CN105992307A - 无线传感器网络和关联请求发送方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及无线传感器网络及关联请求发送方法。一种在无线传感器网络100中发送关联请求的方法包括：将关联请求从叶节点102发送至中间节点104。该方法进一步包括：在共享时隙或专用时隙的任一者期间，发送来自中间节点104的关联请求以响应专用时隙的时序和共享时隙期间的数据冲突率中的至少一个。

Description

无线传感器网络和关联请求发送方法
背景技术
无线传感器网络(WSN)包括多个空间分布的中间节点和叶节点，其中叶节点通过中间节点发送数据至中心节点或根节点。一些叶节点包括传感器，其监测诸如温度、声音和压力的物理或环境状况并通过网络将指示这些参数的数据发送至中心节点。例如，WSN能够被安装在森林中以在开始着火时进行检测。一些叶节点和/或中间节点能够配备有传感器以测量由树或植被着火产生的温度、湿度和气体。所测量的数据通过中间节点发送至中心节点，中心节点将数据发送至数据处理器，从而完成早期火灾检测。
WSN通常具有多个分支，其中叶节点是分支上离中心节点最远的节点。在叶节点能够发送数据之前，该叶节点必须接入WSN。当叶节点试图接入WSN的分支时，叶节点监测从中间节点发送的信标以获取时隙信息，使得其能够在共享时隙期间发送“关联请求”。两种类型的时隙用于WSN发送：专用时隙和共享时隙。专用时隙具有用于在具体节点对之间发送数据的信道。专用时隙具有在专用时隙期间被分配用于在两个节点之间通信的专用信道。共享时隙具有能够由任何节点使用的基于竞争的信道。在共享时隙期间，对于大部分，任何两个节点可以在共享时隙期间使用信道。专用时隙在两个节点之间可以是专用的在于：两个节点在那个时隙期间在具体信道上通信。仅在共享时隙期间发送全部关联请求。
一旦叶节点获得时隙信息，该叶节点将关联请求发送至中间节点，其中该叶节点使用共享时隙从该中间节点接收信息。然后，中间节点还使用共享时隙将关联请求转发至更接近根节点的节点。过程继续直到关联请求到达根节点。当根节点接收到关联请求时，该根节点处理请求、在请求关联的叶节点和该叶节点对应的中间节点之间分配专用时隙。接着，根节点在关联响应中包含该信息并将其发送至中间节点，该中间节点将信息转发至其它中间节点，直到该信息到达叶节点。在共享时隙期间将全部关联响应数据发送至叶节点。
因为关联请求易受到数据冲突的影响，所以共享时隙期间发送关联请求不是高效的，其中数据冲突能够导致关联请求需要被重新发送。发送关联请求消耗大量功率，所以重新发送关联请求降低WSN的功率效率。如上所述，因为在共享时隙期间发送关联请求，所以一些中间节点可能在共享时隙期间不监听以节省功率，这能够进一步导致节点关联延迟。此外，因为上述节点在共享时隙期间不监听，所以需要发送额外的关联请求。发送额外的关联请求降低效率。
发明内容
一种在无线传感器网络中发送关联请求的方法，该方法包括将关联请求从叶节点发送至中间节点。该方法进一步包括：在共享时隙或专用时隙的任一者期间，发送来自中间节点的关联请求，以响应下列项中的至少一个：专用时隙的时序和共享时隙期间的数据冲突率。
附图说明
图1是一个示例无线传感器网络(WSN)的框图。
图2是用于在图1的WSN中发送数据的一个示例通信协议的图表。
图3是描述图1的WSN的操作的一个示例的流程图。
具体实施方式
图1是一个示例无线传感器网络(WSN)100的框图。WSN 100包括多个叶节点102、多个中间节点104和协调器或根节点106。叶节点102被分别标记为叶节点110-115。本文描述的中间节点104包括两组：第一中间节点116和第二中间节点118。第一中间节点116被分别标记为中间节点120-124，以及第二中间节点118被分别标记为中间节点125-127。WSN 100中的节点的布置仅出于示例性目的，并且实质上在其它WSN中可以利用任何节点布置。WSN 100帮助数据从叶节点102发送至根节点106，并且在一些实施方式中，指令被从根节点106发送至各个叶节点102和/或中间节点104。例如，叶节点102可以具有耦合至该叶节点102的传感器，所述传感器生成将要被传输至根节点106的数据。根节点106可以将指令发送至叶节点102以控制它们的操作，诸如它们的数据收集。WSN 100帮助将数据发送至叶节点102和根节点106以及发送来自叶节点102和根节点106的数据。
