CN104703257B - 一种针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线传感器网络领域，一种针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度方法。本发明的目的是针对目标检测的应用，根据网络的分簇结构决定网络节点的休眠机制，达到较低的端到端投递延迟。主要包括：分簇结构的划分，节点的休眠调度等。本发明要解决的是网络休眠调度引起的端到端投递延迟大幅增加的问题，实现了低延迟低能耗的休眠调度机制。

Description

一种针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度 方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络协议技术领域，具体涉及一种分簇无线传感器网络中面向目标检测的休眠调度方法。该方法主要用于优化无线传感器网络中基于目标检测和数据传输两项任务的休眠调度，以达到改善端到端分组投递延迟特性的目的。

背景技术

近年来无线传感器网络从得到理论和工业界的广泛关注以来得到了迅猛的发展，各种关于无线传感器网络的新技术也备受重视。

无线传感器网络通常由无线传感器节点(sensor node)和汇聚节点(Sink node)组成。传感节点需要周期性的采样环境信息或检测目标事件，若检测到目标事件发生，则需要快速的向Sink汇报。

无线传感器节点通常自身能量有限，同时受到节点工作环境的限制，很难更换电池或充电，因此节能问题在无线传感器网络的相关技术中处于重要地位。休眠技术可以大大节省节点能耗、延长节点寿命。原因如下：节点的状态包括发射(transmit)、接收(receive)、空闲(idle)、睡眠(sleep)四种状态。大量已有无线传感器节点设备参数显示，前三种状态下的节点能耗显著高于睡眠状态下的节点能耗。因此，如何有效鼓励节点进入休眠状态，并保持良好的网络性能是无线传感器网络设计的重要方向之一。由于无线传感器节点不仅数据的产生节点，也承担着网络的路由转发任务，因此网络节点的休眠调度，可能会较大影响端到端分组投递延迟。在休眠机制中，同步休眠机制较易实现。SMAC，TMAC通过划分虚拟簇，在邻居节点间进行同步。同一个虚拟簇内的节点同时醒来，工作一段时间后再同时进入休眠状态。同步休眠机制简单易行，且适用多种网络应用，但节点到Sink节点的延时可能会大幅度的增加。

传感器网络划分为簇结构是一种常见且有效的网络管理以及路由方法。分簇路由在数据汇报与融合、能量节省、网络管理、提高吞吐量等方面都具有明显的优势。这主要是因为分簇结构可以使得更多的传感器节点进入睡眠状态并保持网络连通、降低节点能耗和信道接入竞争、易于实现高效数据融合。分簇网络中节点通常包括簇头节点和普通节点。有些分簇方案中还包括簇间网关节点。簇头节点负责接收本簇内的普通节点采集的信息，并通过其他簇头形成的路径传递到目的节点(Sink节点)。普通节点只需要与自己的簇头进行通信，且不需要进行分组中继，因而可以在没有承担任务时休眠，以节省能量。由于簇头承担任务较多，耗能较大，因此簇头和普通节点之间需要轮换。在某些分簇协议中，相邻簇之间通信还可能通过簇间网关节点。

由于缺乏针对性的设计，同步休眠会对数据汇报的延时造成很大影响。本专利面向基于休眠机制的无线传感器网络，如何实现高效的基于分簇的休眠机制。

发明内容

本发明目的是解决现有同步休眠机制下数据汇报存在较大传输延迟的问题，保持较低能量消耗的同时，达到较低的传输延迟。

本发明中的无线传感器网络由无线传感器节点和Sink节点组成，无线传感器节点负责数据的收集和传输，Sink节点用于数据汇集并上传给远程控制端(如通过Internet、移动通信网等方式)，并对网络中的传感器节点进行管理和控制。

本发明假设：

●时间采用帧结构，各节点需要同步帧结构，并根据其距离Sink节点的距离决定自己在每个帧中的工作相位；

●网络划分为簇状结构，簇内节点发送数据到簇头节点，簇头节点间建立梯度，通过最短路径传输数据到达Sink节点。

●簇内节点休眠时间同步，传输数据时通过CSMA竞争信道；簇头节点的休眠时间根据梯度交错排序，以时间序贯的方式传输数据到达Sink节点，以期达到较低的端到端投递延迟。

本发明的具体方案如下。

1.分簇结构的建立

步骤1，Sink节点发送ClusterHeadIndication消息给自己的两跳邻居以通告自己成为簇头节点，该消息携带Sink节点ID，该消息迄今为止离开Sink节点的跳数距离，记做LEN且其初值为0，序列号SEQ且其初值为1，每次Sink节点发起广播一个新的ClusterHeadIndication消息，该消息携带的SEQ加1；

