CN101977414A

CN101977414A - 一种无线传感器网络的同传时隙分配方法

Info

Publication number: CN101977414A
Application number: CN2010105404944A
Authority: CN
Inventors: 聂菊根; 李德识; 韩彦琰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-11
Filing date: 2010-11-11
Publication date: 2011-02-16

Abstract

一种无线传感器网络的同传时隙分配方法，其用于功率受限、信道时延大、节点发送率低的大尺度无线传感器网络，它是在网络拓扑稳定的情况下，按照生成的路由，根据网络不产生冲突的节点同时占用时隙的原理，实现一种同传的时隙分配方法。本发明充分利用了有限的无线信道，有效的减少了整个网络的传输延时，提高网络的吞吐量。

Description

一种无线传感器网络的同传时隙分配方法

所属技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的同传时隙分配方法，尤其是对大尺度、实时数据传输的传感器网络的同传时隙分配方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)由几十个到上百个节点组成的、采用无线通信方式智能节点构成。它的特点是自组织、拓扑自适应，采用无线通信。近年来，无线传感器网络已经广泛用于科学研究、社会服务、军事应用。由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，常用于部署在环境复杂，甚至人员不能到达的区域，被广泛用于跟踪、环境监测。因此，数据传输的实时性是无线传感器网络应用的一个重要技术需求。但由于无线传感器网络的高传播延时和较低的数据发送率，硬件设备和协议成为具有挑战性的研究课题。为实现即时有效的数据传输，通过研究MAC协议减少时延成为一个热点。

介质访问控制协议(Medium Access Control，MAC)处于无线传感器网络通信协议的底层部分，主要是解决传感器节点间公平有效的共享通信媒体，此外，它在WSN网络性能中起到一个重要作用，并且是实现有效通信的一个关键网络协议。针对WSN网络节点的电源能量有限、可用带宽低以及计算和存储能力低的特性，MAC协议必须平衡保存能量需求和减少传播时延，它将改变网络的生存时间。减少能耗的一个方法是采用时分多址接入(Time Division Multiple Address，TDMA)方式避免冲突检测，每个节点轮流占用时隙，其它时隙时等待。

TDMA的时隙分配方法通常有最短路径和累积传输两种，最短路径时隙分配方法是指每个节点选择到汇聚节点最短路径作为其路由，独自占用一个时隙。网络总延时为所有节点时隙的累加；累积传输时隙分配方法是指最后一跳节点先分配时隙，选择到向前路最短路径作为其路由，遂跳向前传播数据的方法。与最短路径相比，虽然各个节点也是独自占用一个时隙，但减少了前几跳在链路上的传播时延，因此总的网络时延较小。

在无线传感器网络中，当一个节点发送数据时，与其隔三跳的节点及同跳内相隔较远的节点同时发送数据将不会对其产生影响。因此，利用此思路，我们发明一种同传时隙分配方法，与传统的最短路径和累积传输相比，可以进一步的减小网络信道时延，提高网络的吞吐量。发明内容

为了解决上述问题，本发明的利用所有不冲突的节点共享一个时隙的原理，提供一种有效的时隙分配方法，从而实现充分利用有限的无线信道，共享时隙的分配，从而有效的减少整个网络的传输延时，提高网络的吞吐量。

本发明为一种大尺度无线传感器网络中的时隙分配方法，根据网络的拓扑关系，利用网络中信道不干扰的节点同占时隙的原理，实现同传时隙分配方法，该方法通过以下步骤实现：

步骤一、由汇聚节点发起初始化广播，得到网络拓朴结构及路由生成树；

步骤二、找到最后一跳节点中连接度最大的节点作为占用起始时隙节点，以该点及其连接顶点的领接点集即通信范围内的所有节点作为已占时隙节点集，时隙起值为0，将其发送时延和传播的总延时值作为该时隙终止值，其负载即需发送的数据转移到其所连顶点；

步骤三、依次判断最后一跳中各节点及其所连顶点是否属于已占时隙节点集，若不属于，则比较该节发送时延和传播时延的总延时值与时隙截止值，取两者最大值作为时隙截止值，其负载转移到其所连顶点，并将该节点及其所接连顶点的邻接点集加入已占时隙节点集；

步骤四、将时隙截止值作为新的时隙起始值，找到最后一跳没有分配时隙节点中连接度最大的节点，以这个节点的发送时延和传播时延作为时隙终止值，其负载转移到其所连顶点；

步骤五、重复步骤三至步骤四，直到最后一跳节点都分配时隙，并记录该跳最终时延截止值；

步骤六、找到向前三跳节点中负载不为0的连接度最大节点作为占用起始节点，时隙起始值为0，与最后一跳节点具有相同的起始值，将其发送时延和传播的总延时值作为该时隙终止值，其负载转移到其所连顶点；

