CN110784909A - 一种用于水下数据采集的分布式休眠调度mac协议实现方法 - Google Patents

一种用于水下数据采集的分布式休眠调度mac协议实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，包括以下步骤：源节点根据数据发送周期选择算法，依次轮流进行初始化；完成网络初始化后，源节点进入休眠状态，直到数据开始采集时隙来临，开始采集数据，并按照数据发送周期来周期性唤醒，将数据发送给中继节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据发送时隙来临；完成网络初始化后，所有中继节点进入休眠状态，直到本地记录的数据到达时隙来临,唤醒中继节点并接收数据，将数据转发给水面汇聚节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据到达时隙来临。本发明基于休眠调度机制，节点只在发送或接收数据时唤醒，其余时间关闭收发机，保持休眠状态，可以有效减少能耗，延长网络生命时间。

Description

一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法
技术领域
本发明属于水下无线传感器网络的MAC(Medium Access Control)层协议设计方法，特别涉及一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议方法。
背景技术
数据采集是水下无线传感器网络(UWSN)中一个重要的应用。通过把传感器节点布置在水下，采集数据并把数据传送到海面汇聚节点，工作人员就能及时得知、分析水下情况，这对于环境监测、灾害预防、海洋采样，分布式战术监视等其他水下应用都十分重要。但由于水下传感器节点只能由电池供电，在水下电池无法充电或更换时，如何节省水下传感器节点的能耗，尽可能延长传感器节点的寿命，从而延长网络生命周期，就成为了一个重要问题。
发明内容
本发明旨在提出一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法。该方法可在保证即时接收数据的前提下降低空闲监听的能量消耗。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，包括以下步骤：
网络初始化：
源节点根据数据发送周期选择算法，依次轮流进行初始化，选择第一次数据发送时隙、确定数据发送周期；
源节点将所选择时隙与所确定的数据发送周期广播给所有邻居中继节点，完成初始化，然后进入休眠状态；
所有中继节点保持唤醒监听状态，以接收邻居源节点广播的发送时隙与周期；
中继节点根据传播时延，计算邻居源节点数据到达本节点的具体时隙，记录在本地，然后把该时隙位置广播给所有邻居源节点；
尚未进行初始化的源节点保持监听状态，接收邻居中继节点广播的时隙，记录在本地，直至轮到其进行初始化；
完成初始化后，所有源节点进入休眠状态，直到数据开始采集时隙来临，开始采集数据，并按照数据发送周期来周期性唤醒，将数据发送给中继节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据发送时隙来临；
完成初始化后，所有中继节点进入休眠状态，直到本地记录的数据到达时隙来临,唤醒中继节点并接收数据，将数据转发给水面汇聚节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据到达时隙来临。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明实施例通过配置休眠调度方案，选择数据开始采集时隙，确定数据发送周期，并将时隙和周期广播给所有邻居中继节点，所有邻居中继节点只在数据到达时唤醒并接收数据，从而在保证即时接收数据的前提下降低空闲监听的能量消耗。
附图说明
图1为本发明所述的一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议的实现方法的流程图。
图2为本发明一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议的实现方法的的网络模型图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例通过提供一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，解决了现有技术中因水下电池无法充电或更换时，能耗较大导致的网络生命周期短的问题。
本发明实施例中的技术方案为解决上述网络生命周期短的问题，总体思路如下：
水下无线传感器网络数据采集时，然而，大量能量被浪费在MAC层。MAC层中有一个重要的能量消耗——空闲监听；本发明实施例通过配置休眠调度方案，选择数据开始采集时隙，确定数据发送周期，并将时隙和周期广播给所有邻居中继节点，所有邻居中继节点只在数据到达时唤醒并接收数据，从而在保证即时接收数据的前提下降低空闲监听的能量消耗。
此外，还因MAC层是用于协调多个节点接入共享信道以避免碰撞的，由于碰撞会导致数据包传输失败从而频繁重传，因此碰撞被认为是MAC层的主要能量浪费；本发明实施例通过结合二元一次丢番图方程解的定理计算数据发送周期，可以完全避免数据碰撞。
首先需要说明的是，在本发明各个实施例中，所提及的术语为：
二元一次丢番图方程，是求取二元一次方程的整数解的方程，也称二元一次不定方程。二元一次丢番图方程解的定理，是指对于一个二元一次方程：
u*x+v*y＝c,x,y∈N,c∈Z
当且仅当c％gcd(x,y)＝0时，方程有整数解。换句话说，对于任意的整数u和v，如果c％gcd(x,y)≠0，则以下不等式恒成立：
u*x+v*y≠c,x,y∈N,c∈Z.
