CN104038991B - 一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，首先，对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信，然后，汇聚节点进行全网周期性时间同步，最后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输。本发明综合考虑了长距离线型无线传感器网络特点，采用跨层设计方法，结合通信判决门限、时隙部署方式等，使其更加适用于跨层协议，解决了周期性侦听睡眠带来的长时延问题。

Description

一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络和电子测控领域，特别涉及了一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法。

背景技术

随着无线传感器网络的技术发展和应用，其在工程中的应用越来越广泛，作为工业应用中常见的网络拓扑结构，长距离线型无线传感器网络具有广泛的应用前景和发展空间。长距离线型无线传感器网络是一种在工程中常见的结构，其监控区域近似于线条，如道路、车轨、矿井、河流、桥梁等都可近似为线型区域。目前对于无线传感器网络本身的研究热点主要集中在3个方面的关键技术上：网络通信协议、网络管理技术以及网络支撑技术。主要体现在：MAC协议、路由协议、节能降耗以及节点定位四个方面。由于无线传感器网络节点由电池供电，节点的生命周期决定了网络的生命周期，因而从节能降耗的角度设计传感器网络成为当今研究热点。

影响无线传感器网络生命周期的一个重要因素是网络协议。目前广泛使用的网络协议有zigbee、182.15.4等基于层次结构的网络协议，但是，由于无线信道的动态变化特性、无线介质的不可靠性、广播特性、WSN的能量、存储能力、通信能力、计算能力资源受限等特点，使得此类网络协议不能良好的应用于长距离线型无线传感器网络。因此，需要研究一种适用于长距离线型无线传感器网络的网络协议，从而更好的实现网络资源分配，延长网络生命周期并提高网络性能。

为了解决上述分层协议带来的问题，研究者提出了跨层设计方法，该方法打破了严格分层的规定，层与层之间可以融合成一层，也可进行数据共享，减少数据计算和信息通信，根据不同的设计需求，对各层进行优化，从而实现网络整体性能的改善和优化。跨层协议的这一设计思想使得协议依赖于不同的接口或层间融合要求，因而不可能具备分层协议的广泛适用性。

虽然目前有很多基于跨层设计方法的无线传感器网络协议，但是，多数针对特定应用和较复杂的协议框架，并不适用于工业应用中的线型传感器网络。因而，需要基于跨层设计的方法设计一种充分考虑线型网络和工程应用特点的跨层协议。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明旨在提供一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，既克服传统分层协议的缺点，又能满足现有跨层协议无法达到的广泛的适用性要求。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，包含以下步骤：

（1）对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信；

（2）汇聚节点进行全网周期性时间同步；

（3）时间同步之后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输。

其中，每个传感器节点通过固定路由的方式向汇聚节点传输数据，即传感器节点路由的路径是已知的。

其中，每个传感器节点都将数据存储在自己的缓冲区，每个节点都设置一个缓冲区数据量最大值，若节点当前的缓冲区数据量超过该最大值，则表示出现网络拥塞，该节点停止中继其他节点的数据，并降低自身数据采集速率。

其中，传感器节点在传输数据时，将具有相同汇聚节点和相同数据类型的数据融合后再上传。

其中，上述步骤（2）中的时间同步采用粗粒度同步方式，由汇聚节点广播包含编号的一系列信标帧，以保证网内所有节点均至少接收到一个信标帧，传感器节点根据信标帧的编号计算唤醒时间，达到时间同步的目的。

其中，上述步骤（3）中的时隙部署请求为LS-RTS请求，所述LS-RTS请求包括RTS、链编号和数据发送时间，RTS里包含数据发送所需时间，链编号用于区别是否为同一路由路径上的传感器节点，数据发送时间是该传感器节点部署的数据发送时隙。

其中，侦听阶段的某一路由路径：源节点-传感器节点N1-…-传感器节点Nn-汇聚节点，n为自然数，完成时隙部署的具体过程是：

a）所述源节点计算数据发送时间，广播LS-RTS信号；

b）传感器节点N1接收到该LS-RTS信号，部署时隙，并计算下次数据发送时间存到其对应的LS-RTS信号中，然后传感器节点N1调节发送功率使得源节点和传感器节点N2都在其通信半径内，发送本节点的LS-RTS信号；

c）当源节点收到传感器节点N1的LS-RTS信号时则认为步骤（1）请求发送成功，传感器节点N2收到传感器节点N1的LS-RTS信号时，重复步骤b），直至传感器节点Nn接收到来自传感器节点Nn-1的LS-RTS信号；

d）传感器节点Nn回复CTS信号给传感器节点Nn-1，以保证建立通信。

其中，传感器节点在接收LS-RTS请求后，需要通过门限判决公式来判定是否具备通信条件，若具备通信条件，则部署时隙，若不具备通信条件，则当前传感器节点根据已知的所有节点的位置，找到能够参与通信的邻居节点，调节自身发射功率，使得两者之间可以建立通信；

