CN103906207B - 基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法，包括以下：（1）将加入网络的节点进行初始化，并建立邻居列表用于存储邻居节点的ID和调度信息；（2）发送端S有数据要传输时，查看自身的邻居列表是否有目标接收端R的调度信息；（3）根据步骤（2）中所获得调度信息，发送端S自适应按需唤醒，然后与接收端R进行数据传输；（4）根据发送端S的执行周期，自动更新邻居列表中每个邻居节点的调度信息。本发明较大程度的降低占空比和丢包率，从而减少收发节点的能耗并减少空闲侦听，保证传输率和吞吐量。

Description

基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法

技术领域

本发明涉及一种数据传输方法，具体涉及一种基于自适应按需唤醒技术的无限传感器网络数据传输方法。

背景技术

近年来，短距离无线通信传感器节点的功能不断发展变化中，同时具备感知、数据处理和通信功能是对这种微小传感器的基本要求、正是因为传感器技术日新月异的高速发展，大大的促进了基于大量传感器节点相互协作相互通信的无线传感器网络的实现。

对无线传感器网络影响非常重大的众多协议里面，数据链路级联层中的媒体访问控制协议占有极其重要的地位。在无线传感器网络节点中，能量主要消耗在通信模块，数据传输通信是最主要的耗能者，而媒体访问控制协议直接决定了如何使用无线网络信道，MAC协议是传感器网络性能的主要影响者，因此是保证无线传感器网络通信高校的关键协议之一。

发送端盲等现象是一直存在于接收端发起的异步MAC协议数据传输当中，其中发送端在发送数据前，可能要等待一段时间，甚至一直没机会得到传输，接收端的数据请求帧也可能因为冲突以及信道被占用，而一直无法被正确接收，这些，都会引起能耗和延时的增加。

现有技术中的短前导序列报文机制就是在低功耗侦听机制的基础上改进的，但在重负载下因为前导的传输过程需要很长时间的占用信道，导致网络性能大幅的降低。

现有技术中的接收端发起的异步MAC协议——RI-MAC协议是一个从接收端发起的数据传输协议，与B-MAC协议的显著不同之处是发送端和接收端之间如何协调数据传输时间。采用这样的协议也存在一定的问题，如：在网络数据负载流量大的网络中，发送端虽然要在接收端唤醒之前醒来，但接收端发送Beacon帧前，发送端未处于监听状态，则数据传输将推迟至接收端的下一次唤醒时刻。若接收端醒来时，其它节点正占用信道，接收端也同样要进入休眠。多个接收端同时发送Beacon帧，而产生冲突碰撞，这时接收端将利用退避等待算法去竞争无线信道，这将导致发送端的盲等现象，大大的增加了发送端的能耗，最终导致网络能量不均衡；优先级较高或者等待时间较长的数据无法优先传输，这样就无法保证优先级较高或者等待时间较长的数据先发送出去，造成了能量消耗增大。

现有技术中的采用的机制是发送端预测接收端唤醒机制。该机制在突发数据流量的情况下，每个节点的缓存队列中存储的数据包会很大，每个接收端醒来后都会有很多数据要接收，导致数据包的冲突会很大，也使该接收端长时间的占用信道，延时将大大的增加，传输成功率大幅度下降，增大了发送端的重传率；在数据流量小的情况下，节点按照预定的随机数序列在目标接收端唤醒前一刻唤醒，然后空闲侦听一个短暂时间，发现接收端并没有数据包要发送，接着发送端再次进入睡眠状态。因此数据流过大或过小的情况该机制的能耗均不理想。

现有技术中的提出了PA-MAC协议是在RI-MAC协议的基础上提出来的，在信标帧中加入了节点的下一次唤醒时间，这个时间是从Beacon发送第一个bite位开始到下一次唤醒的时间间隔，这样能够有效的避免发送端在数据传输前的长时间盲等问题。但是PA-MAC协议的不足也是十分明显的，比如调度信息的有效时间太短，最多只有2个执行周期，这样就导致了每个数据传输前的Beacon帧均要携带接收端的调度信息，这样也会消耗不必要的能量，同时调度信息并不够实时。这种协议虽然对RI-MAC协议的性能进行了改进，但改进并不算大，甚至不能跟PW-MAC协议相媲美。邻居列表中的调度信息的有效时间太短，最多只有2个执行周期，这样就导致了每个数据传输前的Beacon帧均要携带接收端的调度信息，这样也会消耗不必要的能量，同时调度信息并不够实时。这种协议虽然对RI-MAC协议的性能进行了改进，但改进并不算大。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法。

