CN102098731B - 无线传感网中的基于跳数的流量自适应休眠调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网中的基于跳数的流量自适应休眠调度方法，无线传感器网中具有sink节点，传感器节点与sink节点间隔一个距离跳数，上述两节点工作周期为一个超帧，还包括时间设置、工作时隙数设置、跳数阈值K设置、工作时隙数Tinner、Touter设置、K及Tinner、Touter调整。本方案即适用于单sink网络，也适用于多sink网络。本方案包括两个关键技术，基于跳数设置节点工作时隙数，基于数据流量调整工作时隙数。根据网络中数据传输的流量特性动态调整节点的休眠机制，在保障数据收集任务的同时，减少节点工作时间，节省能量，网络开销很小，还具有简单且易于在实际的无线传感器网络中实现。

Description

无线传感网中的基于跳数的流量自适应休眠调度方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网（也称无线传感网络）协议，特别涉及一种无线传感器网中的基于跳数的流量自适应休眠调度方法（也称休眠机制）。
背景技术
无线传感器网络是由一组随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域内感知对象的信息，并发布给观察者。sink节点是数据汇集节点，负责汇总网络中传感器节点发来的数据，同时也是整个传感器网络的控制节点，对网络中其他传感器节点进行管理。
无线传感器网络最主要的限制条件之一是能量有限，设计无线传感器网络时所要考虑的关键问题之一就是如何节省能量。其中一种有效节省能量的方法就是引入休眠机制。研究表明节点在空闲状态即无数据传输时消耗的能量是非常可观的，节点在空闲时进入休眠，可有效节省能量，延长网络的生存周期。
但是已有无线传感网络休眠机制方案中，节点的休眠机制在网络设计初始即被固定，灵活性较弱，不能根据数据流量的特性设置休眠机制，并根据数据流量自适应地调整。
发明内容
本发明旨在克服背景技术所述的无线传感网络休眠机制方案中，节点的休眠机制灵活性较弱，不能根据数据流量的特性设置休眠机制并根据数据流量自适应地调整的缺点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案主要是针对传感数据收集任务，基于传感器节点距离sink节点的跳数距离来计算节点休眠/工作时间，并根据数据流量自适应动态调整。
具体的技术方案设计主要源于以下两种观察：
观察一，无线传感器网络的主要应用之一是数据收集，数据一般由各传感器节点向sink节点传输，数据流量具有随着离sink距离越近流量越大的趋势。距离sink越近的节点承担着更多的数据流量。根据此趋势，网络在采用休眠机制时，距离sink跳数越小的节点其工作时间应该越长。 
观察二，在理想情况下，传感器节点的工作时隙数应与节点的数据流量成正比，需要根据网络中的实际数据流量自适应调整工作时隙数。
基于以上两种观察，设计一种基于跳数的流量自适应休眠机制，其中无线传感器网中具有sink节点，传感器节点与sink节点间隔一个距离跳数，上述两节点工作周期为一个超帧，具体包括以下设置：
1）时间设置：一个超帧划分为 N个帧，一个帧划分为M个时隙，N、M为大于等于1的整数。用公式表示即 1超帧=N帧=N*M时隙。
2）工作时隙数设置：每个超帧开始时，每个传感器节点根据自己距离 sink节点的跳数设置工作时隙数，以K为阈值，距离sink的跳数少于K的节点设置工作时隙数为 Tinner，距离sink的跳数超过K的节点设置工作时隙数为Touter(Touter<Tinner,例如Touter=Tinner/2)。
3）参数设置：参数K与数据源距离sink的跳数相关，有数据传输且距离sink近的节点承载的数据流量更大，即数据传输的区域节点工作时间更长；参数 Tinner、Touter与数据流量相关，即数据流量越大，工作时间越长。
4）K参数调整：sink 统计各数据源距离sink的跳数，计算各数据源距离的平均值，据此调整下一个超帧的K。
5）参数Tinner、Touter调整：sink周期性地统计数据流量变化趋势，若数据流量增大，参数Tinner、Touter随之增大，反之减小。
本方案即适用于单sink网络，也适用于多sink网络。同时，本方案包括两个关键技术，基于跳数设置节点工作时隙数，基于数据流量调整工作时隙数。根据网络中数据传输的流量特性动态调整节点的休眠机制，在保障数据收集任务的同时，减少节点工作时间，节省能量。基于跳数设置节点工作时隙数可满足观察一的要求，且基于跳数的方案对网络的拓扑变化有较高的适用性。基于数据流量调整工作时隙数，满足观察二，可自适应地满足网络流量的变化。另外，本发明只需要统计跳数以及数据流量等信息，网络开销很小，还具有简单且易于在实际的无线传感器网络中实现的特点。
具体实施方式
一、 针对单sink网络中的具体实施方式如下：
首先，本方案中需要引入超帧super-frame、帧frame、时隙slot、工作时隙数Twork的概念，其换算规则是1超帧=N帧=N*M时隙。具体设置如下：
1）时间设置：一个超帧划分为 N个帧，一个帧划分为M个时隙，N、M为大于等于1的整数。用公式表示即 1超帧=N帧=N*M时隙。
2）工作时隙数设置：每个传感器节点根据自己距离 sink节点的跳数 h设置工作时隙数Twork，每个超帧开始时，每个传感器节点根据自己距离 sink节点的跳数设置工作时隙数，以K为阈值，距离sink的跳数少于K的节点设置工作时隙数Twork为 Tinner，距离sink的跳数超过K的节点设置工作时隙数Twork为Touter(Touter<Tinner,例如Touter=Tinner/2)。
3）参数设置：参数K与数据源距离sink的跳数相关，有数据传输且距离sink近的节点承载的数据流量更大，即数据传输的区域节点工作时间更长；参数 Tinner、Touter与数据流量相关，即数据流量越大，工作时间越长。
4）K参数调整：sink 统计各数据源距离sink的跳数，计算各数据源距离的平均值，据此调整下一个超帧的K。
5）参数Tinner、Touter调整：sink周期性地统计数据流量变化趋势，若数据流量增大，参数Tinner、Touter随之增大，反之减小。
以上方案实现简单，主要问题在于如何确定参数K和Tinner/Touter。下面分别叙述各参数的计算过程。
（一）确定参数K:
Sink节点在每个超帧（SF）结束时，决定下一个超帧(SF+1)的参数K。具体做法是为统计各数据源距离sink的跳数，在数据包中增加一个参数hop(s),表示该数据包由数据源s产生，在初始时hop(s)赋值为0，数据包每传输一跳，hop(s)增加1。当sink接收到数据包时，即可通过其中的hop(s)获知数据源距离sink的跳数。实际上，很多网络中数据包都包含生命周期TTL等参数，每传输一跳TTL减1。Sink接收到数据包时，可直接用TTL初始值减去现在的值即可得到数据源s距离sink的跳数,记为hop(s)。此时，并不增加任何开销，即可获得所需信息。
下一个超帧中的参数K可设为各数据源距离sink跳数的平均值，即                                                
Figure 2011100261737100002DEST_PATH_IMAGE001
。其中SOURCE-SET是数据源节点集合，
Figure 24624DEST_PATH_IMAGE002
是数据源集合的大小。
K的设置保障了数据传输的区域节点工作时间更长。
（二）确定参数Tinner/Touter:
Sink需要在每个超帧（SF）结束时根据统计数据流量决定下一个超帧(SF+1)的参数Touter、Tinner。具体方法是在每个超帧SF结束时，统计该超帧内的网络流量，记录为Traffic(SF)，计算数据流量变化率p=Traffic(SF)/ Traffic(SF-1)。下一个超帧(SF+1)的Touter=[Touter*p]，Tinner =[ Tinner *p]。
Tinner/Touter的调整保障节点工作时间与数据流量成正比。
二、 针对多sink网络中的具体实施方式，可以基于某种策略（例如基于最小跳数、最小能量等）构造以各sink节点为根节点的收集树结构。各以sink为根的收集树上的休眠机制与单sink网络的休眠机制一致。
通过方案的实施，根据网络中数据传输的流量特性动态调整节点的休眠机制，在保障数据收集任务的同时，减少节点工作时间，节省能量。基于跳数设置节点工作时隙数可满足网络中的数据传输特性，有数据传输且距离sink近的节点承载的数据流量更大，工作时间更长。基于数据流量调整工作时隙数，使节点工作时间与数据流量成正比，可自适应地满足网络流量的变化。同时该方案可适用于多sink网络，且支持移动传感器网络。

