CN111698655A - 一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法 - Google Patents

一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法 Download PDF

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CN111698655A CN202010383796.9A CN202010383796A CN111698655A CN 111698655 A CN111698655 A CN 111698655A CN 202010383796 A CN202010383796 A CN 202010383796A CN 111698655 A CN111698655 A CN 111698655A
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Abstract

本发明公开了一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，包含以下步骤：S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；S2.sink节点生成由
Figure DDA0002483172450000011
表示的数据包，并将该包逐个单播给在其一跳范围内的各个节点；S3.在sink节点一跳范围内的每个节点根据接收的
Figure DDA0002483172450000012
单播包设置所在级别为1、建立“睡眠‑唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure DDA0002483172450000013
并广播；S4.尚未加入网络或者已加入网络但是级别需要更新的节点，将根据接收的
Figure DDA0002483172450000014
广播包设置其所在级别为
Figure DDA0002483172450000015
包的级别域的值加1、建立“睡眠‑唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure DDA0002483172450000016
并广播；S5.节点加入网络后即可将感知数据逐跳转发给sink节点。

Description

一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络中的媒体访问控制协议，特别涉及一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法。
背景技术
随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)作为重要的物联网技术变得越来越关键，基于其强大的数据传感和收集能力，在将物联网变为现实方面发挥着重要作用。
WSN可以应用于许多事件监测领域，例如基础设施环境的监测。当监测具有线性拓扑的区域时(例如石油/天然气管道和铁路)，由于受监测区域的线性特征影响，传感器节点自然以具有薄或厚的线性覆盖范围的方式部署，从而形成了线性传感器网络(LinearSensor Network,LSN)。数据收集是LSN可以提供的最重要的服务之一，其中汇聚节点(sink)通过多跳无线转发方式收集传感器节点感知到的数据。因此，在监测线性区域的应用中，线性传感器网络引起了研究人员的广泛关注。
为了提高能量使用效率以延长网络寿命，具有占空比调度的媒体访问控制协议和路由协议在无线传感器网络中引起了广泛重视。在占空比协议中，传感器节点会在睡眠和唤醒模式之间周期性地改变其无线电发射机的状态，以减少空闲和无意监听行为，从而节省能量。由于节点在睡眠状态下休眠，只有在唤醒状态时才能进行工作，因此会导致睡眠延迟的问题。在多跳传输中，因为延迟逐跳累积，此问题会变得更加严重，因而无法满足对延迟敏感的应用中的实时传递要求。
仅考虑单个数据包的发送路径，现有的基于占空比调度的流水线式数据转发协议(Duty-Cycling and Pipelined-Forwarding,DCPF)中的流水线转发功能能够保证工作时实现较低的端到端的延迟。但是当有多个数据包转发路径时，情况并非如此，特别是当网络承受高流量负载时。由于在现有的DCPF协议中，与sink节点具有相同通信跳距的那些紧邻的节点将保持相同的“睡眠-唤醒”调度时间表，因此，它们会在发送数据时相互竞争，而在接收数据时彼此干扰。这样的争用和干扰将导致能量使用效率降低和数据包等待时间延长。当节点数量增多时，这种情况会变得更加严重,因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的针对现有DCPF协议的不足，提出一种改进的基于占空比调度的流水线式数据收集方法，该方法可以解决那些具有相同“睡眠-唤醒”调度时间表的邻近节点之间的争用和干扰问题。
为了实现这个目的，本发明提出了一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，包含以下步骤：
S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；