并非全部叶节点102总是连接至WSN 100或与WSN 100关联。例如，为了节省功率，可以仅当叶节点102生成的数据需要被发送到根节点106时，叶节点102连接至WSN 100。相应地，如下文更详细描述的，如果叶节点110需要接入WSN 100，则叶节点110监测WSN 100的由其中一个中间节点104发送的信标。该信标包括与将叶节点110与WSN 100关联的时序与其它信息相关的信息。一旦叶节点110接收到信标，该叶节点110发送关联请求至中间节点(图1的示例中是中间节点120)。中间节点120发送关联请求至中间节点125，然后该中间节点125发送关联请求至根节点106。然后，根节点106通过中间节点120和125将关联响应发送回至叶节点110。关联响应包含关于WSN 100和叶节点110之间的未来通信的信息。
图2是示出用于在WSN 100中发送数据(和关联请求)的一个示例通信协议的图表200。示例通信协议有时被称为多跳变(multihop)信道系统。本文描述的多跳变信道系统包括在图表200中水平延伸的多个隙帧204，其中水平轴线表示时间。然而，在通信期间，图2的图表中示出两个单独的隙帧206和208；隙帧204被继续生成。隙帧204中的每个包括多个时隙(或“隙”)210，这些时隙被例示为图表200的垂直列。在一些实现方式中，这些隙被称为“链路”。在图2的例示实施例中，隙帧204中的每个具有十个隙210。多个信道214被示出在图表200中垂直延伸。每个隙210可以在两个具体节点之间的通信期间与单独信道214关联。单个隙中的若干信道可以被用于其它节点对之间的通信。例如，隙中的第一信道可以被分配在第一节点和第二节点之间通信，第二信道可以被分配在第三节点和第四节点之间通信，以及第三信道可以在任何节点之间共享。
根106确定用于在WSN 100的不同节点之间通信的隙和信道，其能够在隙帧204之间变化。例如，可以在第一隙帧206中给第一节点和第二节点分配被称作220的隙3。通信分配进一步将隙3中的信道分配给节点，在图2的示例中为第三信道并且被称为222。在第二隙帧208期间，隙号相同，该隙是隙3并且被称为226；然而，现在通信发生在被称为228的信道5上。不同信道的这种分配在通信协议中可以发生在多个隙帧204上。通过图2的阴影信道示出在这些节点之间跳变的信道的实例，这在不同隙210之间变化。
一些隙210是专用隙并且一些隙210是共享隙。专用隙具有经根节点106分配仅用于在两个具体节点之间通信的具体信道。例如，如果根节点106分配隙220中的信道222在节点121和126之间通信，则相对于节点121和126而言，该隙是专用的。更具体地，节点121和126在隙220中具有它们在其中能够通信的信道。另一方面，共享隙具有对任何节点开放使用的信道，当超过一个节点试图发送时，这使得它们易受数据冲突影响。共享隙在两个节点之间可以具有专用信道。然而，因为共享隙还具有其中任何节点可以通信的信道，所以该隙被认为是在全部节点之间被共享。专用隙期间发送的节点期望数据发送并保持有效以在有效隙期间通信。然而，在共享隙期间，节点可以处于无效模式，其中它们不接收或监听发送以节省功率。
与仅在共享隙期间发送关联请求的常规WSN不同，WSN 100和相关实施方式利用共享隙和专用隙在中间节点104和/或根节点106之间发送关联请求。WSN 100在专用隙期间发送数据和关联请求，并且根据特定标准，还可以在共享隙期间发送关联请求。WSN 100和其中的组件根据不同隙的可用性和共享隙中的数据冲突的可能性，决定在共享隙期间还是在专用隙期间发送关联请求。在专用隙期间还是共享隙期间发送的决定通常由中间节点104执行，但可以由根节点106执行。可以由计算机程序、固件、硬件或执行本文所描述的决定过程的任何其它技术来实现该决定。