所述通信门限判决公式：

其中，是信号LS-RTS的信噪比，是该传感器节点的信噪比门限值，是该传感器节点的当前缓冲区数据量，是该传感器节点的缓冲区数据量最大值，是该传感器节点的剩余能耗；是该传感器节点的低能耗限制，d、、分别表示当前传感器节点位置、汇聚节点位置、源节点位置。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明综合考虑了长距离线型无线传感器网络特点，采用跨层设计方法，结合通信判决门限、时隙部署方式等，使其更加适用于跨层协议，解决了周期性侦听睡眠带来的长时延问题。经理论分析与仿真实验对比了本发明和其他几种现有协议的数据时延和网络总能耗，分析结果显示，本发明具有较低的网络能耗和较小的数据时延，即在现有协议的基础之上达到了优化协议性能的目的。

附图说明

图1是本发明的网络通信结构图。

图2是本发明的时间同步时序图。

图3是本发明的LS-RTS构成示意图。

图4是本发明的多跳时序示例图。

图5是本发明的多数据时隙分配图。

图6是本发明的传感器节点工作流程图。

图7是本发明的汇聚节点工作流程图。

图8是各协议的节点数据采集率与数据延时关系图。

图9是各协议的节点侦听周期占空比与数据延时关系图。

图10是各协议的网络节点个数与系统能耗关系图。

图11是各协议网络仿真的侦听占空比与总能耗关系图。

图12是各协议网络仿真的节点个数与总能耗关系图。

图13是各协议网络仿真的节点个数与平均数据延时关系图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明的通信网络结构图，长距离线性无线传感器网络将监测区域划分为若干个子区域，每个子区域的网络通信结构采用双链式优化间距的线型部署方案。本发明包含两类节点：传感器节点（接收数据或发送数据）和汇聚节点（仅接收数据），传感器节点中仅发送数据的节点称为源节点，传感器节点通过多跳方式向汇聚节点传输信息。汇聚节点进行全网周期性时间同步，传感器节点进行周期性侦听及睡眠。

汇聚节点进行周期性时间同步：每隔周期进行一次时间同步，使得全网节点在周期T内的时间漂移不影响数据通信，为传感器节点周期性侦听及睡眠的周期，K为全网同步因子，其值取决于具体的应用场景、硬件性能等。在此引入侦听睡眠周期计数器Count，取值为0~K，当Count=K时，节点时间同步，同时计数器置0。通过周期性的时间同步能够解决时间漂移等带来的问题。

传感器节点进行周期性侦听及睡眠：时间同步后，传感器节点进入周期性侦听及睡眠。侦听阶段，节点根据固定路由发送LS-RTS请求来部署数据通信时隙，睡眠阶段，传感器节点根据侦听阶段部署的具体时隙来接收或发送数据。

以上通信过程中还融入了其他相关机制：粗粒度时间同步、LS-RTS机制、通信判决门限、功率可调的固定路由机制、时隙部署策略、汇聚节点控制帧、拥塞控制和数据融合。

1、粗粒度时间同步

汇聚节点在进行全网周期性时间同步时，采用的是粗粒度时间同步方式。由汇聚节点广播包含编号的一系列信标帧，以保证网内所有节点至少接收到一个信标帧，传感器节点根据信标帧的编号计算唤醒时间，达到时间同步的目的。

如图2所示本发明的时间同步序图，网络初始化阶段，所有传感器节点处于侦听状态，等待接收信标帧，完成时间同步。假设汇聚节点顺序广播N个信标帧，编号依次为1～N，发送时间长度为，信标帧发送完毕后，为了保证所有传感器节点有一定时间进行相关初始化等工作，汇聚节点等待后进入与传感器节点周期性唤醒和侦听相同的周期，以保证接收数据和广播控制信息等操作在传感器节点的正确时隙中进行。网内传感器节点在接收到信标帧时，提取编号i，i=1,2,3,…,N，根据公式（1.1）计算对应的睡眠时间，随即进入睡眠状态，直到唤醒时间到达，此时所有节点同时唤醒，进入周期性侦听及睡眠中，以进行正常的数据通信。

（1.1）

本发明中，时间同步除了上述全网周期性时间同步外，还在以下2种情况下发生：

（1）全网初始化：刚建立网络时，所有传感器节点处于侦听状态，等待汇聚节点的时间同步帧，建立时间同步后，所有节点进入相同的侦听睡眠周期，以保证数据传输。

（2）新节点加入：新节点加入到网络时，汇聚节点需要重新对其进行时间同步，以保证新节点的正常工作。新节点加入网络并不影响原有传感器节点的周期性侦听及睡眠。

2、LS-RTS 机制

本发明的LS-RTS机制如图3所示，传感器节点在侦听阶段发送LS-RTS来部署通信时隙，该信号包括RTS、链编号和数据发送时间，其中RTS包含数据发送所需时间，链编号用于区别是否为同条链路上的节点，数据发送时间是该传感器节点部署的发送时隙。