源节点，位于水底，为水下无线传感器网络中负责采集数据的水下传感器节点，计算数据发送周期，并周期性地把采集到的数据发送给中继节点；
中继节点，为水下无线传感器网络中负责数据转发的中继节点，中继节点接收源节点发送来的数据，并转发到水面汇聚节点处；
汇聚节点，为水下无线传感器网络中布置在海面的节点，用于接收水下中继节点发送过来的数据，并发送到陆地的基站或者工作室处；
时隙，将时间划分为时间长度相等的多个时隙，当一个时隙的长度为节点接收或发送一次数据所需时长的2倍时，在前半个时隙中，源节点可以完成数据的发送，而中继节点可以完成数据的接收；而在后半个时隙中，中继节点可以把接收到的数据转发给汇聚节点。所有节点(包括源节点和中继节点)的开始时隙相等。源节点的数据发送周期以时隙为基本单位。如果源节点第一次数据发送时隙为b，数据发送周期为p，那么可以得出其之后的数据发送时隙为b+m*p,m∈Z+。如果该源节点到某个邻居中继节点的传输时延为d，那么其之后发送的数据到达中继节点的时隙为b+d+m*p,m∈Z+；
空闲监听，当节点无需传输时，它们仍然需要保持收发器处于活动状态并监听信道，这被称为空闲监听。空闲监听模式下的能量消耗接近或甚至等于接收模式下的能量消耗，即使事实上并没有数据需要收发。
实施例1
如图1所示，一种水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议的实现方法，包括以下步骤：
网络初始化：
所有源节点根据数据发送周期选择算法，依次轮流进行初始化，选择第一次数据发送时隙、确定数据发送周期；
源节点将所选择时隙与所确定的数据发送周期广播给所有邻居中继节点，完成初始化，然后进入休眠状态；
所有中继节点保持唤醒监听状态，以接收邻居源节点广播的发送时隙与周期；
中继节点根据传播时延，计算邻居源节点数据到达本节点的具体时隙，记录在本地，然后把该时隙位置广播给所有邻居源节点；
尚未进行初始化的源节点保持监听状态，接收邻居中继节点广播的时隙，记录在本地，直至轮到该源节点进行初始化；
完成网络初始化后，所有源节点进入休眠状态，直到数据开始采集时隙来临，开始采集数据，并按照数据发送周期来周期性唤醒，将数据发送给中继节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据发送时隙来临；
完成网络初始化后，所有中继节点进入休眠状态，直到本地记录的数据到达时隙来临,唤醒中继节点并接收数据，将数据转发给水面汇聚节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据到达时隙来临。
进一步的，网络初始化中，源节点初始化按照任意顺序。
进一步的，网络初始化中，源节点确定数据开始采集时隙与数据发送周期的算法包括以下步骤：
当轮到源节点S进行网络初始化时，设它有Z个邻居中继节点R1,R2,R3…，Rj，…，Rz,j∈Z；对于中继节点Rj，其已经有Kj个源节点完成初始化，这些源节点的数据开始采集时隙为bji，数据发送周期为pji，到中继节点Rj的传输时延为dji，i∈Kj；而源节点S到邻居中继节点Rj的传输时延为dj；设中继节点接收并转发一次数据需要占用的时隙个数为F，则源节点S需要保证数据到达中继节点后的f个时隙内都不会有其他数据到达，其中f＝0,1,2,…,F-1；
源节点S生成期望的数据发送周期的最小值pmin和最大值pmax；
对于pmin和pmax之间的每一个值p，检查gcd(p,pji)≠1.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值；
若gcd(p,pji)≠1.成立，设网络初始化结束时隙为e，对时隙e+1到时隙
Figure BDA0002245483470000041
之间的每一个值b，检查b+dj≠bji+dji+n*pji,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值，
Figure BDA0002245483470000042
表示求取
Figure BDA0002245483470000043
的最小公倍数；
若p和b满足不等式：