步骤2，每个节点i收到ClusterHeadIndication消息后，若该消息的SEQ值不小于本地记录的SEQ值或本地没有相关记录，则检测邻居的情况，若发送给自己ClusterHeadIndication消息的节点为簇头节点、并且其直接邻居中存在不与任何簇头节点直接相邻的节点，那么该节点设置一个计时器，其长度为Ti=Tc×[1-(min{Lij|节点j是节点i的邻居节点且为簇头节点}×Ei)／(R×E)]，其中Tc为计时器的最大长度，Lij为节点i和节点i之间的距离，Ei为节点i的剩余能量，R是节点的最大通信距离，E为节点的初始能量；否则不执行任何动作；Ti的选取可以保障簇头节点的剩余能量较大、且簇头之间的距离尽可能的大，从而使网络簇头节点尽量少、网络边缘节点到达sink节点的跳数距离尽可能的小；

步骤3：若计时器超时，节点i选择自己为簇头，本地记录LEN和SEQ信息，并向两跳邻居范围内广播ClusterHeadIndication消息(该消息中携带节点i的ID，从Sink到当前节点的跳数距离LEN、SEQ值)以通告自己成为簇头节点这一事件；若未超时前收到其他簇头的ClusterHeadIndication消息则重复步骤2，直到每个节点的邻居节点中都有至少一个簇头节点；

步骤4：每个非簇头节点根据梯度最小或随机的原则选择一个邻居簇头节点作为自己的簇头节点。

为保障网络中节点的能耗均衡，以及适应网络的动态变化，簇结构需要周期性的更新。簇结构重新分簇方法的特征在于，每隔Y时间(如15分钟)，Sink节点重新启动分簇过程，首先，Sink节点向网络中洪泛一个信令以通知网络中的节点保持清醒状态以准备重新分簇，直到分簇和梯度的重新建立完毕；每个簇头节点接收到该信令后通知其簇内普通节点保持清醒状态。之后网络按照分簇方法重新划分簇结构。

2.基于分簇的休眠调度以及路由调度

本方案设计簇内节点休眠同步，簇间节点休眠时间采用交错排序。为实现该目标，网络利用控制信息ClusterHeadIndication消息建立网络时间同步、以及建立Sink到所有簇头的最短路径树。基于分簇结构的梯度建立具体实现步骤如下。

ClusterHeadIndication消息携带迄今为止其离开Sink节点的跳数距离LEN，初值为0；每个簇头节点接收到一条ClusterHeadIndication消息后，若该消息携带的序列号SEQ大于本地存储的序列号SEQ或首次接收到这样的消息，则执行以下操作：该簇头节点将ClusterHeadIndication消息中的LEN加1，本地记录该值、将发送ClusterHeadIndication消息的节点记录为自己到达Sink的下一跳节点、最后将该记录加入自己的ClusterHeadIndication消息然后转发该消息；否则若序列号相等且新消息携带的LEN值加1后小于本地记录的LEN值，则该簇头节点将新消息携带的LEN加1，本地记录更新后的LEN值，将发送给自己ClusterHeadIndication消息的节点记录为自己到Sink的下一跳节点。

梯度构造完毕之后，簇头节点记录自己的梯度depth，簇内所有节点确定自己在一帧内的相位为-depth×T，簇内所有节点从该相位开始持续工作T时间，如附图1所示。其中T是网络参数，决定网络占空比，设T=x×DATA，x是应用要求的判断阈值(大于等于1)，DATA是发送一个数据包所需的平均时间。通过这种方式，簇内节点休眠、工作时间同步，且簇头间的通信也保持了时间的序贯特性。源节点产生的数据可以较快的传输到Sink节点。

由于传感器节点的感知范围一般比通信范围要小，因此一个目标事件出现可能会被一个或两个簇的节点同时检测到。当检测到目标事件时，节点通过CSMA竞争信道向自己的簇头节点发送数据。当某一节点听到已经有x个节点汇报该目标事件后则放弃本节点的数据包(即：当有x个节点检测并汇报某目标事件，则可判定该事件的实际发生)。簇头节点接收到多个数据包后进行数据融合并在其下一跳簇头节点的工作时间将融合后的数据传递给该下一跳节点，接收到该数据的簇头节点继续向自己的下一跳簇头节点转发，直到数据传输给sink节点。可以从以上分析看出本发明大大的降低了簇内通信时间和簇间通信时间，能够达到较低的端到端的投递延迟。

附图说明

附图1一个簇头节点间的树状结构以及休眠调度安排

附图2针对目标检测的基于分簇的休眠调度

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

在附图2中，节点s1，s2，s3感知到目标事件，并通过CSMA方式向其簇头节点a发送数据。若有其他节点也感知到目标时间，若监听到已有3个节点汇报数据，则丢弃自己的数据包。a节点接收到数据后执行数据融合，然后在b节点的工作时间将融合数据传输给b节点，依次类推最终数据通过树结构到达Sink节点。可见该休眠调度并没有给数据传输带来额外的延时开销。

Claims (4)