3、通信判决门限

本发明中，传感器节点在加入通信链路前，需要对自身及网络数据信息进行判定，通过门限判决方法来决定是否具备通信条件，通信门限判决公式如下：

当通信门限I=1时，表示该传感器节点具备通信，其中，是信号LS-RTS的信噪比，是节点信噪比门限值，是节点当前缓冲区数据量，是节点缓冲区数据量最大值，是节点剩余能耗；是节点低能耗限制，d、、分别表示当前节点位置、汇聚节点位置和源节点位置。

4、功率可调的固定路由机制

本发明采用固定路由机制，同时考虑到节点发射功率可调这一特点，提出了功率可调的路由机制。

由图1所示网络通信结构图可知，传感器节点通过与相邻节点的多跳通信将数据上传到汇聚节点，即传感器节点的下一跳位置是已知的。当邻居节点出现低功耗、信道信噪比过高、路由缓冲量过大等不符合通信判决条件的情况，或邻居节点已退出网络时，该邻居节点无法作为路由节点，当前传感器节点则根据已知的所有节点的位置，找到最近的可参与通信的邻居节点，调节自身发射功率，使得两者之间可以建立通信。而接收方的节点在接收到其他节点的数据时，如需回复相关信息，也会根据发送方的位置调节发射功率，以满足通信半径要求。

综上所述，本发明在每个传感器节点中存放了节点信息，包括两部分信息：一部分是网内所有传感器节点编号、节点间距和节点状态；另一部分是不同的发射功率相对应的通信半径。每个节点根据自身节点编号和发射功率相对应的通信半径计算得出自己的功率控制信息表，包括网内所有节点编号、当前节点与其他节点的间距、当前节点是否在通信范围内、当前节点是否死亡等信息。该功率控制信息表并非固定不可调的，根据网络中的实际情况，会实时进行调整，如网络中加入了新节点、部分节点死亡等情况发生时，汇聚节点会通过广播帧通知全网节点，各节点根据控制信息对该表进行更新。

5、时隙部署策略

在本发明中，通过时隙部署方式避免数据碰撞，并减少数据延时。

在LS-RTS中，时隙单元包括接收时隙、发送时隙和ACK确认时隙，即时隙单元为{R,S,A}。一般情况下，RTS中包含的数据发送所需时间为，其中为一次数据发送所需时间，此处采用相同的数据接收时间与数据发送时间。但是，对于源节点而言，不需要接收时隙，只有发送时隙和ACK确认时隙，因此，它的数据发送所需时间为。

假设线型网络中有节点A～F，节点A（即源节点）有一个数据需要上传，根据自身功率控制信息表，多跳链路为A-B-C-D-E-F-SINK，假设所有节点均符合参加通信条件，则具体的数据上传步骤如下：

（1）在侦听阶段，节点A调整发射功率后，广播LS-RTS信号，其中数据发送所需时间为。

（2）节点B在接收到LS-RTS信号后，计算通信判决门限，具备通信条件后，根据节点A的LS-RTS信息，部署时隙，并计算数据下次发送时间存到节点B的LS-RTS信号中；然后，节点B调节发送功率使得节点A和节点C都在其通信半径内，发送本节点的LS-RTS信号；当节点A收到节点B的LS-RTS时则认为步骤（1）请求发送成功，节点C收到节点B的LS-RTS信号时，则继续处理信息。

（3）重复步骤（2），直到离汇聚节点最近的节点F收到LS-RTS信号，此时，节点F回复一个CTS信号给节点E以保证建立通信。

（4）在睡眠阶段，根据侦听阶段部署好的时隙，节点开始陆续发送数据，直到数据上传到汇聚节点，在这一阶段，ACK信号同样采用步骤（2）中的方式，当前节点调节发射功率后广播数据帧，此时上一节点和下一节点均可接收该信息，对于上一节点而言，该数据帧与ACK信号等同，该方法可以省去一次ACK帧的发送。

