CN105262693A - 异步低占空比无线传感器网络中基于相长干扰的高效泛洪方法 - Google Patents

Abstract

异步低占空比无线传感器网络中基于相长干扰的高效泛洪方法，包括以下步骤：(1)将传感器节点随机撒播在监测区域内，每个节点周期性地执行邻居发现算法，向外广播消息，并接收邻居节点发送的消息。(2)每个节点维持一个邻居节点列表。(3)所有节点采用RI-MAC机制，根据自己的工作调度表交替地在睡眠状态和工作状态之间切换。(4)汇聚节点发送消息开始泛洪过程。(5)当节点所等待的邻居节点醒来时，节点会在前帧时间段中自己对应的那个时隙发送ACK。(6)当传感器节点知道所有的邻居节点都已经收到泛洪消息后，进入睡眠状态。

Description

异步低占空比无线传感器网络中基于相长干扰的高效泛洪方法

一、技术领域

本发明涉及异步低占空比无线传感器网络中的一种基于相长干扰的高效泛洪方法，它能显著地减少泛洪时延，降低能量消耗，并提高数据包接收率。

二、背景技术

所谓泛洪，是指把消息从一个源节点(通常为汇聚节点)发送到网络中的每个节点。泛洪机制在低占空比无线传感器网络中具有重要意义，它可以用于拓扑形成、路由建立、目标探测、数据查询等。

在低占空比无线传感器网络中，节点的睡眠调度方式可以分为两类，即同步方法和异步方法。同步方法包括S-MAC、T-MAC、RMAC、DW-MAC等，异步方法包括B-MAC、X-MAC、WiseMAC、RI-MAC等。同步MAC方法假设相邻节点之间具有同步的工作调度表，要求节点之间保持精确同步，具有较大的复杂度和开销。我们的方法中考虑使用RI-MAC协议，一方面避免了同步MAC方法中由于时钟同步所带来的开销，另一方面能够提高无线信道的利用率。

无线传感器网络是一种新型的自组织无线网络。与其他无线网络相比，具有硬件资源有限、能量有限、自组织、多跳路由、动态拓扑等特点。因此，在泛洪协议的设计中，能量有效性、数据传输时延、数据传输可靠性等是需要考虑的几个关键问题。

三、发明内容

本发明的目的是：提出一种基于相长干扰的占空比无线传感器网络泛洪方法，它能显著地减少泛洪时延，降低能量消耗，并提高数据包接收率。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：异步低占空比无线传感器网络中基于相长干扰的高效泛洪方法，包括以下步骤：

(1)将传感器节点随机撒播在监测区域内，每个节点周期性地执行邻居发现算法，向外广播消息，并接收邻居节点发送的消息。其中包含两次广播消息，第一次为普通的hello消息，第二次为包含前帧长度M和其中各个邻居节点顺序的消息。

(2)每个节点维持一个邻居节点列表，列表中邻居信息用三元组(ID，M，k)存储，分别表示邻居的ID、邻居的前帧长度和自己在该邻居前帧中的顺序。

(3)所有节点采用RI-MAC机制，根据自己的工作调度表交替在睡眠状态和工作状态之间切换。

(4)汇聚节点发送消息开始泛洪过程。传感器节点按照工作调度表醒来之后，如果没有收到泛洪消息，则进入睡眠状态；如果收到泛洪消息，则判断哪些邻居节点已经收到此消息，如果存在没有收到此消息的邻居节点，则继续等待它们醒来。

(5)当节点所等待的邻居节点醒来时，节点会在前帧时间段中自己对应的那个时隙发送ACK，并在前帧结束时立即发送泛洪消息。

(6)当传感器节点知道所有的邻居节点都已经收到泛洪消息后，就马上进入睡眠状态。

(7)当网络中所有节点都收到泛洪消息时，表明一轮泛洪结束。

进一步，节点周期性地执行邻居发现算法，向外广播消息，并接收邻居节点发送的消息，找到自己的所有邻居节点并维持一个邻居节点列表。邻居信息用三元组(ID，M，k)存储，分别表示邻居的ID、邻居的前帧长度和自己在该邻居前帧中的顺序。

进一步，在传统的RI-MAC传输过程中，加入了前帧时间段。具体来说，当接收节点醒来并且发送beacon之后，它的那些醒着的邻居节点分别在前帧中对应的时隙发送beacon，并且在前帧结束时马上发送数据包。当存在多个醒着的邻居节点同时向其发送数据时，就会产生相长干扰。利用相长干扰能够有效地提高接收节点的数据包接收率。

