节点分别收到节点A和B的应答帧，比较二个RSSI值的大小，判定RSSI值大的序号为N+1；由于节点A靠得更近，其RSSI值较大，所以节点A的序号应为1；汇聚节点发送编号命令给节点A，规定节点A的序号为1，同时通知节点A开始广播路由命令；

(4)序号N等于1的节点A广播路由命令，路由命令被距离最近的节点B和C接收，同时也被汇聚节点接收；

(5)节点B和C分别向节点A发送应答帧，应答帧包含接收到的场强信息RSSI；汇聚节点接收到节点A的广播路由命令后，知道本节点的任务已完成，不比再向A节点发送应答命令；

(6)重复步骤(3)，节点A发送编号命令给节点B，规定节点B的序号为2，同时通知节点B开始广播路由命令；

这样直到所有的节点都完成了逻辑序号的标定，这时各节点处于时间的初始同步，随时可以接收命令，为下一步时间基准同步作好准备。

4.根据权利要求1所述的链式多跳传感器网络的快速分簇数据传输方法，其特征在于所述过程2)时间基准同步的方法是：时间基准由汇聚节点周期性地发出，保证所有的节点以这个时间基准为参考，进行工作和休眠定时：一个周期包括命令下行、数据上行、休眠三个阶段；由于命令下行的数据格式简单且长度较短，节点之间的时隙配合按照所述的链式时间同步的时隙控制，这个下行时隙长度必须与命令长度相配；每个节点当接收到下行命令时就启动定时器，定时长度等于时间基准的一个重复周期。

5.根据权利要求1所述的链式多跳传感器网络的快速分簇数据传输方法，其特征在于所述过程3)快速分簇的方法是：在汇聚节点发出下行命令的过程中分簇就已经开始，簇头和簇的大小可由下行命令中的参数设定；由汇聚节点开始沿下行顺序进行分簇，下行命令一边传送，分簇一边进行，命令传到最后一个节点时，分簇也结束；这种由汇聚节点开始且可由命令控制的分簇方法，易于时间同步而且快速，当命令传到后面一定距离后，前面的簇就可以同时进行数据融合和数据上传。

6.根据权利要求1所述的链式多跳传感器网络的快速分簇数据传输方法，其特征在于所述过程4)数据融合的方法是：将多个较短的数据包融合为单个较长的数据包，从而大幅度降低转发的数据包数目，降低数据控制总开销，节省电能；

这个融合过程是分簇进行的，数据在上行过程中自动完成数据融合，其总的长度是固定的，这个长度由命令下行时设定；

数据包的格式：

  前导码   同步字   数据长度   目的地址   源地址   包类型   有效数据   校验字   2Bytes   4Bytes   1Bytes   2Bytes   2Bytes   1Bytes   N   2Bytes

数据包融合前后的数据格式如下：

这里的“控制信息”包含了数据包格式中定义的前导码、同步字、数据长度、目的地址、源地址、包类型；“数据”包含了数据包格式中定义的有效数据和校验字。

7.根据权利要求1所述的链式多跳传感器网络的快速分簇数据传输方法，其特征在于所述过程5)数据上行的方法是：

数据上行可以分为二个过程：

第一过程是融合前的簇内传送，在一个簇内，融合过程就是数据上行的过程，在这个过程中，数据包长逐点增加，汇聚到簇头；

第二过程是融合后的数据包传送，是以融合后的长包为单位向汇聚节点传送，在这个过程中，数据包长不变化；

在数据上行过程中，节点间的时隙配合是按所述链式时间同步的时隙控制进行的，这个上行时隙的基本长度是以融合后的包长设计；当下行命令传到后面一定距离后，前面的簇就可以同时进行数据融合和数据上传。

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