具体分配方式如图4所示。

上述表述了网络中有一个节点需要上传数据时时隙的部署，而实际情况下，每条链的节点均有可能需要上传数据，当网络中有多个数据进行传输时时隙的分配方法如下。

根据长距离线型无线传感器网络的通信特点，多跳通信方式使得靠近汇聚节点的传感器节点流量负载大，通过它中继的数据量远远大于链型网络的尾端节点，因此，在分配时隙的过程中，其他节点向该节点申请的数据发送时间很可能发生冲突，为了防止时隙冲突，需分析各节点数据发送时间和时隙部署，以充分利用睡眠周期最大化的传输数据。为了达到上述目的，其他节点在申请部署时隙时将根据自身编号选择合适的数据发送时间，避免时隙冲突，并给负载较大的节点充分的时隙部署时间。

以N个节点的网络为例，节点编号依次为1～N，编号越小距汇聚节点越近，假设网内节点i（i=1,2,3,…,N）的数据采集率为固定值，所有节点的路由方式均为固定路由，即经过多跳将数据传输到汇聚节点，传感器节点周期性侦听及睡眠的周期s，则节点i的缓冲区数据为：

（1.2）

为了保证节点能够将缓冲区数据全部上传，节点i需要上传的第一个数据的上传时间可以用下式表示：

（1.3）

其中，是用户设定值，表示时隙之间的间隔。由上式可知，靠近汇聚节点的传感器节点第一次数据发送时间越早，离汇聚节点越远的传感器节点第一次数据发送时间越迟。

假设线型网络中有节点1～6，所有节点的数据采集率，周期，即在一个周期内每个节点产生一个数据需要上传，根据自身路由表信息，多跳链路为6-5-4-3-2-1-SINK，假设所有节点均符合参加通信条件，根据公式（1.3）计算数据发送时间。具体的时隙部署如图5所示。

6、汇聚节点控制帧格式

在本发明中，汇聚节点在网络协议中有重要作用，除了时间同步之外，它还控制新节点入网、退网、警告信息处理、数据接收与分析等。汇聚节点对全网周期性节点时间同步，当有节点加入网络或退出网络时，汇聚节点将信息更新到网内所有节点，当数据拥塞或低电等警告信息上传到汇聚节点时，汇聚节点将发送一定的控制信息来调整网络，以实现更好的网络性能。其各种控制帧信息如下。

1）新节点入网

无线传感器网络中，常常有新节点的加入，新节点在加入网络后需要进行一系列的初始化和时间同步，具体步骤如下：

（1）初始化：新节点根据自身所处地理位置来初始化位置信息和功率控制信息表，同时根据需要加入的网络初始化时间同步信息。

（2）加入网络链：新节点持续发送节点加入信息，其中包含汇聚节点位置、新节点位置等信息，直到有汇聚节点或其他网内节点接收到信息为止。

（3）汇聚节点发送控制信息：收到新节点入网请求后，汇聚节点分配网内节点编号并回复请求，同时，在周期性侦听及睡眠周期的侦听阶段发送路由更新信息，以同步更新网内节点的功率控制信息表；

（4）新节点时间同步：汇聚节点的周期与传感器节点相同，可以根据自身已知周期对新节点进行时间同步。新节点的时间同步与前述的全网周期性时间同步过程略有不同，全网周期性时间同步根据周期计算睡眠延时，而新节点的时间同步则根据周期进行同步。具体时间同步如下。

新节点的时间同步同样采用粗粒度时间同步方式，虽然只有一个节点，但是为了保证节点能够接收到信标帧，汇聚节点在侦听阶段以平均时间间隔的方式发送N个信标帧，新节点接收到编号为i（i=1,2,3,…N）的信标帧后，根据公式（1.4）计算延时，然后进入睡眠状态以节省能耗，延时唤醒后进入与其他节点相同的周期性侦听及睡眠周期。

（1.4）

其中，和分别表示周期内侦听阶段和睡眠阶段的时间。

另外，为了保证新节点正确进入全网同步周期，汇聚节点的同步帧中需包含当前网络其他节点的周期计数器Count的取值。

2）网内节点退出

由于电池能耗过低、硬件等问题，传感器网内节点会出现无法加入通信等情况，节点需要退出网络，而传感器网络中的节点上传数据时依赖于自身的功率控制信息表，因此，必须通过汇聚节点将此信息更新到每一个节点中。

（1）当传感器节点由于低电警告而需要退出网络时，节点向汇聚节点发送低电警告信息，汇聚节点接收后将功率控制信息表更新信息广播给网内其他节点；

（2）当传感器节点无法向汇聚节点发送退出网络请求时，则由汇聚节点根据一段时间内所有节点上传的信息进行判断，若长时间内汇聚节点没有接收到来自某传感器节点的数据信息，则认为该节点已死亡，汇聚节点将功率控制信息表更新信息广播给网内其他节点。