[bji+dji+f-(b+dj)]％gcd(p,pji)≠0,m∈Z+,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z,f∈[0，F-1](1)
则选择成功，源节点S从时隙b开始采集数据，并以长度为p的周期发送给中继节点，％表示取余数，gcd(p,pji)表示求取p,pji的最大公约数；
若p和b不满足不等式(1)，则继续取下一个值b或下一个值p，直到不等式(1)成立为止；若遍历所有值都无法使不等式(1)成立，则源节点S放弃之后的数据采集与发送，一直保持休眠状态。
进一步的，所述时隙长度为转发时长的两倍，中继节点在前半个时隙内接收数据，在后半个时隙内转发数据。对于接收数据和数据转发所需时隙长度而言，首先，一个数据接收和发送所需要的时间应该是相等的，只和数据长度有关，因此中继节点接收数据和转发给中继节点所需要的时间相同。其次，因为时隙是该协议中时间的基本单位，因此需要尽量减短。最后，中继节点在一个时隙中完成数据的接收与转发，可以减少算法复杂度(如果中继节点的接收与转发在不同时隙，那么除了保证接收不发生碰撞外，还要保证转发时没有数据到达中继节点处，这样就会增加后续二元一次丢番算法的算法难度)。
更进一步的，网络初始化中，源节点确定数据开始采集时隙与数据发送周期的算法包括以下步骤：
当轮到源节点S进行网络初始化时，设它有Z个邻居中继节点R1,R2,R3…，Rj，…，Rz,j∈Z；对于中继节点Rj，其已经有Kj个源节点完成初始化，这些源节点的数据开始采集时隙为bji，数据发送周期为pji，到中继节点Rj的传输时延为dji，i∈Kj；而源节点S到邻居中继节点Rj的传输时延为dj；
源节点S根据生成期望的数据发送周期的最小值pmin和最大值pmax；
对于pmin和pmax之间的每一个值p，检查gcd(p,pji)≠1.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值；
若gcd(p,pji)≠1.成立，设网络初始化结束时隙为e，对时隙e+1到时隙
Figure BDA0002245483470000051
之间的每一个值b，检查b+dj≠bji+dji+n*pji,n∈z+,i∈Kj,j∈Z.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值，
Figure BDA0002245483470000052
表示求取
Figure BDA0002245483470000053
的最小公倍数；
若p和b满足不等式：
[bji+dji-(b+dj)]％gcd(p,pji)≠0,m∈Z+,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z (2)
则选择成功，源节点S从时隙b开始采集数据，并以长度为p的周期发送给中继节点，％表示取余数，gcd(p,pji)表示求取p,pji的最大公约数；
若p和b不满足不等式(2)，则继续取下一个值b或下一个值p，直到不等式(2)成立为止；若遍历所有值都无法使不等式(2)成立，则源节点S放弃之后的数据采集与发送，一直保持休眠状态。
上述生成期望的数据发送周期的最小值pmin和最大值pmax时，活跃区的源节点pmin与pmax的值小于非活跃区的源节点pmin与pmax值，源节点在生成期望的数据发送周期的最小值pmin和最大值pmax时，需要根据采集的数据量而定。如果源节点所在区域为活动频繁区，那么需要采集的数据量较多，需要减小数据发送周期，则pmin与pmax会设置偏小。否则可以设置较大的值，增大数据发送的周期。
下面以一具体实例操作上述步骤。
现需要探测水下地板震动幅度，以预防海底地震。振动传感器作为源节点投放到水底，普通的传感器作为中继节点位于水面与水底之间。振动传感器收集水底振动幅度，发送给普通传感器，再由其转发到水面汇聚节点。汇聚节点及时发送到陆地基站，以让工作人员根据数据可以及时分析、预测水下地震。需要进行的步骤如下所示：
S1.设置好时隙长度，网络初始化时长。具体的，一个时隙的长度可以设置为1s。设一个时隙的长度为t，网络中源节点与邻居中继节点的最大传输时延为dmax，源节点数量为num，则网络初始化时长e可以设置为：
e＝dmax*3*num.
