CN104735698A - 无线传感器网络中基于捕获效应的数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络中基于捕获效应的数据传输方法，主要解决现有技术在大量数据突发情况下吞吐量低的问题。其实现步骤是：1.接收方在其工作的无线信道上广播一个竞争信标分组；2.竞争方接收到竞争信标分组后，广播一个竞争分组；3.接收方通过捕获效应解码出竞争方的信号，并广播一个令牌信标分组，令牌信标分组中指定允许发送数据的节点及发送的时间长度；4.竞争方接收到令牌信标分组后，判断自身是否为允许发送数据的节点，若是，则获得令牌，并在被分配的时间内向接收方传输数据，否则，未获得令牌不进行数据传输。本发明利用令牌分发机制和捕获效应，提高了信道的利用率和数据传输的吞吐量。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种数据传输方法，可用于无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络的一项基本功能是将网络中所有传感器节点收集到的数据高效地传输到基站或者汇节点。这种从多个节点向一个节点传输数据的模式称为汇聚。在很多传感器网络的应用中，传感器节点通常在发现事件后向基站传输数据，由此造成大量数据的突发，以及多个节点同时向一个接收节点发送数据。由于无线传输基于共享信道，故节点什么时候发送分组取决于使用的介质访问控制协议，即MAC协议。目前的MAC协议主要有两类：载波监听多路访问控制协议CSMA和时分多址TDMA协议。CSMA是一种基于竞争的协议，一个节点在发送前首先侦听信道，若信道空则发送；若信道忙，则随机退避一段时间后再侦听信道。CSMA协议的优点是协议简单，但是吞吐量低，尤其是有大量数据突发的情况。TDMA协议将时间分为时隙，通过分配每个节点使用的时隙，避免冲突的发生。TDMA协议的优点是可以获得较高的吞吐量，但是它要求节点的时间同步。另外，其调度开销较大，也不适用于有大量数据突发的情况。
由于无线传输基于共享信道，故目前大部分设计的MAC协议均假设多个节点同时向一个接收节点发送数据时会造成冲突，接收方无法正确解码数据。实际上，传感器节点通常使用的无线通信芯片，如CC2420，具有很强的抗干扰能力，在某些特定的情况下，它可以从接收到的多路信号中成功地解码较强的一路信号，这种能力称为捕获效应。本发明利用捕获效应设计了一种数据传输方法，目标是在有大量数据突发的情况下提高网络的吞吐量和节点的能效。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种无线传感器网络中基于捕获效应的数据传输方法，提高网络的吞吐量和节点的能效。
为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
(1)接收方在其工作的无线信道上广播一个竞争信标分组；
(2)竞争方接收到竞争信标分组后，广播一个竞争分组，竞争分组中包含节点号以及要发送的数据量；
(3)如果接收方通过捕获效应能够解码出竞争方的信号，并广播一个令牌信标分组，令牌信标分组中指定允许发送数据的节点及发送的时间长度，如果未能解码出竞争方的信号则在其工作的无线信道上再次广播一个竞争信标分组；
(4)竞争方接收到令牌信标分组后，判断自身是否为允许发送数据的节点，若是则获得令牌，并在被分配的时间内向接收方传输数据，否则，未获得令牌不进行数据传输。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明利用令牌分发机制和捕获效应，提高了信道的利用率和数据传输的吞吐量。它综合了CSMA和TDMA的优点。一方面，它允许发送节点同时竞争信道，体现了竞争的公平性；另一方面，它利用捕获效应获知节点的ID号以及发送的数据量，并且按照节点的数据量分配使用信道的时间，提高了数据的吞吐量。其它节点在等待接收方下一轮发送的竞争分组前可以转为休眠模式，进一步节省了节点的能量。
2、本发明利用基于硬件中断的对齐方式使得竞争方节点同时向接收方发送竞争分组，提高了接收方竞争分组捕获效率，进而提高了数据传输效率。
3、本发明利用分组FCF域后三位与源地址信息对信标分组类型进行判断，降低了竞争信标传输的误警率。
附图说明
图1为本发明的实现总流程图；
图2为本发明中判断信标分组类型的子流程图；
图3为IEEE 802.15.4的标准帧格式示意图。
具体实施例
下面结合附图和实施例对本发明详细说明。
以下实施实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的适用范围。
本发明应用于无线传感器网络中，网络中的无线传感器节点按照占空比模式工作，即节点根据某种休眠调度方式在休眠状态和工作状态之间进行不断切换，节点在工作状态才启动无线收发器和通信系统，在休眠状态关闭无线收发器和通信系统，因此，节点只能在工作状态接收其它节点发送的数据。根据休眠调度，节点进入工作状态时将作为接收方，需要向该接收方发送数据的节点将作为竞争方。上述模型同样适用于多信道的场景，即接收方在每次醒来时切换至预定的信道工作，而每次醒来是使用的信道可以不同，这样可以在多个信道上并发地传输数据，提高了数据的吞吐量以及无线传感器网络的抗干扰能力。节点所发送的分组均遵从IEEE 802.15.4的标准帧格式进行打包，该标准帧格式示意图参照图3，其包含同步头、物理层协议头、MAC协议头、MAC协议负载、MAC协议尾五个部分，其中，同步头又包含前导序列和帧起始序列；物理层协议头包含内容为帧长度；MAC协议头包含帧控制域、数据序列号和地址信息；MAC协议负载包含内容为帧负载；MAC协议尾包含内容为帧检测序列。