3）功率控制信息表更新信息帧格式

节点的入网和退网都需要汇聚节点处理功率控制信息表更新信息，具体格式有以下两种：

（1）新节点加入

功率控制信息表更新信息帧格式如下：

链编号

帧类型

节点编号

节点位置

节点状态

其中链编号用于区分不同网络，帧类型决定了该数据信息为新节点加入，节点编号便于其他节点更好地了解新节点的位置，并将新节点插入到自身的功率控制信息表中，节点位置用于计算功率控制信息表中的间距和发射功率，节点状态表示新节点是否可用。

（2）网内节点退出

全网可能出现多个节点退出的情况，故功率控制信息表更新信息帧采用如下格式：

链编号

帧类型

节点状态

其中帧类型决定了该数据信息为节点退出信息，节点状态是用二进制编码表示的所有网内节点状态，具体字节数由网内节点数决定。以网内有10个节点为例，则需要两个字节来表示所有节点，0表示节点死亡，1表示节点可用，高位空缺的用0补足。假设10个节点中第3、4、7号节点死亡，则其对应的节点状态为：0000 0011 1011 0011。

7、拥塞控制

长距离线型无线传感器网络中有两类数据需要上传：

（1）自身信息：传感器节点采集的数据、低电警告、入网请求等信息；

（2）路由信息：传感器节点中继网内其他节点的信息。

根据通信判决门限，所有数据存储在节点的缓冲区中，而缓冲容量有一个门限值，当该门限值到达时，即发生数据拥塞，为了控制拥塞，本发明采用两种方法：一方面，当前节点停止中继其他节点的路由信息，从而有效的控制数据拥塞；另一方面，通过逐步降低自身数据采集速率来降低拥塞。下面将详细介绍缓冲区门限值的确定方法。

假设节点i的数据包采集率固定为，路由数据的产生率为，则该节点的缓冲区数据包率为：

（1.5）

其中表示节点j（j=1,2,3,…,N,j≠i）需要从节点i中继的数据包率，表示需要节点i中继数据包的节点集合。

设节点i的数据包重发的概率为，则该节点的数据上传率可以表示为：

（1.6）

根据LS-RTS的时隙单元分配，成功的发送一个数据需要数据发送时隙和ACK确认帧时隙，故需要，在不考虑数据融合的情况下，节点i在周期中平均接收数据时间和发送数据时间分别为：

（1.7）

（1.8）

同时，对于节点i，当要上传所有数据时，需要在侦听阶段发送LS-RTS以确定睡眠阶段的数据发送时隙，故侦听阶段平均剩余侦听时间和睡眠阶段平均剩余睡眠时间分别为：

（1.9）

（1.10）

为了在侦听阶段可以监听来自汇聚节点的控制信息且保证周期性侦听和睡眠机制，上式必须满足条件和。同时节点缓冲区数据包率需满足以下条件：

（1.11）

综合上式可以得到缓冲区门限值：

（1.12）

由公式（1.12）可知，侦听周期占整个周期的比例越大，缓冲区门限值越大，发生数据拥塞的可能性越小，但是侦听周期变长将导致能耗的上升，两者之间需要进行相应的权衡。

上述说明了如何通过设置缓冲区门限值来控制拥塞，还可以通过控制自身信息的生成率来控制拥塞。当数据拥塞发生时，节点可以逐步降低自身数据采集率，即，为节流因子，可手动设定。如果没有拥塞发生，而数据量需要增加时，同样可以通过提升自身数据采集率的方法，增加采集速度，即，相应的，为增流因子，可手动设定。

8、数据融合

本发明在数据传输过程中，加入简单的数据融合，以提高数据上传速度、降低延时、减少能耗。

每个传感器节点都拥有自身数据缓冲区，两种情况下进行数据融合：在接收到LS-RTS请求时，若缓冲区有数据，则将接收数据与缓冲区数据融合，安排时隙后继续向上发送数据中继请求；另一种情况是当节点数据发送失败后，则将该数据与下一时隙发送的数据进行数据融合，再次发送。后者使得发送失败的数据帧不需等待下一周期，有效的减少了其数据延时。

对于数据融合的方式，协议采用源节点地址整合、数据信息保留的方式，具体如下所示。

传感器节点的数据帧格式为：

链编号

帧类型

源节点编号

数据

数据融合后，数据帧格式如下：

链编号

帧类型

源节点编号

数据1

…

数据n

其中，链编号确定了是否在同一条链，即具备相同的汇聚节点；帧类型决定了是何种数据，只有帧类型和链编号相同时才可进行数据融合。源节点编号将源节点整合，以降低数据帧长度，字节数由网内节点个数决定，以网内10个节点为例，则需要两个字节来表示所有节点，0表示该节点无数据，1表示该节点有，高位空缺用0补足。假设该数据融合帧整合了10个节点中第3、4、7号节点的数据，则其对应的源节点编号为：0000 0011 1011 0011。其后依次跟上相对应的数据信息。