技术方案：本发明的一种基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法，其具体传输步骤如下：

(1)将加入网络的节点进行初始化，并建立邻居列表用于存储邻居节点的ID和调度信息；

(2)发送端S有数据要传输时，查看自身的邻居列表是否有目标接收端R的调度信息；

(3)根据步骤(2)中所获得调度信息，发送端S自适应按需唤醒，然后与接收端R进行数据传输；

其中，发送端S自适应按需唤醒的具体步骤如下：

A、发送端S上层有数据包需要发送时，发送端S先查询邻居列表中是否有接收端R的下一次唤醒调度信息，如果发送端S没有建立对应于接收端R的调度时间信息，则发送端S立即唤醒，启动短前导唤醒机制；如果发送端S建立对应于接收端R的调度时间信息，但是该时间小于当前时间，即该调度时间信息已经过期，则发送端S也要立即唤醒，启动短前导唤醒机；如果发送端S已有对应于接收端R的调度时间信息，且该时间没有过期，在未来的某个确切时间点，接收端R会唤醒，侦听无线信道，等待数据包的到来，当接收端R成功接收该数据包后，查看内部参数ShortFlag是否为1；

B、发送端S唤醒后开始侦听无线信道，若无线信道被占用，则等待一段时间后再侦听，直到信道空闲，当无线信道空闲后，发送端S启动短前导唤醒机制，发送带有目标节点地址的Start帧给接收端R，若非目标节点收到Start帧，则非目标节点直接切换至睡眠状态，而接收端R是目标节点则在被唤醒后可以侦听到Start帧，然后将节点内部参数ShortFlag设置为1，并回复发送端S一个Hello帧；发送端S在每个Start帧发送后均要有一段固定时间t的空闲侦听，在这空闲侦听间隔内接收Hello帧，若发送端S没有接收到接收端R发出的Hello帧，则发送端S继续周期性的发送Start帧，若发送端S接收到接收端R发出的Hello帧，则发送端S继续侦听无线信道，等待数据包的到来，接收端R成功接收数据包后，查看其内部参数ShortFlag是否为1；

C、因发送端S有接收端R的下一次唤醒调度信息且该信息未过期，则发送端S利用这个信息计算出接收端R的下一次唤醒时间，得到这个时间点后，发送端S只需要静静的保持休眠状态；发送端S在接收端R唤醒前醒来，等待接收端R广播的Hello帧，接收端R根据自己的调度表，按照周期调度中要求的时间点唤醒，侦听无线信道，检测信道是否被其它节点占用着，如果已经有其它节点正在占用信道进行数据传输，则接收端R退避等待一个Hello帧发送的时间，之后再侦听无线信道；如果信道空闲，则立即发送广播Hello帧给发送端S，发送端S成功接收接收端R发出的Hello帧后，继续侦听无线信道等待数据包的到来，当接收端R成功接收数据包后，查看其内部参数ShortFlag是否为1；

D、当ShortFlag＝1时，数据包成功接收后，接收端R回复给发送端S一个Beacon帧，该帧用于通知发送端S数据包已经成功接收同时询问发送端S是否还有后续数据包需要传输；因ShortFlag＝1，则接收端R在数据传输结束时发送的Beacon帧要携带接收端R节点最近一次唤醒的时间和接收端R节点发送Beacon的硬件前导第一比特所处的当前时间点，只有当这次数据传输是本次通信中最后一次，发送端S才存储最后一次Beacon中的调度信息，不然丢弃该Beacon帧中的调度信息；当ShortFlag＝0时，接收端R发送不带自身调度信息的Beacon帧给发送端S；

E、发送端S成功接收Beacon帧后，查询缓存队列长度，看看是否还有数据包要发送给接收端R，如果有数据包，当接收端R成功接收数据包后，查看其内部参数ShortFlag是否为1；如果节点缓存队列中没有数据包需要发送，则接收端R保持唤醒一段时间后进入睡眠状态，而发送端S利用Beacon帧中的发送Beacon帧的硬件前导第一比特所处的当前时间点、该Beacon帧的传输时间和发送端S自身当前时间，计算得到发送端S和接收端R的时间差，然后再利用时间差和接收端R最近一次唤醒时间，得到接收端R的下一次唤醒时间点，并保存到发送端S的邻居列表中，同时发送端S进入休眠状态；

