CN102083183A - 一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法。传统的方法能耗普遍较高。本发明在新节点建立相对同步表阶段，新节点首先广播请求加入网络包，获取邻居节点的同步信息；然后估算时钟偏移，并对邻居节点的多组同步信息进行线性拟合，估算时钟漂移；最后将邻居节点的休眠周期和估算的时钟偏移、时钟漂移保存在相对同步表中。在节点数据包预测传输阶段，节点首先根据建立好的相对同步表实现与目的节点的相对同步，然后依据目的节点的休眠周期预测其下一次醒来时间并设定好传输定时器，最后当传输定时器触发时以短前导发送数据包。本发明节省节点数据包发送过程中的能量开销，使得发送节点的空闲时间减少，休眠时间增加。

Description

一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络节能技术领域，尤其涉及一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法。

背景技术

无线传感网络是由部署在监测区域内的大量小型传感器节点组成，是集数据采集、处理、融合、传递及通信功能于一体的分布式自组织网络。随着无线传感器网络标准的成熟，其相关技术的快速发展，以及传感器节点制作工艺的不断提高，无线传感器网络已经应用于越来越广泛的领域，不仅可以用于一般的环境监测、数据采集，如温室环境监控、生态区环境监控、动植物习性监测等，而且可以用于核电站温度控制、空间站电路监控、化学实验空气安全监测、矿井瓦斯浓度监测等稳定性、安全性要求极高的领域。由于网络所处环境多变恶劣，供能不方便，因此，在无线传感器网络广泛应用的同时，怎样节省节点能耗，从而延长网络的生存时间，一直是无线传感网络实际应用中的关键问题。由于节点的无线射频模块不但在传输和接收状态下消耗能量最多，而且在空闲状态下也因为消耗比较多的能量而使运行昂贵。因此，大多数现有的节能技术的主要研究方向是如何精确管理无线射频模块的开关，使无线射频模块尽可能处于休眠状态，从而节省能量。

目前，应用比较广的节能技术一般都是基于能量管理的休眠式节能方法，其中一个是使用同步休眠的能量管理方法，比如S-MAC，T-MAC，U-MAC等；而另外一个是使用异步休眠的能量管理方法，以异步低能耗侦听为代表。

同步休眠的能量管理方法的主要思想是：通过使节点周期性醒来和休眠来减少空闲状态时间，使无线射频模块低占空比运行，从而达到节点能的目的。这种节能方法要求相邻节点间同步或全网同步。通过在相邻节点或全网络范围内实现相同的休眠/醒来调度表，一方面允许节点周期性的进入休眠状态以节能，另一方面确保相邻节点或所有节点同步醒来进行数据包的传输。但是由于休眠/醒来调度表通常是预先设定的，因此在没有数据包需要传输时节点仍会醒来一段时间，这样就会影响节能效果。

异步休眠的能量管理方法的主要思想是：通过增加前导的长度把接收节点的成本转移到发送节点。在这种方法中，网络中的节点无需保持同步的休眠/醒来调度。在一个周期内，节点以极短的时间醒来侦听信道，若发现信道忙，则保持醒来状态以接收可能发给自己的数据包，否则立即进行休眠状态；当有数据包发送时，节点首先发送一个大于休眠周期的唤醒前导以确保唤醒休眠的目的节点，然后再发送数据包。与前一种方法不同的是：

1)  该方法不需要统一的调度，网络中各节点异步独立地进行周期性的休眠/醒来操作；

2)  在一个休眠/醒来周期内，节点保持醒来的时间由通信需求而定，在无通信需求时醒来时间非常的短，几乎可忽略。

这种方法的优点是实现了一定程度上的按需休眠与醒来，无数据包收发需求的节点的休眠效率很高，节能明显，而其不足是：发送方需要多发送一个长唤醒前导，因此要消耗更多的能量。

公开号为CN101282335，公开日为2008年10月8日的中国专利文献公开了一种低负载无线传感器网络MAC层监听休眠方法，包括节点建立同步调度表阶段以及采用EmMAC工作机制的节点正常工作阶段；节点在正常工作阶段中当唤醒定时器触发时开启射频进行信道检测，而发送节点若要发送数据，必须在EmMAC周期之前提前醒来；EmMAC工作机制将MAC层分为CSMA分层和EmMAC分层；该发明通过全网节点使用同步睡眠唤醒机制、短前导包、伪前导域机制和二段信道载波监听，使得节点的空闲时间减少，睡眠时间大为增加，同时调度表只记载本节点的剩余时间域，并在数据收发时引入了各种低功耗技术如冲突避免、超时处理、串音避免等，从而使该发明大大提高了节能率，达到超低功耗的设计目标。