S2.sink节点生成由
Figure BDA0002483172430000021
表示的数据包，并将该包逐个单播给在其一跳范围内的各个节点；
S3.在sink节点一跳范围内的每个节点根据接收的
Figure BDA0002483172430000022
单播包设置所在级别为1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure BDA0002483172430000023
并广播；
S4.尚未加入网络或者已加入网络但是级别需要更新的节点，将根据接收的
Figure BDA0002483172430000024
广播包设置其所在级别为
Figure BDA0002483172430000025
包的级别域的值加1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure BDA0002483172430000026
并广播；
S5.节点加入网络后即可将感知数据逐跳转发给sink节点。
进一步，前述S1中，sink节点向邻居节点广播探针信息，接收到探针信息的节点会给sink节点发送回复消息。根据回复信息的数量，sink节点确定在其一跳范围内的N个邻居节点的地址信息，并根据回复信息的顺序，对邻居节点进行从1到N的排序，节点的地址将作为数据转发路径的ID。
进一步，前述S2中，每个节点维护五个属性，包括：
(1)
Figure BDA0002483172430000027
节点的级别，按照距离sink节点的通信跳数进行分级，初始值为-1；
(2)
Figure BDA0002483172430000028
节点的当前状态。R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态。状态R和T的时长为一个时隙，用τ表示，S的时长为ξ·τ(ξ为自然数)。考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求ξ≥2；
(3)
Figure BDA0002483172430000029
节点在当前状态的持续时间；
(4)
Figure BDA00024831724300000210
节点所在的报文转发路径的ID；
(5)
Figure BDA00024831724300000211
当前节点转发数据包的下一跳节点的地址。
由sink节点生成
Figure BDA00024831724300000212
数据包开启初始化过程，该数据包包含以下四个域：
(1)grade:发送节点所在的级别；
(2)stateDur:发送节点在发送此
Figure BDA00024831724300000213
信息之前，节点在发送状态T的持续时间；
(3)source:发送节点的地址；
(4)path:数据转发路径的ID。
sink节点设置
Figure BDA00024831724300000214
grade＝0、
Figure BDA00024831724300000215
stateDur＝0、
Figure BDA00024831724300000216
source＝sink节点的地址、
Figure BDA00024831724300000217
path＝在sink节点一跳范围内的第n(n∈[1,N])个邻居节点的地址，然后每隔σ·τ(σ为自然数，考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求σ≥4)个时隙，将
Figure BDA00024831724300000218
发送给第n个邻居节点，直至所有N个邻居节点都收到sink发送给自己的
Figure BDA0002483172430000031
数据包。
进一步，前述S3中，当N个邻居节点中的第n个邻居节点收到sink发给自己的
Figure BDA00024831724300000320
数据包后，根据包中信息进行如下操作：
(1)
Figure BDA0002483172430000032
grade+1；
(2)
Figure BDA0002483172430000033
path；
(3)
Figure BDA0002483172430000034
source；
(4)令
Figure BDA0002483172430000035
其中，
Figure BDA0002483172430000036
为
Figure BDA0002483172430000037
的传播时延，
Figure BDA0002483172430000038
Figure BDA0002483172430000039
tcycle为一个“睡眠-唤醒”周期的时长。如果δ<ξ·τ,设置
Figure BDA00024831724300000310
否则，如果δ<(ξ+1)·τ,设置
Figure BDA00024831724300000311
否则，设置
Figure BDA00024831724300000312
(5)更新
Figure BDA00024831724300000313
包中的域，包括
Figure BDA00024831724300000314
grade+1、
Figure BDA00024831724300000315
stateDur设置为到广播
Figure BDA00024831724300000316
为止节点处在T状态的持续时间、