在数据融合中，数据帧过长会导致传输时间大大增加，因此，网络中节点初始化过程中，需给定数据融合最大值，以确保在部署的时隙内数据可以成功发送和接收。

上述的数据融合方式虽然相对简单，但是对于结构简单、计算能力低的长距离线型无线传感器网络而言，该融合方式在不增加传输时间的基础之上，融合一定数据，相对减少部分能耗、降低发送失败信息的数据延时。

如图6所示本发明的传感器节点的工作流程图，包含2个阶段：

（1）时隙部署阶段：进入侦听周期后，缓冲区有数据的传感器节点根据功率控制信息表调整发射功率后发送LS-RTS请求，一段时间后若收到等同于CTS功能的其他节点上传的该数据的LS-RTS请求，则认为请求发送成功，否则，CTS超时则调节发射功率向更远的节点发送请求；当接收到其他节点的中继请求信息时，节点首先进行链编号对比，若为同一链的节点，则根据判决门限确定是否加入通信，具备通信条件后，节点根据LS-RTS中的数据发送时间进行时隙部署，此时可能时隙与已有时隙发生冲突，则回复R-CTS给源节点，要求重新安排时隙或等到下个周期，倘若时隙部署正确则继续向上发送LS-RTS请求。在检查通信判决条件时，若发现数据拥塞，则生成一个拥塞警告帧，并发送给汇聚节点；若发现低电警告，则生成低电警告帧，发送给汇聚节点。当侦听超时，节点进入睡眠阶段。

（2）数据传输阶段：进入睡眠周期后，根据侦听阶段的时隙部署，节点开始上传数据，若节点中的缓冲区有数据，且未达到当前要发送的数据信息融合上限，则将数据融合后发送，发送后若未收到ACK信息，且该阶段下一时隙有数据发送阶段，则将该数据融合后继续发送，否则将该数据保存至缓冲区，下一周期继续上传。当睡眠周期超时，节点进入侦听阶段。

如图7所示本发明的汇聚节点的工作流程图，初始化后，汇聚节点对全网节点时间同步，随后进入与传感器节点相同的周期性侦听及睡眠的周期。在侦听阶段，汇聚节点根据传感器节点上传的数据信息进行相应的控制处理，包括功率控制信息表更新、拥塞控制、新节点时间同步；在睡眠阶段，汇聚节点接收来自传感器节点上传的信息，包括数据帧和警告帧。对于汇聚节点而言，与周期只是为了与传感器节点保持时间同步，以保证控制信息在侦听阶段发送以被传感器节点接收和新节点时间同步的周期与其他节点的同步，而不影响数据发送接收等功能。每个侦听睡眠周期结束后，周期计时器Count计数，当Count=K时，进行一次全网时间同步。

本发明的性能理论分析：

本发明提供了一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，可以视为一种新的网络通信协议，以下用C-XLM表示。

（1）数据包延时：设网络中有N个节点，节点编号依次为1～N，编号越小距汇聚节点越近，节点i的数据采集率为固定值，所有节点经多跳将数据传输到汇聚节点，不发生拥塞等异常情况，节点i的缓冲区数据率如公式（1.12）所示。数据传输过程中时隙部署正确，且在睡眠周期数据均能正确上传则一次正确的数据上传需要，则C-XLM协议网络链路的传输率为：

（1.13）

传输密度为：

（1.14）

根据M/M/1/B排队模型，系统中0数据包（即没有数据）的概率为：

（1.15）

其中B在排队模型中表示最大处理顾客数为B，B数据包的概率为：

（1.16）

平均排队延时可以由队列中数据包传输消耗时间计算求得，队列中的平均数据包个数为：

（1.17）

数据包成功到达率即队列中进入系统的数据包率可表示为：

（1.18）

平均等待时间为：

（1.19）

则M/M/1/B排队模型的吞吐量为：

（1.20）

源节点采集的数据通过多跳到达目的节点所需要的时延由排队延时、MAC延时和传输延时。对于C-XLM协议而言，只考虑排队延时，故多跳网络中节点i到汇聚节点的端到端延时为：

（1.21）

其中，表示在上传路径中经过节点j时所需要的平均等待时间。

分析上述公式，假设缓冲数据固定，则可以发现，当传输率增加时，减小，而数据上传时间越小，传输率越大。根据这一结论，LAS-RTS中采用的{N,R,S,A,N}时隙方式增加了数据上传时间，减小了传输率，也就是说数据延时比C-XLM长。同样的，在XLM中数据传输在侦听阶段，且没有时间同步，单次数据上传时间由RTS-CTS-DATA-ACK顺序完成，其中还需要通过竞争窗机制获取通信资格，大大的增加了单次数据上传时间。而SMAC协议将数据多跳延迟到下一次侦听时才能继续通信。假设各协议中都能够正确通信，且忽略XLM中竞争窗延时，则各协议的链路传输率为：

