CN101815323B - 无线传感器网络簇内自适应通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络簇内自适应通信方法，包括请求阶段、同步阶段和睡眠阶段。首先簇内普通节点根据当前缓冲区数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约包ITS给簇头节点，簇头节点收到ITS后回复预约确认包ATS给簇内普通节点以进行确认。在同步阶段簇头节点发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息。然后竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，而其它节点则进入睡眠以降低能耗。这种方法使得数据负荷大的节点能够有更大优先权发送数据，从而有效缓解节点数据包堆积问题，提高传输吞吐率并降低能耗。

Description

无线传感器网络簇内自适应通信方法

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内自适应通信方法，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具体应用场景中，很多情况下节点的数量比较大，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、网络可扩展性等方面性能，并能增强能耗管理并能较好融入拓扑控制方法。节点采用分簇的方式组成网络时，通常先将数据从簇内的普通节点传输到簇头节点，簇头节点缓存相应的数据并通过适当的方式传输到汇聚节点。

在簇内数据通信过程中，当监测到事件后簇内普通节点需要将相关信息汇报给簇头节点。由于簇内每个普通节点需要发送的数据量有差异，节点数据缓冲区中数据包数目多的节点更需要及时将数据发送给簇头节点，采用均匀的信道接入概率则无法使数据包数目多的节点能享有优先发送权。此外当数据包在普通节点的缓冲区中堆积时，节点需要快速将数据发送出去，避免长时间堆积引起网络性能下降。

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内自适应通信方法。

技术方案：本发明的无线传感器网络簇内自适应通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，具体包括以下步骤：

①簇内普通节点根据当前缓冲区中的数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约请求包ITS给簇头节点；簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点进行通信确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗；

②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息；

③竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠状态以降低能耗。

所述步骤①中计算本次竞争窗口大小的方法具体为：令汇报阶段的最大竞争窗口大小为W，节点本次竞争窗口大小为W_i，节点缓冲区中的数据包最大容量为C_max，节点当前缓冲区中数据包数目为Fx_i，则本次竞争窗口大小为W_i＝W(C_max-Fx_i)/C_max。

所述步骤①的预约请求包和预约确认包中均包含本次通信过程需要发送的数据包数目。簇内节点进入睡眠持续的时间为收到预约确认包到同步期的开始之间的时间。

所述步骤②的定期发送同步包的方法具体为：根据数据传输速度计算传输1bit数据需要的时间为T1，根据时钟漂移速率计算引起T1时间偏差时节点需要运行的时间Tc，则离上次同步包发送时间超过3Tc/4时簇头再次发送同步包。

所述步骤③的连续发送多个数据包的方法为：根据预约好的数据包发送数目，簇头节点在每个数据包后进行确认，即通信过程采用DATA1/ACK1/DATA2/ACK2…的方式进行。

有益效果：本发明中无线传感器网络簇内自适应通信方法，能够根据簇内普通节点当前数据缓冲区的数据包数目设置当前竞争窗口大小，当数据包数目比较大的时候采用较小的竞争窗口发送预约请求包，当数据包数目比较小的时候采用较大的竞争窗口发送预约请求包，使得数据发送优先级能够发映当前簇内普通节点的数据负荷程度，从而能够均衡网络数据流量，提高传输效率。此外采用一次预约发送多个数据包的形式，能够很好缓解数据包堆积问题，较大程度降低能耗和数据包传输的平均延迟。

附图说明

图1是簇内通信过程。

具体实施方式

无线传感器网络簇内自适应通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，通信包括以下步骤：

①簇内普通节点根据当前缓冲区数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送请求预约包ITS给簇头节点。簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点以进行确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗。

②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息。

③竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠以降低能耗。

优先地，步骤①中计算本次竞争窗口大小的方法具体为：令汇报阶段的最大竞争窗口大小为W，节点本次竞争窗口大小为W_i，节点缓冲区中的数据包最大容量为C_max，节点当前缓冲区中数据包数目为Fx_i，则本次竞争窗口大小为W_i＝W(C_max-Fx_i)/C_max。

优先地，步骤①的预约请求包和预约确认包中均包含本次通信过程需要发送的数据包数目。簇内节点进入睡眠持续的时间为收到预约确认包到同步期的开始之间的时间。

优选地，步骤②的定期发送同步包的方法具体为：根据数据传输速度计算传输1bit数据需要的时间为T1，根据时钟漂移速率计算引起T1时间偏差时节点需要运行的时间Tc，则离上次同步包发送时间超过3Tc/4时簇头再次发送同步包。

优选地，步骤③的连续发送多个数据包的方法为：根据预约好的数据包发送数目，簇头节点在接收到每个数据包后进行确认，即通信过程采用DATA1/ACK1/DATA2/ACK2…的方式进行。

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。

当簇内普通节点需要发送数据给簇头时候，首先根据当前缓冲区数据包数目计算本次竞争窗口大小。由于每个节点检测到事件后产生的数据包数目不相同，故簇内节点的当前缓冲区内的数据量也不同，为公平反映簇内节点的当前数据流量强度情况，在节点竞争信道时采用了非均匀的接入概率来进行信道竞争，使得数据量较大的节点有更大的优先竞争发送权。

