CN102083163B - 无线传感器网络随机休眠调度路由方法 - Google Patents

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无线传感器网络的随机休眠调度路由方法，属于无线网络协议。具体方法是各个节点维护一个伪随机数序列。该数列是以各节点随机产生的种子由同一个伪随机数生成算法生成的。继而，节点以该随机数序列确定出自己在该次网络运行周期里的随机休眠时序安排。通过在网络初始化时广播自己的种子，节点与其一跳邻居可以通过计算获知彼此的伪随机数列，从而得知彼此的休眠与苏醒时间。当节点需要发送数据时，通过计算自己邻居的苏醒时间，将数据包发送给第一个醒来的节点。该机制通过一种随机休眠调度的机制使节点轮替工作，以达到降低和均衡全网能量消耗的目的。

Description

无线传感器网络随机休眠调度路由方法
技术领域
本发明涉及无线网络通信技术，特别是一种无线传感器网络的节点休眠路由方法。
背景技术
近年来，无线传感器网络领域的相关技术得到了学术界和工业界的广泛关注，并取得了迅猛的发展。
在这一领域的诸多研究方向中，尽可能的延长无线传感器网络的工作寿命成为无线传感器网络设计中的关键问题之一。由于受到成本和体积等因素的限制，无线传感器网络节点的处理能力、无线带宽和电池容量都十分有限。同时，节点的能量在大多数的情况下是无法得到补充的。为了提高无线传感器网络的寿命，网络中节点的能量节约与均衡问题已成为研究的重点问题。
无线传感器网络以监测区域和感知数据为目的，这类网络由大量的传感器节点和少量汇聚（sink）节点组成，传感器节点负责数据的采集和传输，sink节点负责汇总网络中传感器节点发来的数据，同时也是网络的控制节点，对网络中的传感器节点进行管理。通常，大量的传感器节点会被随机布撒在监测区域的内部和周围，为了避免因个别节点失效而导致网络无法正常工作，网络中会存在一些冗余节点，以保证网络的健壮性。同时，冗余节点的存在，也让节点轮替的工作方式变得可行。
这里，所述的节点的轮替工作是指网络节点间周期性轮替地休眠和工作，以降低、均衡整个网络的能耗。网络中必须存在一种合理的休眠调度机制使节点间的轮替能够在不影响网络正常运行的前提下更加高效地利用能量。如何合理地确定在某次数据传输任务中应休眠的节点与应工作的节点，是设计高效的节点休眠调度机制的关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对无线传感器网络，提出的一种以均衡和降低能耗为目的的随机休眠调度路由方法。
为解决上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：各个节点维护一个伪随机数序列，该数列是以各节点随机产生的种子由同一个伪随机数生成算法生成的。继而，节点以该随机数序列确定出自己在该次网络运行周期里的随机休眠时序安排。通过在网络初始化时广播自己的种子，节点与其一跳邻居可以通过计算获知彼此的伪随机数列，从而得知彼此的休眠与苏醒时间。当节点需要发送数据时，通过计算自己邻居的苏醒时间，将数据包发送给第一个醒来的节点。
本发明的有益效果是通过这种机制，可以达到降低和均衡全网能耗的目的。
附图说明
图1 是时隙长度示意图。
图2 是随机休眠时序生成实例图。
具体实施方式
下面结合附图及实施实例对本发明作进一步的说明。
本发明是一种以均衡和降低能耗为目的的无线传感器网络随机休眠调度路由方法。以下将详细介绍本发明的主要组成部分：
伪随机数序列的产生与维护：以数学方法所产生随机数序列，是根据确定的算法，由所赋予的种子计算出来的。因而其生成的数列实际上并不满足完全的随机性。然而，设计较好的随机数算法所生成的数列是可以通过一定程度的随机性检验的。这种数列被称之为伪随机数序列。在种子相同的前提下，同一随机数生成算法可以重复性的生成相同的伪随机数序列。
在本发明中，为减少计算开销，伪随机数生成算法的设计遵循以下原则：
（1）    所生成的伪随机数序列中，可有任意个随机数，但所有随机数的和与它们的个数之和须为一固定值。
（2）    所生成的伪随机数序列中，所有随机数均在一个范围内取值，且须为整数。
对于这两个原则的具体讨论将放在本文之后部分。
这样，在伪随机数生成算法确定之后。各节点在每一轮网络运行初始化时，产生一个随机数种子，并以生成算法生成一个自己使用的伪随机数序列。之后，节点将自己的种子在一跳范围内广播。在每个节点获知其一跳邻居节点的种子之后，可以根据种子和共同的生成算法计算出其邻居所使用的伪随机数序列。从而可以获知其邻居节点的休眠时序安排。
