CN109673045B - 无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统及方法，所提供的系统包括：汇聚节点，用于在一个通信帧内的广播时隙块向网内节点广播同步指令，并接收所述网内节点在数据传输时隙发送的环境感知数据；网内节点，用于在预设的时间内唤醒节点，获取采集环境感知数据同时监听所述广播同步指令，当监听到所述广播同步指令后，进行时钟同步，并根据预设规则进行环境感知数据的协同传输；其中，所述同步指令至少包括：主时钟同步消息和传输标识信息；其中，所述通信帧中包含广播时隙块、控制时隙块和数据子时隙。本发明提供的系统，缩短了通信帧长度，减少了节点的监听等待时间，提高了无线传感器网的传输效率。

Description

无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及视频技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统及方法。

背景技术

农业无线传感器网络方便、精确地获取农业生产的实时环境信息，已经成为指导农业生产，提高作物产量的关键技术，如何高效地进行网络接入与数据传输是影响网络性能的关键与研究的重点。对于农业无线传感器网络而言，网络规模大与节点密度高并存，且频谱资源十分受限，在组网过程中大量网络节点同时进行网络接入，信道冲突十分激烈。传统的防冲突方法需要进行频繁的信道检测与竞争，能量效率低。实际上，对于农业无线传感器网络而言，其在时域上的占空比是较低的，因此可以通过有效的时隙分配，解决频谱受限与网络冲突等问题。

农业WSN作为一种典型的无线Ad hoc网络具有快速部署、灵活组网等优点。MAC信道访问控制协议设计对信道利用率和网络性能影响极大。在多跳无线Ad hoc网络中，相比于基于CSMA的信道访问控制协议，基于TDMA的信道访问控制协议能够提供更大的网络容量，在高度密集的环境下最大化信道利用率，有效分配信道资源的同时能够更好地保障QoS性能。因此，基于TDMA的信道访问方式是更好的选择。

基于TDMA的信道访问控制协议将时间划分为循环的周期性的时帧，时帧又被分割为多个时隙，网络中不同的用户按照一定的协议规则使用不同的时隙，以达到用户之间不会相互干扰的目的。TDMA信道访问控制协议需要解决的问题是如何能够在无中心控制的情况下使各个节点公平高效的共享有限的信道资源。现有的基于TDMA的信道访问控制协议大多是固定的时隙分配，不能根据网络节点的负载情况，动态的调整时隙分配，出现业务量大的节点和业务量小的节点获得同样的时隙数目，造成时隙资源分配的贫富不均，严重浪费有限的信道资源。动态TDMA协议可以根据节点传输需求变化来进行资源调度分配，有效地解决了传统TDMA MAC协议中固有的一些问题，同时还具有处理不同优先级类型业务的能力。随着多媒体业务和对QoS要求较高的业务的增长，动态TDMA协议体现出更大的优势。因此，如何改进TDMA方式下的信道时隙调度设计对高竞争、高动态且业务量较大的Ad hoc网络的性能提高起着至关重要的作用。

目前为无线Ad hoc网络TDMA时隙调度问题提出的算法或协议中，包括集中式调度算法和分布式调度算法。集中式调度算法一般是利用优化理论最大化时隙利用率或最小化帧长的方法来达到低时延和高吞吐量的目标。这类算法带宽利用率高，但计算复杂度高，且需要全局化网络信息，应对需求变化进行动态调度实时响应的能力不足。一旦集中控制节点失效，整个网络将无法工作，因此工程实用性差。分布式调度算法则通常是基于局部网络信息，采用随机方法或启发式方法来获得次优方案，能够有效减少节点之间的信息交互数量，减少开销，算法可扩展性好。在多跳无线Ad hoc网络中，即使具备了精确的全网状态信息，生成一个优化的调度方案也是非常困难的，研究表明其为一个NP-完全问题。