参照图1、图3的流程图300和通过以下示例描述在WSN 100内在专用隙还是在共享隙期间进行发送的决定。在以下示例中，中间节点121广播指示信道和共享隙的信标，其中在该共享隙期间，中间节点121能够接收来自叶节点102的关联请求。在共享隙期间，叶节点111将关联请求发送至中间节点121，该中间节点121是第一中间节点116中的一个。注意，因为叶节点102和中间节点104在初始通信期间没有建立专用隙，所以叶节点102在共享隙期间发送关联请求至中间节点104。中间节点121需要将关联请求发送至第二中间节点118中的一个，然后第二中间节点118中的一个必须将关联请求发送至根节点106。如图1所示，中间节点121邻近三个叶节点111、112和113，因此所有这些节点可以同时发送关联请求。
流程图300提供用于确定关联请求是在专用隙期间还是在共享隙期间在中间节点之间发送的顺序的一个示例。可以改变流程图300的处理框的顺序，并且不一定必须遵循流程图300中阐述的顺序。在图3的示例中，决定在共享隙期间还是在专用隙期间发送在决定框302处开始，在决定框302处，确定专用隙是否发生在共享隙之前。参照图2，隙210中的一些是专用的并且该隙中的一些是共享的，因此该决定基于隙帧204中专用隙是否发送在共享隙之前。如上所述，专用隙意味着，隙具有专用于在两个具体节点之间进行通信的信道。共享隙意味着，全部节点具有在该隙期间通信的能力。图2的水平轴线代表时间，所以左侧的隙发生在右侧的隙之前。注意，专用隙必须空闲意味着信道没有被分配以发送与其它任务相关的数据。如果对决定框302的响应是肯定的，则过程继续至框304，其中在已经发生在共享隙之前的专用隙期间发送关联请求。
在一些示例中，监测共享隙期间的数据冲突率。然后，数据冲突率能够与规定最近时间段内每单位时间的数据冲突率的预定值进行比较。在图3的示例中，在决定框308处，这个数据冲突率与预定值比较以确定数据冲突率是否超过预定值。如果决定框308的结果是肯定的，则过程继续至框304，其中在专用隙期间发送关联请求。在一些示例中，如果数据冲突率超过预定值，则在专用隙期间发送关联请求而不考虑共享隙和专用隙发生的时间。因此，在这些示例中，决定框308发生在决定框302之前，并且如果共享隙期间的数据冲突率是高的，不考虑其它标准，则在专用隙期间发送关联请求。在WSN100中，在一定时间段期间，如图所示，由于节点121与其它叶节点102的可能连接，这导致多个关联请求需要被发送到其它中间节点，因此，与节点121相关的数据冲突率很高是可能的。
如果决定框308的结果是否定的，则接着过程继续至框310，其中在共享隙期间发送关联请求。更具体地，如果决定框308的结果是否定的，则共享隙发生在专用隙之前并且共享隙中的数据冲突率低于预定值。在这个情况下，在共享隙期间发送关联请求。通过在共享隙和专用隙二者中发送关联请求，提高WSN 100的效率。例如，在常规无线传感器网络中，关联请求仅在共享隙中、在中间节点之间发送，当需要重新发送这些关联请求时，这种方式能够是非常慢并且消耗大量功率。例如，在一些常规示例中，在共享隙期间的数据冲突率很高的时间段期间发送关联请求。此外，并非全部的关联请求被成功发送，因此它们必须被重新发送。
上文阐述的标准可以应用于WSN 100中的全部中间节点104。在以上提供的示例中，基于上述标准，将关联请求从第一中间节点121发送至第二中间节点126。在另一个示例中，中间节点121可以将关联请求发送至中间节点125。如图1所示，中间节点125易受来自中间节点120和121的数据冲突的影响。因此，在共享隙期间发送关联请求是困难的，所以上述标准可以确定在专用隙期间发送关联请求至根106。