源节点设置好初始化顺序。所有节点投放入水下定点处，开始网络初始化；
S2.对于中继节点，在整个网络初始化过程中都保持空间监听状态。对于中继节点Rj，当其收到来自邻居源节点广播的数据开始采集时隙b和数据发送周期p时，结合数据帧中带有的数据发送时隙t1和当前接收时隙t2，计算出传输时延d＝t2-t1，然后计算出该源节点发送的数据到自己的时间为
b+d+m*p,m∈Z (2)
把f＝b+d和p记录在本地，然后把f和p广播给邻居源节点；
S3.对于源节点S，当还没轮到它进行初始化时，保持空间监听状态，接收来自邻居中继节点广播的f和p，记录在本地；
S4.对于源节点S，当轮到它进行初始化时，源节点S首先按照需求生成数据发送周期范围[pmin,pmax]。具体的，该范围视源节点需要采集的数据量而定。如果源节点所在海域活动相对频繁，则周期应该适当缩小，例如范围可以设置为[60,600]；如果源节点所在海域相对平静，则周期可以适当扩大，例如范围可以设置为[43200,86400]。然后在该范围内遍历找出合适的数据发送周期p和对应的数据开始采集时隙b，以满足不等式
[fji-(b+dj)] ％gcd(p,pji)≠0 (3)
其中fji为源节点S在尚未轮到初始化时记录的邻居中继节点Rj广播的第i个邻居源节点的数据采集开始时隙加上其到该邻居中继节点的传输时延，pji为源节点S在尚未轮到初始化时记录的邻居中继节点Rj广播的第i个邻居源节点的数据发送周期，dj为源节点S到邻居中继节点Rj的传输时延。数据开始采集时隙b应该要大于网络初始化结束时隙。由于水下节点稀疏分布，一个源节点只会有1-2个邻居中继节点，因此遍历总是能找出合适的b与p。如果遍历所有值都无法使不等式(3)成立，则源节点S放弃之后的数据采集与发送，一直保持休眠状态；
S5.源节点S找到合适的b与p后，广播给邻居中继节点，完成初始化，然后进入休眠状态；
S6.网络初始化结束后，所有中继节点进入休眠状态，直到在初始化中记录的数据到达时隙来临，唤醒接收，然后恢复休眠状态；
S7.网络初始化结束后，所有源节点进入休眠状态，直到数据采集开始时隙b来临，开始采集数据，并以周期p发送给中继节点。
本发明实施例中，负责数据采集的节点可以分布式地通过算法自行选择数据发送周期，不需要与中心节点进行频繁交互，减少数据交互带来的能耗。选择周期后，节点只在数据发送时隙到达时唤醒发送数据，其余时间保持休眠状态，可以有效减少空闲监听带来的能耗。
本发明实施例以二元一次丢番图方程解的定理为基础，设计了数据发送周期选择算法。节点通过该算法选择数据采集开始时隙与发送周期，可以完全避免数据碰撞，减少数据重传带来的额外能耗。
本发明实施例负责数据转发的节点可以在网络初始化时就知道数据到达自己的时隙，从而只在数据到达前唤醒接收，其余时间保持休眠状态，可以有效降低能耗，延长节点生命时间，从而延长网络生命周期。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
网络初始化：
源节点根据数据发送周期选择算法，依次轮流进行初始化，选择第一次数据发送时隙、确定数据发送周期；
源节点将所选择时隙与所确定的数据发送周期广播给所有邻居中继节点，完成初始化，然后进入休眠状态；
所有中继节点保持唤醒监听状态，以接收邻居源节点广播的发送时隙与周期；
中继节点根据传播时延，计算邻居源节点数据到达本节点的具体时隙，记录在本地，然后把该时隙位置广播给所有邻居源节点；
尚未进行初始化的源节点保持监听状态，接收邻居中继节点广播的时隙，记录在本地，直至轮到该源节点进行初始化；
完成网络初始化后，所有源节点进入休眠状态，直到数据开始采集时隙来临，开始采集数据，并按照数据发送周期来周期性唤醒，将数据发送给中继节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据发送时隙来临；
完成网络初始化后，所有中继节点进入休眠状态，直到本地记录的数据到达时隙来临,唤醒中继节点并接收数据，将数据转发给水面汇聚节点，然后恢复休眠状态，直到下一数据到达时隙来临。
2.根据权利要求1所述的用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，其特征在于，网络初始化中，源节点初始化按照任意顺序。
3.根据权利要求1所述的用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，其特征在于，网络初始化中，源节点确定数据开始采集时隙与数据发送周期的算法包括以下步骤：
