CN103916939A - 一种无线链状传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线链状传输系统，包括若干排成链状的三层节点，其中第一层由普通节点构成，所述普通节点用于采集现场无线传感器网络的数据，第二层由簇头节点构成，所述簇头节点用于将其覆盖范围内普通节点采集的数据汇聚起来，其中直接与汇聚节点相通信的簇头节点称为转发簇头节点，所述转发簇头节点用于转发其他簇头节点的数据给汇聚节点，同时所述转发簇头节点还用于将其本身覆盖范围内普通节点的数据传输给汇聚节点，第三层由汇聚节点构成，汇聚节点用于接收转发簇头节点传输的数据转发给用户。本发明减少了数据包的传输时延提高了链状网络的可靠性。提高了链状网络的能量利用率。使链状网络的负载均衡。

Description

一种无线链状传输系统
技术领域
本发明涉及传感器技术和无线通信技术领域，尤其涉及一种无线链状传输系统，属于无线传感器网络应用领域。 
背景技术
现有无线传感器网络，一般假设其节点相对集中的分布在一个二维或三维空间，但某些情况，由于自然景观或人造设施的影响，形成一条细长的链状范围。例如，道路、桥梁、隧道、管道、高压输电线路等。类似上述的应用还有很多，链状网络的主要特点如下：(1)地理位置的限制要求传感器按照链状结构进行分布,其位置固定，不易发生改变；(2)节点资源受限：低能量供应、低带宽、低处理能力以及有限的通信能力；(3)特定的数据交互模式，数据只能沿着节点的部署定向传输。 
(1)从目前无线传感网技术研究的情况来看，现有的无线传感网络技术大多数是应用于面状区域的分布式检测领域的，针对无线链状传输系统，主要提出了以下几种网络架构：架构一：无线传感器网络中运用最广泛的就是Zigbee协议栈，其最大的特点是可实现自组网，为完成链状区域的数据监控，提出网络架构，通过若干个子网，最底层节点在物理上构成一个范围较广的链状区域；优点：ZigBee协议栈，其功能非常强大，使用方便。缺点：ZigBee丰富的功能是以增加路由过程中交互的数据量为代价的，在链状监测应用中，监测节点分布较为稀疏，节点的发射功率也较大，数据包单跳传输所消耗的能量不容小视，在这种情况下运用复杂的协议栈会产生一些不必要的开销，引起节点的能耗增加、响应速度变慢、弊大于利。与此同时ZStack协议栈完全是编译好的函数库，不支持用户对其核心代码进行任何修改，也就无法对其进行裁剪和优化。由于ZigBee协议是一个通用的无线传感网协议，其不针对一个特定场景的特殊应用，而无线链状传输系统要求将传感器按照链状结构进行分布，而且相邻的节点间的距离较远，需要硬件提高发射功率和接收灵敏度，射频电路工作时的功耗会 显著增大；如何保证链状网络中每个节点到汇聚节点的数据可靠传输；由于链状网络其结构单一，数据传输具有单向性，越靠近汇聚节点的节点因为转发消息的频率远高于其他节点，会形成链状网络的能量空洞效应，造成网络失效时网络中其他节点仍具有较高的能量，即如何提高能量利用率，减少能量消耗和实现网络的负载均衡。 
发明内容
针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种提高能源利用效率，消除能量空洞、使链状网络的负载均衡的无线链状传输系统，本发明的技术方案如下：一种无线链状传输系统，所述链状传输系统包括若干排成链状的节点，所述链状传输系统包括三层节点，其中第一层由普通节点构成，所述普通节点用于采集现场无线传感器网络的数据，第二层由簇头节点构成，所述簇头节点用于将其覆盖范围内普通节点采集的数据汇聚起来，其中直接与汇聚节点相通信的簇头节点称为转发簇头节点，所述转发簇头节点用于转发其他簇头节点的数据给汇聚节点，同时所述转发簇头节点还用于将其本身覆盖范围内普通节点的数据传输给汇聚节点，第三层由汇聚节点构成，汇聚节点用于接收转发簇头节点传输的数据转发给用户； 
所述链状传输系统的普通节点包括普通发送节点与普通接收节点，所述普通发送节点与普通接收节点之间通过单跳或/和多跳通信方式进行通信，所述普通发送节点向普通接收节点发送请求发送包RTS，当普通接收节点收到请求发送包RTS后应答一个发送允许包CTS给普通发送节点，所述普通发送节点收到发送允许包CTS后开始发送数据包给普通接收节点； 
进一步的，所述链状传输系统的节点在物理层采用射频传输模块进行发送，在MAC层采用调度式接入法进行接入，在网络层采用静态路由协议。 
更进一步的，所述射频传输模块采用CC2530作为无线射频收发器，所述MAC层采用TIMAC协议栈。 
本发明的优点及有益效果如下： 
本发明采用保证单跳范围内的可靠无线通信，这样节点的无线收发器就可以在较低的功率级别上工作，此外这种路由机制不必进行路由发现、建立和维护，从而进一步节省了能量开销，大大减少了数据包的传输时延，十分有利于网络的节能和监测信息的及时传输提高了链状网络的可实现性。提高了链状网络的可靠性。提高了链状网络的能量利用率。使链状网络的负载均衡。 
附图说明
图1是本发明优选实施例链状网络应用场景； 
图2是ZigBee链状网络； 
图3是链状网络的层次模型； 
图4是单跳数据的可靠传输； 
图5是节点通过接力方式实现数据的多跳传输； 
图6无线链状传输系统网络协议； 
图7无线链状网络能量分布策略。 
具体实施方式
下面结合附图给出一个非限定性的实施例对本发明作进一步的阐述。 
如图1所示，该链状结构由三个层次构成，最底层由普通节点构成，主要负责数据的采集，第二层由簇头节点构成，簇头节点主要汇聚其覆盖范围普通节点采集的数据，同时向汇聚节点转发其下游簇头节点的数据。第三层由汇聚节点构成，汇聚节点主要向用户发送数据。 
优点：该层次结构具有较好的可扩展性：完成更长范围的监控，只需增加汇聚节点即可；也可减少链状网络边缘节点到汇聚节点的跳数，减少延时。缺点：该层次结构只是从理论方面分析了可行性，并没有考虑实际可操作性，例如簇头如何选取等，同时也没有考虑能量受限的问题，靠近汇聚节点的簇头不仅要汇聚本簇内的数据，而且也要转发下游节点的数据，因此负担最重，其能 量消耗得最快，因而会造成网络的瘫痪。也有相关文献提出轮流选举簇头，但是这样节点就需要知道全网的信息，无疑增加了系统的复杂度，也降低了系统的可操作性。 
(1)数据的可靠传输 
为保证数据传输的可靠性，只需要保证单跳范围内的可靠无线通信即可，这样节点的无线收发器就可以在较低的功率级别上工作，此外这种路由机制不必进行路由发现、建立和维护，从而进一步节省了能量开销，大大减少了数据包的传输时延，十分有利于网络的节能和监测信息的及时传输。 
在CSMA/CA机制下，存在比较严重的“隐蔽”节点和“暴露”节点问题，所以发送者和接收者在通信前需要使用RTS/CTS控制协议进行握手，首先，发送者向接收者发送请求发送包(RTS),接收者收到后应答一个发送允许包(CTS),发送者收到CTS包后才正式开始发送数据包。通过RTS/CTS信号握手的方式会使通讯效率略微下降，但是比起数据冲突带来的负面影响，这一点是损失是值得的，它从整体上减少了由于数据包冲突导致的网络资源的浪费。 
若两个节点之间的通信失败，说明下游节点可能损坏，为了提高链状网络的健壮性，可提高发送节点的发射功率，将数据传输给下游节点。 
(2)提高能源利用效率，消除能量空洞 
链状网络节能主要从物理层、MAC层和网络层三个方面来考虑。在物理层，主要通过采用短距离、低功耗射频技术达到节省能量的目的；MAC层主要通过设计低碰撞、灵活、自适应接入技术节省能量；网络层主要通过可靠有效路由、数据融合技术达到节省能量的目的。 
物理层： 
采用短距离、低功耗的射频传输模块。例如CC2530，CC1100等。 
MAC层： 
采用基于调度式的MAC接入控制方案，减少因碰撞而消耗的能量；采用周期性睡眠机制,减少空闲侦听的能量消耗；减少控制信息在网络中传输，从而降 低能耗。 
网络层 
选择合适的路由机制，权衡单跳和多跳传输的能耗消耗，同时也可采用简单的数据融合方案，减少传输的数据包等。 
在链状网络中负载不均衡必然存在，因为靠近汇聚节点的节点会多次参与的数据转发，能量消耗快，因此，让节点携带不同的能量，靠近汇聚节点近的节点携带更多的能量，远离汇聚节点的节点携带较少的能量，以达到整个网络的平衡。 
初始化阶段，主要完成网络建立，设备入网等； 
工作阶段，将时间分片，每当设备从睡眠状态进入活动状态后，由汇聚节点同步整个网络；在指定时间内，节点接收汇聚节点的询问命令；随后的时间片，节点采集数据发送给数据监控中心；最后节点再次进入睡眠状态，节省能量。 
图7中图中的圈表示节点所携带的能量，圈越大，节点能量越多；靠近汇聚节点的节点，转发数据多，能量消耗快，让其携带更多的能量，可以达到整个网络的负载均衡。本发明采用TI的CC2530作为无线射频收发器，移植TIMAC协议栈，TIMAC可以实现点到点的可靠传输，在TIMAC基础上添加网络层，实现设备入网、退出网络等功能，采用静态路由协议，实现数据包的多跳传输；在网络层上添加相应的应用层协议，实现不同的应用， 
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。 