本发明的有益效果：充分利用了RI-MAC机制中接收者周期性主动发送beacon包的这一固有特性，在无需额外开销的情况下通过接收者发送的beacon包触发多个发送者的并发传输以产生相长干扰，使得接收者能够从中解码信号得到完整的数据，从而极大地提高了泛洪的传输效率和可靠性。

四、附图说明

图1为RI-MAC原理图；

图2为相长干扰示例图；

图3为前帧结构示意图；

图4为PRR与节点数目之间的关系；

图5为泛洪过程示例图。

五、具体实施方式

(1)网络模型

考虑一个低占空比无线传感器网络。每个传感器节点根据自己的工作调度表交替地在睡眠状态和工作状态之间切换。具体来说，一个工作周期T由n个时隙组成，每个节点把其中一个或者多个时隙作为工作时间段，而在其余时间进入睡眠状态。

为了有效地提高无线信道的利用率，我们采用了接收端启动的异步MAC协议RI-MAC。其工作过程如图1RI-MAC原理所示。每个节点根据各自的工作调度表醒来。节点R醒来之后侦听信道，如果信道空闲，就马上广播一个beacon消息，然后保持工作状态准备接收数据。如果节点S需要向节点R发送数据，S将一直侦听信道直到收到R的beacon消息。在收到R的beacon消息后，S立刻向R发送数据。R接收完数据后，返回另一个beacon消息，一方面告诉R数据接收完毕，另一方面询问其余节点是否需要向其传输数据。若等待一段时间之后没有发现数据，则R就进入睡眠状态。

在无线传感器网络中，数据包在传输过程中可能遇到路径损耗、多径效应、噪声干扰、邻居节点干扰等情况，从而造成数据包丢失。为了有效地评估链路质量，我们采用数据包接收率(PacketReceptionRatio，PRR)来衡量两个节点之间的链路状况，并且假设MAC层提供相应的链路质量评估服务。同时，为了保证单次数据传输的可靠性，需要采用自动请求重传机制ARQ(AutomaticRepeatreQuest)。而RI-MAC机制中接收节点发送的第二个beacon消息正好完成了这个功能。

由于无线通信的广播特性，网络中相邻节点并发发送数据常常引起干扰。尽管如此，如果多个发送节点同时向某个接收节点发送相同的数据包，则会产生相长干扰(ConstructiveInterference)。相长干扰源于物理层对于多径信号的容忍，它能够帮助接收节点解码信号得到完整的数据，因此能够有效地提高接收节点的数据包接收率。

图2是相长干扰的一个例子。节点S1和S2是节点R的邻居节点。当S1(或者S2)单独向R发送数据包时，R的数据包接收率是0.5。但是，当S1、S2同时向R发送相同的数据时，由于相长干扰的作用，R的数据包接收率将达到0.7。

(2)维持邻居信息

每个节点周期性地执行邻居发现算法。首先，节点广播hello消息并监听邻居节点发送的hello消息。在收集所有的hello消息后，根据一定规则确定前帧长度M和各个邻居节点在前帧中的顺序。然后，节点通过另一个消息广播这些信息并监听邻居节点的相应消息。从邻居节点收到第二个消息后，节点用三元组(ID，M，k)的方式记录下这个邻居节点的相关信息。其中，ID分别表示邻居节点的ID号，M表示邻居节点的前帧长度，k表示自己在该邻居节点前帧中的顺序。若自己在邻居节点的前帧中并不存在，则表明两个节点之间的链路质量相对较差，则不必存储这个邻居节点的信息。

(3)前帧结构与长度

每当节点醒来并且收到一个数据包时，它必须明确哪些邻居节点已经收到这个数据包而哪些节点还没有收到。当知道所有邻居节点都已经收到数据包时，它将立即进入睡眠状态。

为了让接收节点知道发送节点的相关信息，需要在RI-MAC过程中加入一个前帧。这个帧包含M个时隙，并且每个时隙分配给一个邻居节点。这个时隙的长度与RI-MAC中的基本帧长一致，为6个字节。图3描述了前帧的结构。

前帧的长度M是一个关键参数。如果M值太小，那么从相长干扰中获得的益处并不明显；如果M值太大，那么意味着增加了很多开销但是从相长干扰中获得的增益是有限的。

假设有K个共同发送者，A_i和τ_i分别表示第i个发送信号的幅值和相位偏移。为了简便，假设第一个信号为原始信号，则有τ₁＝0。如果时间偏移τ_i(1＜i≤K)小于T_c＝0.5μs，那么原始信号将被第i个信号加强。已知数据包接收率可以通过下列公式得到：