1.一种针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度方法，其特征在于：网络划分为簇状结构，网络中节点采用基于帧结构的休眠调度，节点采用同步的帧结构，每个簇有一个簇头节点，簇内其余节点为普通节点，簇内节点采用同步休眠调度，簇头节点根据其距离Sink节点的距离决定本簇在每个帧中的工作相位，簇内节点通过CSMA信道竞争方法向其簇头节点发送数据，簇头节点间建立到达sink节点的梯度，且根据梯度交错排序休眠调度，以时间序贯的方式传输数据到达sink节点，以期达到较低的端到端投递延迟；其中，网络按照以下步骤分簇：

·步骤1，Sink节点发送ClusterHeadIndication消息给自己的两跳邻居以通告自己成为簇头节点，该消息携带Sink节点ID，该消息迄今为止离开Sink节点的跳数距离，记做LEN且其初值为0，序列号SEQ且其初值为1，每次Sink节点发起广播一个新的ClusterHeadIndication消息，该消息携带的SEQ加1；

·步骤2，每个节点i收到ClusterHeadIndication消息后，若该消息的SEQ值不小于本地记录的SEQ值或本地没有相关记录，则检测邻居的情况，若发送给自己ClusterHeadIndication消息的节点为簇头节点、并且其直接邻居中存在不与任何簇头节点直接相邻的节点，那么该节点设置一个计时器，其长度为Ti＝Tc×[1-(min{Lij}×Ei)/(R×E)]，其中Tc为计时器的最大长度，Lij为节点i和节点j之间的距离且计算过程中要求节点j必须是节点i的邻居节点且为簇头节点，Ei为节点i的剩余能量，R是节点的最大通信距离，E为节点的初始能量；否则不执行任何动作；Ti的选取可以保障簇头节点的剩余能量较大、且簇头之间的距离尽可能的大，从而使网络簇头节点尽量少、网络边缘节点到达sink节点的跳数距离尽可能的小；

·步骤3：若计时器超时，节点i选择自己为簇头，本地记录LEN和SEQ信息，并向两跳邻居范围内广播ClusterHeadIndication消息以通告自己成为簇头节点这一事件，所述ClusterHeadIndication消息中携带节点i的ID，以及从Sink到当前节点的跳数距离LEN、SEQ值；若未超时前收到其他簇头的ClusterHeadIndication消息则重复步骤2；

·步骤4：每个非簇头节点根据梯度最小或随机的原则选择一个邻居簇头节点作为自己的簇头节点。

2.根据权利要求1所述的针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度方法，其特征在于，所述分簇方法，每隔Y时间，Sink节点重新启动分簇过程，首先，Sink节点向网络中洪泛一个信令以通知网络中的节点保持清醒状态以准备重新分簇，直到分簇和梯度重新建立完毕，每个簇头节点接收到该信令后通知其簇内普通节点保持清醒状态，之后网络根据权利要求1的步骤重新分簇。

3.根据权利要求1-2之一所述的针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度方法，其特征在于，基于分簇的梯度建立方法为：ClusterHeadIndication消息携带迄今为止其离开Sink节点的跳数距离LEN，初值为0，每个簇头节点接收到一条ClusterHeadIndication消息后，若该消息携带的序列号SEQ大于本地存储的序列号SEQ或首次接收到这样的消息，该簇头节点将ClusterHeadIndication消息中的LEN加1，本地记录该值、将发送ClusterHeadIndication消息的节点记录为自己到达Sink的下一跳节点、最后将该记录加入自己的ClusterHeadIndication消息然后转发该消息；否则若序列号相等且新消息携带的LEN值加1后小于本地记录的LEN值，则该簇头节点将新消息携带的LEN加1，本地记录更新后的LEN值，将发送给自己ClusterHeadIndication消息的节点记录为自己到Sink的下一跳节点。

4.根据权利要求3所述的针对目标检测的无线传感器网络分布式分簇和休眠调度方法，其特征在于，所述休眠调度方法是基于目标检测的，簇内节点休眠同步，簇间节点休眠时间采用交错排序，具体方法为：每个簇头节点根据其梯度信息depth，确定自己和本簇内所有节点的在一帧内的相位为-depth×T，簇内所有节点从该相位开始持续工作T时间，其中T是网络参数，设T等于x乘以DATA，x是应用要求的判断阈值，该阈值大于等于1，DATA是发送一个数据包所需的平均时间；当有x个节点检测并汇报某目标事件，则可判定该事件的实际发生；当检测到目标事件发生时，节点通过CSMA竞争信道向自己的簇头节点发送数据；当某一节点听到已经有x个邻居节点汇报该目标事件的发生后则放弃本节点的数据包，簇头节点接收到多个数据包后进行数据融合并在其下一跳簇头节点的工作时间将融合后的数据传递给该下一跳节点，接收到该数据的簇头节点继续向自己的下一跳簇头节点转发，直到数据传输给sink节点。