高效实用的调度算法设计面临着诸多挑战。现有的协议应用于高动态自组网场景时仍存在很多缺点，国内外目前尚无统一的协议标准，因此需要设计新颖、高效的适合高动态自组网的TDMA MAC协议。例如FPRP(Five-Phase Reservation Protocol)协议，该协议是一种基于竞争的分布式时隙分配协议，它通过与相邻节点之间使用控制分组的五次握手过程实现两跳范围内TDMA时隙的预约。FPRP利用微时隙的竞争，在容忍一定程度的冲突的条件下实现多跳复用带宽，提高了信道时隙的利用效率。由于信道编码技术对最小帧长的要求，再考虑到跳频通信中每个频点的驻留时间，可以认为，在使用宽带传输以及跳频抗干扰技术的自组网中，微时隙长度过小是不合适的。时隙划分太小使得除去保护时间后剩余的有效传输时间更少，宽带信道传输的有效利用率严重降低。因此，微时隙竞争机制在应用中难以得到很好的运用。

发明专利“一种无线移动自组织网络信道时隙调度分配方法”(申请号：201711256722.3)提出一种无线移动自组织网络信道时隙调度分配方法，包括时隙申请、冲突调解、分配通告和时隙占用四个阶段，通过对时隙分配的实时调整，消解时隙分配过程中存在的竞争冲突，实现节点快速移动、网络拓扑动态变化、分布式无中心控制等Ad hoc网络场景下的TDMA高效信道访问控制与频谱利用。发明专利“一种无线传感器网络信道分配方法”(申请号：201711396819.4)提供了一种无线传感器网络信道分配方法，通过确定网络拓扑中每一条路径被分配时隙和信道的优先级满足数据传输的时序关键性要求，并根据路径通信可靠性的提高率最大原则，为链路添加重传链路。其在分配网络信道时，充分考虑链路质量、选择质量好的链路，且利用空闲的时隙进行重传，提高了数据传输的可靠性。

现有技术中的网络接入方法主要针对通用应用场景，重点研究改进的是信道利用率，没有考虑到农业无线传感器网络超高节点密度的特点，也未将设备或节点的能耗作为优化指标进行考量。所采用的侦听等待机制需要大量节点长时间侦听信道，能耗效率低，不适合于能量及资源受限的农业无线传感器网络应用场景。

发明内容

本发明实施例提供一种无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统及传输方法，用以解决现有技术中无线传感器网所采用的侦听等待机制需要大量节点长时间侦听信道，能耗效率低，不适合于能量及资源受限的农业无线传感器网络应用场景的问题。

第一方面，本发明提供实施例提供一种无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统，包括：

汇聚节点，用于在一个通信帧内的广播时隙块向网内节点广播同步指令，并在数据子时隙接收所述网内节点在数据传输时隙发送的环境感知数据；

网内节点，用于在预设时刻唤醒，获取采集环境感知数据同时监听所述广播同步指令，当监听到所述广播同步指令后，进行时钟同步，并根据预设规则进行环境感知数据的协同传输；

其中，所述同步指令至少包括：主时钟同步消息和传输标识信息；

其中，所述通信帧中包含广播时隙块、控制时隙块和数据子时隙。

第二方面，本发明实施例提供一种基于无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统的传输方法，包括：

汇聚节点在一个通信帧内的广播时隙块向所有网内节点广播同步指令；

网内节点在对应固定子时隙中，根据邻居节点信息表的顺序进行信息交互，获得节点协同信息；

根据所述节点协同信息，为环境感知数据分配所述通信帧内的数据子时隙；

网内节点在所述数据子时隙中上传环境感知数据并协同发送给所述汇聚节点。

本发明实施例提供的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统及传输方法，针对农业无线传感器网络周期性休眠后时钟精确同步困难而无法进行高效数据的问题，在传统TDMA方法的基础上，采用汇聚节点全网广播同步消息的方式，实现全网节点的时钟同步，可以实现周期性的节点时钟纠偏，保证了节点的有效接入并为节点间同步传输协调提供时钟基础。不仅如此，本发明还在广播同步消息中插入了控制和数据标识，在全网范围内实现了控制和数据帧的高效切换，相比对现有技术帧结构同时存在控制帧与数据帧的情况，进一步缩短了帧长度，减少了节点的监听等待时间，提高了传输效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统的结构示意图；图2为一实施例提供的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统中通信帧的帧结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统中节传导式的多跳传输同步机制示意图；

图4为本发明一实施例提供的数据传输方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，图1为本发明一实施例提供的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统的结构示意图，所提供的系统包括：汇聚节点11和网内节点12。

其中，汇聚节点11用于在一个通信帧内的广播时隙块向网内节点广播同步指令，并在数据子时隙接收所述网内节点在数据传输时隙发送的环境感知数据。

网内节点12用于在预设时刻唤醒，获取采集环境感知数据同时监听所述广播同步指令，当监听到所述广播同步指令后，进行时钟同步，并根据预设规则进行环境感知数据的协同传输。