$G=\underset{i=1}{\overset{K}{\Σ}}{\left(A_i{\mathrm{cos\ω}}_c{\mathrm{\τ}}_i\right)}^2$

$P_e=Q\left(\sqrt{2G\frac{S}{N}}\right)$

$P_s=\underset{i=9}{\overset{32}{\Σ}}C(32,i){(1-P_e)}^{32-i}{P}_e^i$

PRR＝(1-P_s)^l

其中，G代表所接收信号的能量增益；P_e代表比特错误率；P_s代表符号错误率；ω_c＝π/2T_c表示无线频率；代表所接收信号的信噪比；Q是标准正态分布的尾概率；l是一个数据包中的符号数。

我们通过仿真模拟计算了数据包接收率和发送节点数目之间的关系，结果如图4所示。所有信号的幅值A_i都设为1，相位偏移τ_i(1＜i≤K)从[0，T_c]中随机选取。正如预期，通过运用相长干扰，能够较好地提高接收节点的数据包接收率。但是，随着节点数目的增加，数据包接收率的增长率开始降低。特别是当节点数目超过6的时候，数据包接收率的提高已经微不足道。其中的原因可能是，当节点数目增加时，多个并发传输之间的最大时间位移Δ更接近T_c。

假设num代表邻居节点的数目。那么，当节点有多于5个邻居节点时，M设为5，并且选择具有最高数据包接收率的5个邻居节点为其分配前帧中的时隙；否则，M设为邻居节点的数目。

因此，M的定义如下：

$M=\left\{\begin{array}{cc}5& \begin{array}{cc}if& num>5\end{array}\\ num& else\end{array}\right.$

(4)泛洪过程

当接收节点醒来并且发送beacon之后，它的那些醒着的邻居节点分别在前帧中对应的时隙发送beacon，并且在前帧结束时马上发送数据包。

在泛洪过程中，当多个发送节点同时等待一个接收节点时会发生相长干扰。图5是一个示例。开始时，S1和S2都在等待R醒来。某个时刻，R醒来并广播beacon，紧接着就是前帧时间，S1和S2分别在其对应的时隙发送beacon。前帧一结束，S1和S2同时发送数据包。由于同时发送导致的相长干扰，R能够以更高的概率接收到这个包。

Claims (3)

1.异步低占空比无线传感器网络中基于相长干扰的高效泛洪方法，其特征是包括以下步骤：

（1）将传感器节点随机撒播在监测区域内，每个节点周期性地执行邻居发现算法，向外广播消息，并接收邻居节点发送的消息；其中包含两次广播消息，第一次为普通的hello消息，第二次为包含前帧长度M和其中各个邻居节点顺序的消息；

（2）每个节点维持一个邻居节点列表，列表的邻居信息用三元组（ID，M，k）存储，分别表示邻居的ID、邻居的前帧长度和自己在该邻居前帧中的顺序；

（3）所有节点采用RI-MAC机制，根据自己的工作调度表交替在睡眠状态和工作状态之间切换；

（4）汇聚节点发送消息开始泛洪过程；传感器节点按照工作调度表醒来之后，如果没有收到泛洪消息，则进入睡眠状态；如果收到泛洪消息，则判断哪些邻居节点已经收到此消息，如果存在没有收到此消息的邻居节点，则继续等待它们醒来；

（5）当传感器节点所等待的邻居节点醒来时，传感器节点会在前帧时间段中自己对应的那个时隙发送ACK，并在前帧结束时立即发送泛洪消息；

（6）当传感器节点知道所有的邻居节点都已经收到泛洪消息后，就马上进入睡眠状态；

（7）当网络中所有传感器节点都收到泛洪消息时，表明一轮泛洪结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于相长干扰的占空比无线传感器网络泛洪方法，其特征是：传感器节点周期性地执行邻居发现算法，向外广播消息，并接收邻居节点发送的消息，找到自己的所有邻居节点并维持一个邻居节点列表；邻居信息用三元组（ID，M，k）存储，分别表示邻居的ID、邻居的前帧长度和自己在该邻居前帧中的顺序。

3.根据权利要求1所述的一种基于相长干扰的占空比无线传感器网络泛洪方法，其特征是：在传统的RI-MAC传输过程中，加入了前帧时间段；具体来说，当接收节点醒来并且发送beacon之后，它的那些醒着的邻居节点分别在前帧中对应的时隙发送beacon，并且在前帧结束时马上发送数据包；当存在多个醒着的邻居节点同时向其发送数据时，就会产生相长干扰；利用相长干扰能够有效地提高接收节点的数据包接收率。