CN1929421A - 运动目标探测无线传感器网络多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，它涉及无线通信技术领域，采用该方法可以用来减少空闲节点的能量消耗及均衡节点之间能量的消耗、合理地控制信道的接入时延。该方法的实现步骤为：首先根据节点的地理位置，进行分群；分群后，群首节点发送同步帧进行群内节点时间的同步；在群内采用TDMA的通信方式，群内的每个节点都在与之对应的时隙内发送数据；在群间采用TDMA加随机退避的方式来减少群间通信数据的碰撞；若节点的空闲时间达到T_idle，节点进入休眠状态，休眠时间为T_sleep；当群首节点的剩余能量低于门限值E_R时，其发送选举帧给群内的其它节点来选举新的群首节点。本发明可用于多个传感器节点高效的共享无线信道。

Description

运动目标探测无线传感器网络多址接入方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及运动目标探测无线传感器网络中传感器节点的多址接入方法。在运动目标探测无线传感器网络中，该方法可用于多个传感器节点高效的共享无线信道。

背景技术

无线传感器网络是由一组传感器以分布式网络Ad Hoc网络方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。在所有信道共享的网络中，设计合理的多址接入控制MAC协议是保证网络能够正常工作的关键技术之一。目前广泛研究的适用于传感器网络的MAC协议可以分成两类：基于冲突的MAC协议和基于无冲突时分多址接入TDMA的MAC协议。前者的典型代表有IEEE802.11、S-MAC。IEEE802.11采用有碰撞避免功能的载波侦听型多址CSMA/CA协议，能有效处理隐藏终端及暴露终端问题，并且通过发送预约分组的方法来尽量避免冲突。但是IEEE802.11协议并没有解决空闲侦听和串扰，即不属于本节点的数据被收到所造成的能量浪费问题，而且载波侦听的实现还需要额外的硬件设备，因此并不适合传感器网络。S-MAC协议改进了IEEE802.11协议，通过使节点周期性的休眠来减少节点空闲侦听的能量损耗。但S-MAC仍然使用基于冲突的MAC协议，在数据量突发较大时仍不能有效避免数据发送的碰撞，从而不能有效的减少节点的能量消耗。基于TDMA的MAC协议具有无冲突和控制分组少的特点，但是它的最大缺点是需要准确的同步和扩展性较差。

在运动目标探测无线传感器网络中，网络具有传感器节点数量大，密度大的特点，而且数据的突发性很强，当有目标出现在传感器网络探测范围时，随着目标的运动，会有众多传感器节点先后探测到目标的运动，这些传感器节点都将向汇聚节点Sink传送大量数据，这就要求多址接入协议能够有效的解决大量数据同时传输的问题。另外，由于要求在Sink节点处及时的获知目标的运动轨迹，这就要求多址接入协议能够在有效传输数据的同时保证数据的实时性。因此，现有的多址接入方法无法满足网络的需要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，提出一种适合运动目标探测无线传感器网络的多址接入方法，以用来减少空闲节点的能量消耗及均衡节点之间能量的消耗，合理地控制信道的接入时延。

本发明的技术方案是：采用分群的策略，在群内采用TDMA的通信方式、群间采用TDMA加随机退避的方式来减少通信数据的碰撞，并通过周期性的休眠及更换群首的策略来节约传感器节点的能量，这就是本发明运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，该方法的具体实现步骤如下：

(1)根据节点的地理位置，对节点进行分群。

(2)分群后，将时间轴按TDMA超帧的格式划分，在每个TDMA超帧开始时刻，群首节点发送同步帧进行群内节点时间的同步。同步后，节点开始侦听是否有上层数据到达。

(3)当上层有数据到达时，如果数据的目的节点是本群内的节点，则发送节点在本群内与其对应的时隙内发送该数据。如果数据的目的节点是群外节点，则进行步骤(4)。

(4)发送节点先查询其所维护的目的群的时间信息，然后在该群中业务帧的最后一个时隙以随机概率p发送上层数据；该随机概率p满足：0＜p＜1。

(5)上述的时间同步后，若节点侦听信道在T_idle之内，上层没有数据到达，该节点发送休眠帧给群内其它节点，表明其进入休眠状态，休眠时间为T_sleep。休眠结束之后，节点通过接收群首节点的同步帧来重新进行同步。群首节点不休眠。