(4)根据发送端S的执行周期，自动更新邻居列表中每个邻居节点的调度信息。

本发明中的Hello帧，有以下两个作用，一、充当数据包请求帧，即广播帧，用以表示该节点已经唤醒并准备好进行数据传输，二、当收到Start短前导帧后，回复给发送端用以确认准备接收数据包。

本发明中的Beacon帧，也同样发挥三个作用：一、数据包接收成功确认帧；二、连续接收下一个数据包的请求帧；三、给发送端发送本节点下一次唤醒调度信息，以便通信节点能够很好的预测对方的工作状态，减少不必要的空闲侦听。

有益效果：本发明的一种基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法，与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明充分利用短前导包的优势，即只有当发送节点未知接收节点的调度信息，且接收节点还处于睡眠状态这种情况下，才采用短前导技术，这样就并不是每次数据传输都会使用短前导包，很好减少短前导技术的使用次数，因此减少发送节点在每次数据发送中的能量消耗和对信道的占用，与传统的短前导技术相比，较大程度的调高了吞吐量和包传输比例。

(2)本发明通过预测接收端唤醒调度信息，但如果邻居列表中任意一个接收端唤醒调度信息到期后，节点自动添加一个执行周期，获得该节点的下下次唤醒调度时间，同时节点邻居列表中的调度信息都是相对调度信息，是在该节点的时间和邻居节点的唤醒调度时间基础上计算取得的，而且还添加一定的随机时间，这样即使多个发送端同时有数据发送给同一个接收端时，因为随机取值的存在，是的每个发送端预测该节点下一次唤醒的时间存在略微的差别，大大避免冲突，从而减少使用复杂的退避算法的概率，也会减少因退避值超出阈值而引发的数据重传。

(3)本发明较大程度的降低占空比和丢包率，从而减少收发节点的能耗。

(4)本发明大大的减少空闲侦听，保证传输率和吞吐量。

(5)本发明采用接收端发起的数据传输模式，同时引入类似短前导的Start包，作为Start信息的应答Hello帧，携带节点的工作状态，这样节点就能获知其他邻近节点的调度信息，数据传输方便灵活。

(6)本发明中方的Start包充短前导帧，发送端都可主动发送此帧唤醒接收端，以开启数据包的传输；当接收端接收Start帧后，发送Hello数据请求帧以作应答，并且在Hello帧中会携带本节点的下一次唤醒调度信息，以便对方节点能够获知该节点的调度信息。

附图说明

图1为本发明方案的整体流程图；

图2为本发明侦听状态下的流程图；

图3为本发明发送状态下的流程图；

图4为本发明接收状态下的流程图；

图5为本发明中的仿真场景示意图；

图6为本发明中仿真场景下的能耗示意图；

图7为本发明中仿真场景下的延时示意图；

图8为本发明中仿真场景下的吞吐量示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案结合附图进行详细说明。

如图1所示，节点加入网络中后首先要初始化，需要建立邻居列表并在之后的数据传输中记录对方节点的调度信息；当发送端的邻居列表中已经有目标接收端的下一次唤醒时间并且这个时间并没有过时，则发送端只需在接收端唤醒前一刻醒来等待接收端的广播Hello帧即可；当发送端的邻居列表中没有目标接收端的下一次唤醒时间或者这个唤醒时间已经过时，则启动短前导Start帧主动唤醒接收端；在所有的此次数据传输结束的时候，接收端传输信标(Beacon)帧，该帧包含接收端上一次唤醒时间和传输Beacon帧硬件前导第一比特的时间点。

每个节点有四个状态，分别为侦听状态、休眠状态、发送状态和接收状态，而当节点从休眠状态唤醒来后，首先要判断进入图2的侦听流程还是进入图3的发送数据流程。图2至图4为节点各个工作状态的流程示意图。

