CN102724741B - 基于微周期的适用于无线传感器网络路由节点的休眠方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，包括：同步整个无线传感器网络上所有节点的全局时钟；在位路由节点依据全局时钟，将时间划分为以τ为单位长度的微周期，在位路由节点以τ为单位周期性进入休眠状态；所述在位路由节点为在当前时段内负责中继任务的路由节点；微周期τ由探测时间和休眠时间组成，位路由节点在探测时间内进行数据的接收、发送，在探测时间内处于休眠状态。能有效降低网络中的节点能耗，提高网络生存期。

Description

基于微周期的适用于无线传感器网络路由节点的休眠方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络和物联网技术领域，尤其涉及无线传感器网络路由节点节能技术。

背景技术

无线传感器网络由于受工作环境所限，通常需要由电池供电。为了延长网络生存期，采用休眠机制来降低节点能耗成了无线传感器网络的核心问题之一。目前的休眠机制有两种：（1）节点休眠策略：根据业务需求，调整节点本身的休眠时间，降低能耗；（2）网络休眠策略：根据网络的整体覆盖需求或连通性需求，周期性的使得某些节点进入休眠状态。

在普通传感节点上，这两种机制都可以有效工作。如图1(a)所示，节点休眠策略可以依据传感终端的业务需求周期性的进入休眠状态，从而减少传感节点空闲等待的能量消耗，大幅度提高节点的生存时间。网络休眠策略可以依据监测需求，在覆盖冗余的情况下让某些节点轮流休眠，从而提高网络生存期。

但是，在负责中继任务的路由节点上，节点休眠策略无法有效工作。因为路由节点一旦进入休眠状态，是无法由邻居通过网络信令唤醒的，而路由节点的中继需求是随机发生、并且难以预测的。这就意味着，路由节点必须一直处于工作状态，无法通过休眠降低能量消耗。若采用网络休眠策略，则需要网络中存在足够的冗余节点，在保证网络连通性和覆盖性条件下，根据某种休眠调度策略让一部分路由节点轮流进入休眠状态，从而使网络生存周期延长。这种方式存在两个问题：（1）必须建立在能担当路由任务的节点有充分冗余的基础上；（2）任何一个节点，只要在充当路由节点的时间段内（这种节点可称为“在位路由节点”），仍然是一直工作的，无法进入休眠状态以节约能耗，如图1(b)所示。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在无线传感器网络中的路由节点休眠方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，包括：

同步整个无线传感器网络上所有节点的全局时钟；

在位路由节点依据全局时钟，将时间划分为以τ为单位长度的微周期，在位路由节点以τ为单位周期性进入休眠状态；所述在位路由节点为在当前时段内负责中继任务的路由节点；微周期τ由探测时间τ_probe和休眠时间τ_sleep组成，位路由节点在探测时间τ_probe内进行数据的接收、发送，在探测时间τ_sleep内处于休眠状态；

微周期τ满足：

$\max (t_{\mathrm{start}}+t_{\mathrm{stop}},\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{probe}}\·P_{\mathrm{work}}+E_{\mathrm{start}}+E_{\mathrm{stop}}}{P_{\mathrm{work}}})\≤\mathrm{\τ}\≤\frac{D_{\mathrm{limit}}}{\mathrm{Max}\_\mathrm{Cycles}\·n}$

其中，t_start为节点启动过程的耗时，t_stop为节点进入休眠过程的耗时，τ_probe为微周期τ中划分的探测时间，P_work为节点工作状态能耗，E_start为从休眠状态启动到工作状态需要的能量，E_stop为从工作状态转换到休眠状态消耗的能量；D_limit为网络最大传输时延，n为网络中最远两点节点之间的跳数，Max_Cycles为未成功竞争到信道的报文生存的微周期数上限。

