CN1949913A - 通信调度的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于通信调度的设备和方法。该设备包括：控制单元，基于参考节点确定参考节点以及参考节点的多个子节点是否已经完成通信调度，在时间周期期间在参考节点和子节点之间执行通信需要所述通信调度；以及调度单元，当在参考节点和子节点之间已经完成通信调度时，通过选择通信时间在参考节点和父节点之间执行通信调度。
Description
本申请要求于2006年6月27日提交到韩国知识产权局的第10-2006-0058215号韩国专利申请以及于2005年10月13日提交到美国专利商标局的第60/725,663号美国临时专利申请的优先权，该申请公开于此以资参考。
技术领域
与本发明一致的设备和方法涉及通信调度，更具体地说，涉及有效发送/接收节点间通信调度所需的控制包的通信调度。
背景技术
随着传感器、微电子机械系统(MEMS)、低功率电器和低功率射频(RF)设计技术的发展，已经开发出能够通过无线网络连接的低价格和低功率小型传感器节点。传感器节点包括检测、数据处理和通信组件。可在十分接近的区域中密集地采用大量传感器节点，从而形成无线传感器网络，其可应用于各种领域，例如军事、家庭网络、环境监控、工业管理、灾难监控等。由于在传感器网络中不需要预先确定传感器节点的位置，因此可根据对不可接近的区域或灾难营救情况中的应用的需要来采用传感器节点。这是因为传感器网络协议具有自组织能力，传感器节点彼此协作。
此外，传感器网络包括在其中采用传感器节点的传感器场，以及将传感器场连接到外部网络的接收器(sink)。也就是说，可通过接收器传送在传感器场中收集的数据。
图1是示出现有技术传感器网络中通过交叉层(cross-layer)调度将通信时间分配给每一节点的示图。
在传感器场中已经采用传感器节点之后，最终对由传感器节点收集的信息进行收集的接收器节点(即基站(BS))发放包含关于将由传感器节点收集的数据的信息的感兴趣的询问包。当已经发放感兴趣的询问包时，形成具有树形结构的网络拓扑。
也就是说，当接收器节点将感兴趣的询问包发放到所有传感器节点时，接收器节点变成源节点，节点#3、#6和#10变成目的节点。其后，节点#3、#6和#10中的每一个将接收的感兴趣的询问包发送到其邻近传感器节点。此时，节点#3、#6和#10变成源节点，节点#2、#4、#9、#7和#8变成目的节点。也就是说，节点#3的目的节点是节点#2，节点#6的目的节点是节点#4和#9，节点#10的目的节点是节点#7和#8。当以上述方式已经连续将感兴趣的询问包发送到端节点时，创建如图1所示的按箭头连接的树形结构。
其后，作为子节点的节点#1、#5、#9、#7和#8将由各个子节点收集的数据发送到作为其父节点的节点#2、#4、#6和#10。其后，节点#2、#4、#6和#10将数据发送到其父节点，即节点#3和BS，节点#3将数据发送到BS，从而BS可收集数据。
因此，通过连续执行从树形结构中最低阶子节点到其对应的父节点通信调度来完成对接收器节点(BS)的通信调度，从而可有效地将由传感器节点收集的数据发送到接收器节点(BS)。
同时，利用请求发送(RTS)包、清除发送(CTS)包、路由设置(RSETUP)包以及确认(ACK)包来构造交叉层(cross-layer)调度，所述RTS包从源节点发送到目的节点，所述CTS包由目的节点使用以通知源节点目的节点已经接收到RTS包，所述RSETUP包由源节点使用以通知目的节点表示源节点将需要多少时间发送实际数据包的通信时间周期，所述ACK包由目的节点使用以通知源节点已经确定通信调度。
交叉层调度包括确定通信时间和根据确定的通信时间发送包。在已经在区域中采用节点之后，仅执行一次通信时间确定。在通信时间确定中，节点使用控制包(即RTS、CTS、RSETUP和ACK包)以进行用于通信时间的通信调度。在交叉层调度中，由于在实际传感器网络中必须将多数包发送到接收器节点，因此从拓扑中的最低阶节点开始通信调度。在“Cross-LayerScheduling for Power Effciency in Wireless Sensor；M.L Sichitiu”中公开了交叉层调度的更加详细的描述。