如图2所示，节点侦听无线信道：侦听到以自身为接收端的Start帧，转到接收数据接收状态，如图4所示；如果侦听到目标接收端的Hello帧，则转到发送数据发送状态，如图3所示。检测信道是否空闲，若忙碌，则退避一个Hello帧发送时间后继续检测信道是否空闲，若空闲，则接着查看缓存队列是否空闲。如果缓存队列空闲，则直接进入休眠状态，不然查看缓存队列中是否为数据包。如果不是数据包，则表示该节点无数据要发送，发送广播Hello帧后，转入接收数据流程4-4，查看网络中是否有数据要接收；如果是数据包，则表示该节点有数据要发送，此时并不直接等待接收端的Hello帧，而是要进行是否有接收端调度信息的判断。如果节点有目标接收端的下一次唤醒的调度信息，则将节点下次唤醒时间定时在接收端唤醒前一刻，然后直接进入休眠状态；如果节点没有目标接收端的下一次唤醒调度信息，则转到发送数据状态，如图3所示，发送短前导Start帧。

如图3所示，在发送状态时，节点首先查看自己的相关参数，确定是否直接发送数据包。在直接发送数据包时，节点在发送数据后侦听无线信道，等待接收端的Beacon帧，如果信道中有冲突，则不会接收到Beacon帧，而是接收到带BW的Hello帧，之后根据BW的值，根据随机函数选择退避时间后再次发送数据；如果信道无冲突，且有后续的数据包，立即发送，待所有数据包均发送完后，最后一次接收到的Beacon帧中有接收端的调度信息，则将调度信息存入邻居列表，之后进入休眠状态；如果超时后还没有收到Beacon确认帧，甚至是带BW的Hello帧也没有，则说明接收端可能损坏，节点转入休眠状态。在非直接发送数据包时，节点等待无线信道空闲下来发送短前导Start帧，在发送短前导帧间隔内侦听无线信道，等待接收端回复的Hello帧，如果Hello帧到来，则立即发送数据包，发送完数据包后，继续侦听信道等待接收端的Beacon确认帧，若还有连续的数据包，收到Beacon帧后立即发送后续数据，若所有的数据包均接收完全，则发送端存储最后一次接收的Beacon中调度信息，之后进入休眠状态；若如果迟迟等不来Hello帧，节点继续发送短前导帧直到发送时间超时，超时后进入休眠状态。

如图4所示，在接收状态时，节点首先查看是否已经接收了数据包。当接收了数据包时，查看ShortFlag的值，如果ShortFlag＝1，则Beacon帧中要携带节点的调度信息，如果ShortFlag＝0，则Beacon帧不带调度信息，将配置好的Beacon发送给发送端，询问是否有后续数据，侦听信道，若无数据，则根据缓存队列长度选择转入侦听状态或者转入休眠状态，若有数据，则接收数据，成功接收完数据后，查看ShortFlag的值，配置Beacon帧并发送，侦听信道。当未接收到数据包时，节点侦听无线信道，查询是否有数据包的到来，此时若无数据包到来，则根据缓存队列的长度选择转入侦听状态或者转入休眠状态；若有数据包到来，并且还发生了冲突，此时就要进行二进制退避算法，节点发送带BW值的Hello帧给发送端，之后侦听信道查询有无退避后的数据包到来；若有数据包到来且未发生冲突，则正常接收数据包，数据传输结束后，又要查看ShortFlag的值，配置Beacon帧并发送，询问是否有后续的数据包要接收，之后侦听无线信道，等待数据包到来。

实施例1：

以下进行实验测试验证：

实验平台：NS2网络仿真模拟器；

实验场景：如图5所示，为实验仿真场景，11个节点分布在半径为250米的圆形n to1拓扑场景，节点均匀分布在圆周，但场景中只有一个汇聚节点，位于圆点位置并且保持位置不变，而其他所有节点均向该汇聚节点发送数据包。

网络负载：而发送节点的CBR业务每秒产生10个数据包，即CBR业务发包时间间隔为0.1秒。

从图6至8，可以看出本发明与现有技术相比，性能较大很大的提高。从能耗的角度来看，随着数据流的增加，本发明方案的能耗和占空比均下降到传统方案的95％以下，吞吐量则是较传统方案上升10％左右。

Claims (1)

