CN103974442B - 一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法，包括如下步骤：(1)无线传感器节点周期性工作，每个工作周期为一帧，其中一帧由多个时隙组成，一个时隙由多个子时隙组成；(2)无线传感器节点根据路由信息，将每一帧中的时隙分配成一个广播时隙和多个单播时隙；(3)根据跳频算法，无线传感器节点在每个时隙都进行信道切换；(4)无线传感器节点根据路由信息在每个时隙选择唤醒子时隙。本发明的低延时调度方法在端到端的数据平均延时、数据延时上限性能指标都得到了改善，并且减缓了广播风暴问题。

Description

一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法
技术领域
本发明涉及一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法，属于无线传感器网络技术。
背景技术
无线传感器网络是一种利用传感器节点监测环境并向汇聚节点报告感知信息的多跳自组织网络。它提供了一种新型智能信息获取模式，在入侵检测、目标跟踪、工业自动化和医疗监护等领域广泛应用，并逐渐步入大规模部署阶段。
这些应用场景通常呈现相关流量突发特点：经过长时间的空闲状态或低流量负载状态后，当“感兴趣”的事件发生时，网络会突然活跃并进入突发高流量负载状态。在这种情况下，多个传感器节点产生大量数据并将其报告给汇聚节点。然而，由于同时传输导致的传输碰撞易造成传输延时增大、数据包丢失及错误命令等问题，网络服务质量受到严重影响。此外，无线传感器网络主要工作在2.4GHz ISM频段，会和WiFi等无线网络共用这一频段。无线信道所具备的开放共享特征决定了这些网络之间存在互相干扰，而且由于无线传感器网络节点收发机功率普遍较低，就更容易被其他网络所干扰。
目前无线传感器网络收发机芯片普遍提供多信道支持。通过创新的多信道MAC协议机制提高网络服务质量已成为研究热点。尽管现有多信道协议较传统协议有较大性能提升，但是仍有许多需要改善的地方。首先，很多无线传感器网络应用(如工业检测、目标跟踪、医疗检测等)对数据延时非常敏感。设计MAC协议时，不仅要考虑能量高效，数据延时和吞吐量同样需要重点关注。然而，占空比工作模式引入了睡眠延时，即当一个节点需要传输数据时，不得不等待下一跳节点唤醒时，才能发送此数据，这样导致了端到端延时的显著上升。此外，广播是一项重要的通信原语，通常用于数据分发、路由发现、系统更新的任务。但是多信道接入给广播通信带来了挑战，通常一个广播包不得不通过冗余的单播传输完成。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法，解决目前无线传感器网络多信道MAC协议存在的睡眠延时问题和高效广播支持问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法，包括如下步骤：
(1)无线传感器节点周期性工作，每个工作周期为一帧，其中一帧由多个时隙组成，一个时隙由多个子时隙组成；
(2)无线传感器节点根据路由信息，将每一帧中的时隙分配成一个广播时隙和多个单播时隙；
(3)根据跳频算法，无线传感器节点在每个时隙都进行信道切换；
(4)无线传感器节点根据路由信息在每个时隙选择唤醒子时隙。
所述步骤(2)中，路由信息为无线传感器节点到汇聚节点的跳数信息，汇聚节点将每帧中的第一个时隙作为自己的广播时隙，该帧中的其它时隙作为单播时隙；距离汇聚节点跳数为1的无线传感器节点，将每帧中的第二个时隙作为自己的广播时隙，该帧中的其它时隙作为单播时隙；距离汇聚节点跳数为N的无线传感器节点，将每帧中的第a个时隙作为自己的广播时隙，将该帧中的其它时隙作为单播时隙，其中N≥1，a为N％m+1，m为每帧包含的隙数。
所述步骤(3)中，跳频算法为：当网络密度小于阈值或可用信道数多于阈值时使用伪随机跳频算法，其余情况使用基于拉丁方的跳频算法。
所述步骤(4)中，路由信息为无线传感器节点到汇聚节点的跳数信息，每个节点选择第b个子时隙进行唤醒，b＝n-N％n，其中N为该节点距离汇聚节点的跳数，n为每个时隙包含的子时隙数。
传统方案中，当数据进行多跳传输时，在每一跳都存在睡眠延时，转发节点不得不长时间的等待，直到目的节点唤醒并接收数据。本发明方法中多跳路径上的节点顺序唤醒，大大减少了睡眠延时。因此显著降低了数据端到端延时和延时上限。