其中，所述同步指令至少包括：主时钟同步消息和传输标识信息；其中，所述通信帧中包含广播时隙块、控制时隙块和数据子时隙。

具体的，农业无线传感器网络多采用周期性休眠与唤醒机制以实现长时间周期的环境监测，但多跳传输对唤醒后的网络组织与数据传输时的时间同步精度要求过高，难以保证某链路上不同跳数的节点同时唤醒并建立连接。为此本实施例对传统TDMA帧结构进行部分改进，在全局时间同步的基础上，实现多跳节点间的局部协同，具体如图2所示：

TDMA帧结构主要包括广播时隙块、控制时隙块和数据时隙块三部分。广播时隙块由汇聚节点以最大功率在整个监测区域内进行周期性广播，通过其包含的广播同步指令实现全网的主时钟同步。控制时隙块包括多个控制子时隙，数据时隙块包括多个数据子时隙，网内节点通过在控制时隙块内的信息交互，确定对应数据子时隙的分配以及节点间的中继转发对应关系。

网内节点休眠后根据预设时间唤醒，唤醒后在环境感知与数据采集的同时监听等待广播时隙，当监听到汇聚节点的广播同步指令后，进行时钟同步，并根据预设规则进行数据的协同传输。

控制时隙块中的子时隙主要可分为两类，第一部分为固定时隙，第二部分为协同时隙。其中固定时隙中的子时隙数量固定，固定时隙中的子时隙数量为网络内节点二跳邻居节点数最大值加1。

对于某特定区域内而言，控制固定子时隙与网内节点一一对应，用于标识别对应的网内节点在当前周期是否在线，并向其邻居节点传递其基本属性信息。根据固定时隙中节点在线情况，远端节点根据路由算法选择中继节点，并按预设规则在协同时隙中进行相关信息交互。

通过此系统，针对农业无线传感器网络周期性休眠后时钟精确同步困难而无法进行高效数据的问题，在传统TDMA方法的基础上，采用汇聚节点全网广播同步消息的方式，实现全网节点的时钟同步，可以实现周期性的节点时钟纠偏，保证了节点的有效接入并为节点间同步传输协调提供时钟基础。不仅如此，本发明还在广播同步消息中插入了控制和数据标识，在全网范围内实现了控制和数据帧的高效切换，相比对现有技术帧结构同时存在控制帧与数据帧的情况，进一步缩短了帧长度，减少了节点的监听等待时间，提高了传输效率。

在上述实施例的基础上，所述网内节点还用于，接收汇聚节点发送的同步指令，同时向相邻的网内节点传送所述同步指令中的传输标识信息。

所述控制时隙块中包含固定时隙和协同时隙，固定时隙中的子时隙用于标识所述子时隙对应的网内节点的在线状态；相应的，所述网内节点还用于，通过协同时隙在预设的协同规则进行协同信息交互。

所述控制时隙块还包含竞争子时隙，相应的，所述网内节点还用于，当检测到所述数据子时隙出现冲突时，则通过所述竞争子时隙进行冲突数据的传输。

具体的，如图3所示，图3为为本发明一实施例提供的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统中节传导式的多跳传输同步机制示意图，广播时隙中的广播同步指令除了包含主时钟同步信息外，还包含当前的多跳传输标识信息，具体意义如下：传输标识信息为F1表示处于网络唤醒期，等待网络节点唤醒，网内节点唤醒后，从汇聚节点的一跳节点各自的控制子时隙发送自身信息后，汇集节点广播同步指令中的传输标识每次加1，依次为F₂、…F_i、…、F_N，其中N为网络节点最大跳数，分别对应当前的控制时隙同步到第i跳节点。

当广播同步指令传输标识到达网络节点最大跳数F_N，下一周期切换为数据汇集阶段，传输标识变为D_N，之后随广播时隙的周期广播，传输标识依次减1，为D_N-1、…D_i、…、D₁，对应的D_i为第i跳节点的数据传输时隙。