但是，由于其采用全局同步的方式来实现同步睡眠唤醒机制，因此在网络层数多的无线传感网络中存在着层数越深节点同步精度越低的现象，影响短前导的长度；在具体应用中，为了提高节点同步精度，节点不得不增加专用同步包的发送次数，从而增加通信能耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法，该方法通过建立相对同步表，实现节点间的相对同步并预测接收节点醒来时间，缩短发送节点的发送前导，降低发送节点的传输能耗，从而延长网络生存时间。

为解决上技术问题，本发明方法包括以下两个阶段，即新节点建立相对同步表阶段和节点数据包预测传输阶段。

在新节点建立相对同步表阶段，新节点首先以长唤醒前导方式广播请求加入网络包，获取邻居节点的同步信息；然后根据邻居节点的同步信息估算时钟偏移，并对邻居节点的多组同步信息进行线性拟合，估算时钟漂移；最后将邻居节点的休眠周期和估算的时钟偏移、时钟漂移保存在相对同步表中。其中，为保证所有邻居节点接收到同步包，节点采用大于节点休眠周期的长唤醒前导进行同步包的广播。

在节点数据包预测传输阶段，节点首先根据建立好的相对同步表实现与目的节点的相对同步，然后依据目的节点的休眠周期预测其下一次醒来时间并设定好传输定时器，最后当传输定时器触发时以短前导发送数据包。其中，短前导的长度略长于侦听时间而又覆盖接收节点的信道侦听时间。

上述新节点建立相对同步表的步骤为：

1)  新节点先发送一个大于网络内所有节点休眠周期的长唤醒前导，然后再广播发送一个请求加入网络包，并等待设定的时间；

2)  判断在设定的时间内是否收到带有邻居同步信息的同步包，如果在设定的时间内收到带有邻居同步信息的同步包，则根据同步包建立相对同步表并保存邻居节点的时间信息，实现与邻居节点的相对同步，然后周期性广播自身同步信息；如果在设定的时间内没有收到带有邻居同步信息的同步包，则再次发送请求加入网络包，重复本步骤；

3)  当发送请求加入网络包的数量达到设定的阈值时，则新节点认为全网内没有与其相邻的节点，停止发送请求加入网络包，以自身作为网络第一个节点，周期性广播自身同步信息。

作为本发明的一种改进，所述的带有邻居同步信息的同步包的格式为：

[前导｜描述符｜数据域｜同步信息域｜CRC]

所述同步信息域包括发送节点休眠周期的同步信息和节点发送时间的同步信息。

上述节点数据包预测传输的步骤为：

1)节点先根据相对同步表查找目的节点的时钟偏移和漂移，实现与目的节点的相对同步；

2)根据目的节点的休眠周期和最近一次醒来时间预测目的节点的下一次醒来时间，设置传输定时器；

3)当传输定时器触发时开启无线射频模块，以短前导传输数据包。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)  采用短前导传输数据包，减少发送节点能耗；

本发明通过新节点建立的相对同步表，实现与邻居节点的相对同步，并结合目的节点的休眠周期预测其最近一次醒来时间，以短前导实现数据包的传输，减少发送节点的数据包传输能量，达到本发明实现发送节点最大限度节能和延长网络生存时间的目的；

2)  采用相对同步表，减少同步开销；

本发明在新节点加入网络阶段提出并建立了相对同步表，其中包括邻居节点的最近一次醒来时间、邻居节点的时钟偏移和时钟漂移、邻居节点休眠周期四项内容。利用这些信息，节点能实现与邻居节点的相对同步，从而减少发送节点与邻居节点的同步次数，降低发节点的同步开销，达到本发明延长网络生存时间的目的；

3)  采用MAC层采样技术生成同步包，提高同步精度；

本发明在发送节点广播同步包时采用MAC层采样技术，在MAC层将同步信息嵌入到即将发送的同步包，消除同步包在发送节点中的处理延迟，提高同步精度。

综上所述，本发明节省节点数据包发送过程中的能量开销，使得发送节点的空闲时间大为减少，休眠时间大为增加，节省了巨大的通信开销，最终达到本发明实现发送节点最大限度节能的目的。