本发明提出了在位路由节点的休眠机制，从而允许任何在位路由节点都可以周期性的进入休眠状态，并且，在兼顾网络传输质量以及节能两方面提出了微周期的设置方法。

具体的，位路由节点在探测时间τ_probe内进行数据的接收、发送的具体方法为：

探测步骤：在探测时间τ_probe的开始时刻，马上进行信道侦听，若信道中有数据，则进入数据接收处理步骤；若信道中无数据，则进入信道争用处理步骤；

数据接收处理步骤：在位路由节点接收信道中的数据并对数据的目的地址进行判断，若接收数据的目的地址非本节点地址，则立即进入休眠状态；若接收数据的地址为本节点地址，则节点接收数据，并在接收结束后立即进入休眠状态；

信道争用处理步骤：若在位路由节点有数据要发送，则进行微随机后退处理，当微随机后退处理结束时仍处于当前的探测时间τ_probe内且信道空闲，在位路由节点发送数据，否则返回探测步骤；若在位路由节点没有数据要发送，则立即进入休眠状态。

具体的，微随机后退处理为在位路由节点随机后退时间τ_back，时间τ_back小于探测时间τ_probe，随机后退结束后继续进行信道监测，若信道中有数据，则进入数据接收处理步骤，若信道中无数据，则发送数据。

进一步的，为了保证信道竞争与数据发送的时间，探测时间τ_probe满足：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{probe}}\≥\frac{\mathrm{Pkt}\_\mathrm{Max}\_\mathrm{Lenth}}{\mathrm{Data}\_\mathrm{Rate}}+\mathrm{RRT}$

其中，Pkt_Max_Lenth为最大报文长度，Data_Rate为网络传输速度，RRT为网络两个相邻节点之间的最大数据往返时间。

本发明的有益效果是，降低网络中的节点能耗，提高网络生存期。

附图说明

图1是现有机制下节点状态图示意图；

图2是微休眠机制下路由节点状态示意图；

图3是普通路由节点的工作方式；

图4是在位路由节点的工作方式。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明做更进一步的说明。

首先，为了和冗余部署环境下的路由节点轮流休眠策略相区别，定义“在位路由节点”的概念。所述“在位路由节点”，是考虑到一个节点可能在某些时间段内担任路由功能，而某些时间段又作为普通路由节点使用，不担任路由功能，因此将正在担任路由功能的这些节点称为“在位路由节点”。

在现有机制中，在位路由节点不能进入休眠状态。本发明采用微休眠策略，允许在位路由节点周期性的进入休眠状态，同时保证在位路由节点能够正常完成中继转发等路由功能。具体包括：

传感器网络节点均依据时钟，形成全网的时间同步。微休眠机制下的网络时间同步算法可以分为两个阶段：发现阶段和同步阶段。

发现阶段主要在网络中产生一个分层的拓扑结构，使每个节点被赋予一个层次号。首先选取sink节点作为根节点并赋予层次号0，然后由它广播一个level-discovery包，1evel-discovery包中封装有发送者的标识和层次号，根节点的直接相邻节点收到这个包后将包中的层次号加1作为自身的层次号，然后它们再广播一个新的level-discovery包，重复这个过程直至网络中的每个节点都赋予一个层次号，最后无线传感器网络形成了分层拓扑结构。

同步阶段，在这个阶段中，从根节点开始与其下一层节点进行成对同步，接着属于第i层的节点与第i-1层的节点进行成对同步，i∈{0,…,n}，n为网络中最远两点间的路由跳数。最终每个节点都同步于根节点并获得了网络的全局时间同步。

在位路由节点依据时钟，将时间划分为以τ为单位长度的微周期，在位路由节点以τ为单位周期性进入休眠状态，减少节点能量消耗。

一、τ长度的确定：

假设网络最大传输时延限制用D_limit表示，网络中最远两点间的路由跳数为n，这些参数都可以在实际应用中，根据无线传感器网络的应用需求、网络规模、部署方式等具体数值获得。

一个需要发送数据的节点，可能面临两种情况：（1）数据产生时，路由节点微周期的probe期已结束，此时节点需等待下一个微周期的probe期，等待时间最大为微周期的长度τ；（2）数据产生时，恰好处于路由节点微周期的probe期，该节点可马上竞争信道发送数据。考虑到信道竞争失败的情况，设定该报文在经过Max_Cycles个微周期后，若仍未成功竞争到信道，则该报文传输失败，报文被丢弃。

