CN102123519A - Ieee 802.15.4中gts释放机制的改进方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传感器网络技术领域的IEEE 802.15.4中GTS释放机制的改进方法，通过网络中任一节点对其最近两次的通信时间间隔作为通信周期，进行下一次通信时间的预测；节点在达到通信预测时间时对其缓存进行GTS资源使用检测，当GTS资源的数据缓存为空，则该节点在当前的GTS时隙内立即主动申请GTS释放。本发明从GTS释放对系统性能的影响的角度来进行改进设计。GTS及时有效地释放对GTS的利用率和能量消耗等性能有着直接的影响，因此本发明通过对GTS释放机制的改进，改善和提高了系统性能。

Description

IEEE 802.15.4中GTS释放机制的改进方法

技术领域

本发明涉及的是一种无线传感器网络技术领域的方法，具体是一种IEEE 802.15.4中GTS释放机制的改进方法。

背景技术

IEEE 802.15.4中的GTS通信技术已经得到了广泛的研究，由于GTS资源非常宝贵且有限，人们在如何提高GTS资源利用率等方面做了很多工作，大部分的研究工作主要集中在如何对GTS资源进行分配这个问题上。在Anis Koubaa，Mario Alves，and Eduardo Tovar的文献“An implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4 for time-sensitive wireless sensor networks：theory and practice(一种用于对时间敏感的无线传感器网络中的IEEE 802.15.4GTS分配方案)”，Real-Time Systems，2008，pp.169-204中，根据通信数据流的具体形式，延迟要求和可用带宽资源的综合考虑，依据“admission control algorithm”算法，提出了多个节点共享一个GTS时槽的通信理论，提高了GTS的带宽利用率。

由于在每个超帧内最多允许分配7个GTS，而且有时节点对GTS的利用并不充分，仅仅在一个GTS时槽内的部分时间进行通信，其余的带宽只能白白的浪费掉，针对这种情况，Liang Cheng，A.G.Bourgeois，and Xin Zhang的文献“A new GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4networks with improved bandwidth utilization(一种IEEE 802.15.4中用于提高带宽利用率的新型GTS分配方案)”，ISCIT’07，2007，pp.1143-1148，将CFP内的标准时隙划分成更多更小的时隙，然后再根据节点通信要求的额需要进行重新分配，这样既可以解决节点对每个GTS利用不充分的问题又可以增加GTS的分配名额，从而提高了GTS的利用率。

为了解决通信的延迟和带宽问题，GTS被单独的分配给一个节点独自享用。但是根据网络的通信状况也要考虑节点利用GTS资源的公平性。经过对现有技术的检索发现，针对节点的通信要求和使用GTS的公平性方面的改进，Yu-Kai Huang，Ai-Chun Pang，and Hui-Nien Hung 的文献“An Adaptive GTS Allocation Scheme for IEEE 802.15.4(一种IEEE 802.15.4中自适应的GTS分配方案)”，IEEE Transactions On Parallel and Distributed Systems，2008，pp.641-651，提出了一种自适应的GTS分配方法，这个自适应的过程包含两个阶段：一是设备分类阶段，在这个阶段中，设备被赋予不同的优先级；而在GTS分配阶段，按照优先级的高低进行分配GTS资源，同时提出一种避免低优先级设备始终无法得到GTS分配的机制，因此也间接地实现了GTS的释放，从而达到网络利用的公平性。

在Yong-Geun Hong，Hyoung-Jun Kim and Hee-Dong Park的文献“Adaptive GTS Allocation scheme to support QoS and multiple devices in 802.15.4(802.15.4中支持服务质量和多设备的自适应GTS分配方案)”，Do-Hyeon Kim，ICACT，2009，pp.1697-1702中，通过修改超帧的结构，增加GTS的分配数量来满足多个设备的通信服务质量，提高GTS的利用率。

综上所述，以前的GTS改进工作主要集中在对GTS资源如何进行分配的问题上，进而对GTS的利用率来实现提高和优化。然而，它们在评估系统性能的时候，忽略了因GTS释放延迟多占用的超帧所消耗的带宽资源和能量。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种IEEE 802.15.4中GTS释放机制的改进方法，从GTS释放对系统性能的影响的角度来进行改进设计。GTS及时有效地释放对GTS的利用率和能量消耗等性能有着直接的影响，因此本发明通过对GTS释放机制的改进，改善和提高了系统性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、网络中任一节点对其最近两次的通信时间间隔作为通信周期，进行下一次通信时间的预测，具体步骤为：

1.1)节点记录初始两次GTS数据通信的起始时间t_a和t_b，从而计算出两次通信的时间间隔为K_i＝t_b-t_a；

1.2)对于在S时刻开始进行的周期性数据传输的通信周期是超帧长度的整数倍，则K_i＝m×t_min×2^BO，其中：t_min为最短超帧持续时间，BO为信标阶数，m的取值由两次通信时间所间隔的实际超帧数目决定，当突发数据传输，即非周期性数据传输时m设置为1；

