CN102685917B - 一种面向容量扩展的无线传感网多信道调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向容量扩展的无线传感网多信道调度方法。本发明采用粗粒的信道分配方法，即给每棵子树分配不同的信道，通过引入协调节点，来减少节点信道切换次数和工作在不同信道上节点间的通信频率，从而使各子树的网络负载达到平衡，提高整个网络的吞吐量。本发明方法简单，不需要复杂的计算和存储空间，较适合无线传感器网络。

Description

一种面向容量扩展的无线传感网多信道调度方法

技术领域

本发明属于嵌入式系统领域，特别是涉及一种面向容量扩展的无线传感器网络多信道调度方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量低成本的、具有感知、通信和计算能力的传感器节点构成的。网络中的节点将采集到的各种监测数据，以无线多跳的方式，发送给用户。用户可以足不出户，就可以实时地对某一区域进行监测。它是面向应用的网络，而如今的大多数网络协议都针对小流量网络设计的，当网络流量变大时，它们的性能会越来越差。而采用多信道机制，可以有效地提高整个网络的吞吐量。如何有效地分配以及调度信道，是提高网络性能的关键因素之一。

如今传感器节点大多是单收发器节点，虽说可以工作在不同的频率上，但不同频率间的切换时间是不容忽略的。而且它们的MAC层报文长度较小，只有30-50byte，远小于一般的自主网，如Adhoc网络。因此一般的多信道调度方法并不能满足无线传感器网络的要求。根据信道分配的粒度来分，现有的多信道调度方法可以分为基于节点、基于树的调度方法。由于基于节点的调度方法需要大量的可用物理信道，而无线传感器网络只有16个正交物理信道，这将严重制约着基于节点的调度方法的应用。基于节点的多信道调度方法需要网络中的节点保持时间同步，否则它们的性能会下降得很快。Micaz等节点的时钟存在40ppm的漂移，即一秒种后，时钟漂移为40us。为了保证协议的性能，必须经常对网络中的节点重新进行同步。然而无线传感器网络中的同步协议需要消耗额外的带宽和能量，因此使得周期性地对网络中的节点进行同步，是不可行的，特别是对高数据率的应用或者是大型、密集型网络来说，更是如此。基于树的调度方法只需少量的正交物理信道，且不需要节点间保持时间同步，但它针对静态的拓扑结构设计的，扩展性很差，不能适应动态的环境。然而，无线传感器网络的拓扑结构会随着节点因能量耗尽而失效或新节点加入而变化，因此基于树的调度方法不适合长时间监测的网络。

发明内容

本发明的目的针对上述问题，提供一种适用于无线传感器网络的基于树的多信道调度方法。

本发明将网络的节点分为三类，普通节点，网关节点，协调节点。不同的网关节点工作在不同的信道上，普通节点根据网络状况选择加入合适的以网关节点为根节点的子树，而协调节点用于协调各子树的网络流量。

本发明方法的主要步骤如下：

(1)信道选择及子树建立

1.1每个网关节点工作在不同的信道上，以周期t₀广播信标Beacon包；Beacon包包含发送节点到网关节点的跳数、路径期望传输次数PETX和发送节点ID。

1.2普通节点以周期t扫描各信道，其中t大于t₀。在时间t内，接收它所有潜在父节点广播的Beacon包，选择PETX值最小的父节点作为最优父节点，并将最优父节点所在的路径当作该信道的最佳路径。

1.3普通节点依次扫描完各个信道，选择最佳路径PETX值最小的信道作为当前节点的工作信道。

1.4选定工作信道的普通节点加入各子树，周期性地将自己的孩子节点数报告给父节点。

(2)信道调度

2.1协调节点周期性地扫描各个信道，接收来自网关节点的数据包，以掌握各子树的网络规模。

2.2当各子树的孩子数不平衡时，协调节点向节点数最多的那个网关节点发送调度信息包(Balance包)。

(3)节点根据调度信息重新选择加入信道

3.1网关节点接收调度信息包，并将调度信息包向下广播。

3.2网络中的普通节点接收到调度信息包，转发该调度信息包，并根据包内的信息，跳转到其他信道或继续留在原信道。

3.3选定工作信道的普通节点加入各子树，向父节点报告孩子数、发送数据包。

相对于现有的多信道调度方法，本发明具有以下优点：

(1)采用粗粒的信道分配方法，即给每棵子树分配一个信道，需要较少的可用物理信道。

(2)通过引入协调节点，使得一般的单收发器传感器网关节点可以监测工作在不同信道上的子树网络流量。

(3)由于无线传感器网络的资源受限，本多信道调度方法简单，不需要复杂的计算和存储空间，较适合无线传感器网络。

附图说明

图1为调度方法示意图。

图2为协调节点调度流程。

图3为普通节点收到调度包重新选择信道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明

如图1所示，本发明采用粗粒的信道分配方法，即给每棵子树分配不同的信道，通过引入协调节点，来减少节点信道切换次数和工作在不同信道上节点间的通信频率，从而使各子树的网络负载达到平衡，提高整个网络的吞吐量。