所以，在最坏情况下，应该保证：

D_limit≥τ·Max_Cycles·n

由上述公式知：

$\mathrm{\τ}\≤\frac{D_{\mathrm{limit}}}{\mathrm{Max}\_\mathrm{Cycles}\·n}$

假设节点启动过程耗时t_start，进入休眠过程耗时t_stop，则至少要满足条件：τ≥t_start+t_stop。

在此基础上，若微周期长度太小，则路由节点总是处于频繁的休眠与启动过程中，达不到节能效果，反而会耗费更多的能量。设节点工作状态能耗为P_work，从休眠状态启动到工作状态需要的能量为E_start，从工作状态转换到休眠状态消耗的能量为E_stop，则微周期τ需满足如下条件：

τ·P_work≥τ_probe·P_work+E_start+E_stop其中τ_probe为微周期中的工作阶段。

因此，微周期τ需要满足：

$\max (t_{\mathrm{start}}+t_{\mathrm{stop}},\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{probe}}\·P_{\mathrm{work}}+E_{\mathrm{start}}+E_{\mathrm{stop}}}{P_{\mathrm{work}}})\≤\mathrm{\τ}\≤\frac{D_{\mathrm{limit}}}{\mathrm{Max}\_\mathrm{Cycles}\·n}$

二、τ周期内的时间划分：

如图2所示，微周期“τ”由τ_sleep和τ_probe两部分组成，即：

τ=τ_probe+τ_sleep

其中τ_probe为微周期的探测时间，在此时间内，在位路由节点进行信道监听，若信道处于忙碌状态，则节点在τ_probe结束后立即进入休眠状态，若信道空闲且在位路由节点有数据发送，则节点向父节点发送数据；τ_sleep为微周期的休眠时间，在此时间段内，在位路由节点处于休眠状态，减少节点空闲等待的能量消耗。

为了保证信道竞争与数据发送的时间，τ_probe需要满足：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{probe}}\≥\frac{\mathrm{Pkt}\_\mathrm{Max}\_\mathrm{Lenth}}{\mathrm{Data}\_\mathrm{Rate}}+\mathrm{RRT}$

上式中，Pkt_Max_Lenth表示最大报文长度，Data_Rate为网络传输速度，RRT为网络两个相邻节点之间的最大数据往返时间。

三、基于微周期的工作方式-普通路由节点工作方式：

图3为微休眠机制下普通路由节点的工作方式。普通路由节点依据自身已有的休眠机制进入休眠与工作状态。普通路由节点若有数据产生且需上报，则在微周期监测时间τ_probe达到时刻监测信道，若信道处于忙碌状态，则节点需暂存数据，并在下一个微周期τ_probe到达时刻继续争用信道；若信道处于空闲状态，则节点采用微随机后退策略，并在随机后退时间小于父节点的探测时间τ_probe且信道空闲的情况下，立即发送数据，但若节点在本次τ_probe时间内未能成功争用信道，则节点需暂存数据，并在下一工作周期内继续进行信道争用。

四、基于微周期的工作方式-在位路由节点工作方式：

图4为在位路由节点的工作方式。在位路由节点在微周期开始时刻进行信道监测，若信道处于忙碌状态则进行如图所示的数据接收处理，若信道处于空闲状态则进行如图所示的信道争用处理。

所谓数据接收处理是指在位路由节点接收数据并进行目的地址判断，若接收数据的目的地址为本节点，则节点接收数据，并在数据接收后立即进入休眠状态；若接收数据的目的地址不是本节点地址，则节点进入休眠状态，以减少节点空闲等待的能量消耗。

信道争用处理的具体内容是：若在位路由节点没有数据发送，则节点保持侦听状态，以实时接收并处理需要本节点转发的数据；若节点有数据发送，则节点后退微随机后退时间τ_back，并τ_back时间结束后继续进行信道监测。若监测信道为忙碌状态，则进行上述的数据接收处理，若监测信道为空闲状态，则立即发送节点数据。

Claims (7)