假设簇内有N个节点，分别为X₀，X₁，X₂，...，X_N-1，而当前希望发送数据包的节点数目为M，令这些节点分别为X₀，X₁，X₂，，...，X_M-1，且M≤N，故此时当这M个节点想发送数据时通过竞争方式发送数据面临冲突的可能。为减小冲突，每个节点按照节点当前的数据流量选择一个合适的发送概率进行请求包发送，即高数据流量的节点采用大的竞争接入概率而低数据流量的节点则采用较小的数据发送概率。具体方法为检测节点当前的数据缓冲区中数据量，假设当前节点缓冲区中的数据量为Fx_i{0≤i≤M}，且FX₀＜FX₁＜FX₂...＜FX_M-1，则竞争发送数据包的概率为PX₀＞PX₁＞PX₂...＞PX_M-1。

根据这个原则，请求阶段的竞争窗口大小设置为固定值W，节点竞争信道和进行退避前首先要进行相关的概率计算。每次节点进行数据发送前要定义一个当前的临时窗口大小W_i，其值和当前节点数据缓冲区中包数目相关。另外设节点缓冲区中的数据包最大容量为C_max，则由于节点当前缓冲区中数据包数目为Fx_i，故当前临时窗口大小选择方法为：

$\frac{C_{\max }-{\mathrm{Fx}}_i}{C_{\max }}=\frac{W_i}{W}---\left(1\right)$

即节点临时竞争窗口大小选择和节点当前缓冲区中数据量成反比，使得当节点的数据缓冲区中数据包数目比较大时，节点有较大的优先权进行信道竞争发送。将(1)整理后得到

$W_i=\frac{W(C_{\max }-{\mathrm{Fx}}_i)}{C_{\max }}---\left(2\right)$

在汇报阶段节点测量当前缓冲区中的数据包数目，按照公式(2)计算当前的竞争窗口大小W_i，然后节点从[0，W_i]均匀随机选择一个值作为当前退避计数器的初始值，接着启动退避计时器并执行载波侦听，当计时器值减小到0时节点发送预约请求包给簇头节点，如果发送成功则簇头节点回复一个预约确认包给这个节点，此时这个节点允许在本周期的睡眠阶段发送数据包。如果节点在退避过程中检测到信道忙碌，则取消当前的退避定时器并在下一次的请求阶段重新竞争信道。如果两个节点选择了相同的退避定时器初始值，则可能由于节点同时发送预约请求包，在簇头节点处发生冲突而导致传输失败，则节点在下一次的请求期间重新尝试发送，当数据包的重传次数超过了预定的次数后则被丢弃，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗。

为避免长期运行后时钟漂移导致通信错误，节点需要定期发送同步包。假设数据包传输的速度为B(bit/s)，则传输1bit数据需要的时间为1/B，假设时钟漂移速率为θ，则导致1/B时间漂移需要运行的时间为1/(B×θ)，簇头记录上次同步的时间Ta，当前的时间T_b，如果T_b-Ta＞3/(4B×θ)，则发送同步包进行时间同步过程。

假设簇内节点NN2需要发送2个数据包给簇头节点，则在发送的预约请求包中包含一个字段，记录本次通信需要发送的数据包数目2，然后发送给簇头节点。如果簇头节点正确收到这个预约请求包，则回复一个预约确认包，其中也包含一个记录本次通信需要发送数据包数目的字段，如图1所示。在睡眠阶段的开始NN2发送DATA1给簇头节点，当簇头节点正确接收到DATA1后回复一个ACK1进行确认。由于本次需要发送2个数据包，故节点NN2继续发送第二个数据DATA2，当簇头再一次正确接收到数据包后回复一个ACK2进行确认，故通信方式是采用每包确认机制，以提高传输的可靠性。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络簇内自适应通信方法，其特征在于该通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，具体包括以下步骤：

①簇内普通节点根据当前缓冲区中的数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约请求包ITS给簇头节点；簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点进行通信确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗；

②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息；

③竞争成功的簇内普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠状态以降低能耗；

所述步骤①中计算本次竞争窗口大小的方法具体为：令汇报阶段的最大竞争窗口大小为W，节点本次竞争窗口大小为W_i，节点缓冲区中的数据包最大容量为C_max，节点当前缓冲区中数据包数目为Fx_i，则本次竞争窗口大小为W_i＝W(C_max-Fx_i)/C_max；

所述步骤②的定期发送同步包的方法具体为：根据数据传输速度计算传输1bit数据需要的时间为T1，根据时钟漂移速率计算引起T1时间偏差时节点需要运行的时间Tc，则离上次同步包发送时间超过3Tc/4时簇头再次发送同步包。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇内自适应通信方法，其特征在于所述步骤①的预约请求包和预约确认包中均包含本次通信过程需要发送的数据包数目；簇内节点进入睡眠持续的时间为收到预约确认包到同步期的开始之间的时间。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇内自适应通信方法，其特征在于所述步骤③的连续发送多个数据包的方法为：根据预约好的数据包发送数目，簇头节点在每个数据包后进行确认，即通信过程采用DATA1/ACK1/DATA2/ACK2…的方式进行。

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