在广播同步步骤，汇聚节点通过由内向外，由中心向边缘的网内节点发送广播同步指令，在发送到最外侧的网内节点后，在数据汇集节点，变为由外向内进行数据汇集。

任一网内节点需维护自身的2跳邻居节点信息表(包含其自身)，后简称邻居节点表，2跳邻居节点即与自身距离在2倍正常通信半径之内的其他节点，并按照距离汇聚节点由近到远的方式进行排序。

在控制时隙块中的固定时隙中，节点按照邻居节点信息表的顺序进行信息交互。由于农业无线传感器网络为静态网络，节点的邻居节点表也相对固定，因此所有节点与控制时隙块中的固定子时隙可现实一一对应

网内节点在其对应的固定子时隙中，上报的内容包括：在线状态、当前节点跳数、是否需要上传数据、是否可作为中继节点、中继请求标识、目标中继节点ID等信息，这些信息以二进制的方式拼接并编码，以减少网络传输比特数。节点在监听到邻居节点信息表中节点的固定子时隙内容时，更新相应的缓存信息。

根据协同时隙中的交互信息，节点确定自身的发送、中继模式，并按预设规则在数据时隙块中进行数据传输。数据时隙块主要可分为2部分，分配时隙与竞争时隙，节点优先按协同时隙中的约定信息在对应的分配子时隙中进行数据传输，一旦检测到冲突，则停止当前传输，并转到竞争时隙部分进行数据传输。

通过此系统，提出一种传导式的多跳传输同步机制，控制时隙的固定子时隙由距汇聚节点较近的节点先发送控制时隙信息，因此网络的多跳同步方式呈现为一种以汇聚节点为起点的由近及远的传导方式。而协同子时隙与数据传输子时隙则是由远端节点向近端节点传导。该传导方式在很大程度上避免了节点间的互相冲突，而且根据跳数对时隙进行划分，可以使节点更大程度的进行休眠，也进一步降低了节点能耗。在对不同节点传输时间片进行划分与协调过程中，通过提高排序效率，增加节点休眠时长，减少数据帧长度，在实现网络数据高效传输与汇集的同时避免网络冲突，延长网络寿命。

参考图4，图4为本发明一实施例提供的数据传输方法的流程示意图，所提供的方法包括：

S1，汇聚节点在一个通信帧内的广播时隙块向所有网内节点广播同步指令。

S2，网内节点在对应固定子时隙中，根据邻居节点信息表的顺序进行信息交互，获得节点协同信息。

S3，根据所述节点协同信息，为环境感知数据分配所述通信帧内的数据子时隙。

S4，网内节点在所述数据子时隙中上传环境感知数据并协同发送给所述汇聚节点。

其中，所述网内节点在对应固定子时隙中，根据邻居节点信息表的顺序进行信息交互，获得节点协同信息的步骤具体包括：

网内节点在对应的固定子时隙中上报自身节点信息给邻居节点，同时接收邻居节点在对应的固定子时隙中上报的邻居节点的节点信息；通过自身节点信息和所述邻居节点的节点信息，计算获得节点协同信息；其中，所述自身节点信息包括但不限于：在线状态、当前节点跳数、是否需要上传数据、是否可作为中继节点、中继请求标识、目标中继节点ID。

所述网内节点在所述数据子时隙中上传环境感知数据并协同发送给所述汇聚节点的步骤具体包括：网内节点根据协同时隙中的交互信息，确定自身的信息发送模式，并根据所述信息发送模式在所述数据子时隙中上传环境感知数据，协同发送给所述汇聚节点；其中，所述信息发送模式包括环境感知数据发送模式和网内节点中继模式。

其中，网内节点在对应的固定子时隙中的其他网内节点的交互信息，根据预设的路由算法选择中继节点，在固定子时隙中加入相应的中继请求信息，并按预设规则在协同时隙中进行信息交互。

所述根据所述节点协同信息，为环境感知数据分配所述通信帧内的数据子时隙的步骤还包括：若所述当检测到所述数据子时隙出现冲突时，则通过竞争子时隙进行冲突数据的传输。

所述网内节点在对应固定子时隙中，根据邻居节点信息表的顺序进行信息交互，获得节点协同信息的步骤中还包括：根据预设的路由选择方法，选择所述网内节点的中继节点。

所述网内节点根据协同时隙中的交互信息，确定自身的信息发送模式，并根据所述信息发送模式在所述数据子时隙中上传环境感知数据，协同发送给所述汇聚节点的步骤具体包括：若所述网内节点不为中继节点，则将所述环境感知数据在所述数据子时隙发送给相邻的中继节点；若所述网内节点为中继节点，则将自身收集的所述环境感知数据发送给下一个中继节点，同时作为中继节点，将邻居节点发送的环境感知数据和上一中继节点发送的环境感知数据发送给下一个中继节点。