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1、接收方广播竞争信标分组，发起竞争，该竞争信标分组中的帧负载包含接收方的节点号。
步骤2、竞争方接收、检测竞争信标分组，广播竞争分组。
2a)竞争分组的内容包含竞争方节点号以及要发送的数据量，竞争分组内容需要提前加载到无线芯片CC2420的发送缓存中；
2b)竞争信标分组到达竞争方后，竞争方首先接收并检测前导序列和帧起始序列，检测通过后，无线芯片CC2420触发SFD管脚上升沿；
2c)竞争方继续接收竞争分组的头和协议数据单元，接收完毕后，无线芯片CC2420触发SFD管脚下降沿，在SFD管脚上升沿和下降沿之间对信标分组类型进行检测：
参照图2，本步骤的具体实现如下：
2c.1)接收方将信标分组中的帧控制域FCF的后三个比特位标示为100，并设定接收方无线芯片CC2420在接收完信标分组的第5个字节后触发FIFOP管脚上升沿，即给接收方无线芯片CC2420的接收缓存阈值赋为5；
2c.2)竞争方逐字节将接收到的信标分组写入接收缓存，当写入接收缓存的字节数与接收缓存阈值相同时，即接收方接收完信标分组的第5个字节后，触发FIFOP管脚上升沿；竞争方在FIFOP管脚上升沿产生的硬件中断内读取并解析出信标分组帧控制域FCF和源地址信息，并对解析出的帧控制域FCF的后三个比特位和源地址信息进行校验，即判断帧控制域后三个比特位是否为100以及源地址信息是否为接收方节点号；
2d)竞争方在SFD管脚下降沿产生的硬件中断内发送CC2420的选通命令，广播已经提前加载到无线芯片CC2420的发送缓存中的竞争分组。
步骤3、若接收方捕获到某个竞争方发送的竞争分组，则广播令牌信标分组，否则在其工作的无线信道上再次广播一个竞争信标分组。
3a)接收方捕获到该竞争分组后，首先解析出竞争分组内竞争方要发送的数据量；然后依据竞争方要发送数据量以及无线芯片CC2420数据平均传输速率，计算获得该竞争方数据传输所需时间；
3b)接收方将竞争方数据传输所需时间和允许发送数据的竞争方节点号写入令牌信标分组并广播该分组；
3c)完成对令牌信标分组的广播后，接收方在与竞争方数据传输所需时间相同的时间长度内保持工作状态。
步骤4、竞争方判断自身是否获得令牌。
4a)竞争方接收到令牌信标报文后，解析出令牌信标报文内允许发送数据的节点号；
4b)竞争方将解析出的允许发送数据的节点号与自身节点号对比：若两节点号一致，则表明竞争方获得令牌，允许发送数据；若不一致，则表明竞争方未获得令牌，不允许发送数据。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍然在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种无线传感器网络中基于捕获效应的数据传输方法，包括如下步骤：
(1)接收方在其工作的无线信道上广播一个竞争信标分组；
(2)竞争方接收到竞争信标分组后，广播一个竞争分组，竞争分组中包含节点号以及要发送的数据量；
(3)如果接收方通过捕获效应能够解码出竞争方的信号，并广播一个令牌信标分组，令牌信标分组中指定允许发送数据的节点及发送的时间长度，如果未能解码出竞争方的信号则在其工作的无线信道上再次广播一个竞争信标分组；
(4)竞争方接收到令牌信标分组后，判断自身是否为允许发送数据的节点，若是则获得令牌，并在被分配的时间内向接收方传输数据，否则，未获得令牌不进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中基于捕获效应的数据传输方法，其中所述步骤(2)中竞争方接收到竞争信标分组后，广播一个竞争分组，按如下步骤进行：
(2.1)竞争方提前构造竞争分组，并将分组加载到无线芯片CC2420的发送缓存中；
(2.2)竞争信标分组到达竞争方后，竞争方首先接收并检测前导序列和帧起始序列，若检测通过，则无线芯片CC2420的SFD管脚由低电平转换为高电平，同时触发SFD上升沿，否则视为噪声，忽略该分组；
(2.3)竞争方继续接收竞争分组的头和协议数据单元，接收完成后，SFD管脚由高电平转换为低电平，同时触发SFD下降沿，竞争方在SFD上升沿和SFD下降沿之间判断信标分组类型，如果是竞争信标分组，则在SFD下降沿产生的硬件中断内发送CC2420的选通命令，广播发送缓存中的竞争分组；否则视为噪声，忽略该分组。
3.根据权利要求2所述的无线传感器网络中基于捕获效应的数据传输方法，其中所述步骤(2.3)中竞争方在SFD上升沿和SFD下降沿之间判断信标分组类型，按如下步骤判断：
(2.3a)通过分组中帧控制域FCF中的后三位对信标分组进行标识，并设定接收缓存阈值为5，竞争方在SFD上升沿和SFD下降沿之间逐字节将接收信标分组内容写入接收缓存，当写入接收缓存的字节数与接收缓存阈值相同时触发FIFOP上升沿；
(2.3b)竞争方在FIFOP上升沿产生的硬件中断内读取信标分组的FCF和源地址信息，并根据对FCF后三位和对源地址信息的检测，确定信标分组类型。
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