节点的随机休眠时序的产生：节点的随机休眠时序，即：节点在各个网络运行周期内的休眠次数，每次休眠的起止时间等休眠时序安排。由于这一时序的产生是由节点自身所生成的伪随机数序列决定的故称随机休眠时序。具体内容如下：
（1）全网的时间同步是实现该部分的前提条件。可以通过在网络中采用RBS (Reference Broadcast Synchronization)、TINY/MINI-SYNC和TPSN(Timing-sync Protocol for Sensor Networks)等同步机制实现节点间的时间同步。
（2）将网络的运行划分为周期性的。当全网计时到一个预设地最大值时，会将时间归零，视为一个新的网络运行周期的开始。此时，节点将重新进行随机数种子生成、伪随机数列生成及种子广播等网络初始化行为。之后，将每个周期的时长划分为等长的时隙。时隙长度设置为两个邻居节点从一个节点开始发送到另一节点接收完成一个数据包包头的时间长度，如图1所示。这样才能够保证节点在苏醒的单次时隙内可以确定是否有发给自己的数据包。这里，两节点距离及数据包头大小这两项会对时隙长度产生影响的数值，可依据实现协议的网络实际状况进行设置。
（3）节点以各自的伪随机数序列为依据，决定自己的休眠时序。具体而言，设某节点生成了一个含m个随机数的伪随机数序列{n1,n2,n3,n4...nm}，则节点在完成初始化工作并广播了自身的种子后，会先休眠n1个时隙继而保持苏醒一个时隙，后再休眠n2个时隙继而保持苏醒一个时隙，后又休眠n3个时隙长度，以此类推，如图2所示，完全依据伪随机数序列来决定休眠时序。
可以看出，前所提到的对伪随机数序列的生成原则中：
原则（1）“所生成的伪随机数序列中，可有任意个随机数，但所有随机数的和与它们的个数之和须为一固定值。”，是为了使由伪随机数序列所生成的休眠/苏醒时间（时隙个数）总和等于该次网络运行周期所划分出的时隙总数。公式化表示为                                                
Figure 2011100472757100002DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 997677DEST_PATH_IMAGE002
为当次网络运行周期所划分出的时隙总数。
原则（2）中“所生成的伪随机数序列中，所有随机数均在一个范围内取值，且须为整数”，是为了保证节点休眠时间是合理、适度的（在一定时间范围内），且总是整数倍的时隙长度，以节省计算开销。
节点间的随机调度：当节点有数据包要发送时，它会根据自己掌握的所有一跳邻居的随机休眠时序，选择将数据包发送给第一个苏醒的邻居。具体而言，当节点有数据发送任务时，由于时隙长度是已知的，则节点可以由当前时间除以时隙长度计算出当前正处于第几个时隙，从而，可以根据其他节点的随机数序列得知这些节点此刻是否正在休眠，以及之后的苏醒顺序。在得知第一个苏醒的邻居的ID和苏醒时间后，发送节点会等待到该时刻，之后发送数据包（若有两个节点在同一时间醒来，则随机选择其中一个节点为目的节点）。每个数据包均在头部携带其目的节点ID。每一次数据发送过程中的最后一个数据包携带一个特殊位提示数据发送完成。
醒来的节点在侦听到有数据包发送给自己，会进入接收状态，成为数据的接收节点。中途醒来的节点侦听到有数据包传输但并不是发给自己时，将不受到影响，继续执行自己的随机休眠安排。接收节点在持续接收完数据包之后，再计算出当前所处时隙，在与自己的随机休眠时序对比后，得知现在应该处于的状态，并进入到该状态，重新回复到随机休眠时序下。
举例而言：节点A在一跳范围内有邻居B和C。A、B、C三个节点以各自的种子所生成的伪随机数序列分别为{x1,x2,x3,x4...xm}、{y1,y2,y3,y4…yn}、{z1,z2,z3,z4…zp}，各自的休眠时序安排因而确定。以Lslot代表单个时隙长度，Lcycle代表整个周期时长，Tnow代表当前时间。则有：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
   （1）
即，各节点依据随机数产生得休眠时间长度与苏醒时间长度之和等于整个周期的时长。
网络初始化后，A获得了B与C的种子，计算出二者伪随机数列从而得知它们的休眠时序。当有数据发送需要时，A首先获取当前时间Tnow，之后由公式（2）计算出目前所处时隙的时隙号Numslot：
                               