(1)本发明以路径期望传输次数PETX来表征路径的链路质量。它是路径上各链路的链路期望传输次数ETX值之和，其中ETX是指节点在一条链路上成功传递数据所需的期望传输次数。子树内的普通节点到网关节点的路径链路质量可由式1表示，

PETX_j＝PETX_i+ETX_i,j  (1)其中j是当前节点，i是节点j的父节点，PETX_j表示节点j到网关节点的路径期望传输次数，ETX_i,j表示节点i到节点j的链路期望传输次数。

每个网关节点工作在不同的信道上，以周期t₀广播Beacon包，普通节点依次扫描各个信道，并在各个信道停留t时间，其中t略大于t₀，记录接收到的Beacon包信息。普通节点一接收到Beacon包，首先判断接收Beacon包时的RSSI值是否大于-75dbm，若成立，则计算当前节点到网关节点的PETX值。否则丢弃该包，继续侦听，接收其他Beacon包。若在t时间内，普通节点还收到它的其他潜在父节点发的Beacon包，只有新路径的PETX值小于当前选取路径的PETX值时，普通节点才更新选取路径。那么普通节点在一个信道上侦听t时间后，若它的选取路径存在，该路径也是最优的路径。

当普通节点扫描完全部的信道后，根据接收到的信息，选择出最佳的信道。若最佳信道存在，那么普通节点切换到那个信道，发送Tree_Join包，申请加入它的潜在父节点所在路径，并等待父节点的回复。否则这个普通节点继续依次扫描信道，以寻找加入最优的信道。若父节点的孩子数小于它所允许的最大孩子数，则给申请加入的那个孩子节点回复一个确认包，否则父节点丢弃该申请包，不对它作出回复。若孩子节点在1s之内没有收到它的潜在父节点的回复包，那么它认为当前所处的链路不稳定，进行新一轮的信道扫描，争取加入最优的子树。当节点收到父节点的回复，它再开始周期性地广播Beacon包，以及定时将自己的孩子数报告给它的父节点，以便网关节点能了解当前子树内的节点数。

(2)由于网络中的节点自主地加入各子树，因此子树建立完成时，它们的规模可能会不平衡。当节点离开网络或者网络的链路质量发生变化，各棵子树的规模也会变得不平衡。本发明方法以各子树内的节点数来衡量子树的规模，并根据它来平衡网络中各子树的网络流量。它周期性地检测各子树内的节点数，当满足一定条件时，对那棵拥有最大节点数的子树进行信道平衡。一旦确定进行信道平衡，协调节点给相应的网关节点则发送Balance包，网关节点将它转发给子树内的每个节点，子树内的节点根据Balance包来选择是否跳转到其他信道。本发明方法采用两种机制来避免网络过于动荡：一，将需要进行信道平衡的过程限定在孩子数最多的那棵子树；二，它容许各子树间存在一定的不平衡。

协调节点只有在满足以下条件下才开始进行信道平衡，即

${\mathrm{\Δ}}_{t_{\max }}-{\mathrm{\Δ}}_{t_{\min }}>\mathrm{\δ}---\left(2\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{t_{\max }}=\arg {\max }_{t\∈T}\left({\mathrm{\Δ}}_t\right)---\left(3\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{t_{\min }}=\arg {\min }_{t\∈T}\left({\mathrm{\Δ}}_t\right)---\left(4\right)$ 其中T为网关节点集。δ是阈值，它控制着各子树间的不平衡程度。

Balance包包括节点跳出当前信道的概率以及跳转到其他信道上的概率。假如子树t_max是拥有节点数最多的子树，那子树里的节点以的概率跳出当前信道，其中是子树t的节点数，Δ_avr是各子树内的平均节点数。若节点确定要跳出当前信道，那它跳到其他信道，加入其他的子树T_i≠t的概率设定如下：

P_i＝0,Δ_i≥Δ_avr  (5)

$P_i=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}-{\mathrm{\&Delta;}}_i}{\underset{t\&Element;T,{\mathrm{\&Delta;}}_i<{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}}{\mathrm{\&Sigma;}}({\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}-{\mathrm{\&Delta;}}_t)},{\mathrm{\&Delta;}}_i<{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}---\left(6\right)$