(6)在群首节点工作一段时间后，当其剩余能量低于门限值E_R时，该群首节点发送选举帧给群内其它节点来选举新的群首节点，群内其它节点收到群首节点发来的选举帧后，回复选举帧来表明自己的剩余能量。群首节点根据收到的剩余能量信息选出剩余能量最大的并大于自己剩余能量的节点为新的群首节点，并更新E_R的值，否则不改变群首节点。

上述运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，所说的对节点进行分群，分群的方法是：在初始化时，一个节点先侦听周围是否有分群信息，如果没有，则它可以作为群首节点开始划分一个群，并选择一个群内号和一个全网唯一的群号。根据群首节点的地理位置，在处于群首节点通信半径内的节点可以加入该群并选择同样的群号和不同的群内号，当一个群内的节点数达到设定的个数后，分群完毕；若一个群内的节点个数多于设定的个数，则后加入群的节点仅有群号而没有群内号。

上述的运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，所说的更新E_R的值，其方法是：群内的节点通过其它节点发送的选举帧来更新自己所维护的群节点表。通过查询群节点表，节点可以知道本次选举是否成功。在一次成功的选举之后，E_R的值更新为：

E_R＝E_{Vote_Remain}其中E_{Vote_Remain}表示本次选举成功时，群首节点的剩余能量，如果选举失败，则不改变群首节点，E_R的值不更新。

本发明与现有技术相比具有的优点：

1、本发明是基于TDMA协议的，当节点有数据发送时，节点首先在群内与其对应的时隙内发送，因此有效的减少了群内节点发送的接入时延。对于群间通信，由于采取了TDMA加随机退避的方法，从而有效的减少了群间节点的发送碰撞，无需任何额外的硬件开销。采用本发明后，群内节点的信道接入时延及群间节点的接入时延远小于采用IEEE802.11协议后节点的信道接入时延。

2、本发明采用周期性的休眠和及时更换群首节点的策略。周期性休眠有效地减少了节点因空闲侦听所消耗的能量，而及时更换群首节点的策略避免了在某一个群中，由于群首节点需要发送额外的信息而能量被提前耗尽的情况，从而保证即使在高负荷、高突发的网络环境中，本发明与S-MAC和IEEE802.11相比能有效的延长传感器节点的寿命。

附图说明

图1是本发明实现的流程图

图2是本发明中尚未分群的传感器节点示意图

图3是本发明中划分了第一个群的传感器节点示意图

图4是本发明中划分了两个群的传感器节点示意图

图5是本发明中分群完毕后传感器节点的示意图

图6是本发明中一个TDMA超帧的结构示意图

图7是本发明中传感器节点状态改变示意图

图8是在相同负荷情况下，不同的MAC协议对一跳时延性能的影响仿真曲线图

图9是不同的p值对两跳时延性能的影响仿真曲线图

图10是在相同空闲时间情况下，不同的MAC协议对节点剩余能量的影响仿真曲线图

图11是在相同休眠时间情况下，不同的MAC协议对节点剩余能量的影响仿真曲线图

图12是α＝0.5时，更换群首的策略对节点剩余能量的影响仿真曲线图

图13是α＝0.25时，更换群首的策略对节点剩余能量的影响仿真曲线图

具体实施方式

参照图1，它是本发明实现的流程图，从流程图中可以清楚地看出该方法的具体步骤。现参看图1～图7说明其工作过程：

1.根据节点的地理位置，对节点进行分群。在初始化分群时，一个节点先侦听周围是否有分群信息，如果没有，则它可以作为群首节点开始划分一个群，并选择一个群内号和一个全网唯一的群号。在处于群首节点通信半径内的节点可以加入该群并选择同样的群号和不同的群内号。如果一个节点在加入某群之后又收到其它群的信息，则该节点将自己标定为群间节点，并记录其它群的同步信息，便于群间通信时与其它群的时间同步。由于传感器网络的通信协议与其应用密切相关，且节点密度的不同将影响节点的能量消耗情况，在实际应用中，群内节点的个数可以根据需要设定。本发明的实施例设定每个群包含7个节点，并考虑当节点的通信半径为15m，节点密度为0.01个/m²的应用场景。当一个群内的节点数未达到7个时，节点在0～6内随机选择一个群内号，同一个群内的节点选择不同的群内号。当群内节点个数达到7个之后，后加入的节点仅获得本群的群号，而没有群内号，这些节点将不再加入其它的群，而是作为本群的备用节点，然后将进入休眠。当所有的节点都获得一个群号之后，初始化分群完毕。