Figure BDA00024831724300000317
source设置为该节点的地址、
Figure BDA00024831724300000318
path保持不变。完成更新后广播
Figure BDA00024831724300000319
包。
进一步，前述S4中，节点已加入网络但是级别设置需要更新的情形包括：
(1)节点当前级别大于或等于所接收
Figure BDA00024831724300000321
广播包中级别域的值；
(2)节点当前级别等于所接收
Figure BDA00024831724300000322
广播包中级别域的值加1，并且所接收
Figure BDA00024831724300000323
广播包的接收信号强度高于上一次所接收
Figure BDA00024831724300000324
广播包的接收信号强度。
尚未加入网络或者已加入网络但是级别设置需要更新的节点，根据所接收
Figure BDA00024831724300000325
广播包的信息，按照步骤4中(1)-(5)方式进行同样的操作。
最后，前述S5中，已经加入网络的节点，将开始感知环境、产生数据包，同时将包的下一跳地址设置为
Figure BDA00024831724300000326
然后发送出去。该数据包经过多跳转发后将最终被sink节点接收。
相对于现有技术，本发明的优点如下：本发明提出的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，相比较于现有同类协议，通过使用信息
Figure BDA00024831724300000327
将同一级别内的任何两个节点的“睡眠-唤醒”调度时间表错开，解决位于彼此干扰范围内并且具有相同的“睡眠-唤醒”调度时间表的节点之间存在的争用和干扰问题，可以更好的适用于节点密度和网络流量很大的情况，有效提升了数据包传输率、网络吞吐量、能量效率，降低了数据包传输延迟(在具体实施方式中将展示上述指标的评测结果)。
附图说明
图1是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法的流程图。
图2是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集示意图。
图3是现有DCPF协议基于争用窗口和握手机制的数据收发示意图。
图4是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集中
Figure BDA0002483172430000048
数据包收发示意图。
图5是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法和传统基于占空比调度的流水线式数据收集方法对比的模型图。
图6是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法和传统基于占空比调度的流水线式数据收集方法在不同网络流量下的分析结果图。
图7是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法和传统基于占空比调度的流水线式数据收集方法在同级别包含不同节点数目下的分析结果图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的技术方案和效果进行详细说明。还提供一个和现有的DCPF协议进行比较的仿真结果作为实施例，但此实施例仅作为示例，目的在于解释本发明，不能理解为本发明的限制。
本发明涉及无线传感器网络中的媒体访问控制协议，特别涉及一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法(Interference-Free Duty-Cycling and Pipelined-Forwarding,IF-DCPF)。本发明通过设计一个通知信息
Figure BDA0002483172430000046
可以更好的解决在同一级别下节点之间的干扰问题。实现了一种在同级别具有很多节点并且网络流量很大的情况下，依然能够达到很好的数据收集效果的一项发明。
如图1所示，本发明实施例的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法包含以下步骤：
S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；
sink节点向邻居节点广播探针信息，接收到探针信息的节点会给sink节点发送回复消息。根据回复信息的数量，sink节点确定在其一跳范围内的N个邻居节点的地址信息，并根据回复信息的顺序，对邻居节点进行从1到N的排序，节点的地址将作为数据转发路径的ID。
S2.sink节点生成由
Figure BDA0002483172430000047
表示的数据包，并将该包逐个单播给在其一跳范围内的各个节点；
每个节点维护五个属性，包括：
(1)
Figure BDA0002483172430000041
节点的级别，按照距离sink节点的通信跳数进行分级，初始值为-1；
(2)
Figure BDA0002483172430000042