想要建立通信调度的源节点将与其下一跳对应的节点设置为目的节点，并将RTS包发送到目的节点。由源节点发送的RTS包括发送RTS包的时间值(即时戳值)。时戳值表示用于实际数据包的发送的通信开始时间。当RTS包的目的节点已经成功接收到RTS包时，目的节点响应于RTS包的接收将CTS包发送到源节点。在接收CTS包之后，源节点将包括关于源节点需要多少时间发送包的通信时间信息的RSETUP包发送到目的节点。在成功接收到RSETUP包之后，目的节点基于在RSETUP包中记录的时间周期和发送RTS包的时间来确定通信调度。
其后，目的节点将ACK包发送到源节点，从而通知源节点已经基于在RSETUP包中记录的时间周期和发送RTS包的时间确定通信调度。通过该过程，从最低阶节点到接收器节点确定通信调度。在用于所有节点的通信时间已经在通信时间确定中被确定之后，节点在确定的通信时间周期期间发送实际数据包。也就是说，当传感器节点通信时传感器节点将其自身的收发器设置为接收或发送，并且当不通信时传感器节点将其自身的收发器维持在休眠状态，从而节省功率。
然而，当因为多个传感器节点尝试在通信可彼此干扰的范围内同时发送RTS包，或因为隐藏的节点终端存在，所以对应的目的节点不能正常接收RTS包时，无法使用用于实际数据通信部分中的RTS包传输的时间点。当尚未正常发送或接收RTS包时，源节点重传RTS包。对这样的重传的接收导致传感器节点消耗不必要的功率。
此外，当在控制包(即RTS、CTS、RSETUP和ACK包)的发送和接收过程期间产生包丢失时，必须从发送RTS包的第一步再次执行发送或接收过程，从而不必要地消耗了更多的功率。
此外，在传感器节点是路由路径的中间节点的情况下，如果在中间节点和目的节点之间的通信调度过程期间丢失RTS包，则在时间逝去之后，中间节点必须再次尝试建立与目的节点的通信调度，从而当发送实际数据包时产生时间延迟。
因此，已经开发一种在传感器网络中的传感器节点的通信调度所需的可防止由于重传包而导致的不必要的功率消耗并减少在控制包的发送或接收过程期间包传输的延迟时间的方法。
发明内容
本发明的示例性实施例克服上述缺点以及其它上面未描述的其它缺点。此外，并不要求本发明克服上面描述的缺点，本发明的示例性实施例可不克服上面描述的缺点。
本发明提供一种用于通信调度的设备和方法，其有效地发送和接收在节点间进行通信调度所需的控制包。
根据本发明一方面，提供一种用于通信调度的设备，该设备包括：控制单元，基于参考节点确定参考节点以及参考节点的多个子节点是否已经完成通信调度，在时间周期期间在参考节点和所述多个子节点之间执行通信需要所述通信调度；以及调度单元，当参考节点和所述多个子节点之间的通信调度已经完成时，通过选择通信时间在参考节点和父节点之间执行通信调度。
根据本发明另一方面，提供一种通信调度的方法，该方法包括：基于参考节点确定参考节点和参考节点的多个子节点是否已经完成通信调度，在时间周期期间在参考节点和所述多个子节点之间执行通信需要所述通信调度；以及当参考节点和所述多个子节点之间的通信调度已经完成时，通过选择通信时间在参考节点和父节点之间执行通信调度。
附图说明
通过下面结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的上述和其他方面将会变得更加清楚，其中：
图1是示出现有技术传感器网络中通过交叉层(cross-layer)调度将通信时间分配给每一节点的概念性示图；
图2是示出根据本发明示例性实施例的通信调度设备的构造的框图；
图3是示出使用图2示出的通信调度设备的通信调度方法的流程图；
图4是CSMA/IC的概念性示图；
图5是示出根据本发明示例性实施例的在节点之间发送的数据帧的结构的示图；
图6A至图6C是示出根据本发明示例性实施例的通信调度的概念性示图；
图7A至7D是示出根据本发明示例性实施例的多个节点间的通信调度的示图；以及
图8A至8C是示出根据本发明示例性实施例的仿真结果的示图。
具体实施方式
