CN102917467B - 无线传感器网络的异步预约信道接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络的异步预约信道接入方法，其步骤为：每个节点设置自身独立的侦听睡眠周期以降低网络运行能耗；接收节点自身唤醒后发送一个采集包给邻近的发送节点用于获取周围发送节点的数据包信息，这个采集包中包含了接收节点希望采集信息的发送节点列表；当周围的发送节点收到这个采集包后，会按照采集包中预定的顺序将自己本次想要发送的数据包数目依次通过汇报包发回给接收节点；接收节点收到邻近发送节点的汇报包后获取本次需要发送数据包的发送节点地址以及每个节点需要发送的数据包数目，然后发送启动包发起本次传输；已经预约好的发送节点按照预定的顺序一次发送多个数据包给接收节点完成本次传输。该方法使接收节点能在一个周期内预约多个发送节点进行批量数据传输，有效提高了传输效率和降低能耗。

Description

无线传感器网络的异步预约信道接入方法

技术领域

本发明涉及无线网络领域，特别涉及无线传感器网络设计领域，具体给出无线传感器网络的异步预约信道接入方法。

背景技术

在无线传感器网络应用系统中，节点采集到数据后通常会通过中继节点进行转发将数据包传递到汇聚节点，并通过汇聚节点将数据发送到后台进行监控。无线传感器网络应用领域比较广泛，节点可布设在森林农田、厂矿工地以及港口物流等众多环境。很多时候节点一般采用电池供电且其电池容量较小，分布在实际的应用环境后电池难以更换，但是应用系统往往需要节点持续工作数月到数年，所以能量效率是无线传感器网络设计考虑的重点。

目前无线传感器网络应用系统中信道接入方法是其中最重要的技术之一，是影响网络总体性能的重要因素，当多个节点进行数据通信的时候，需要比较有效的方法来协调节点的数据通信行为以达到最高的网络通信性能和最低的能耗。目前的技术中节点一般采用周期性的侦听和睡眠调度以降低能耗，即节点周期性地进入睡眠状态以降低能耗，在唤醒的时候发送数据给邻居节点。最有代表性的周期性侦听睡眠的信道接入机制是叶伟提出的S-MAC协议,它最早由参考文献“An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”(W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, IEEE INFOCOM, June 2002)提出。S-MAC协议按照周期性方式运行，协议的一个周期分为侦听期和睡眠期两个部分，其中的侦听期又分为同步阶段和数据阶段，侦听时间和整个周期长度的比率为占空比，协议运行过程中周期长度和占空比均固定。节点在侦听期间唤醒进行数据通信，在睡眠期间进入睡眠状态以降低功耗。为保证节点之间正确通信，协议设计采用定期同步的机制，通过周期性接收和转发同步包使得节点之间形成一致的侦听睡眠调度，从而保证节点之间能够进行正确通信。

但是在实际的无线传感器网络应用中，往往存在许多难点问题需要解决：①实际无线传感器网络中的数据流量经常变换，而且很多情况下是无规律或者规律不可循，采用固定周期和占空比的方法，当数据流量大的时候，容易引起缓冲区溢出丢包，而数据流量小的时候，不必要的唤醒过程耗费能量，从而使得网络性能低下。②在传感器网络节点之间维持同步是一个复杂过程，因为传感器节点需要侦听一段时间，接收到同步包后设置自己的调度，然后转发同步包，最终使全网形成一致的调度，这是一个耗费时间耗费能量的过程。③在接收节点醒来的时候往往有多个发送节点积累了数据包，如果每次只和一个发送节点进行数据通信，其它节点只能等到下一个周期才能发送数据，从而降低了数据传输延迟和吞吐率等方面的性能。这些存在的问题严重影响了无线传感器网络在工业控制，安全检测，火灾安防等许多领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种无线传感器网络的异步预约信道接入方法，使得网络中的节点在网络数据负载变化情况下能够保持优良的适应能力，同时不需要在线调节周期和占空比从而避免同步困难问题。在网络中节点数目比较多的时候能够加快数据传输的速度和减小传输的延迟，并最大程度降低网络运行能耗。

本发明的无线传感器网络的异步预约信道接入方法，基本思想是能让网络中的节点独立进行侦听睡眠调度，在进行数据通信的时候能够采用多节点预约和批量传输的方式提高网络性能，其步骤如下：

1、系统初始阶段网络中的节点设置按照周期T设置自身独立的侦听睡眠调度，节点按照一定的占空比（Duty Cycle，DC）周期性地进入睡眠和侦听状态以节约能量，节点之间的睡眠唤醒过程相互之间独立而不需要进行同步；

2、接收节点通过预约多个发送节点进行批量数据传输，每次接收节点唤醒后采用邀请的方式进行数据传输，接收节点发送一个采集包（Collection Packet，CP）给邻近的发送节点，这个采集包中包含了接收节点本次希望接收的发送节点，用于获取周围发送节点当前需要发送的数据包信息，这些信息包括希望发送数据的发送节点地址，以及每个发送节点本次希望发送数据包数目等；