节点的当前状态。R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态。状态R和T的时长为一个时隙，用τ表示，S的时长为ξ·τ(ξ为自然数)。考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求ξ≥2；
(3)
Figure BDA0002483172430000043
节点在当前状态的持续时间；
(4)
Figure BDA0002483172430000044
节点所在的报文转发路径的ID；
(5)
Figure BDA0002483172430000045
当前节点转发数据包的下一跳节点的地址。
为了减少数据包传递延迟，将任意两个相邻级别之间的“睡眠-唤醒”调度时间表错开，以便可以以流水线方式沿着数据转发路径转发数据包。具体来说，每个传感器节点的操作周期由数据接收状态(由R表示)、数据发送状态(由T表示)和休眠状态(由S表示)组成。sink节点可以使其收发器始终保持打开状态以进行数据收集。由于任何两个相邻级别之间“睡眠-唤醒”调度时间表错开，一旦级别(i+1)节点进入状态R，就可以从处于T状态的级别(i+2)节点接收到数据包，并且可以在随即到来的T状态立即将收到的数据包转发给下一跳处于R状态的i级别节点，如图2所示。为此，R和T具有相同的持续时间，称为时隙，用τ表示。现有DCPF协议一般采用争用窗口(Contention Window,CW)和类似Request-to-Send(RTS)/Clear-to-Send(CTS)的握手机制进行数据包的传输，如图3所示。因此一个时隙的长度为：
τ＝Wρ+tDIFS+3tSIFS+tRTS+tCTS+tDATA+tACK，
其中，W为CW中的子时隙数，ρ为每个子时隙的时长，tDIFS为分布式帧间间隔(Distributed Inter-Frame Space,DIFS)的时长，tSIFS为短帧间间隔(Short Inter-FrameSpace,SIFS)的时长，tRTS、tCTS、tDATA、tACK分别为RTS、CTS、DATA、ACK数据包的一跳传输时长。
在R和T之后，每个节点进入ξ个时隙的休眠状态S以节省能量。因此，S持续时间为tS＝ξ·τ，而节点的一个工作周期的时长即为tcycle＝(ξ+2)·τ。考虑到开放空间环境中无线通信干扰范围约为传输范围的两倍，ξ至少等于2，这意味着一个节点在每个周期中至少休眠两个时隙，这样就不会干扰相邻的较高和较低级别节点的数据传输。换句话说，为了保证任何两个相邻并发传输的成功，在它们之间的所有级别应都处于S状态且级别个数至少为2。以图2所示的网络为例，当分别处于(i+2)和(i+1)的两个节点相互通信时，至少四个相邻的级别应处于状态S，包括级别(i+4)，(i+3)，i和(i-1)。
在现有的DCPF协议中，sink节点在网络初始化阶段广播消息建立级别，无需了解其一跳范围内的邻居节点的信息。而在本发明所提IF-DCPF方案中，sink节点需要这样做，以错开相同级别中任意两个节点间的“睡眠-唤醒”调度时间表。为此，sink节点生成
Figure BDA0002483172430000051
数据包开启初始化过程，该数据包包含以下四个域：
(1)grade:发送节点所在的级别；
(2)stateDur:发送节点在发送此
Figure BDA0002483172430000052
信息之前，节点在发送状态T的持续时间；
(3)source:发送节点的地址；
(4)path:数据转发路径的ID。
sink节点设置
Figure BDA0002483172430000053
grade＝0、
Figure BDA0002483172430000054
stateDur＝0、
Figure BDA0002483172430000055
source＝sink节点的地址、
Figure BDA0002483172430000056
path＝在sink节点一跳范围内的第n(n∈[1,N])个邻居节点的地址，然后每隔σ·τ(σ为自然数，考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求σ≥4)个时隙，将
Figure BDA00024831724300000613
发送给第n个邻居节点，直至所有N个邻居节点都收到sink发送给自己的
Figure BDA00024831724300000614
数据包。
S3.在sink节点一跳范围内的每个节点根据接收的
Figure BDA00024831724300000615
单播包设置所在级别为1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure BDA00024831724300000616
并广播；
当N个邻居节点中的第n个邻居节点收到sink发给自己的
Figure BDA00024831724300000617
数据包后，根据包中信息进行如下操作：
(1)
Figure BDA0002483172430000061
grade+1；
(2)
Figure BDA0002483172430000062
path；
(3)
Figure BDA0002483172430000063
source；
(4)令
Figure BDA0002483172430000064
其中，
Figure BDA0002483172430000065
为
Figure BDA0002483172430000066
的传播时延，