通过结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的优点和特点以及用于实现它们的方法将对本领域技术人员变得清楚。本发明的范围不限于说明书中描述的示例性实施例，而且本发明可实现为各种类型。仅为了完全公开本发明并帮助本领域技术人员充分理解本发明的范围而陈述所描述的示例性实施例，本发明由权利要求的范围限定。在以下的本发明的示例性实施例中，相同的标号始终用于相同的部件。
图2是示出根据本发明示例性实施例的通信调度设备的构造的框图。
通信调度设备200包括构造单元210、传感器单元220、控制单元230、调度单元240和发送/接收单元250，其中，通信调度设备200可包括在节点中。
构造单元210通过对根据参考节点的控制包分配的比特值和表示参考节点的特定地址的比特值进行连结来构造比特串，从而执行用于在时间周期期间在参考节点和不同节点之间的通信的通信调度。优选地，将参考地址的媒体访问控制(MAC)地址用作参考节点的特定地址，但这并不是必须的。参考节点可通过使用比特串预先占用介质以发送或接收控制包。
为了预先占用介质，构造单元210可通过使用包括在比特串中的控制包的比特值来优先化控制包。也就是说，构造单元210可将比特值“001”分配给请求发送(RTS)包，将比特值“010”分配给清除发送(CTS)包，将比特值“011”分配给等待发送(WTS)包，并将比特值“100”分配给ACK包，从而较高的比特值可具有较高的优先级。这样能够在具有通过优先级分配预先占用的介质的参考节点和不同的节点之间快速完成通信调度，稍后将参照图5至图7D更详细地对其进行描述。
此外，构造单元210可建立用于通信时间的时隙号，并将时隙号插入控制包。在所述通信时间参考节点和不同的节点可通信。例如，当全部数据通信时间为100毫秒并且单位时间是10毫秒时，可构造总共10个时隙。在此情况下，构造单元210可按照下面的方式根据时间部分顺序地将多个时隙号分配给时隙：时隙号1分配给1至10毫秒的时隙，时隙号2分配给11至20毫秒的时隙，时隙号3分配给21至30毫秒的时隙等。表示参考节点和不同节点之间的通信时间的时隙号可包括在控制包(即RTS、CTS和ACK包)中。
RTS包可以是从子节点发送到参考节点的包，CTS包可以是从参考节点发送以通知子节点参考节点已经接收到RTS包的包。WTS包可以是从不同的子节点发送以通知参考节点尚未在不同子节点和参考节点之间建立通信调度的包，所述不同子节点与子节点的具有相同级别并已经检测到发送的CTS包。ACK包可以是从子节点发送以通知参考节点子节点已经确定与参考节点的通信调度的包。
传感器单元220检测参考节点是否正在将控制包发送到不同的节点，或正从不同的节点接收控制包。例如，当使用比特串预先占用了介质的子节点(第二节点)将RTS包发送到参考节点(第一节点)，并且接收该RTS包的第一节点响应于RTS包将CTS包发送到第二节点时，具有与第二节点相同级别的子节点(第三节点)通过传感器单元220检测CTS包，所述CTS包已经从第一节点发送到第二节点。其后，第三节点可将WTS包发送到第一节点，从而通知第一节点尚未在第一节点和第三节点自身之间执行通信调度。在此情况下，如果使用载波侦听多路访问/ID倒计数(CSMA/IC)方案，则位于从参考节点的两跳的范围内的子节点可检测控制包的发送或接收。
此外，参考节点可通过传感器单元220检测是否存在从不同的节点接收的比特值。
控制单元230基于参考节点确定参考节点的多个子节点是否已经完成所有用于在时间周期期间执行通信的通信调度。根据在其中基于树形结构的网络拓扑执行通信调度的本发明的示例性实施例，当从叶子节点开始通信调度时，控制单元230允许节点(即参考节点)在参考节点的所有子节点已经完成关于参考节点的通信调度之后关于其父节点执行通信调度，从而减少控制包的量及其传输时间的数量。也就是说，尚未执行关于参考节点的通信调度的子节点可通过将WTS包发送到参考节点来通知控制单元230子节点自身尚未执行关于参考节点的通信调度。