所述网内节点在所述数据子时隙上传环境感知数据并协同发送给所述汇聚节点之后的步骤，还包括：网内节点在完成环境感知数据传输后，进入休眠状态。

具体的，网络节点根据汇聚节点的同步信息实现网络接入，按照预设的帧格式进行控制信息交互，实现多跳网络的动态时隙分配与数据传输，具体规则如下：

步骤1，广播时隙中的广播同步指令除了包含主时钟同步信息外，还包含当前的多跳传输标识信息，具体意义如下：

传输标识信息为F1表示处于网络唤醒期，等待网络节点唤醒，网内节点唤醒后，从汇聚节点的一跳节点各自的控制子时隙发送自身信息后，汇集节点广播同步指令中的传输标识每次加1，依次为F₂、…F_i、…、F_N，其中N为网络节点最大跳数，分别对应当前的控制时隙同步到第i跳节点。

当广播同步指令传输标识到达网络节点最大跳数F_N，下一周期切换为数据汇集阶段，传输标识变为D_N，之后随广播时隙的周期广播，传输标识依次减1，为D_N-1、…D_i、…、D₁，对应的D_i为第i跳节点的数据传输时隙。

步骤2，任一网内节点需维护自身的2跳邻居节点信息表(包含其自身)，后简称邻居节点表，2跳邻居节点即与自身距离在2倍正常通信半径之内的其他网内节点，并按照距离汇聚节点由近到远的方式进行排序。

步骤3，在控制时隙块中的固定时隙中，网内节点按照邻居节点信息表的顺序进行信息交互。由于农业无线传感器网络为静态网络，网内节点的邻居节点表也相对固定，因此所有网内节点与控制时隙块中的固定子时隙可现实一一对应。

网内节点在其对应的固定子时隙中，上报的内容包括：在线状态、当前节点跳数、是否需要上传数据、是否可作为中继节点、中继请求标识、目标中继节点ID等信息，这些信息以二进制的方式拼接并编码，以减少网络传输比特数。节点在监听到邻居节点信息表中节点的固定子时隙内容时，更新相应的缓存信息。

步骤4，由于与汇聚节点较近的节点先发送控制时隙信息，因此网络的多跳同步方式呈现为一种以汇聚节点为起点的由近及远的传导方式。因此距离较远的节点可根据一定的路由规则选择当前在线的较近节点作为中继节点，并在自身的固定时隙中加入相应的中继请求信息。

步骤5在整个固定时隙中，节点始终保持监听状态，若节点收到其他节点的中继请求，则根据自身剩余能量等信息判断是否满足路由转发条件，若满足则响应中继请求，在协同时隙中回复应答消息Message_Realy_Ack，并协商确定中继转发时应用的数据分配子时隙序号。应答消息中可包括对多个节点中继请求的响应并分别指定数据时隙块序号，因此应答消息为变长。发送响应请求后，请求节点与相应的中继节点进入休眠模式，等待对应跳数节点的数据传输轮次唤醒。

若不满足路由转发条件，则在协同时隙中回复拒绝消息Message_Realy_Refu，其他仍未转入休眠的其他潜在中继节点监听到中继拒绝消息则按路由规则选择并响应原中继请求，发送消息为Message_Realy_Switch，接收该请求的中继节点在其自身的Message_Realy_Ack消息后发送Message_Realy_Switch消息，以同样方式协商确定中继转发时应用的数据子时隙序号。当任一中继节点发送针对某中继请求的Message_Realy_Switch消息后，则其他中继节点不再响应该中继请求，并将相应缓存信息清除。由于路由选择方法属于现有技术，本实施例案中不再详述。