3、接收节点一跳范围内的发送节点接收到采集包CP后，按照采集包中预定的顺序将自己本次想要发送的数据包数目NPcur依次通过汇报包（Report Pacet，RP）发回给接收节点，汇报包RP中包括发送节点本次希望发送的数据包数目和地址信息；

4、接收节点收到邻近的发送节点的汇报包RP后获取本次需要发送数据包的发送节点数目N以及每个节点需要发送的数据包数目NPcur，然后广播一个启动包(Start Packet, SP)发起本次数据通信过程；

5、已经预约好的发送节点按照预定的顺序在通信时间到来的时候一次发送批量数据以提高传输效率，当所有的发送节点都传输完数据后接收节点通告本次数据通信过程结束。

进一步地，步骤2中多个发送方是通过接收节点定期的更新检测获取的，具体方法为接收节点每次接收到一个数据包后，通过数据包的源地址域获取发送节点的地址并存在本地的缓冲区中。接收节点用于记录邻居节点信息的缓冲区容量有限，节点会设置一个超时时间T，如果在时间T内节点没有收到对应的邻居发送节点发送数据包，则将这个地址信息从缓冲区中删除以回收相应的空间给新节点使用。

进一步地，采集包CP中除了包头等和校验等基本信息外，还依次包含接收节点地址和发送节点地址，其中发送节点地址在采集包中按照地址编号由大到小排列的以便于管理。汇报包RP除了包头等和校验等基本信息外，还包含节点自身的地址，发送的目的地址和节点当前需要发送的数据包数目NPcur。启动包SP包含启动标志和接收节点地址信息。

进一步地，步骤5中发送批量数据具体方法为：按照预约好的传输顺序，第一个节点连续将当前缓冲区中需要发送的数据包依次发送出去，每个发送的数据包之间的时间间隔为SIFS，使得接收方能够有一定时间处理收到的数据包信息。然后接收节点收到后回复第一个类型的确认包ACK1确认当前节点的传输，这个确认包ACK1的另外一个作用是预约下一个发送节点进行数据传输，下一个发送节点也将按照同样的方法批量进行数据传输，当最后一个发送节点将数据发送完毕，接收节点收到后回复第二个类型确认包ACK2结束本次数据传输。第一个类型的确认包ACK1包含接收节点地址、当前传输的发送节点地址和下一个需要传输的发送节点地址，第二个类型的确认包ACK2包含接收节点地址和当前发送节点地址。

进一步地，接收节点发送采集报CP后，如果某些发送节点本次没有数据需要发送，则这个节点不回复汇报包RP，但是仍然将占用发送RP包所需要的时槽，以防打乱汇报包传输的顺序。

附图说明

图1为本发明中的一个典型的无线传感器网络拓扑图，

图2为本发明中采集包、汇报包、ACK1、ACK2的帧结构图，

图3为本发明中批量传输过程示意图，

图4为本发明中提出的方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步说明。

一个典型的无线传感器网络拓扑结构如图1所示，节点D为节点A、B和C的父节点，节点E为节点D的父节点。当节点A、节点B和节点C将数据包发送给节点D，此时节点D是接收节点而节点A、B、C是相应的邻居发送节点。节点中设置数据包缓冲区，当节点接收到数据包后不能及时发送出去，则会存储在当前的数据缓冲区中等待下次发送机会。

节点D每次收到来自它的子节点的数据包，则将相应的节点地址纪录在自身的缓冲区中。故节点D收到了来自节点A、节点B和节点C的数据包后，会将数据包中的地址域复制到自身的地址缓冲区中，同样，节点E上将保存节点D的地址信息。如果由于某些原因导致拓扑发生变化，则节点上相应的地址也会及时更新变化，这些地址信息将被用于异步数据传输。

当子节点在接收到数据包后由于睡眠或者冲突等原因无法立即发送出去的时候，数据包将会在本地缓冲区中进行缓存，如果数据包到达的速度大于数据包被发送出去的速度，数据包将会在本地缓冲区中堆积起来。假设在一次通信开始前节点A、B、C、D当前缓冲的数据包数目分别为η1，η2，η3，η4。当接收节点D醒来后，开始发送一个采集包CP给节点A、B、C，用于收集邻居子节点的相关数据传输信息。采集包的数据格式如图2（a）所示，其中包括数据头中的帧长度（Frame Length），帧控制域（Frame Control Field），以及数据包主体的源地址（Src）、帧校验（FCS）和各个希望接收的发送者的地址Send1, Send2, Send3,…,Send n。在本例中假设节点A、B、C的地址号大小依次为节点A>节点B>节点C，则采集包中节点A、B、C的地址出现顺序依次为A-B-C。当发送节点A、B、C接收到采集包后，计算出各自在本次传输过程中需要发送的数据包数目NPcurA、NPcurB、NPcurC，需要发送的数据包数目可能会小于节点当前缓冲区中的数据包数目。发送节点A、B、C将会计算轮到自身发送汇报包的时间以避免包传输冲突，并按照采集包中的节点地址顺序依次将本次需要发送数据包数目信息依次通过汇报包传输给接收节点D。汇报包的结构在图2（b）中描述，除了包头信息外，主要包括节点本次需要发送的数据包数目（Packet Number）和发送节点本身的地址Src和目的地址Dst。