在参考节点的多个子节点已经全部完成关于参考节点的通信调度之后，调度单元240通过选择通信时间来执行参考节点和其父节点之间的通信调度。例如，当调度单元240通过控制单元230确定参考节点的所有子节点都已经完成关于参考节点的通信调度时，调度单元240读取表示通信时间的时隙号，其被包括在从子节点接收的ACK控制包中。其后，在通过使用读取的时隙号执行关于父节点的通信调度的过程中，调度单元240可选择能够最小化包括由参考节点收集的信息的数据包的传输延迟的时隙号，并将包括选择的时隙号的控制包发送到参考节点的父节点。收集的信息可包括关于已经在区域中收集的各种信息，例如区域温度、电磁波、污染级别、位置、地形以及对象。在已经完成通信调度之后，参考节点可在能够最小化传输延迟的通信时间中将包括上述信息的数据包发送到基站(BS)。
也就是说，当通过使用时隙号1、2和3已经在参考节点及其子节点之间完成通信调度时，参考节点可将时隙号4和5插入RTS控制包，并将RTS控制包发送到其父节点，所述时隙号4和5是可用于参考节点自身的通信的时间部分。其后，参考节点将用于执行通信调度的控制包发送到父节点，或从父节点接收用于执行通信调度的控制包。
在此情况下，调度单元240可用于对节点(即父节点和子节点)之间的通信时间进行比较，并选择可共同使用的时隙号以执行通信调度。优选地，调度单元240可选择能够最小化包括由参考节点收集的信息的数据包的传输延迟的时隙号，稍后将参照图6A至图7D更详细地对其进行描述。
发送/接收单元250用于在节点之间发送或接收数据包。也就是说，发送/接收单元250根据比特串的位置值发送或接收比特值，并发送或接收控制包。
图2所示的各个组件可构造为“模块”。术语“模块”包括执行特定任务的诸如现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)的软件或硬件组件，但并不限于此。模块可有利地被配置为驻留在可寻址存储介质中，并可被配置为在一个或多个处理器上执行。因此，通过示例的方式，模块可包括诸如软件组件、面向对象的软件组件、类组件和任务组件的组件、进程、函数、属性、程序、子程序、程序代码段、驱动程序、固件、微码、电路、数据、数据库、数据结构、表、数组和变量。由组件和模块提供的功能可组合为更少的组件和模块，或还可再划分为其它组件和模块。
图3是示出使用图2示出的通信调度设备的通信调度方法的流程图。
在下面的描述中，将尽可能省略与关于图2描述的功能相同的构造和功能以避免冗余。现将描述用于通信调度方法的过程。下文中，假定参考节点充当父节点并执行与其自己的子节点的通信调度。
在操作301，构造单元210通过将根据参考节点的每一控制包分配的比特值和表示参考节点的特定地址的比特值进行连结来构造比特串。在此情况下，构造单元210可通过使用根据控制包分配的比特值将优先级分配给控制包。优选地，参考地址的MAC地址用作参考节点的特定地址，但这不是必须的。参考节点可通过使用比特串预先占用介质以发送或接收控制包。此外，构造单元210可将比特值“001”分配为RTS包，将比特值“010”分配给CTS包，将比特值“011”分配给WTS包，并将比特值“100”分配给ACK包，从而较高的比特值可具有较高的优先级。这样的优先级分配可在参考节点和不同的节点之间快速完成通信调度。
在操作311，参考节点根据参考节点自身的比特串的每一位置值通过发送/接收单元250发送比特值，或通过传感器单元220检测是否存在从不同的节点接收的比特值。也就是说，如果参考节点自身比特串的对应位置值的比特值为“1”，则参考节点可通过发送/接收单元250发送短的1比特值，而如果其对应位置值的比特值为“0”，则参考节点可通过传感器单元220检测是否存在接收的数据(即从不同的节点接收的比特值)。
在操作321，参考节点通过使用比特串预先占用介质，并将控制包发送到子节点。在此情况下，已经接收RTS包的参考节点将CTS包发送到子节点。其后，子节点确定通信时间以与参考节点通信，并将ACK包发送到参考节点。
在操作331，不同的子节点通过控制单元230确定所述不同的子节点尚未执行与参考节点的通信调度，并将其通知给参考节点，所述不同的子节点位于与参考节点相同的级别，并已经通过传感器单元220检测到参考节点和子节点之间的控制包的发送和接收。也就是说，位于与子节点相同的级别并已经检测到CTS包的发送的不同的子节点可通过发送/接收单元250将WTS包发送到参考节点，从而通知参考节点所述不同的子节点尚未执行与参考节点的通信调度。