本发明方法根据以上规则让过载子树里的节点根据各子树的负载情况，跳转到负载轻的子树。一棵子树的负载越轻，那么跳转到该子树的概率越大。

协调节点周期性地扫描各个信道。每个网关节点每T时间，给协调节点发送一个数据包，报告自己所在子树的节点数。由于协调节点在每个信道上侦听T₀时间，其中T₀略大于T，那么经过一次信道扫描，协调节点就知道各棵子树内的节点数。为了提高网络的稳定性，以免网络中的节点一直处在信道切换中，影响网络的性能，只有前后两个信道扫描周期的检测结果一致时，即需要平衡的信道号一致，协调节点才跳转到需要进行信道平衡的信道，给相应的网关节点发送Balance包。具体调度流程如图2所示。在协调节点中，该信道号pch的初始值设为255，表示没有信道需要平衡。若前后两次的检测结果不一致，则将pch设为最近一次的检测结果。当协调节点完成一次信道平衡后，重新将pch值设为初始值。由于子树在信道平衡期间，网络变得很不稳定，网关节点向协调节点报告的节点数变得很不可靠，故延迟M时间，等各个子网稳定了，再重新开始信道扫描。M需满足式7，

M>L*T_report+L*T_switch  (7)其中L为需要调整的子树内的节点数，T_report为节点向父节点报告孩子数的周期，T_switch为节点扫描各信道并加入相应子树的时间，这里假设节点只需扫描各信道一次，即可成功加入子树，且忽略数据包的传输时间。

(3)普通节点收到调整包重新选择信道流程如图3所示。当子树内的普通节点，收到一个Balance包。然后根据包里的P_out值，决定是否跳出当前信道。若决定跳出当前信道，再根据包里的P_i值来确定跳转到哪一个信道，并在新信道侦听，尝试加入相应的子树。否则节点继续留在原来的信道上，重新寻找它的父节点。若节点在各自的信道上侦听，没有潜在父节点，经过3次尝试，还是找不到潜在父节点，那么节点再次进行信道扫描，以便加入合适的子树。当节点加入子树后，节点重新定时向下广播Beacon包和向父节点报告自己的孩子数。

Claims (1)

1.一种面向容量扩散的无线传感网多信道调度方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)信道选择及子树建立，具体是：

1.1每个网关节点工作在不同的信道上，以周期t0广播信标Beacon包；信标Beacon包包含发送节点到网关节点的跳数、路径期望传输次数PETX和发送节点ID；所述路径期望传输次数PETX表征路径的链路质量，它是路径上各链路的链路期望传输次数ETX值之和，其中ETX是指节点在一条链路上成功传递数据所需的期望传输次数；

1.2普通节点以周期t扫描各信道，其中t大于t0；在时间t内，记录接收到的信标Beacon包信息，普通节点一接收到信标Beacon包，首先判断接收信标Beacon包时的RSSI值是否大于-75dbm，若成立，则计算当前节点到网关节点的PETX值；否则丢弃该包，继续侦听，接收其他信标Beacon包；若在t时间内，普通节点还收到它的其他潜在父节点发的信标Beacon包，只有新路径的PETX值小于当前选取路径的PETX值时，普通节点才更新选取路径；那么普通节点在一个信道上侦听t时间后，若它的选取路径存在，该路径也是最优的路径；

1.3普通节点依次扫描完各个信道，选择最佳路径PETX值最小的信道作为当前节点的工作信道；

1.4选择工作信道的普通节点加入各子树，周期性地将自己的孩子节点数报告给父节点；

(2)信道调度，具体是：

2.1协调节点周期性地扫描各个信道，接收来自网关节点的数据包，以掌握各子树的网络规模；

2.2当各子树的孩子数不平衡时，协调节点向节点数最多的那个网关节点发送调度信息包；

(3)节点根据调度信息重新选择加入信道，具体是：

3.1网关节点接收调度信息包，并将调度信息包向下广播；

3.2网络中的普通节点接收到调度信息包，转发该调度信息包，并根据包内的信息，跳转到其他信道或继续留在原信道；具体是：

假如子树t_max是拥有节点数最多的子树，那子树里的节点以的概率跳出当前信道，其中是子树t_max的节点数，Δ_avr是各子树内的平均节点数；若节点确定要跳出当前信道，那它跳到其他信道，加入其他的子树的概率如下：

P_i＝0,Δ_i≥Δ_avr

$P_i=\frac{{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}-{\mathrm{\&Delta;}}_i}{\underset{t\&Element;T,{\mathrm{\&Delta;}}_i<{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}}{\mathrm{\&Sigma;}}({\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}-{\mathrm{\&Delta;}}_t)},{\mathrm{\&Delta;}}_i<{\mathrm{\&Delta;}}_{\mathrm{avr}}$

3.3选定工作信道的普通节点加入各子树，向父节点报告孩子数、发送数据包。