进一步地，步骤4，5中还包括：按固定时隙中的倒序进行协同时隙的请求发送，且节点记录其邻居节点信息表中潜在中继节点的序号。

进一步地，步骤5中的“协商确定中继转发时应用的数据分配子时隙序号”具体为，在Message_Realy_Ack或Message_Realy_Switch消息的后半部分，首先由中继节点指定当前可用的顺序最靠前的数据传输子时隙，其将其序号N1发送给中继请求节点，由中继请求节点判断该序号的数据传输子时隙是否可用，若可用，则回复确认消息。若否，则回复中继请求节点当前可用的顺序最靠前的数据传输子时隙序号为N2(此时应有N2大于N1)，再由中继节点确认后回复确认消息。进一步地，当节点监听到其他邻居节点的数据子时隙确认消息时，按预设规则将对应序号的数据传输分配子时隙标记为不可用。

进一步地，网内节点以上述协调确定的分配子时隙进行传输。当网内节点在协同子时隙或数据传输分配子时隙进行传输时，若检测到冲突则立即停止当前中继传输，转到对应的竞争子时隙中进行数据传输。节点仅可在其跳数对应传输标识的数据帧内的竞争子时隙中进行竞争传输。

进一步地，步判断某数据传输子时隙是否可用还包括，设网内节点Na向Nb发起的中继请求被接受且声明占用序号为Si的子时隙。则对于网内节点Na一跳范围内的任一节点Nc而言，序号为Si子时隙标记为中继请求不可用，即不接受其他网内节点发起的序号为Si的中继请求；若Nc向Nd发起中继请求，当Nd为Na的一跳邻居节点，则Si子时隙标记为中继发起不可用，当Nd不为Na的一跳邻居节点，则Si子时隙标记为中继发起可用。

对于网内节点Nb一跳范围内的任一网内节点Ne而言，序号为Si子时隙标记为中继发起不可用；若节点Nf向Ne发起中继请求，当Nf为Nb的一跳邻居节点，则Si子时隙标记为中继请求不可用，当Nf不为Nb的一跳邻居节点，则Si子时隙标记为中继请求可用。

本实施例中，针对农业无线传感器网络周期性休眠后时钟精确同步困难而无法进行高效数据的问题，在传统TDMA方法的基础上，采用汇聚节点全网广播同步消息的方式，实现全网节点的时钟同步，可以实现周期性的节点时钟纠偏，保证了节点的有效接入并为节点间同步传输协调提供时钟基础。不仅如此，本实施例还在广播同步消息中插入了控制/数据标识，在全网范围内实现了控制/数据帧的高效切换，相比对现有技术帧结构同时存在控制帧与数据帧的情况，进一步缩短了帧长度，减少了节点的监听等待时间，提高了传输效率。

另一方面，针对竞争接入方法在大规模网络中的低效性，本发明实施例提出一种时隙分配与竞争并举的混合接入机制，在整体上实行控制信息与数据信息的时隙复用，在控制时隙块与数据时隙块内部又进一步将分配子时隙与竞争子时隙混合复用，提高了信道利用效率。

同时，针对多跳网络传输同步困难的问题以及传统竞争碰撞方法在高密度网络中效率较低等问题，本发明实施例在TDMA方法的基础上，提出一种传导式的多跳传输同步机制，控制时隙的固定子时隙由距汇聚节点较近的节点先发送控制时隙信息，因此网络的多跳同步方式呈现为一种以汇聚节点为起点的由近及远的传导方式。而协同子时隙与数据传输子时隙则是由远端节点向近端节点传导。该传导方式在很大程度上避免了节点间的互相冲突，而且根据跳数对时隙进行划分，可以使节点更大程度的进行休眠，也进一步降低了节点能耗。

本发明实施例提供的方法，将TDMA方法应用于农业无线传感器网络的节点信道分配，同时为解决网络节点间时钟同步困难，高精度时钟同步资源开销大等问题，提出一种全网广播式的时钟同步机制，实现全网节点的时钟同步，可以实现周期性的节点时钟纠偏，解决了节点长期休眠后的时钟偏差问题，实现了有效接入并为节点间同步传输协调提供时钟基础。通过在广播同步消息中插入了控制/数据标识，在全网范围内实现了控制/数据帧的高效切换，相比对现有技术帧结构同时存在控制帧与数据帧的情况，进一步缩短了帧长度，减少了节点的监听等待时间，提高了传输效率。本发明还提出一种传导式的多跳传输同步机制，控制时隙的固定子时隙由距汇聚节点较近的节点先发送控制时隙信息，因此网络的多跳同步方式呈现为一种以汇聚节点为起点的由近及远的传导方式。而协同子时隙与数据传输子时隙则是由远端节点向近端节点传导。该传导方式在很大程度上避免了节点间的互相冲突，而且根据跳数对时隙进行划分，可以使节点更大程度的进行休眠，也进一步降低了节点能耗。在对不同节点传输时间片进行划分与协调过程中，通过提高排序效率，增加节点休眠时长，减少数据帧长度，在实现网络数据高效传输与汇集的同时避免网络冲突，延长网络寿命。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统，其特征在于，包括：