当预约过程完成后，接收节点D发送一个启动包SP发起本次多节点批量数据传输，批量传输过程如图3所示，假设节点A为预约的第一个节点，节点A将按照预约的数据包数目发送第一批数据包，这些数据包之间的间隔均为SIFS。等接收节点D收集到节点A所有的数据后，返回一个ACK1包给节点A，其包格式见图2（c），其中包含了本次确认的发送节点地址Dst1和下一个邀请的节点地址Dst2。这个包起到两个作用，一方面是对当前发送节点A发送的数据包序列进行确认，另外一方面是通过这个ACK1通过继续预约下一个发送节点B进行数据传输。当最后一个发送节点的数据包序列发送完毕时候，接收节点将发送一个ACK2给这个发送节点，这个ACK2不再包含下一个需要传输的节点号，从而完成本次数据传输过程。整个数据传输过程如图4所示。

如果在这个数据传输过程中，节点A和节点C有批量数据包需要发送，但是节点B没有数据包需要发送，则在数据包预约阶段，节点B不会回复相应的汇报包给节点D进行数据传输预约，但是保留传输汇报包需要的时间，使整个回复包传输过程按照预定的顺序进行而不受干扰。这些没有数据包传输的节点将继续保留这个汇报包所需要占用的时槽的并保持安静状态。由于回复包是一个比较短的控制报文，仅仅包含地址和数据包数目信息，预留这个传输的时间对协议运行本身的能耗影响不大。

Claims (3)

1.无线传感器网络的异步预约信道接入方法，其特征在于包括以下步骤：

1）节点运行在多跳网络中并具有独立的侦听睡眠周期，接收节点每接收到一个数据包会通过数据包的源地址域获取邻居发送节点的地址并存于本地的缓冲区中，同时设置一个超时时间T，如果在时间T内节点没有收到对应的邻居发送节点发送的数据包，则将这个地址信息从本地缓冲区中删除；此外节点通过定期更新检测和网络拓扑发生变化时邻居节点主动汇报动态更新邻居节点地址信息；

2）接收节点通过预约多个发送节点进行批量数据传输，每次接收节点唤醒后发送一个采集包给邻近的发送节点，这个采集包中包含了接收节点希望接收的发送节点地址列表，用于获取周围发送节点当前需要发送的数据包信息；

3）接收节点一跳范围内的发送节点接收到采集包后，按照采集包中预定的顺序将自己本次希望发送的数据包数目依次通过汇报包发回给接收节点，汇报包中包括发送节点本次希望发送的数据包数目；每个邻居节点按照采集包中地址顺序依次发送汇报包，如果由于睡眠原因，节点无数据需要发送，节点将继续保留这个汇报包所需要占用的时槽，并保持安静状态，使所有汇报包传输过程按照预定的顺序进行而不受干扰；

4）接收节点收到所有邻近的发送节点的汇报包后获取本次实际需要进行数据传输的发送节点数目以及每个节点需要传输的数据包数目，然后广播一个启动包发起本次数据通信过程；

5）已经预约好的发送节点在预定的时间到来时一次发送批量数据以提高传输效率，当所有的发送节点都传输完数据后接收节点通告本次数据通信过程结束。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的异步预约信道接入方法，其特征在于所述的采集包内容依次为帧长度，帧控制域，以及数据包主体的源地址、帧校验和希望接收的n个发送者的地址Send1, Send2, Send3,…,Sendn，发送者地址是按照地址编号由大到小排列的；所述的汇报包包含节点自身的地址，发送的目的地址和节点当前需要发送的数据包数目，所述的启动包包含启动标志和接收节点地址信息。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的异步预约信道接入方法，其所述的一次发送批量数据方法具体为：按照预约好的传输顺序，第一个节点连续将当前缓冲区中需要发送的数据包依次发送出去，每个发送的数据包之间的时间间隔为SIFS，使得接收方能够有一定时间处理收到的数据包信息；然后接收节点收到后回复第一个类型的确认包ACK1确认当前节点的传输，这个确认包ACK1的另外一个作用是预约下一个发送节点进行数据传输，下一个发送节点也将按照同样的方法批量进行数据传输，当最后一个发送节点将数据发送完毕，接收节点收到后回复第二个类型确认包ACK2结束本次数据传输；其中第一个类型的确认包ACK1包含接收节点地址、当前传输的发送节点地址和下一个需要传输的发送节点地址，第二个类型的确认包ACK2包含接收节点地址和当前发送节点地址。