CN102196578B - 一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法，其包括以下步骤：(1)基于固定时帧长度的交叉时隙分配算法；(2)基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消方法；(3)基于业务等级加权的交叉时隙块分配方法；本发明能够克服已有无线传感器网络基于时间调度MAC协议中时隙划分方法的不足之处；解决无线传感器网络应用中周期性事件感知和事件驱动感知数据的实时传输、异构传感器节点信道接入公平性、异构传感器不同业务等级的不同QoS需要等问题，为无线传感器网络能够应用于多元事件监测环境提供技术支撑，具有较强的实用价值。

Description

一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法。属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络作为现实世界与数字世界的接口，在军事、工农业生产、城市管理、数字楼宇、环境监测、抢险救灾等领域具有非常广阔的应用前景。

MAC协议是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一，它决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线信道资源，用来构建无线传感器网络系统的底层基础架构，对无线传感器网络的性能有非常重要的影响。基于时间调度的MAC协议由于便于实现数据融合、协作通信和网络管理而被广泛采用。

现有基于时间调度的MAC协议所采用的时隙划分方法存在以下共性问题：无法同时保证周期性事件感知和事件驱动感知应用中数据的实时传输；无法保证异构传感器节点的信道使用公平性；无法满足异构传感器不同业务等级的QoS需要。这些问题导致现有基于时间调度的MAC协议无法满足异构传感器网络在多元事件监测环境下的应用要求。

发明内容

本发明的目的是克服已有无线传感器网络基于时间调度MAC协议中时隙划分方法的不足之处，针对周期性事件感知和事件驱动感知共存的异构传感器网络应用，提出一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法，解决无线传感器网络应用中周期性事件感知和事件驱动感知数据的实时传输、异构传感器节点信道接入公平性、异构传感器不同业务等级的不同QoS需要等问题，为无线传感器网络能够应用于多元事件监测环境提供技术支撑。

本发明一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法包括以下步骤：

(1)基于固定时帧长度的交叉时隙分配算法；

(a)时帧用TF表示，时隙用TS表示，则TF 3×2^kTS(0≤k≤15)，其中k由簇容量大小确定，TS由数据分组大小、数据传输速率和时钟漂移参数确定，时帧的开始用时帧信标标识，其中包含子网号、信标时戳、信标持续时间、时隙总数、剩余时隙数等参数；

(b)将一个时帧分为A、B、C三组，每组包括2^k个时隙，每组中的时隙都分配一个索引号，取值范围为0～2^k-1，每个时隙组的时隙与其它时隙组的时隙交替编排：A-0，B-0，C-0，A-1，B-1，C-1，...，A-2^k-1，B-2^k-1，C-2^k-1；

(c)A-0，B-0，C-0为预留时隙，其中A-0用于簇首节点与时间基准精同步；B-0用于新增节点入网精同步；C-0用于新增节点接收时隙分配参数；

(d)不包括预留时隙，A组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向簇首节点发送数据；B组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向簇首节点发送突发数据；C组时隙为簇首节点专用时隙，用于簇首节点上报数据；

(e)根据QoS需求，每个节点可分配多个时隙，称为时隙块，时隙块的大小由重复率数表征，重复率数等于所分配时隙个数的对数，节点n所分配的时隙块可表示为：其中A表示节点n的时隙块是A组时隙的子集，

表示节点n的时隙块起始时隙索引值，R_n表示节点n的时隙重复率值，时隙块中的各个时隙索引可表示为：

其中m的取值为

(f)网络初始拓扑形成时，簇首节点分配给普通节点的A组时隙不能超过A组总时隙数的80％，除预留时隙外，未分配时隙为新增节点备用时隙；

(2)基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消方法；

传感器节点的时间精度随着本地时钟的漂移而下降，在发送时隙的开始和结束预留一段时间Δt可以抵消时钟漂移产生的时间重叠导致的发送冲突，Δt由有以下公式给出：其中TF为时帧长度，

为传感器节点本地时钟漂移率；

(3)基于业务等级加权的交叉时隙块分配方法。

所述交叉时隙分配算法为业务等级高的节点分配较多的时隙。

本发明的有益效果是：能够克服已有无线传感器网络基于时间调度MAC协议中时隙划分方法的不足之处；解决无线传感器网络应用中周期性事件感知和事件驱动感知数据的实时传输、异构传感器节点信道接入公平性、异构传感器不同业务等级的不同QoS的需要等问题，为无线传感器网络能够应用于多元事件监测环境提供技术支撑，具有较强的实用价值。

附图说明

图1是本发明所述一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法的交叉时隙分配原理框图；

图2是本发明所述一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法的交叉时隙分配流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，如图1、2所示，本发明包括以下步骤：