2.分群后，将时间轴按TDMA超帧的格式划分，在每个TDMA超帧开始时刻，群首节点发送同步帧进行群内节点时间的同步。在本发明中TDMA超帧是指TDMA通信的基本单位，每个TDMA超帧都由三部分组成：同步帧，业务帧和选举帧。同步帧用于群内节点的时间同步，由群首节点发送。为了与实施例所设定的分群结合，业务帧又划分为8个时隙，其中前7个时隙用于群内通信，而最后一个时隙用作群间通信。在一个群内只有拥有群内号的节点才获得一个群内通信时隙，节点在与之对应的通信时隙内发送数据；选举帧用于选举新的群首节点，其中包含节点的剩余能量信息。

在每个TDMA超帧开始时刻，群首节点都发送同步帧进行群内节点时间的同步。收到同步帧的节点根据收到的时间信息调整自己的时间，从而保证在一个群内节点之间的时间同步。如果某个节点的时间失步，则它可以利用下一次的同步帧调节自己的时间。同步后，节点开始侦听是否有上层数据到达。

3.为了获得群内其它节点的信息，本发明设计群内的每个节点都维护一张群节点表，表内记录群内其它节点的群内号，节点的状态信息等。由于一个群内的节点是全连通的，因此可以利用串扰的存在来更新节点所维护的群节点表。

当上层有数据到达时，节点的行为是：①查询群节点表来确定数据的目的节点是否为本群内节点，若是，则在群内与其对应的时隙内发送数据。②若数据的目的节点是群外节点，则进行步骤4。

4.若数据的目的节点是群外节点，则查询节点所维护的目的群的时间信息，该信息是随着收到其它群的同步帧而更新的，然后在该群中业务帧的最后一个时隙以随机概率p发送数据。由于各个群之间的时间不同步，因此群间通信的碰撞难以避免，而MAC协议的任务就是尽最大可能减少分组碰撞，因此以随机概率p发送，可以在一定程度上减小群间发送产生的碰撞。另外，为了保证群间的可靠通信，如果目的节点收到的是来自群外节点的正确数据，则发送ACK信息进行确认，否则，发送NAK信息予以否认。

5.群首节点时间同步后，若节点侦听信道在Ti_dle之内，上层没有数据到达，该节点发送休眠帧给群内其它节点，表明其进入休眠状态，休眠时间为T_sleep。休眠帧包含节点休眠时间，用来通知群内其它节点该节点将进入休眠状态以及要休眠的时间。收到休眠帧的节点更新自己维护的群节点表的信息。休眠结束之后，节点通过接收群首节点的同步帧来重新进行同步。由于群首节点需要维护群内时间的同步，因此群首节点不能进入休眠。

6.在群首节点工作一定时间之后，当其剩余能量值低于门限值E_R时，E_R是上一次选举成功的节点的剩余能量，该群首节点发送选举帧给群内其它节点，选举帧中包括群首节点的剩余能量信息。群内其它节点收到群首节点发来的选举帧后，回复选举帧来表明自己的剩余能量。如果群内存在这样的节点，其剩余能量大于群首节点的剩余能量，则本次选举成功，否则本次选举失败。如果群首节点选举成功，那么该群首节点将变为普通节点，而剩余能量最大的节点将作为新的群首节点来管理整个群的同步。

由于串扰的存在，群内的节点会收到其它节点发送的选举帧，从而更新自己所维护的群节点表。通过查询群节点表，节点可以知道本次选举是否成功。在一次成功的选举之后，E_R的值更新为：

E_R＝E_{Vote_Remain}

其中E_{Vote_Remain}表示本次选举成功时，群首节点的剩余能量，如果选举失败，则不改变群首节点，E_R的值不更新。

在下一次的选举中，只有群首节点的剩余能量满足：

E_{R_new}＜E_{R_old}才能再次进行新一轮的选举。其中E_{R_new}是群首节点的剩余能量，E_{R_old}表示上一次选举成功的群首节点的剩余能量。

图2～图5是本发明中节点分群的示意图，从中可以清楚地看出上述分群的具体步骤。

图6是本发明中一个TDMA超帧的示意图，每个TDMA超帧都由同步帧，业务帧和选举帧三部分组成，其中业务帧又划分为8个时隙，S0～S6时隙用于群内通信，而最后一个时隙S7用作群间通信。