汇聚节点，用于在一个通信帧内的广播时隙块向网内节点广播同步指令，并在数据子时隙接收所述网内节点在数据传输时隙发送的环境感知数据；

网内节点，用于在预设时刻唤醒，获取采集环境感知数据同时监听所述广播同步指令，当监听到所述广播同步指令后，进行时钟同步，并根据预设规则进行环境感知数据的协同传输；

其中，所述同步指令至少包括：主时钟同步消息和传输标识信息；

其中，所述通信帧中包含广播时隙块、控制时隙块和数据子时隙；

所述控制时隙块中包含固定时隙和协同时隙，固定时隙中的子时隙用于标识所述子时隙对应的网内节点的在线状态；

相应的，所述网内节点还用于，通过协同时隙在预设的协同规则进行协同信息交互；

其中，固定时隙中的子时隙数量固定与网内节点一一对应，固定时隙中的子时隙数量为网络内节点二跳邻居节点数最大值加1；

基于固定时隙中所标识的所述子时隙对应的网内节点的在线状态，并向其邻居节点传递其基本属性信息；

所述网内节点在对应的固定子时隙中的其他网内节点的交互信息，根据预设的路由算法选择中继节点，在固定子时隙中加入相应的中继请求信息，并按预设规则在协同时隙中进行信息交互；

所述控制时隙块还包含竞争子时隙，相应的，所述网内节点还用于，当检测到所述数据子时隙出现冲突时，则通过所述竞争子时隙进行冲突数据的传输。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述网内节点还用于，接收汇聚节点发送的同步指令，同时向相邻的网内节点传送所述同步指令中的传输标识信息。

3.一种基于权利要求1-2中任一所述的无线传感器网络时隙分配多跳同步传输系统的传输方法，其特征在于，包括：

汇聚节点在一个通信帧内的广播时隙块向所有网内节点广播同步指令；

网内节点在对应固定子时隙中，根据邻居节点信息表的顺序进行信息交互，获得节点协同信息；

根据所述节点协同信息，为环境感知数据分配所述通信帧内的数据子时隙；

网内节点在所述数据子时隙中上传环境感知数据并协同发送给所述汇聚节点。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述网内节点在对应固定子时隙中，根据邻居节点信息表的顺序进行信息交互，获得节点协同信息的步骤具体包括：

网内节点在对应的固定子时隙中上报自身节点信息给邻居节点，同时接收邻居节点在对应的固定子时隙中上报的邻居节点的节点信息；

通过自身节点信息和所述邻居节点的节点信息，计算获得节点协同信息；

其中，所述自身节点信息包括但不限于：在线状态、当前节点跳数、是否需要上传数据、是否可作为中继节点、中继请求标识、目标中继节点ID。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述网内节点在所述数据子时隙中上传环境感知数据并协同发送给所述汇聚节点的步骤具体包括：

网内节点根据协同时隙中的交互信息，确定自身的信息发送模式，并根据所述信息发送模式在所述数据子时隙中上传环境感知数据，协同发送给所述汇聚节点；

其中，所述信息发送模式包括环境感知数据发送模式和网内节点中继模式。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述网内节点根据协同时隙中的交互信息，确定自身的信息发送模式，并根据所述信息发送模式在所述数据子时隙中上传环境感知数据，协同发送给所述汇聚节点的步骤具体包括：

若所述网内节点不为中继节点，则将所述环境感知数据在所述数据子时隙发送给相邻的中继节点；

若所述网内节点为中继节点，则将自身收集的所述环境感知数据发送给下一个中继节点，同时作为中继节点，将邻居节点发送的环境感知数据和上一中继节点发送的环境感知数据发送给下一个中继节点。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述节点协同信息，为环境感知数据分配所述通信帧内的数据子时隙的步骤还包括：

当检测到所述数据子时隙出现冲突时，则通过竞争子时隙进行冲突数据的传输。

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