当轮到源节点S进行网络初始化时，设它有Z个邻居中继节点R1,R2,R3…，Rj，…，Rz,j∈Z；对于中继节点Rj，其已经有Kj个源节点完成初始化，这些源节点的数据开始采集时隙为bji，数据发送周期为pji，到中继节点Rj的传输时延为dji，i∈Kj；而源节点S到邻居中继节点Rj的传输时延为dj；设中继节点接收并转发一次数据需要占用的时隙个数为F，则源节点S需要保证数据到达中继节点后的f个时隙内都不会有其他数据到达，其中f＝0,1,2,…,F-1；
源节点S根据数据发送需求，生成期望的数据发送周期的最小值pmin和最大值pmax；
对于pmin和pmax之间的每一个值p，检查gcd(p,pji)≠1.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值；
若gcd(p,pji)≠1.成立，设网络初始化结束时隙为e，对时隙e+1到时隙
Figure FDA0002245483460000021
之间的每一个值b，检查b+dj≠bji+dji+n*pji,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值，
Figure FDA0002245483460000022
表示求取
Figure FDA0002245483460000023
的最小公倍数；
若p和b满足不等式：
[bji+dji+f-(b+dj)]％gcd(p,pji)≠0,m∈Z+,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z,f∈[0，F-1](1)
则选择成功，源节点S从时隙b开始采集数据，并以长度为p的周期发送给中继节点，％表示取余数，gcd(p,pji)表示求取p,pji的最大公约数；
若p和b不满足不等式(1)，则继续取下一个值b或下一个值p，直到不等式(1)成立为止；若遍历所有值都无法使不等式(1)成立，则源节点S放弃之后的数据采集与发送，一直保持休眠状态。
4.根据权利要求1所述的用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，其特征在于，所述时隙长度为转发时长的两倍，中继节点在前半个时隙内接收数据，在后半个时隙内转发数据。
5.根据权利要求4所述的用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，其特征在于，网络初始化中，源节点确定数据开始采集时隙与数据发送周期的算法包括以下步骤：
当轮到源节点S进行网络初始化时，设它有Z个邻居中继节点R1,R2,R3…，Rj，…，Rz,j∈Z；对于中继节点Rj，其已经有Kj个源节点完成初始化，这些源节点的数据开始采集时隙为bji，数据发送周期为pji，到中继节点Rj的传输时延为dji，i∈Kj；而源节点S到邻居中继节点Rj的传输时延为dj；
源节点S根据数据发送需求，生成期望的数据发送周期的最小值pmin和最大值pmax；
对于pmin和pmax之间的每一个值p，检查gcd(p,pji)≠1.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值；
若gcd(p,pji)≠1.成立，设网络初始化结束时隙为e，对时隙e+1到时隙
Figure FDA0002245483460000024
之间的每一个值b，检查b+dj≠bji+dji+n*pji,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z.是否成立，若不成立则放弃该值，取下一个值，
Figure FDA0002245483460000025
表示求取的最小公倍数；
若p和b满足不等式：
[bji+dji-(b+dj)]％gcd(p,pji)≠0,m∈Z+,n∈Z+,i∈Kj,j∈Z (2)
则选择成功，源节点S从时隙b开始采集数据，并以长度为p的周期发送给中继节点，％表示取余数，gcd(p,pji)表示求取p,pji的最大公约数；
若p和b不满足不等式(2)，则继续取下一个值b或下一个值p，直到不等式(2)成立为止；若遍历所有值都无法使不等式(2)成立，则源节点S放弃之后的数据采集与发送，一直保持休眠状态。
6.根据权利要求3或5所述的用于水下数据采集的分布式休眠调度MAC协议实现方法，其特征在于，活跃区的源节点pmin与pmax的值小于非活跃区的源节点pmin与pmax值。
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