Figure BDA0002483172430000067
Figure BDA0002483172430000068
tcycle为一个“睡眠-唤醒”周期的时长。如图4所示，如果δ<ξ·τ,设置
Figure BDA0002483172430000069
Figure BDA00024831724300000610
(图4中的情况(i)或(iv))；否则，如果δ<(ξ+1)·τ,设置
Figure BDA00024831724300000611
(图4中的情况(ii))；否则，设置
Figure BDA00024831724300000612
(图4中的情况(iii))；
(5)更新
Figure BDA00024831724300000618
包中的域，包括
Figure BDA00024831724300000619
grade+1、
Figure BDA00024831724300000620
stateDur设置为到广播
Figure BDA00024831724300000621
为止节点处在T状态的持续时间、
Figure BDA00024831724300000623
source设置为该节点的地址、
Figure BDA00024831724300000622
path保持不变。完成更新后广播
Figure BDA00024831724300000624
包。
S4.尚未加入网络或者已加入网络但是级别需要更新的节点，将根据接收的
Figure BDA00024831724300000632
广播包设置其所在级别为
Figure BDA00024831724300000625
包的级别域的值加1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure BDA00024831724300000626
并广播；
节点已加入网络但是级别设置需要更新的情形包括：
(1)节点当前级别大于或等于所接收
Figure BDA00024831724300000627
广播包中级别域的值；
(2)节点当前级别等于所接收
Figure BDA00024831724300000628
广播包中级别域的值加1，并且所接收
Figure BDA00024831724300000629
广播包的接收信号强度高于上一次所接收
Figure BDA00024831724300000630
广播包的接收信号强度。
尚未加入网络或者已加入网络但是级别设置需要更新的节点，根据所接收
Figure BDA00024831724300000631
广播包的信息，按照步骤4中(1)-(5)方式进行同样的操作。
S5.节点加入网络后即可将感知数据逐跳转发给sink节点
与现有DCPF协议不同，本发明所提IF-DCPF方案在经过前四个步骤后，同级别的任意两个节点之间的“睡眠-唤醒”调度时间表都已经错开，图5举例说明了两者的差异。由于在IF-DCPF中不存在数据传输的争用和干扰问题，因此可以避免采用现有DCPF中的争用窗口CW和类似RTS/CTS的握手机制，从而提高网络性能。至此，已经加入网络的节点，将开始感知环境、产生数据包，将包的下一跳地址设置为
Figure BDA0002483172430000071
然后将其发送出去。该数据包经过多跳转发后将最终被sink节点接收。
仿真对比实验结果如下：
仿真参数配置：为了公平比较现有DCPF和本发明所提IF-DCPF，CW和RTS/CTS握手机制仍保留在IF-DCPF中。DIFS＝10ms，SIFS＝5ms，tRTS＝11ms，tCTS＝11ms，tACK＝11ms，tDATA＝43ms，W＝16，ρ＝1ms，ξ＝18。
为了分析同级别节点数目和网络流量的变化对本发明所提方案性能的影响，实验对比分析了以下五个性能指标：
(1)数据包传送率(Packet Delivery Ratio,PDR)：传送到sink节点的数据包个数与所有源节点生成的数据包总数之比；
(2)吞吐量：sink节点单位时间内成功接收数据包的数量；
(3)数据包传递延迟(Packet Delivery Latency,PDL)：每个数据包从源节点传递到sink节点平均花费的时间；
(4)节点平均占空比：一个节点的唤醒时间和总时间的比率，占空比越低，能源消耗越少；
(5)每个数据包被sink节点成功接收所需的平均功耗(Power Consumption perPacket,PCP)：sink节点成功接收一个数据包所消耗的平均功耗，此指标用于表示能量使用效率。
图6展示了本发明在N固定和λ变化时与现有DCPF协议的性能比较。首先设置N＝3，即网络中有三条数据转发路径。假定网络中的所有传感器节点能够按照泊松分布独立生成数据，速率为每秒钟λ个数据包。图6(a)显示，随着λ的增加，IF-DCPF和DCPF的PDR都减小，这是因为随着更多的数据包被注入网络，队列溢出和数据包冲突加剧，有更多的数据包被丢弃。当λ变大时，IF-DCPF的PDR明显高于DCPF，这是因为在IF-DCPF中，三条数据转发路径之间的数据传输调度时间表相互交错，因而在相同级别的传感器节点之间在发送数据时没有竞争、接收数据时没有干扰，且当λ变大时，仅会由于队列溢出而丢弃数据包。但是，在DCPF中，相同级别的节点具有相同的“睡眠-唤醒”调度时间表，因此三条路径之间的传输必须相互竞争/干扰才能发送/接收数据包。因此，在DCPF中，除了因队列溢出而导致数据丢失以外，数据包冲突时另一个重要原因。由于相同的原因，IF-DCPF在吞吐量和PDL方面也优于DCPF，分别如图6(b)和图6(c)所示。图6(d)显示了节点平均占空比和PCP随λ变化的关系。当λ＝0.01个数据包/秒时，数据包生成速率相对较低，IF-DCPF和DCPF具有几乎相同的节点平均占空比，因为它们达到了几乎相同的PDR(如图6(a))。当λ变大时，IF-DCPF的PDR比DCPF大，从而导致节点平均占空比更高，这意味着IF-DCPF中的每个节点比DCPF消耗更多的能量。但是，随着λ变大，IF-DCPF中平均PCP变得低于DCPF，这意味着IF-DCPF在能量使用效率方面优于DCPF。