(1)网络中通过部署特殊节点担任簇首，或采用随机选举的方法选定部分节点担任簇首；

(2)在网络拓扑形成阶段，簇首周期性广播信标，信标中包括子网号、时戳、发射功率等信息；普通节点收到信标后，根据信标时戳调整自己的时间，实现粗同步；普通节点可能会收到多个来自于不同簇首的信标，普通节点根据接收信标功率的强度选择合适的簇首，并采用竞争机制接入信道发送入网请求；簇首根据入网请求节点的特征参数(包括剩余能量、业务等级、申请时隙个数等)为每个节点分配相应时隙块；每个节点利用所分配时隙块的起始时隙完成与簇首的入网精同步；

(3)在网络运行阶段，簇首节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步。将一个时帧分为A、B、C三组，每组包括2^k个时隙，每组中的时隙都分配一个索引号，取值范围为0～2^k-1。每个时隙组的时隙与其它时隙组的时隙交替编排：A-0，B-0，C-0，A-1，B-1，C-1，...，A-2^k-1，B-2^k-1，C-2^k-1；

A-0，B-0，C-0为预留时隙。其中A-0用于簇首节点与时间基准精同步；B-0用于新增节点入网精同步；C-0用于新增节点接收时隙分配参数；簇首节点根据时间精度等级要求，按需在预留时隙A-0内采用竞争机制接入信道，通过双向报文交换机制与时间基准精同步；

(4)在网络运行阶段，普通节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步。普通节点根据时间精度等级要求，按需在所分配时隙块的起始时隙，通过双向报文交换机制与簇首节点实现精同步。不需要同步时，所分配时隙块的起始时隙用来传输数据；

(5)时帧用TF表示，时隙用TS表示，则TF＝3×2^kTS(0≤k≤15)，其中k由簇容量大小确定，TS由数据分组大小、数据传输速率和时钟漂移参数确定，时帧的开始用时帧信标标识，其中包含子网号、信标时戳、信标持续时间、时隙总数、剩余时隙数等参数；

在网络运行阶段，新增节点利用时帧信标进行入网粗同步，然后在B-0时隙，通过双向报文交换机制与簇首节点实现精同步；

(6)在网络运行阶段，如果当前时隙正好属于某一节点，则该节点可以利用当前时隙将数据发送给所属簇首节点；

(7)不包括步骤(3)规定的预留时隙，A组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向簇首节点发送数据；B组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向簇首节点发送突发数据；C组时隙为簇首节点专用时隙，用于簇首节点上报数据；在网络运行阶段，如果某一节点的感知数据超出设定门限，则需要在最短的时间内将超限数据发送给所属簇首节点。如果当前时隙正好属于该节点，则该节点可以利用当前时隙将数据发送给所属簇首节点；如果当前时隙不属于该节点，且属于B组时隙，则该节点采用竞争机制接入信道，将数据发送给所属簇首节点；如果当前时隙属于C组时隙，则需要等待下一个时隙，如果下一个时隙属于该节点，则该节点可以利用下一个时隙将数据发送给所属簇首节点，否则再等待一个时隙，采用竞争机制接入信道，将数据发送给所属簇首节点；

(8)在网络运行阶段，簇首节点利用C组时隙上报数据。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）基于固定时帧长度的交叉时隙分配；

(a)时帧用TF表示，时隙用TS表示，则TF=3×2^kTS（0≤k≤15），其中k由簇容量大小确定，TS由数据分组大小、数据传输速率和时钟漂移参数确定，时帧的开始用时帧信标标识，其中包含子网号、信标时戳、信标持续时间、时隙总数、剩余时隙数参数；

(b)将一个时帧分为A、B、C三组，每组包括2^k个时隙，每组中的时隙都分配一个索引号，取值范围为0～2^k-1，每个时隙组的时隙与其它时隙组的时隙交替编排：A–0，B–0，C–0，A–1，B–1，C–1，…，A–2^k-1，B–2^k-1，C–2^k-1；

(c)A–0，B–0，C–0为预留时隙，其中A–0用于簇首节点与时间基准精同步；B–0用于新增节点入网精同步；C–0用于新增节点接收时隙分配参数；

(d)不包括预留时隙，A组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向簇首节点发送数据；B组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向簇首节点发送突发数据；C组时隙为簇首节点专用时隙，用于簇首节点上报数据；

(e)根据QoS需求，每个节点分配多个时隙，称为时隙块，时隙块的大小由重复率值表征，重复率值等于所分配时隙个数的对数，节点n所分配的时隙块表示为：

其中A表示节点n的时隙块是A组时隙的子集，

表示节点n的时隙块起始时隙索引值，R_n表示节点n的时隙重复率值，时隙块中的各个时隙索引表示为：

(f)网络初始拓扑形成时，簇首节点分配给普通节点的A组时隙不能超过A组总时隙数的80%，除预留时隙外，未分配时隙为新增节点备用时隙；

（2）基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消；

在发送时隙的开始和结束预留一段时间Δt以抵消时钟漂移产生的时间重叠导致的发送冲突，Δt由以下公式给出：其中TF为时帧长度，

为传感器节点本地时钟漂移率。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线传感器网络的交叉时隙分配方法，其特征在于，所述方法为业务等级高的节点分配较多的时隙。

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