根节点106分配专用隙用于在节点之间进行数据发送。例如，根节点106分配中间节点104和叶节点102之间的发送标准。附加地，根节点106分配中间节点104和根节点106之间的发送标准。参照以上示例，根节点106分配中间节点121和叶节点111之间的数据发送标准，以及中间节点121和126之间的发送标准。附加地，根节点106可以分配中间节点126和根节点106之间的发送标准。分配作为关联响应被发送并且可以使用以上阐述的相同标准。在常规无线传感器网络中，通过共享隙发送关联响应，这提供以上所描述的数据冲突和低效率问题。在WSN 100的一些方面中，将关联响应通过共享隙从中间节点104发送至叶节点102。然而，一旦已经建立关联，未来数据发送就可以通过专用隙完成。
参照图1，现将描述发送关联请求的其它示例。在一个示例中，中间节点123正从叶节点114或叶节点115中的任一个发送关联请求至中间节点127。如图1所示，中间节点122和124还可以与中间节点127通信。因此，中间节点127可以在共享隙期间经历大量的数据冲突。在这个示例中，已经将数据冲突信息通信至中间节点123。中间节点123中的软件、固件等确定在共享隙期间还是在专用隙期间发送关联请求。参照图3的流程图300，中间节点123确定专用隙是否发生在共享隙之前，并且如果是，在专用隙期间发送关联请求。如果专用隙没有发生在共享隙之前，则过程继续至决定框308以确定共享隙期间的数据冲突量是否超出预定值。如上所述，数据冲突率很高，因此过程继续至框310，在此处，在专用隙期间发送关联请求。
在以上例示中，决定在共享隙期间还是在专用隙期间发送可以以如在决定框308中描述的决定作为开始。更具体地，该决定可以以确定共享隙期间的数据冲突是否高作为开始。在这个情况中，由于决定的结果是肯定的，所以过程立即继续至框304，在此处，在专用隙期间发送关联请求。
在另一个示例中，正将关联请求从中间节点121发送至中间节点126。因为中间节点126仅与中间节点121关联，所以在共享隙期间可能没有足够的数据冲突超过决定框308中阐述的预定值。可以将这个数据冲突信息发送至中间节点121。参照决定框302，确定专用隙是否发生在共享隙之前。出于这个示例的目的，专用隙没有发生在共享隙之前，因此过程继续至决定框308，在此处，确定共享隙中的数据冲突量是否超出预定值。如上所述，因为数据流量低，所以共享隙期间的数据冲突量低并且过程继续至框310，在此处，在共享隙期间发送关联请求。
在一些实施例中，决定发送关联请求进一步包括分析专用隙是否可用。例如，如果专用隙不可用，则中间节点可以在共享隙期间发送关联请求而不管共享隙中的数据冲突量。
尽管本文已经详细描述了一些示例无线传感器网络，将理解，发明性概念可以以多种其它方式体现和采用，并且所附权利要求旨在解释为包括除现有技术目前限定的内容之外的这种变体。

Claims (20)

1.一种在无线传感器网络中发送关联请求的方法，所述方法包括：
将关联请求从叶节点发送至第一中间节点；
响应于专用时隙的时序和共享时隙期间的数据冲突率中的至少一个，在共享时隙或所述专用时隙的任一者期间发送来自所述第一中间节点的所述关联请求。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求是在专用时隙期间，以响应所述专用时隙在共享时隙之前发生。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求是在专用时隙期间，以响应所述专用时隙在共享时隙之前发生而不考虑所述共享时隙期间发生的数据冲突量。
4.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：在至少一个共享时隙期间监测数据冲突，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求是在专用时隙期间，以响应所述至少一个共享时隙期间发生的所述数据冲突量在预定时间段期间超出预定量。
5.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：在至少一个共享时隙期间监测数据冲突，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求是在共享时隙期间以响应：在所述至少一个共享时隙期间发生的所述数据冲突量在预定时间段期间比预定量少；和所述共享时隙发生在所述专用时隙之前。
