CN103415063A - 一种基于网络编码的ZigBee 网络节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，在定时采集网状系统中，终端节点每隔一段时间采集传感器信息；终端节点采用广播的方式发送数据；下一跳节点收到时间戳相同的n个数据包后，采用随机网络编码方式将这几个数据包编码，然后广播出去，如此循环，直到目的节点接收到数据包。本发明所提出的ZigBee网络节能方法使终端节点发送数据包的次数大大降低，同时也降低了中间节点接收和发送数据包的次数。

Description

一种基于网络编码的ZigBee 网络节能方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的节能方法，尤其涉及一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法。

背景技术

ZigBee技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准。伴随着ZigBee2007协议的逐渐成熟，ZigBee技术在智能家居和商业楼宇自动化方面有较大的应用前景。ZigBee技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白。

低功耗是针对终端节点而言的，因为路由器和协调器需要一直处于供电状态。终端节点大多采用电池供电，但是在比较恶劣的野外环境中更换电池困难。所以如何进一步降低终端节点的能耗是一个非常关键的问题。

目前，ZigBee终端节点实现低功耗的方法是让终端节点定时休眠。终端节点对数据的采集一般是定时采集。例如采集温度数据，由于温度变化很慢，所以可以定时采集，其它时间终端节点都在休眠(休眠时工作电流在微安级，可以忽略不计)。一般情况而言，市面上每节5号电池的电量为1500mA·h，对于两节5号电池供电的终端节点而言，总电量为3000mA·h。已知终端节点在数据发送期间需要的瞬时电流是29mA，在数据接收期间所需要的瞬时电流为24mA，再加上传感器的工作电流30mA(为了讨论方便，假设各种传感器所需要的工作电流为30mA，这个假设值已经很大了)。那么数据在发送期间所需要的总电流为59mA，接收期间所需要的总电流为54mA，如果终端节点不休眠的状态下大约可以连续工作50小时。如果终端节点每分钟采集一次数据(假设每小时的工作时间为50s)，其它时间处于休眠状态，那么终端节点大约可以连续工作1500小时，大约半年时间。

通过上面的分析可知，终端节点在发送数据的过程中消耗的电量比较大，所以还可以通过减少终端节点的发送次数来降低功耗。在对实时性要求不太严格的场合中可以将节点定时采集的数据存储起来，一段时间后发出去(节点仍然定时休眠)。

本发明的目的就是通过减少终端节点发送次数降低ZigBee终端节点的功耗，从而实现ZigBee网络的整体节能。

发明内容

为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，

在定时采集网状系统中，终端节点每隔一段时间采集传感器信息；

终端节点采用广播的方式发送数据；

下一跳节点收到时间戳相同的n个数据包后，采用随机网络编码方式将这几个数据包编码，然后广播出去，如此循环，直到目的节点接收到数据包。

作为本发明的进一步改进，编码时：各链路上的系数在有限域上随机选取，而且链路上的系数与该链路上的线性组合均需传输至下一节点。

作为本发明的进一步改进，终端节点发送的数据包格式，ZigBee2007协议栈应用支持子层帧主要包含四个部分：应用程序支持子层头、辅助帧头、应用程序支持子层净荷、消息完整性码。

作为本发明的进一步改进，应用程序支持子层净荷包含了应用程序需要发送的命令或者数据信息。

作为本发明的进一步改进，应用程序支持子层净荷分成两个部分：包头区和数据区。

作为本发明的进一步改进，包头区存入各链路系数。

作为本发明的进一步改进，数据区存入实际采集的数据。

作为本发明的进一步改进，包头区存入各链路系数由在具体的网络中与实际接收到广播信息的数量和跳数决定。

本发明所提出的ZigBee网络节能方法使终端节点发送数据包的次数大大降低，同时也降低了中间节点接收和发送数据包的次数。

除了目的节点外的所有中间节点，只要在一个足够大的有限域F上随机选择系数，且目的节点收到的线性组合的系数矩阵是满秩的，那么信宿节点就可以采用高斯消元法成功的译码。当|F|=216且网络中的链路数为|E|=28时，译码的成功率可达99.6%,其实|F|=28就足够实际使用了。

虽然存在译码不成功的可能性(非常的小)，一旦发现译码不成功，只要终端节点重复发送一次数据即可。即使这样的情况发生，从整体上来说网络的能耗相对于传统网络还是低的。可见，本发明完全可以实现降低节点能耗的目的。

附图说明

图1是本发明终端节点发送数据包格式；

图2是本发明采用随机网络编码的节能网络；

图3是本发明A、B、C、D节点发送数据包格式；

图4是本发明E、F、G节点发送数据包格式；

图5是本发明Z1、Z2节点发送数据包格式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明用于对功耗要求比较严格的ZigBee无线传感器网络中。

提升网络吞吐量，采用更少的发送次数使终端节点数据包到达目的节点，从而降低终端节点的功耗。本发明采用随机网络编码的方式来提升网络吞吐量，降低节点能耗。随机网络编码的编码和译码的基本思想是：编码时将所有消息进行线性组合，所采用的系数均为随机选用；译码时采用高斯消元法求解线性方程组而恢复出原始消息。随机网络编码属于分布式的构造方法，因为每个节点在选择系数时不需要了解其他节点的任何消息，具有较好的可扩展性和可实施性。