Claims (3)

1.一种无线链状传输系统，所述链状传输系统包括若干排成链状的节点，其特征在于：所述链状传输系统包括三层节点，其中第一层由普通节点构成，所述普通节点用于采集现场无线传感器网络的数据；第二层由簇头节点构成，所述簇头节点用于将其覆盖范围内普通节点采集的数据汇聚起来，其中直接与第三层的汇聚节点相通信的簇头节点称为转发簇头节点，所述转发簇头节点用于转发其他簇头节点的数据给汇聚节点，同时所述转发簇头节点还用于将其本身覆盖范围内普通节点的数据传输给汇聚节点，第三层由汇聚节点构成，汇聚节点用于接收转发簇头节点传输的数据并转发给用户；
所述链状传输系统的普通节点包括普通发送节点与普通接收节点，所述普通发送节点与普通接收节点之间通过单跳或/和多跳通信方式进行通信，所述普通发送节点向普通接收节点发送请求发送包RTS，当普通接收节点收到请求发送包RTS后应答一个发送允许包CTS给普通发送节点，所述普通发送节点收到发送允许包CTS后开始发送数据包给普通接收节点。
2.根据权利要求1所述的无线链状传输系统，其特征在于：所述链状传输系统的节点在物理层采用射频传输模块进行发送，在MAC层采用调度式接入法进行接入，在网络层采用静态路由协议。
3.根据权利要求2所述的无线链状传输系统，其特征在于：所述射频传输模块采用CC2530作为无线射频收发器，所述MAC层采用TIMAC协议栈。
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