Figure 478599DEST_PATH_IMAGE004
                                            （2）
继而由以下算法计算出B和C当前的状态：
算法的返回值代表该节点在多少个时隙后会苏醒。类似的算法可以用于使节点从数据传输状态中回复到正常的随机休眠时序中。

Claims (4)

1.无线传感器网络的随机休眠调度路由方法，其特征在于：各个节点维护一个伪随机数序列，该序列是以各节点随机产生的种子由同一个伪随机数生成算法生成的；继而，节点以该伪随机数序列确定出自己在该次网络运行周期里的随机休眠时序安排，通过在网络初始化时广播自己的种子，节点与其一跳邻居可以通过计算获知彼此的伪随机数序列，从而得知彼此的休眠与苏醒时间；当节点需要发送数据时，通过计算自己邻居的苏醒时间，将数据包发送给第一个醒来的节点；
其中，伪随机数生成算法的设计遵循以下原则：（1）所生成的伪随机数序列中，可有任意个随机数，但所有随机数的和与它们的个数之和须为一固定值，使由伪随机数序列所生成的休眠和苏醒时间时隙个数总和等于该次网络运行周期所划分出的时隙总数，公式化表示为 
Figure 757530DEST_PATH_IMAGE002
，其中ni为随机数序列中第i个随机数的值，其表示节点第i次休眠的时隙个数，m表示随机数的个数，
Figure 537267DEST_PATH_IMAGE004
为当次网络运行周期所划分出的时隙总数；（2）所生成的伪随机数序列中，所有随机数均在一个范围内取值，且须为整数。
2.根据权利要求1 所述的无线传感器网络的随机休眠调度路由方法，其特征在于：将网络的运行划分为周期性的，将每个周期的时长划分为等长的时隙，时隙长度设置为两个邻居节点从一个节点开始发送到另一节点接收完成一个数据包包头的时间长度。
3.根据权利要求1 所述的无线传感器网络的随机休眠调度路由方法，其特征在于：节点以各自的伪随机数序列为依据，决定自己的休眠时序，具体而言，设某节点生成了一个含m个随机数的伪随机数序列{n1,n2,n3,n4...nm}，则节点在完成初始化工作并广播了自身的种子后，会先休眠n1个时隙继而保持苏醒一个时隙，后再休眠n2个时隙继而保持苏醒一个时隙，后又休眠n3个时隙长度，以此类推，完全依据伪随机数序列来决定休眠时序。
4.根据权利要求1 所述的无线传感器网络的随机休眠调度路由方法，其特征在于：当节点有数据包要发送时，它会根据自己掌握的所有一跳邻居的随机休眠时序，选择将数据包发送给第一个苏醒的邻居。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012119365A1 (zh) * 2011-07-28 2012-09-13 华为技术有限公司 发送数据的方法和节点
US20130235166A1 (en) * 2012-03-07 2013-09-12 Cambridge Silicon Radio Limited Synchronisation method
CN103987094B (zh) * 2014-05-27 2018-05-01 西安电子科技大学 一种基于rs算法的无线传感网络算法
US10278117B2 (en) * 2015-04-29 2019-04-30 Blackberry Limited Randomized beacon transmissions
CN105072657B (zh) * 2015-07-23 2018-11-27 西北大学 基于数据命名为中心的无线传感器网络异步休眠调度方法
JP6926911B2 (ja) * 2017-09-29 2021-08-25 株式会社ジェイテクト 設備管理システム

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101925132A (zh) * 2010-09-21 2010-12-22 陈冬岩 一种无线传感网络的新型多信道介质访问控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7701858B2 (en) * 2003-07-17 2010-04-20 Sensicast Systems Method and apparatus for wireless communication in a mesh network

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101925132A (zh) * 2010-09-21 2010-12-22 陈冬岩 一种无线传感网络的新型多信道介质访问控制方法

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