图7展示了本发明在λ固定和N变化时与现有DCPF协议的性能比较。λ固定为0.05个数据包/秒，N从1变化到5。由于IF-DCPF中N个数据转发路径的“睡眠-唤醒”调度时间表相互之间错开了，所以同一级别的所有节点不会在发送数据包时相互竞争，也不会在接收数据包时相互干扰。换句话说，N的变化对IF-DCPF的性能没有影响。因此，如图7(a)所示，IF-DCPF随N的增加而保持相同的PDR，而DCPF的PDR随N的增加而呈指数下降。此外，随着N的增加，IF-DCPF的吞吐量基本保持不变。当N>1时，DCPF的吞吐量无法达到网络数据的输入速率，如图7(b)所示。由于当N≥2时，DCPF的网络服务速率小于或等于1/(N·H·tcycle)＝1/(2×7×2.34)≈0.03个数据包/秒，该服务速率低于包生成速率λ＝0.05个数据包/秒。因此，当N≥2时，运行DCPF的网络已达到其吞吐量极限，所以图7(b)中DCPF的相应曲线几乎没有变化。此外，如图7(c)所示，在N相同的情况下，IF-DCPF不仅具有比DCPF低得多的平均PDL，而且随着N从3增加到5，它保持大约相同的PDL。同样，如图7(d)所示，当N≥2时，尽管IF-DCPF的节点平均占空比比DCPF高，但IF-DCPF的平均PCP更低，表明其能量使用效率更高。随着N的增加，IF-DCPF中的节点平均占空比和平均PCP都基本保持不变，但是DCPF的减少了。这仍然是因为N的变化对IF-DCPF的性能没有影响。而对于DCPF来说，由于N变大，队列溢出和数据包冲突加剧而丢弃了更多的数据包，这会导致运行DCPF的传感器节点因为数据转发任务降低而有了更多的睡眠时间，从而降低了节点占空比。
综上所述：相比于传统的基于占空比调度的流水线式数据转发协议，采用本发明可以减少网络中的数据包冲突，从而在节点密度大、网络流量高的网路场景中达到更好的效果。
需要说明的是，流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本相同的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被专利的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包括于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；
S2.sink节点生成由
Figure FDA0002483172420000011
表示的数据包，并将该包逐个单播给在其一跳范围内的各个节点；
S3.在sink节点一跳范围内的每个节点根据接收的
Figure FDA0002483172420000012
单播包设置所在级别为1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure FDA0002483172420000013
并广播；
S4.尚未加入网络或者已加入网络但是级别需要更新的节点，将根据接收的
Figure FDA0002483172420000014
广播包设置其所在级别为
Figure FDA0002483172420000015
包的级别域的值加1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新
Figure FDA0002483172420000016
并广播；
S5.节点加入网络后即可将感知数据逐跳转发给sink节点。
2.根据权利要求1所述的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S1中，sink节点向邻居节点广播探针信息，接收到探针信息的节点会给sink节点发送回复消息,根据回复信息的数量，sink节点确定在其一跳范围内的N(N≥1)个邻居节点的地址信息，并根据回复信息的顺序，对邻居节点进行从1到N的排序，节点的地址将作为数据转发路径的ID。
3.根据权利要求1所述的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S2中，每个节点维护五个属性，包括：
(1)
Figure FDA0002483172420000017
节点的级别，按照距离sink节点的通信跳数进行分级，初始值为-1；
(2)
Figure FDA0002483172420000018
Figure FDA0002483172420000019
节点的当前状态，R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态，状态R和T的时长为一个时隙，用τ表示，S的时长为ξ·τ(ξ为自然数),考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求ξ≥2；