（1.22）

（1.23）

（1.24）

上述公式中，LAS-RTS、C-XLM和XLM的链路传输率计算公式均与周期性侦听所占整个周期的比例有关，而SMAC则取决于具体周期的大小。通过代入具体数据分析LAS-RTS、C-XLM和XLM的延时。设所有节点的数据采集率相同，节点上传需要经过10个中继节点，由于XLM的链路传输率与有关，而LAS-RTS和C-XLM与（1-）有关，故此处取，根据上述公式，为相应参数赋值后，固定，可以得到图8所示数据采集率和延时的关系图。由图8可知，相较于LAS-RTS，虽然C-XLM只是减少了数据通信中的两个时隙，但是在最终的数据链路中的时延却相差较大，同时C-XLM协议也比XLM协议的数据延时小。故本协议中对长距离线型无线传感器网络的数据延时进行的优化，在原有基础之上降低了数据延时。

固定数据采集率，改变侦听周期占空比，可以得到图9所示各协议的数据延时与占空比的关系图。由图9可知，当过小时，XLM的延时过大，且在0.1～0.2区间内数据延时急剧下降，当时，延时低于C-XLM协议，但是在无线传感器网络协议中为了降低能耗，将尽可能减少；而LAS-RTS协议的数据延时始终高于C-XLM。综上所述，在不增加能耗的情况下，C-XLM降低了数据延时。

（2）系统能耗：设链路中有N个节点，编号为i的节点通过其他i-1个节点多跳传输一个数据到汇聚节点，数据发送和接收的时间相等，为，侦听阶段没有数据传输时，节点能耗为，睡眠阶段能耗为，设数据发送和接收时平均能耗为和。则根据C-XLM协议内容，节点i上传数据到汇聚节点需要消耗的能量为：

（1.25）

其中，和分别表示节点i在侦听阶段和睡眠阶段的总能耗，具体可以表示为：

（1.26）

（1.27）

其中，、、、、分别为成功接收LAS-RTS(或RTS)、发送CTS、发送数据、接收数据、接收ACK的概率，若发送和接收过程失败则重发。

同理，根据LAS-RTS协议流程，不考虑路由选择等情况的能耗，节点i的数据经过i-1个节点多跳传输到汇聚节点所需要的侦听阶段和睡眠阶段的总能耗可表示为：

（1.28）

（1.29）

相对应的，在不考虑侦听阶段邻居节点路由侦听损耗的情况下，XLM协议侦听阶段和睡眠阶段的总能耗可表示为：

（1.30）

（1.31）

设网络中所有节点的数据采集率为V，由于网内节点部署采用的是优化部署方案，虽然上式在计算过程中将数据发送和接收简化成平均能耗，但是在实际网络传输中节点功耗可调，即在正常的发射功率下，可路由的节点有且仅有一个。因此，为了便于比较，此处假定每种协议的节点所经过的路由方式都与C-XLM相同，即根据功率控制信息表通过网内节点顺序多跳上传到汇聚节点的，则上传所有数据需要的总能耗为：

（1.32）

同时，数据正确发送或接受的概率为：

（1.33）

其中，为信噪比，是数据包长度。设控制信息RTS、CTS、和ACK的数据包长度为20byte，数据发送和接收包长度为100bytes。

根据上述公式，给具体参数赋值后，可以得到节点个数与能耗的关系如图10所示。相较于XLM协议和LAS-RTS协议，C-XLM协议的总能耗较低，且随着网络节点个数的增加，差距越大。因此，本协议在XLM和LAS-RTS协议的基础之上改进了系统能耗，延长了网络生命周期。

本发明的性能仿真分析：

采用OMNET++对本发明的性能进行仿真。

（1）网络能耗：针对传感器网络的特点，网络能耗是传感器网络中的一个重要性能，网络能耗越低，性能越好。为了比较C-XLM、XLM与LAS-RTS协议的能耗，设仿真时长为20*T，且数据均可发送到汇聚节点。

首先，分析侦听周期占空比与网络总能耗的关系。通常，占空比越小，能耗越低，但是，如果占空比过小则导致数据无法上传、网络拥塞等问题。仿真中考虑占空比为0.05~0.5，三种协议的网络总能耗如图11所示。随着占空比的增加，能耗也随之增加，这一点也印证了理论分析的正确性；三种协议中，C-XLM网络能耗最低，LAS-RTS次之，XLM最高，且C-XLM与LAS-RTS协议能耗相差较小，与XLM协议相差较大。由此可知，相较于其他两种协议，C-XLM在能耗上有一定改善。