1.一种基于自适应按需唤醒技术的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：其具体传输步骤如下：

(1)将加入网络的节点进行初始化，并建立邻居列表用于存储邻居节点的ID和调度信息；

(2)发送端S有数据要传输时，查看自身的邻居列表是否有目标接收端R的调度信息；

(3)根据步骤(2)中所获得调度信息，发送端S自适应按需唤醒，然后与接收端R进行数据传输；

其中，发送端S自适应按需唤醒的具体步骤如下：

A、发送端S上层有数据包需要发送时，发送端S先查询邻居列表中是否有接收端R的下一次唤醒调度信息，如果发送端S没有建立对应于接收端R的调度时间信息，则发送端S立即唤醒，启动短前导唤醒机制；如果发送端S建立对应于接收端R的调度时间信息，但是该时间小于当前时间，即该调度时间信息已经过期，则发送端S也要立即唤醒，启动短前导唤醒机；如果发送端S已有对应于接收端R的调度时间信息，且该时间没有过期，在未来的某个确切时间点，接收端R会唤醒，侦听无线信道，等待数据包的到来，当接收端R成功接收该数据包后，查看内部参数ShortFlag是否为1；

B、发送端S唤醒后开始侦听无线信道，若无线信道被占用，则等待一段时间后再侦听，直到信道空闲，当无线信道空闲后，发送端S启动短前导唤醒机制，发送带有目标节点地址的Start帧给接收端R，若非目标节点收到Start帧，则非目标节点直接切换至睡眠状态，而接收端R是目标节点则在被唤醒后可以侦听到Start帧，然后将节点内部参数ShortFlag设置为1，并回复发送端S一个Hello帧；发送端S在每个Start帧发送后均要有一段固定时间t的空闲侦听，在这空闲侦听间隔内接收Hello帧，若发送端S没有接收到接收端R发出的Hello帧，则发送端S继续周期性的发送Start帧，若发送端S接收到接收端R发出的Hello帧，则发送端S继续侦听无线信道，等待数据包的到来，接收端R成功接收数据包后，查看其内部参数ShortFlag是否为1；

C、因发送端S有接收端R的下一次唤醒调度信息且该信息未过期，则发送端S利用这个信息计算出接收端R的下一次唤醒时间，得到这个时间点后，发送端S只需要静静的保持休眠状态；发送端S在接收端R唤醒前醒来，等待接收端R广播的Hello帧，接收端R根据自己的调度表，按照周期调度中要求的时间点唤醒，侦听无线信道，检测信道是否被其它节点占用着，如果已经有其它节点正在占用信道进行数据传输，则接收端R退避等待一个Hello帧发送的时间，之后再侦听无线信道；如果信道空闲，则立即发送广播Hello帧给发送端S，发送端S成功接收接收端R发出的Hello帧后，继续侦听无线信道等待数据包的到来，当接收端R成功接收数据包后，查看其内部参数ShortFlag是否为1；

D、当ShortFlag＝1时，数据包成功接收后，接收端R回复给发送端S一个Beacon帧，该帧用于通知发送端S数据包已经成功接收同时询问发送端S是否还有后续数据包需要传输；因ShortFlag＝1，则接收端R在数据传输结束时发送的Beacon帧要携带接收端R节点最近一次唤醒的时间和接收端R节点发送Beacon的硬件前导第一比特所处的当前时间点，只有当这次数据传输是本次通信中最后一次，发送端S才存储最后一次Beacon中的调度信息，不然丢弃该Beacon帧中的调度信息；当ShortFlag＝0时，接收端R发送不带自身调度信息的Beacon帧给发送端S；

E、发送端S成功接收Beacon帧后，查询缓存队列长度，看看是否还有数据包要发送给接收端R，如果有数据包，当接收端R成功接收数据包后，查看其内部参数ShortFlag是否为1；如果节点缓存队列中没有数据包需要发送，则接收端R保持唤醒一段时间后进入睡眠状态，而发送端S利用Beacon帧中的发送Beacon帧的硬件前导第一比特所处的当前时间点、该Beacon帧的传输时间和发送端S自身当前时间，计算得到发送端S和接收端R的时间差，然后再利用时间差和接收端R最近一次唤醒时间，得到接收端R的下一次唤醒时间点，并保存到发送端S的邻居列表中，同时发送端S进入休眠状态；

(4)根据发送端S的执行周期，自动更新邻居列表中每个邻居节点的调度信息。