传统方案中，当汇聚节点进行广播时，网络内所有节点都在同一时刻进行发送和接收广播数据，这样广播风暴问题严重。此外两个广播时隙间隔非常大，导致数据传输延时增大。本发明方法中，从汇聚节点开始，依次顺序将广播时隙分配给每一层节点。这样一方面降低了广播风暴问题，另一方面，减少了广播间隔，从而时广播延时减低。
有益效果：本发明提供的适用于无线传感器网络的低延时调度方法，与现有的多信道MAC相比，一方面实现了数据的低延时多跳传输，另一方面有效的提供了多信道广播支持，具体为：1、通过频分方法降低同层节点干扰，通过时分方法降低不同层节点干扰；2、节点根据路由信息顺序唤醒，解决汇聚传输时睡眠延时问题；3、不同层节点选择不同时隙作为广播时隙，减少了睡眠延时，同时减缓了广播风暴问题。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为实施例的应用场景示意图；
图3为实施例中工作周期的时间结构图；
图4为节点单播调度示例图；
图5为广播时隙和单播时隙分配图；
图6为本发明的新型无线传感器网络的低延时调服方法与传统调度方法的数据单播延时仿真对比图；
图7为本发明的新型无线传感器网络的低延时调服方法与传统调度方法的数据广播延时仿真对比图；
图8为本发明的新型无线传感器网络的低延时调服方法与传统调度方法的广播接收数据总数仿真对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示为一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法，包括如下步骤：
(1)无线传感器节点周期性工作，每个工作周期为一帧，其中一帧由多个时隙组成，一个时隙由多个子时隙组成；
(2)无线传感器节点根据路由信息，将每一帧中的时隙分配成一个广播时隙和多个单播时隙；
此步骤中的路由信息为无线传感器节点到汇聚节点的跳数信息，汇聚节点将每帧中的第一个时隙作为自己的广播时隙，该帧中的其它时隙作为单播时隙；距离汇聚节点跳数为1的无线传感器节点，将每帧中的第二个时隙作为自己的广播时隙，该帧中的其它时隙作为单播时隙；距离汇聚节点跳数为N的无线传感器节点，将每帧中的第a个时隙作为自己的广播时隙，将该帧中的其它时隙作为单播时隙，其中N≥1，a为N％m+1，m为每帧包含的隙数；％为取余运算符，例如5％4＝1；在文中给出距离为1跳节点的广播时隙为2是举例说明，可以用上述公式计算出，如果每帧包含的时隙数为4，那么距离汇聚节点1～5跳的节点广播时隙分别为2、3、4、1、2。
(3)根据跳频算法，无线传感器节点在每个时隙都进行信道切换；所述跳频算法为：当网络密度小于阈值或可用信道数多于阈值时使用伪随机跳频算法，其余情况使用基于拉丁方的跳频算法；
(4)无线传感器节点根据路由信息在每个时隙选择唤醒子时隙；
此步骤中的路由信息为无线传感器节点到汇聚节点的跳数信息，每个节点选择第b 个子时隙进行唤醒，b＝n-N％n，其中N为该节点距离汇聚节点的跳数，n为每个时隙包含的子时隙数；图4为一个例子，该例中n＝9，节点K-H-D-B-S的唤醒子时隙依次为5～9，其中节点S是汇聚节点。
下面结合实例对本发明做出进一步的说明。
如图2所示为实施例的应用场景示意图，该示意图中一个汇聚节点和多个传感器节点分布在监测区域。当感知到目标信息时，节点向汇聚节点报告。当需要系统更新、时间同步等任务时，汇聚节点通过多跳转发的方式将广播包传送网络中的传感器节点。
如图3所示为实施例中工作周期的时间结构图，其中网络生命周期由M个帧组成，每一帧由N个时隙组成，每个时隙由P个子时隙构成。
如图4所示为节点单播调度示例图，图中的<X，Y>，X代表节点在某个时隙的侦听信道，Y代表节点在某个时隙的唤醒子时隙。信道计算方法如下：
(1)当网络密度小或可用信道数多时，使用伪随机计算公式Cn+1＝(aCn+b)modn，其中Cn+1为下一个时隙的侦听信道号，Cn为当前时隙的侦听信道号，n为可用信道数，a和b的取值根据最大周期原则，本实施方案中的取值为a＝5，b＝1；