1.基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，包括：

同步整个无线传感器网络上所有节点的全局时钟；

在位路由节点依据全局时钟，将时间划分为以τ为单位长度的微周期，在位路由节点以τ为单位周期性进入休眠状态；所述在位路由节点为在当前时段内负责中继任务的路由节点；微周期τ由探测时间τ_probe和休眠时间τ_sleep组成，在位路由节点在探测时间τ_probe内进行数据的接收、发送，在休眠时间τ_sleep内处于休眠状态；

微周期τ需满足：

$\max (t_{\mathrm{start}}+t_{\mathrm{stop}},\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{probe}}\·P_{\mathrm{work}}+E_{\mathrm{start}}+E_{\mathrm{stop}}}{P_{\mathrm{work}}})\≤\mathrm{\τ}\≤\frac{D_{\mathrm{limit}}}{\mathrm{Max}\_\mathrm{Cycles}\·n}$

其中，t_start为节点启动过程的耗时，t_stop为节点进入休眠过程的耗时，τ_probe为微周期τ中划分的探测时间，P_work为节点工作状态能耗，E_start为节点由休眠状态启动到工作状态需要的能量，E_stop为节点从工作状态转换到休眠状态消耗的能量；D_limit为网络最大传输时延，n为网络中最远两个节点之间的跳数，Max_Cycles为未成功竞争到信道的报文生存的微周期数上限。

2.如权利要求1所述基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，所述探测时间τ_probe需满足：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{probe}}\≥\frac{\mathrm{Pkt}\_\mathrm{Max}\_\mathrm{Lenth}}{\mathrm{Data}\_\mathrm{Rate}}+\mathrm{RRT}$

其中，Pkt_Max_Lenth为最大报文长度，Data_Rate为网络传输速度，RRT为网络两个相邻节点之间的最大数据往返时间。

3.如权利要求1或2所述基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，所述在位路由节点在探测时间τ_probe内进行数据的接收、发送的具体方法为：

探测步骤：在探测时间τ_probe的开始时刻，马上进行信道侦听，若信道中有数据，则进入数据接收处理步骤；若信道中无数据，则进入信道争用处理步骤；

数据接收处理步骤：在位路由节点接收信道中的数据并对数据的目的地址进行判断，若接收数据的目的地址非本节点地址，则立即进入休眠状态；若接收数据的地址为本节点地址，则节点接收数据，并在接收结束后立即进入休眠状态；

信道争用处理步骤：若在位路由节点有数据要发送，则进行微随机后退处理，当微随机后退处理结束时仍处于当前的探测时间τ_probe内且信道空闲，在位路由节点发送数据，否则返回探测步骤；若在位路由节点没有数据要发送，则立即进入休眠状态。

4.如权利要求3所述基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，微随机后退处理为在位路由节点随机后退时间τ_back，时间τ_back小于探测时间τ_probe，随机后退结束后继续进行信道监测，若信道中有数据，则进入数据接收处理步骤，若信道中无数据，则发送数据。

5.如权利要求4所述基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，所述发送数据为在位路由节点将数据发送至其父节点。

6.如权利要求1所述基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，所述节点包括在位路由节点、普通路由节点；所述普通路由节点为不负责中继任务的叶节点；

普通路由节点依据全局时钟，将时间划分为以τ为单位长度的微周期，微周期τ由探测时间τ_probe和休眠时间τ_sleep组成；当休眠时间τ_sleep达到时刻不会触发普通路由节点进入休眠状态；

普通路由节点若有数据产生且需发送，则在监测时间τ_probe达到时刻监测信道，若信道处于忙碌状态，则普通路由节点暂存数据，并在下一个探测时间τ_probe到达时刻继续监测信道；若信道处于空闲状态，则信道争用处理。

7.如权利要求6所述基于微周期的适用于无线传感器网络的路由节点休眠方法，其特征在于，所述信道争用处理为，若普通路由节点有数据要发送，则进行微随机后退处理，当微随机后退处理结束时仍处于当前的探测时间τ_probe内且信道空闲，在普通路由节点发送数据，否则下一个探测时间τ_probe到达时刻继续争用信道。