其次，分析不同的网络传感器节点个数与网络总能耗的关系，此处取。由理论分析可以看到，当节点个数增加时，路由跳数增加，总能耗也随之升高。仿真过程中取节点个数为2~14，网络拓扑结构相同，网络能耗图如图12所示。与理论分析相比，虽然由于仿真中功率可调导致能耗趋势图略有不同，但是大体趋势相同，即随着节点个数的增加，网络能耗增加，且能耗增长越快。当节点个数为2时，XLM协议的能耗最低，因为节点个数少，控制信息少，在侦听阶段即可发送完毕，而LAS-RTS与C-XLM协议则需要在睡眠周期继续安排数据通信；当节点个数增加时，XLM协议的网络能耗增长速度明显快于其他节点，而C-XLM是网络中能耗增速最低，且能耗最小的协议。

通过上述仿真分析对比可知，本发明具有较小的网络能耗，延长了网络生命周期。

（2）数据延时：针对长距离线型无线传感器网络的特点，数据延时是影响网络性能的重要指标，特别是对于长链型的网络。下面就数据延时，对三个协议进行仿真对比，同样的，网络仿真时长为20*T，数据延时取平均值。

分析节点个数与平均数据延时的关系，根据理论分析可以知道，节点个数越多，经过跳数越多，相应的数据延时越长，仿真中取，相对应的节点个数与平均数据延时的关系如图13所示。采用了传统的占空比机制的XLM协议正如理论分析中所述，数据延时远远大于其他两种协议；减少了时隙部署个数的C-XLM相较于LAS-RTS而言，数据延时减少。

综上所述，C-XLM协议在原有协议的基础之上减少了数据延时，提高了网络实时性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：包含以下步骤：

(1)对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信；

(2)汇聚节点进行全网周期性时间同步；

(3)时间同步之后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输；

所述时隙部署请求为LS-RTS请求，所述LS-RTS请求包括RTS、链编号和数据发送时间，RTS里包含数据发送所需时间，链编号用于区别是否为同一路由路径上的传感器节点，数据发送时间是该传感器节点部署的数据发送时隙；

所述侦听阶段某一路由路径：源节点-传感器节点N1-…-传感器节点Nn-汇聚节点，n为自然数，完成时隙部署的具体过程是：

a)所述源节点计算数据发送时间，广播LS-RTS信号；

b)传感器节点N1接收到该LS-RTS信号，部署时隙，并计算下次数据发送时间存到其对应的LS-RTS信号中，然后传感器节点N1调节发送功率使得源节点和传感器节点N2都在其通信半径内，发送本节点的LS-RTS信号；

c)当源节点收到传感器节点N1的LS-RTS信号时则认为步骤(3)的时隙部署请求发送成功，传感器节点N2收到传感器节点N1的LS-RTS信号时，重复步骤b)，直至传感器节点Nn接收到来自传感器节点Nn-1的LS-RTS信号；

d)传感器节点Nn回复CTS信号给传感器节点Nn-1，以保证建立通信。

2.根据权利要求1所述一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：每个传感器节点通过固定路由的方式向汇聚节点传输数据，即传感器节点路由的路径是已知的。

3.根据权利要求1所述一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：每个传感器节点都将数据存储在自己的缓冲区，每个传感器节点都设置一个缓冲区数据量最大值，若传感器节点当前的缓冲区数据量超过该最大值，则表示出现网络拥塞，该传感器节点停止中继其他传感器节点的数据，并降低自身数据采集速率。

4.根据权利要求1所述一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：传感器节点在传输数据时，将具有相同汇聚节点和相同数据类型的数据融合后再上传。

5.根据权利要求1-4任意一项所述一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：所述步骤(2)中的时间同步采用粗粒度同步方式，由汇聚节点广播包含编号的一系列信标帧，以保证网内所有节点均至少接收到一个信标帧，传感器节点根据信标帧的编号计算唤醒时间，达到时间同步的目的。

6.根据权利要求1所述一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：所述传感器节点在接收LS-RTS请求后，需要通过通信门限判决公式来判定是否具备通信条件，若具备通信条件，则部署时隙，若不具备通信条件，则当前传感器节点根据已知的所有节点的位置，找到能够参与通信的邻居节点，调节自身发射功率，使得两者之间可以建立通信；

所述通信门限判决公式：

当

其中，I＝1表示具备通信条件，I＝0表示不具备通信条件，ε_LS-RTS是信号LS-RTS的信噪比，ε_TH是该传感器节点的信噪比门限值，β是该传感器节点的当前缓冲区数据量，β^max是该传感器节点的缓冲区数据量最大值，E_res是该传感器节点的剩余能耗；E_min是该传感器节点的低能耗限制，d、d_des、d_src分别表示当前传感器节点位置、汇聚节点位置、源节点位置。