附图说明

图1是新节点建立相对同步表的工作示意图。

图2是节点数据包传输的工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法在具休实施时首先要使新节点在无线传感网络中建立相对同步表，其中相对同步表包括邻居节点的最近一次醒来时间、邻居节点的时钟偏移和时钟漂移、邻居节点休眠周期四项内容，依据这些内容可实现节点间的相对同步；然后对目的节点的醒来时间进行预测，以最小唤醒前导实现与目的节点的数据包传输，从而达到降低发送节点能耗的目的。

如图1所示，节点B、C为新加入网络的节点。在新节点B、C建立相对同步表阶段，节点A采用长前导的方式广播自身同步信息，实现与节点B、C的相对时间同步。其具体步骤如下：

1)  在收到节点B、C的请求加入网络包后，节点A依据本地时钟在同步包中嵌入最近一次醒来时间                                               

，然后以大于节点休眠周期的长前导广播该同步包，确保新节点B、C都能收到该广播消息；

2)  节点B、C收到节点A的同步包后，从中提取节点A的最近醒来时间，然后分别估算对应的本地时间

、

和时钟偏移

、

，最后分别建立相对同步表存储这些同步信息和节点A的休眠周期，实现与节点A的相对同步。

为了降低同步能耗，在建立相对同步表阶段节点B、C还估算了与节点A的时钟漂移。以节点B为例，假设接收到一个同步包后节点B获得一个同步点，其中同步点

 由

、

组成，且经过一段时间后，节点B获得

个同步点

，其中

，

，则节点B可依据这

个同步点估算时钟漂移

：

其中

，

为节点B的平均对应时间，

为节点A、B间的平均时钟偏移。

如图2所示，在建立相对同步表后，需要发送数据包的节点依据相对同步表对接收节点的下一次醒来时间进行预测，以最小前导实现数据包的传输。其中

是接收节点的一次醒来时间；

是发送节点数据包产生的时间；

是接收节点对应发送节点

的时间；是发送节点数据包传输的时间；

是接收节点的醒来时间，也是接收节点对应发送节点的时间，则具体实施步骤如下：

1)  发送节点实现与接收节点的相对同步，即将发送节点数据包产生时间

转换为接收节点的对应时间

，即

    

其中

为接收节点与发送节点之间的时钟平均偏移量；

为发送节点的平均采样时间，即发送节点的平均接收时间戳；

为节点间的时钟漂移量。

2)  根据接收节点的休眠周期和醒来时间采样，发送节点估算接收节点下一次醒来时间

距的时间差

：

    

     

其中

为接收节点的休眠周期。

3)  发送节点预测接收节点的下次醒来时间

： 

    

由于

小于休眠周期

，且通常较小，因此发送节点的数据包传输时间

可为：

    

4)  发送节点设置传输定时器到触发；

5) 当传输定时器触发时，发送节点传输数据包。

Claims (4)

1.一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法，其特征在于该方法包括新节点建立相对同步表和节点数据包预测传输；

所述的新节点建立相对同步表的具体方法为：

新节点先发送一个大于网络内所有节点休眠周期的长唤醒前导，然后再广播发送一个请求加入网络包，并等待设定的时间；

判断在设定的时间内是否收到带有邻居同步信息的同步包，如果在设定的时间内收到带有邻居同步信息的同步包，则根据同步包建立相对同步表并保存邻居节点的时间信息，实现与邻居节点的相对同步，然后周期性广播自身同步信息；如果在设定的时间内没有收到带有邻居同步信息的同步包，则再次发送请求加入网络包并重复本步骤；

当发送请求加入网络包的数量达到设定的阈值时，则新节点认为全网内没有与其相邻的节点，停止发送请求加入网络包，以自身作为网络第一个节点，周期性广播自身同步信息；

所述的节点数据包预测传输的具体方法为：

4)节点先根据相对同步表查找目的节点的时钟偏移和漂移，实现与目的节点的相对同步；

5)根据目的节点的休眠周期和最近一次醒来时间预测目的节点的下一次醒来时间，设置传输定时器；

6)当传输定时器触发时开启无线射频模块，以短前导传输数据包。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法，其特征在于：步骤2)中所述的相对同步表中记录了邻居节点的最近一次醒来时间、邻居节点的时钟偏移和时钟漂移、邻居节点休眠周期。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法，其特征在于：步骤2)中所述的带有邻居同步信息的同步包的格式为：

[前导｜描述符｜数据域｜同步信息域｜CRC]。

4.根据权利要求3所述的一种无线传感网络的相对时间同步的低能耗休眠侦听方法，其特征在于：所述的同步包格式中的同步信息域包括发送节点休眠周期的同步信息和节点发送时间的同步信息。

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