1.3)下一次通信时间的预测值为S+n×K_i，n＝1，2，3…。

第二步、节点在达到通信预测时间时对其缓存进行GTS资源使用检测，当GTS资源的数据缓存为空，则该节点在当前的GTS时隙内立即主动申请GTS释放。

本发明能有效提高GTS资源的使用并降低能量消耗，实现简单方便，有着很好的经济效益和应用前景。

附图说明

图1为确定节点的通信时刻，即检测缓存的时刻示意图。

图2为本发明的释放机制与802.15.4被动释放机制比较示意图。

图3为本发明在突发数据通信场景下GTS利用率比较图。

图4为本发明在突发数据通信场景下平均传输能耗比较图。

图5为本发明在周期性数据通信场景下GTS利用率比较图。

图6为本发明在周期性数据通信场景下平均传输能耗比较图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

1)对数据缓存检测时间的确定阶段：若想对GTS进行及时的释放，必须明确GTS通信在何时结束。本实施例中通过主动检测缓存中是否有数据来验证GTS通信是否停止。而在不同应用场景下，节点的通信时间是有差异的。在周期性数据通信场景中，节点并非在每个超帧的GTS内进行通信，而是以固定的周期进行通信，周期可以通过记录相邻两次通信的间隔确定。

如图1所示，假设一个节点的通信周期为K_i，它在S时刻开始进行周期性的数据传输，因此后面的通信时刻即为S+n·K_i，n＝1，2，3…。节点只要在这些时刻对缓存进行检测即可，不必每个超帧都进行检测。而对于突发数据传输，由于瞬时的数据量较大，且对延迟要求较高，所以通常会在几个连续的超帧内进行发送，因此需要对缓存进行连续的检测，此时附图1中的K_i应该设置为1个超帧时长。

2)GTS通信是否结束的确定阶段：确定了检测时刻之后，节点便可以按照预测的通信时间对缓存进行检测。通常，申请GTS通信的节点一旦停止了GTS通信，在随后的短时间内不会再次申请GTS进行数据传输。因此通过节点对缓存的检测，一旦发现缓存中无数据发送，则认为GTS通信已经停止：对于周期性通信，说明节点不再产生有用的数据；对于突发数据传输，说明大量的突发数据已经传输完毕。

3)GTS的释放阶段：当节点确定停止使用GTS后，本方法使节点在发现通信停止的当前GTS内便向网络协调器发出释放申请。在当前的GTS内申请释放，能够避免其它干扰或者由于CSMA/CA竞争失败而延误申请，从而能够提前有效地释放GTS。

通过性能分析和仿真，本实施例在GTS实际利用率和平均传输能耗等性能方面有着显著的改善。

如图3和图4所示，给出了在突发数据通信场景下，本实施例的改进GTS释放机制和802.15.4被动释放机制在GTS利用率及平均传输能耗两方面性能的比较图(由于802.15.4主动释放机制尚未在通信结束时刻和申请释放时刻上的判定方面给出具体的规定，实际中很难应用，因此没有将其放在对比之中)。由仿真图可知，本实施例的释放机制有更高的GTS利用率和较低的通信能耗；

如图5和图6所示，则给出了在周期性数据通信情况下，本实施例设计和802.15.4被动释放机制的性能比较示意图，同样可以看出本实施例在GTS利用率和通信的平均能耗方面表现地更为优越。综上可以看出，无论在突发数据通信还是在周期性数据通信应用中，本实施例的GTS释放机制都会提高GTS利用率，降低通信的平均能耗，能很好的提高GTS资源的使用，降低能量消耗，同时本实施例建立在原802.15.4协议基础之上，实现简单方便，有着很好的经济效益和应用前景。

图1为本实施例检测缓存的时刻示意图。图2为本实施例的释放机制与802.15.4被动释放机制比较示意图。在突发数据传输的网络中，仿真参数设置如下：每次突发数据传输的数据总量均匀分布于[10，20]kbits，最大允许延迟在[2，4]s服从均匀分布，数据传输速率为250kbps，节点的数据收发功率为40mW，节点空闲时消耗的功率为0.8mW。图3为本实施例在突发数据通信场景下GTS利用率比较图。图4为本实施例在突发数据通信场景下平均传输能耗比较图。在周期性数据通信场景下，仿真参数设置如下：每个节点的周期性通信发送数据的次数均匀分布于[10，20]次，数据产生速率在[1，7]kbps均匀分布，节点的数据收发功率为40mW，节点空闲时消耗的功率为0.8mW。图5为本实施例在周期性数据通信场景下GTS利用率比较图。图6为本实施例在周期性数据通信场景下平均传输能耗比较图。

Claims (2)

1.一种IEEE 802.15.4中GTS释放机制的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、网络中任一节点对其最近两次的通信时间间隔作为通信周期，进行下一次通信时间的预测；

第二步、节点在达到通信预测时间时对其缓存进行GTS资源使用检测，当GTS资源的数据缓存为空，则该节点在当前的GTS时隙内立即主动申请GTS释放。

2.根据权利要求1所述的IEEE 802.15.4中GTS释放机制的改进方法，其特征是，所述的第一步具体步骤为：

1.1)节点记录初始两次GTS数据通信的起始时间t_a和t_b，从而计算出两次通信的时间间隔为K_i＝t_b-t_a；

1.2)对于在S时刻开始进行的周期性数据传输的通信周期是超帧长度的整数倍，则K_i＝m×t_min×2^BO，其中：t_min为最短超帧持续时间，BO为信标阶数，m的取值由两次通信时间所间隔的实际超帧数目决定，当突发数据传输，即非周期性数据传输时m设置为1；

1.3)下一次通信时间的预测值为S+n×K_i，n＝1，2，3…。

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