图7是本发明中传感器节点状态改变示意图，可以看出节点的状态不断的在休眠和侦听中切换。

参照图8～图13，为了检验本发明的性能，将本发明与现有传感器网络协议IEEE802.11和S-MAC进行了仿真，该仿真主要研究了高数据突发网络环境下，当随机概率p和节点休眠时间与空闲时间之比α两个参数的取值不同时，应用本发明后对网络性能及节点剩余能量的影响。

本发明的实施例的仿真场景是：100个节点组以Ad Hoc的方式分布的网络，均匀的分布在100×100m²的区域内，整个网络是连通的。节点的通信半径为15m，节点密度为0.01个/m²。仿真软件为OPNET10.5，仿真实验通过一台主频为2.4G的台式机上完成。为了模拟传感器网络数据突发的特性，在图8～图13中，采用如表1所示的仿真模型参数。表中数据包长度服从负指数分布。为了定量描述本发明的性能，在本发明中采用一跳接入时延、两跳接入时延，节点剩余能量这三个指标来评估其性能。

表1性能仿真参数

仿真参数	数值	仿真参数	数值
				信源业务强度	100数据包/秒	MAC层包长	1088比特
数据帧大小	1024字节	节点初始能量	10焦耳
				信道速率	1×106比特/秒	节点发送消耗能量	80毫瓦
信源有数据产生间	1秒	节点接收消耗能量	30毫瓦
				信源无数据产生间	99秒	节点空闲消耗能量	0.003毫瓦

参照图8和图9，图8是在相同负荷情况下，不同的MAC协议对一跳时延性能的影响仿真曲线图，其中本发明的实施例可称为TBEA。图9是不同的p值对两跳时延性能的影响仿真曲线图。从图8可以看出：在网络处于重负荷高突发数据情况下，即λ＝0.8192时，本发明TBEA所引入的一跳接入时延远小于IEEE802.11协议所引入的一跳时延。这是由于IEEE802.11协议是基于CSMA/CA的MAC协议，每个节点在发送数据以前，都要侦听信道的忙闲情况，以确定是否能在下一个时隙内发送，如果侦听到信道闲，则继续侦听一段时间，若信道仍为空闲再发送；若发现信道忙，则一直侦听信道，直到信道变为空闲。而当网络处于高负荷数据突发的情况下，每个节点都在很短的时间内要接入信道发送数据，因此，引入了比较长的侦听时间。而由于本发明TBEA是基于分群TDMA协议的，每个节点在本群与之对应的时隙内发送数据，因此，信道接入时延比较小。

对于群内通信，由目前通用的M/G/1型排队系统可以得到，TDMA系统中每个用户的等待时延W_TDM是：

$W_{\mathrm{TDM}}=\frac{m}{2(1-\mathrm{\λ})}$

其中，m为TDMA中时隙个数，每个用户占用一个时隙；λ为整个系统的分组到达率，λ的取值满足：0≤λ≤1。

从图9中可以看出，在随机概率p不同的情况下，两跳接入时延的取值也有很大的变化。对于群间通信，由于一个业务时隙包括8个时隙，群内通信占用前7个时隙，而群间通信占用最后一个时隙。如果节点有数据发往群外，则必须等待到目的群业务帧的最后一个时隙再以随机概率p发送，则节点的接入时延T为：

$T=\frac{1}{8}\left(\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}i\right)(p+2(1-p)p+3{(1-p)}^{2}p+...)$

其中i为节点需要等待的时隙数，这里不考虑节点在本时隙剩余的时间。由于发送节点可能等待0～7个时隙中的任意一个，因此概率为

(p+2(1-p)p+3(1-p)²p+…)表示一次发送成功、两次发送成功…的概率，因此可以得到两跳接入时延W_Total的计算式为：

W_Total＝W_TDM+T

节点的群内接入时延是由TDMA的固有接入时延W_TDM决定的，不因p取值的不同而变化。但是不同的p决定了群间发送的时延T，若p取值较小，则在网络负荷较轻情况下，节点需要等待较长时间才能发送数据；若p取值较大，则当节点以较大概率发送数据时，可能会增加发送碰撞。

参照图10，它是在相同空闲时间情况下，不同的MAC协议对节点剩余能量的影响仿真曲线，其中固定T_idle的值，T_idle＝10秒。图中，PS指采用休眠策略的算法：WS指不采用休眠策略的算法。从图中可以看出：本发明与IEEE802.11和S-MAC相比，有效的节约了节点的能量。由于IEEE802.11协议是基于CSMA/CA的MAC协议，节点消耗大量能量用于信道检测，而本发明是基于TDMA协议的，因此有效的避免了信道检测所带来的能量损失。WS策略的性能略差于S-MAC，这是由于节点将绝大多数能量耗费在空闲侦听上。而采取PS策略后，由于周期性的休眠减少了空闲侦听的时间，从而减缓了剩余能量的消耗，其性能优于S-MAC。当节点休眠时间与节点空闲时间之比α取值不同时，对协议的性能也有不同影响，α越大对应的节点休眠时间越长。