下面结合ZigBee2007协议栈说明ZigBee网络节能方法的工作原理。在定时采集网状系统中，终端节点每隔一段时间采集传感器信息，并将信息发送给协调器进行处理。终端节点采用广播的方式发送数据，下一跳节点收到时间戳相同的n个数据包后，采用随机网络编码方式将这几个数据包编码，然后广播出去，如此循环，直到目的节点接收到数据包。

编码原理：

首先，链路系数的选取。各链路上的系数(μ1，μ2，……μn)在有限域上随机选取，而且链路上的系数与该链路上的线性组合均需传输至下一节点。其次，定义终端节点发送的数据包格式。ZigBee2007协议栈应用支持子层帧主要包含四个部分：

①应用程序支持子层头

②辅助帧头

③应用程序支持子层净荷

④消息完整性码

其中应用程序支持子层净荷包含了应用程序需要发送的命令或者数据信息。本发明将应用程序支持子层净荷分成两个部分：包头区和数据区。包头区存入各链路系数(假设为6个字节，在具体的网络中与实际接收到广播信息的数量和跳数有关)；数据区存入实际采集的数据(此例假设为8个字节)。如图1所示。

下面举一个例子，具体说明一下节能网络的工作原理。如图2所示，终端节点A、B、C、D通过中间节点E、F、G、H、I将数据发给协调器J。

具体编码过程为：由于A、B、C、D节点只采集和发送数据，不进行网络编码。其包头区的6个字节定义为0，数据区数据为实际采集的值，假设分别为x1、x2、x3、x4，数据包分别定义为X1、X2、X3和X4，如图3所示。

E节点接收到A和B节点的广播数据后进行线性组合使y1=μ1X1+μ2X2，同理F处的线性组合为y2=μ3X2+μ4X3，G处的线性组合为y3=μ5X3+μ6X4。将y1、y2和y3存入数据包Y1、Y1和Y3的数据区，由于E、F、G节点进行了网络编码，所以在Y1、Y1和Y3包头区的前2个字节分别存入μ1、μ2和μ3、μ4和μ5、μ6，如图4所示。

H和I节点接收到广播的数据包后，分别读取数据包数据区的数据进行线性组合，将编码后的数据存入Z1和Z2的数据区，编码系数μ7、μ8和μ9、μ10依次存入Z1和Z2包头区的第5、6字节，包头的前四个字节分别存放接收到的数据包的包头，即上几跳的编码系数，如图5所示。

译码原理接收节点的译码通过求解线性方程组来实现。继续上面的例子，J点一共收到3个数据包Z1、Z2和Y2,组成方程组为：

$\left\{\begin{array}{c}Z1=\mathrm{\μ}7Y1+\mathrm{\μ}8Y2\\ Z2=\mathrm{\μ}9Y2+\mathrm{\μ}10Y3\\ Z3=Y2\end{array}\right.$

只要Y1、Y2和Y3的系数矩阵满秩，通过联立方程组即可译码出信息Y1、Y2和Y3。同理通过Y1、Y2和Y3和编码系数μ1、μ2、μ3、μ4、μ5和μ6即可译码出原始信息X1、X2、X3和X4。

由以上分析可知，若ZigBee网络采用网络编码的方式，信源节点A、B、C、D分别发送一次数据，中间节点E、F、G也分别只需要发送一次数据，目的节点J通过译码便可以接收到全部数据包；若ZigBee网络采用传统的数据包传递方式，由于瓶颈路径的存在，即每次只允许一个数据包通过，需要信源节点A、B、C、D多次重复发送数据，中间节点E、F、G多次转发数据，才可以保证目的节点J收到全部的数据包，这样在多次收发数据后网络节点会消耗更多的能量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：

在定时采集网状系统中，终端节点每隔一段时间采集传感器信息；

终端节点采用广播的方式发送数据；

下一跳节点收到时间戳相同的n个数据包后，采用随机网络编码方式将这几个数据包编码，然后广播出去，如此循环，直到目的节点接收到数据包。

2.根据权利要求1所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：编码时：各链路上的系数在有限域上随机选取，而且链路上的系数与该链路上的线性组合均需传输至下一节点。

3.根据权利要求2所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：终端节点发送的数据包格式，ZigBee 2007协议栈应用支持子层帧主要包含四个部分：应用程序支持子层头、辅助帧头、应用程序支持子层净荷、消息完整性码。

4.根据权利要求3所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：应用程序支持子层净荷包含了应用程序需要发送的命令或者数据信息。

5.根据权利要求4所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：应用程序支持子层净荷分成两个部分：包头区和数据区。

6.根据权利要求5所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：包头区存入各链路系数。

7.根据权利要求5所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：数据区存入实际采集的数据。

8.根据权利要求5所述的一种基于网络编码的ZigBee网络节能方法，其特征在于：包头区存入各链路系数由在具体的网络中与实际接收到广播信息的数量和跳数决定。

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