步骤七、重步骤三至步骤六，直到跳数小于3，比较该轮同传中各跳的最大时隙截止值作为下一轮时隙起始值。

步骤八、找到倒数第二跳负载不为0的节点及其所连顶点；找到这跳节点中连接度最大的节点，以上轮时隙截止值作为起始时隙值，将其发送时延和传播的总延时值作为该时隙终止值，其负载转移到其所连顶点；

步骤九、重复步骤三至步骤七，直到汇聚节点。

本发明的时隙分配方法，与现有时隙分配方法相比具有以下优点：

1)路由生成树中，所有不干扰的节点共享时隙，有效的减少了信道冲突检测引起的能耗和时延，有效提高了网络寿命周期，减少了网络的传输延时，提高网络的吞吐量。

2)路由生成树中，无需转发数据的其余节点只占用发送其产生数据的时隙，其余时隙休眠，有效的空出信道给其他需转发数据的节点，提高了信道的利用率。

3)经过一定时间后，需转发数据的中继节点能耗较快，可重新以剩余能耗最大为优化目标，重新生成路由生树。有效利用前次路由中无需转发数据节点的剩余能量，延长了网络寿命周期。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图1是本发明的分配方法的流程图：

图2是本发明的同传时隙分配说明示意图

图3是本发明的时隙分配时序示意图

图4a是针对一个仿真场景示意图

图4b是网络路由生成树示意图

图4c是比较不同时隙分配的网络时延比较图。

图4d是针对仿真场景得到的时隙分配图

具体实施方式

以下为更详细地说明本发明，根据附图说明实施本发明的最佳形态。

本发明提出的同传时隙分配方法基于大尺度无线传感器网络，实现无干扰节点共享无线信道，共占一个时隙的分配方法。下面通过一个实施例对本发明进行详细描述。

在一个600*600范围内随机部署100个节点为例，如图4a所示。在无线传感器网络初始阶段，任何节点不知道网络分布的拓扑，也不知道周围的节点情况.为得到网络拓朴信息及路由信息，我们可进行如下步骤：

1、其汇聚节点发起同步广播，在其通信范围内的第一跳节点收到广播包，如图所示节点23、39、41、84等。在发送广播包完毕后节点1就进入等待接收模式，等待其邻居节点的返回广播包，以确认各节点时隙。

2、在节点1通信范围内的节点收到广播包后，在等待时间内等待接收可能发来的广播包。在等待时间结束后，节点存储节点1的地址作为其向前跳的目的地址。完成后随机等待一个时间后转发自己的广播包。其中是为克服类似于节点90这种离节点1距离相近的节点，在继续广播时造成节点1接收冲突。时间是为了保证节点能收到所有可能发送包的邻居的广播包。广播包的内容包括该节点地址及其选择前跳的目的地址。

3、节点1收到了邻居节点的返回广播包并对广播包的内容做相应的处理，包括提起邻居节点地址及其路由信息。此时第二跳节点亦收到广播包，第二跳节点存储收到的节点地址作为其前一跳的目的地址，当第二跳节点收到多个第一跳节点的广播包时，选择距离第一跳最短路径节点作为其前一跳的目的地址。

4、重复步骤2-3，直至遍历网络中所有传感器节点。

5、由最后一跳节点开始，依次向前一跳节点发送本节点及其所连路由树中所有节点的路由信息和邻居节点地址集，直至Sink节点，至此，Sink节点得到整个网络的拓扑信息及路由表。

6、按照发明内容所述的方法，Sink节点计算出每个节点的时隙分配结果，并将节点的时隙分配信息经生成的路由树依次转发到各个传感器节点。

7、各传感器节点接收到时隙分配结果时，按照分配的时隙，依次发送数据，发包本节点产生的数据及需转发的其他节点产生的数据。

图4b为得到的路由生成树示意图，图4c所示为采用不同时隙分配方法得到的网络延时比较图。由图可知，采用同传时隙分配方法，网络传播时延最小。图4d所示为部分节点在一个数据采集周期内分配时隙结果。结合图4b可见，不干扰的节点占用了相同的时隙。

需要说明的是，实施例仅仅是对本发明的解释说明，并非以此为限，任何符合本发明技术方案实质原理的等效变换均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种针对大尺度、实时数据传输的传感器网络中同传时隙分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤九、重复步骤三至步骤七，直到汇聚节点。

2.根据权利要求1的同传时隙分配方法，判断节点是否产生冲突的步骤包括：

在路由生成树中，以占用起始时隙节点为端点，找到路由生成树中相连的节点作为顶点，将这两点的邻接节点集作为会产生冲突的节点集，依次判断不属于节点集的余下各点，将该点及其所连顶点的邻接节点集加入会产生冲突的节点集，直至遍历传感网络中所有节点。

3.根据权利要求1的中同传时隙分配方法，由最后一跳节点及其向前三跳的节点先占用时隙，该跳节点完成数据发送后，倒数第二跳节点及其向前三跳节点再占用时隙，直至Sink节点。

4.根据权利要求1的同传时隙分配方法，当节点负载为0时，表示该节点无需发送数据，为了充分利用信道，在判断冲突节点集时，可以不考虑这些节点。