参照图11，它是在相同休眠时间情况下，不同的MAC协议对节点剩余能量的影响仿真曲线图，其中固定T_sleep的值，T_sleep＝5秒。图中，PS指采用休眠策略的算法；WS指不采用休眠策略的算法。从图中可以看出：本发明与IEEE802.11和S-MAC相比，能有效的节约节点的能量，且不同的α值对节点能量的消耗也有影响。此情况下，如果α较小时，即空闲时间长，则节点长时间处于空闲状态，不能有效的节约能量；而α值较大时，节点频繁的从激活状态切换到休眠状态，切换过程也要消耗大量的能量。

参照图12和图13，它们是α取值不同时，更换群首的策略对节点剩余能量的影响仿真曲线图，其中，WVS指不更换群首策略的算法；VS指更换群首策略的算法。从图中我们可以看出，α取值不同时，VS策略与WVS策略相比，能有效的均衡节点之间的能量消耗。在WVS策略的算法中，作为初始化分群的群首节点，消耗掉了比群内其它节点多的能量，这是因为群首节点需要发送额外的控制信息，因此，其能量更容易耗尽。如果该节点为网络中的一个关键节点或者该节点承担着群内数据汇聚的任务，则由于此节点能量的快速耗尽，将会导致整个网络数据的阻塞或者上层路由的失败。而采用VS策略后，当群首节点消耗一定能量之后，会重新选举新的群首节点。这样，通过不断的更换群首节点，使得群内的节点能量的消耗趋于均匀，从而降低了群内某个节点的能量先被耗尽事件的发生概率。

Claims (3)

1.运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，该方法的实施步骤如下：

(1)根据节点的地理位置，对节点进行分群；

(2)分群后，将时间轴按TDMA超帧的格式划分，在每个TDMA超帧开始时刻，群首节点发送同步帧进行群内节点时间的同步，同步后，节点开始侦听是否有上层数据到达；

(3)当有上层数据到达时，如果数据的目的节点是本群内的节点，则发送节点在本群内与其对应的时隙内发送该数据；如果数据的目的节点是群外节点，则进行步骤(4)；

(4)发送节点先查询其所维护的目的群的时间信息，然后在该群中业务帧的最后一个时隙以随机概率p发送上层数据，该随机概率p满足：0＜p＜1；

(5)上述的时间同步后，若节点侦听信道在T_idle之内，上层没有数据到达，该节点发送休眠帧给群内其它节点，表明其进入休眠状态，休眠时间为T_sleep，休眠结束之后，节点通过接收群首节点的同步帧来重新进行同步，群首节点不休眠；

(6)在群首节点工作一段时间后，当其剩余能量低于门限值E_R时，该群首节点发送选举帧给群内其它节点来选举新的群首节点；群内其它节点收到群首节点发来的选举帧后，回复选举帧来表明自己的剩余能量，群首节点根据收到的剩余能量信息选出剩余能量最大的并大于自己剩余能量的节点为新的群首节点，并更新E_R的值，否则不改变群首节点。

2.根据权利要求1所述的运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，其特征在于所说的对节点进行分群，分群的方法是：在初始化时，一个节点先侦听周围是否有分群信息，如果没有，则它可以作为群首节点开始划分一个群，并选择一个群内号和一个全网唯一的群号，根据群首节点的地理位置，在处于群首节点通信半径内的节点可以加入该群并选择同样的群号和不同的群内号，当一个群内的节点数达到设定的个数后，分群完毕；若一个群内的节点个数多于设定的个数，则后加入群的节点仅有群号而没有群内号。

3.根据权利要求1所述的运动目标探测无线传感器网络多址接入方法，其特征在于所说的更新E_R的值的方法是：群内的节点通过其它节点发送的选举帧来更新自己所维护的群节点表，通过查询群节点表，节点可以知道本次选举是否成功，在一次成功的选举之后，E_R的值更新为：

                      E_R＝E_{Vote_Remain}

其中E_{Vote_Remain}表示本次选举成功时，群首节点的剩余能量，如果选举失败，则不改变群首节点，E_R的值不更新。

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