(2)其它情况使用基于拉丁方的跳频算法进行信道切换。系统配置初期，所有无线传感器网络节点都在默认信道完成初始化工作。初始信道分配任务通过分布式算法实现。当未分配到初始信道时，节点侦听信道并广播分配请求帧(ARF)。邻居节点接收到ARF后随机退避并回复确认帧(ACK)。通过上述两次握手，节点就可以建立自己的邻居链表。然后，按照邻居节点地址大小，依次将可用信道分配给邻居节点作为其起始跳频信道。当邻居节点数量不大于可用信道数时，每个节点都可以分配到不同的信道，进而避免信道竞争。当邻居节点数量超出可用信道数时，根据最小重复原则分配起始信道。最后，节点广播分配完成帧(AFF)，实现第三次握手。邻居节点接收到AFF后，将信道分配信息记录到邻居链表中。值得注意的是，如果接收到ARF时，节点已经完成初始信道分配工作，那么它就在ACK中将自己的分配结果告知给请求节点，请求节点不再对此节点进行重新分配。初始信道分配后，节点根据如下公式进行信道的切换：
当可用信道数小于4时，Cn+1＝Cn％n+1
当可用信道数不小于4时，
唤醒子时隙的计算公式如下：S＝Ns-modNs，其中，S为节点在每个单播时隙的唤醒子时隙，Ns为每个时隙包含的子时隙数，为节点距离汇聚节点的跳数。
如图5所示为列举的一个网络内节点广播时隙和单播时隙分配图，其中每一帧包含4个时隙，每个时隙包含6个子时隙。分配方法为，汇聚节点(节点S)选择每个周期的第一个时隙作为自己的广播时隙，距离汇聚节点一跳的节点(节点A)选择第二个时隙作为自己的广播时隙，其余作为单播时隙。依次类推，计算公式为：距离汇聚节点跳数为的无线传感器节点，将每帧中的第个时隙作为自己的广播时隙，其中m为每帧包含的时隙数，将该帧中的其它时隙作为单播时隙。
使用NS2网络仿真模拟器对本案与传统技术方案进行性能测试。
实验场景1为链式拓扑场景，传输跳数从1到8。图6给出了端到端延时随跳数变化的趋势。随着跳数增加传统方案的平均端到端延时和延时上限都快速增加，而本案中，上升趋势明显减缓。当跳数增加到8时，传统方法中的平均延时和延时上限分别为5.92秒和9.28秒，本案的平均延时和延时上限分别为4.21秒和5.73秒，性能分别提升了29％和38％。
实验场景2为60个节点的随机分布在1000m*1000m的环境中，其中汇聚节点在右上角，并周期发送广播包，共50个。其它节点第一次接收到广播时转发广播此数据。图7为网络中传感器节点接收到广播包的延时累积分布函数曲线。可以看出，传统方法中的平均广播延时和延时上限分别为58.22秒和174.74秒。本案的平均广播延时和延时上限分别为25.87秒和88秒。性能分别提升了44％和50％。
图8给出了所用传感器节点接收到广播包的数据。可以看出，传统方法中，每个节点平均接收到的广播包数量为415，其中节点28共接收了672个广播包。本案中大多数节点的接收数量都不超过200。由此可见，本案方法减少了冗余接收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于无线传感器网络的低延时调度方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)无线传感器节点周期性工作，每个工作周期为一帧，其中一帧由多个时隙组成，一个时隙由多个子时隙组成；
(2)无线传感器节点根据路由信息，将每一帧中的时隙分配成一个广播时隙和多个单播时隙；路由信息为无线传感器节点到汇聚节点的跳数信息，汇聚节点将每帧中的第一个时隙作为自己的广播时隙，该帧中的其它时隙作为单播时隙；距离汇聚节点跳数为1的无线传感器节点，将每帧中的第二个时隙作为自己的广播时隙，该帧中的其它时隙作为单播时隙；距离汇聚节点跳数为N的无线传感器节点，将每帧中的第a个时隙作为自己的广播时隙，将该帧中的其它时隙作为单播时隙，其中N≥1，a为N％m+1，m为每帧包含的隙数；
(3)根据跳频算法，无线传感器节点在每个时隙都进行信道切换；
(4)无线传感器节点根据路由信息在每个时隙选择唤醒子时隙；路由信息为无线传感器节点到汇聚节点的跳数信息，每个节点选择第b个子时隙进行唤醒，b＝n-N％n，其中N为该节点距离汇聚节点的跳数，n为每个时隙包含的子时隙数。
2.根据权利要求1所述的适用于无线传感器网络的低延时调度方法，其特征在于：所述步骤(3)中，跳频算法为：当网络密度小于阈值或可用信道数多于阈值时使用伪随机跳频算法，其余情况使用基于拉丁方的跳频算法。
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