Claims (2)

1.一种无线传感器网中的基于跳数的流量自适应休眠调度方法，所述无线传感器网中具有sink节点，传感器节点与sink节点间隔一个距离跳数，上述传感器节点和sink节点工作周期为一个超帧，其特征在于还包括以下设置：
1）时间设置：一个超帧（SF）划分为 N个帧，一个帧划分为M个时隙，一个超帧=N帧=N*M时隙；
2）工作时隙数设置：每个超帧（SF）开始时，每个传感器节点根据自己距离 sink节点的跳数设置工作时隙数，以K为阈值，距离sink节点的跳数少于K的节点设置工作时隙数为 Tinner，距离sink节点的跳数超过K的节点设置工作时隙数为Touter；
3）参数设置：参数K与数据源距离sink节点的跳数相关，有数据传输且距离sink节点近的节点承载的数据流量更大，即数据传输的区域节点工作时间更长，参数 Tinner、Touter与数据流量相关，即数据流量越大，工作时间越长；
4）K参数调整：sink节点在每个超帧（SF）结束时，决定下一个超帧(SF+1)的参数K，具体做法是为统计各数据源距离sink节点的跳数，在数据包中增加一个参数hop(s),表示该数据包由数据源s产生，在初始时hop(s)赋值为0，数据包每传输一跳，hop(s)增加1；当sink节点接收到数据包时，即可通过其中的hop(s)获知数据源距离sink节点的跳数；每传输一跳，网络中数据包中包含的生命周期TTL减1；sink节点接收到数据包时，直接用TTL初始值减去现在的值即可得到数据源s距离sink节点的跳数,记为hop(s)；下一个超帧中的参数K设为各数据源距离sink节点跳数的平均值，即                                                
Figure 2011100261737100001DEST_PATH_IMAGE001
；其中SOURCE-SET是数据源节点集合，是数据源集合的大小；
5）sink节点需要在每个超帧（SF）结束时根据统计数据流量决定下一个超帧(SF+1)的参数Touter、Tinner：具体方法是在每个超帧（SF）结束时，统计该超帧内的网络流量，记录为Traffic(SF)，计算数据流量变化率p=Traffic(SF)/ Traffic(SF-1)；下一个超帧(SF+1)的Touter=[Touter*p]，Tinner =[ Tinner *p]。
2.如权利要求1所述的无线传感器网中的基于跳数的流量自适应休眠调度方法，其特征在于：既适用于单sink节点网络，也适用于多sink节点网络。
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