(3)
Figure FDA00024831724200000110
节点在当前状态的持续时间；
(4)
Figure FDA00024831724200000111
节点所在的报文转发路径的ID；
(5)
Figure FDA00024831724200000112
当前节点转发数据包的下一跳节点的地址；
由sink节点生成
Figure FDA00024831724200000113
数据包开启初始化过程，该数据包包含以下四个域：
(1)grade:发送节点所在的级别；
(2)stateDur:发送节点在发送此
Figure FDA00024831724200000114
信息之前，节点在发送状态T的持续时间；
(3)source:发送节点的地址；
(4)path:数据转发路径的ID；
sink节点设置
Figure FDA00024831724200000115
grade＝0、
Figure FDA00024831724200000116
stateDur＝0、
Figure FDA00024831724200000117
source＝sink节点的地址、
Figure FDA00024831724200000118
path＝在sink节点一跳范围内的第n(n∈[1,N])个邻居节点的地址，然后每隔σ·τ(σ为自然数，考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求σ≥4)个时隙，将
Figure FDA0002483172420000021
发送给第n个邻居节点，直至所有N个邻居节点都收到sink发送给自己的
Figure FDA0002483172420000022
数据包。
4.根据权利要求1所述的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S3中，当N个邻居节点中的第n个邻居节点收到sink发给自己的
Figure FDA0002483172420000023
数据包后，根据包中信息进行如下操作：
(1)
Figure FDA0002483172420000024
grade+1；
(2)
Figure FDA0002483172420000025
path；
(3)
Figure FDA0002483172420000026
source；
(4)令
Figure FDA0002483172420000027
其中，
Figure FDA0002483172420000028
为
Figure FDA0002483172420000029
的传播时延，
Figure FDA00024831724200000210
Figure FDA00024831724200000211
tcycle为一个“睡眠-唤醒”周期的时长，如果δ<ξ·τ,设置
Figure FDA00024831724200000212
否则，如果δ<(ξ+1)·τ,设置
Figure FDA00024831724200000213
否则，设置
Figure FDA00024831724200000214
(5)更新
Figure FDA00024831724200000215
包中的域，包括
Figure FDA00024831724200000216
grade+1、
Figure FDA00024831724200000217
stateDur设置为到广播
Figure FDA00024831724200000218
为止节点处在T状态的持续时间、
Figure FDA00024831724200000219
source设置为该节点的地址、
Figure FDA00024831724200000220
path保持不变，完成更新后广播
Figure FDA00024831724200000221
包。
5.根据权利要求1所述的具有占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S4中，节点已加入网络但是级别设置需要更新的情形包括：
(1)节点当前级别大于或等于所接收
Figure FDA00024831724200000222
广播包中级别域的值；
(2)节点当前级别等于所接收
Figure FDA00024831724200000223
广播包中级别域的值加1，并且所接收
Figure FDA00024831724200000224
广播包的接收信号强度高于上一次所接收
Figure FDA00024831724200000225
广播包的接收信号强度；
尚未加入网络或者已加入网络但是级别设置需要更新的节点，根据所接收
Figure FDA00024831724200000226
广播包的信息，按照步骤S4中(1)-(5)方式进行同样的操作。
6.根据权利要求1所述的具有占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S5中，已经加入网络的节点，将开始感知环境、产生数据包，同时将包的下一跳地址设置为
Figure FDA00024831724200000227
然后发送出去，该数据包经过多跳转发后将最终被sink节点接收。
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