6.根据权利要求1所述的方法，该方法包括：在至少一个共享时隙期间监测数据冲突，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求是在专用时隙期间以响应：在所述至少一个共享时隙期间发生的所述数据冲突量在预定时间段期间比预定量少；和所述专用时隙发生在所述共享时隙之前。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求包括向根节点发送所述关联请求。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，发送来自所述第一中间节点的所述关联请求包括向第二中间点发送所述关联请求。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述关联请求从叶节点发送至所述第一中间节点包括在共享时隙期间将所述关联请求从叶节点发送至所述第一中间节点。
10.一种无线传感器网络，包括：
至少一个叶节点；
至少一个中间节点；
根节点，所述根节点与所述至少一个中间节点通信；
其中，响应于以下项中的至少一个，在共享时隙或专用时隙的任一者期间，从所述中间节点发送从所述叶节点发送到所述中间节点的关联请求：所述共享时隙和所述专用时隙的时序，和所述共享时隙期间的数据冲突率。
11.根据权利要求10所述的无线传感器网络，其中，从所述中间节点发送的所述关联请求是在专用时隙期间，以响应所述专用时隙发生在共享时隙之前。
12.根据权利要求10所述的无线传感器网络，其中，从所述中间节点发送的所述关联请求是在专用时隙期间，以响应所述专用时隙发生在共享时隙之前而不考虑在所述共享时隙期间发生的数据冲突量。
13.根据权利要求10所述的无线传感器网络，包括在至少一个共享时隙期间监测数据冲突，其中，在专用时隙期间从所述中间接节点发送所述关联请求以响应在所述至少一个共享时隙期间发生的数据冲突量在预定时间段期间超过预定量。
14.根据权利要求10所述的无线传感器网络，包括在至少一个共享时隙期间监测数据冲突，其中，在共享时隙期间从所述中间节点发送所述关联请求以响应在所述至少一个共享时隙期间发生的数据冲突量在预定时间段期间比预定量少；和所述共享时隙发生在所述专用时隙之前。
15.根据权利要求10所述的无线传感器网络，包括在至少一个共享时隙期间监测数据冲突，其中，在专用时隙期间从所述中间节点发送所述关联请求以响应在所述至少一个共享时隙期间发生的数据冲突量在预定时间段期间比预定量少；和所述专用时隙发生在所述共享时隙之前。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述关联请求从所述中间节点发送至所述根节点。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述关联请求从所述中间节点发送至第二中间节点。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，在共享时隙期间，将所述关联请求从叶节点发送至所述中间节点。
19.一种在无线传感网络中发送关联请求的方法，所述方法包括：
将关联请求从叶节点发送至中间节点；
在一段时间段期间监测至少一个共享时隙期间的数据冲突量；
在共享时隙或专用时隙的任一者期间发送来自所述中间节点的所述关联请求以响应下列项中的至少一个：
专用时隙的时序；和
所述至少一个共享时隙的所述时间段期间发生的数据冲突率的量。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，发送所述关联请求包括：如果所述专用时隙发生在所述共享时隙之前，不管在所述至少一个共享时隙期间发生的所述数据冲突量，在专用时隙期间发送所述关联请求。
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