在参考节点的多个子节点已经全部完成与参考节点的通信调度之后，参考节点通过使用调度单元240选择通信时间，并在参考节点和其父节点之间执行通信调度(操作341)。在此情况下，优选的是，参考节点选择能够最小化包括由参考节点收集的信息的数据包的传输延迟的通信时间，并执行与父节点的通信调度，但这不是必须的。
稍后将参照图6A和图7D详细描述通信调度方法的示例。
图4是CSMA/IC的概念性示图。
根据CSMA/IC，节点的检测范围可以是大于节点的通信范围的两倍或多倍。因为节点A和B中的每一个位于对方的通信范围402之外，所以其彼此无法通信。然而，由于节点A和B的检测范围404是通信范围402的两倍，因此它们可检测是否在邻近节点之间发送和接收包。也就是说，当位于节点A的检测范围之内但位于节点A的通信范围之外的节点B发送包时，节点A虽然不能识别发送的包的内容，但能够检测节点在当前时间正使用介质。在“A New Class of Collision-free MAC Protocol for Ad Hoc Wireless Networks；T.You，C-H Yeh and H.S.Hassanein”中公开了CSMA/IC的详细描述。
图5是示出根据本发明示例性实施例的在节点之间发送的数据帧的结构的示图。
用于数据帧500的通信部分可构造为通信设置部分510和数据通信部分520。
首先，可在通信设置部分510中设置将用于数据通信部分520的通信时间，具体地说，可在通信设置部分510中的控制包530中对其进行设置。在此情况下，通信设置部分510可使用比特串523以在发送控制包530之前占用介质。
可通过对根据将由参考节点发送的控制包分配的比特值525和表示参考节点的特定地址的比特值527连结来构造比特串523。
在此情况下，根据每一控制包分配的比特值可表示对应的控制包的优先级，优选的是，MAC地址可用作参考节点的特定地址，但这不是必须的。也就是说，构造单元210可将比特值“001”分配为RTS包，将比特值“010”分配给CTS包，将比特值“011”分配给WTS包，并将比特值“100”分配给ACK包，从而较高的比特值可具有较高的优先级。通过这样的优先级分配，能够在参考节点和不同的节点之间快速完成通信调度。
当参考节点的比特串的对应位置值的比特值为“1”时，参考节点可发送短的1比特值，如果其对应的位置值的比特值为“0”，则参考节点可仅检测存在接收的数据并处于等待状态。此外，参考节点可通过使用比特串预先占用介质以发送或接收控制包。
例如，可假定分配给参考节点的控制包的值及其MAC地址被连结以形成“0110001”的比特串，与参考节点邻接的节点A的比特串为“0100011”。在此情况下，每一比特串的第一到第三位置值表示控制包，其余位置值表示每一对应的节点MAC地址。在两个比特串中，由于参考节点和节点A的第一位置值都为“0”，因此参考节点和节点A仅检测是否存在接收的数据，同时处于等待状态。其后，由于两个比特串的第二位置值都为“1”，因此参考节点和节点A中的每一个发送1比特值。
然而，由于参考节点的比特串的第三位置值为“1”，而节点A的比特串的第三位置值为“0”，因此参考节点预先占用介质，并发送与“011”对应的其自身的ACK包，节点A不与预先占用介质的参考节点竞争，并进入等待状态。也就是说，每当参考节点尝试发送控制包时，参考节点就根据上述原理与预先占用介质的不同的节点竞争。
此外，MAC可用于参考节点以预先占用用于发送控制包的介质。也就是说，当分别以“01110001”和“01100011”构造参考节点和与参考节点邻接的节点A的比特串时，其每一个为MAC地址值的两个比特串的第四值在参考节点的情况下为“1”，而在节点A的情况下为“0”，从而参考节点可预先占用介质并发送其自身的控制包530。
此外，构造单元210可建立用于通信时间的时隙号，并将时隙号插入控制包，在所述通信时间参考节点和不同的节点可彼此通信。例如，当整个数据通信时间是100毫秒并且单位时间是10毫秒时，可构造总共10个时隙。在此情况下，构造单元210可按照下面的方式根据时间部分顺序地将多个时隙号分配给时隙：时隙号1分配给1至10毫秒的时隙，时隙号2分配给11至20毫秒的时隙，时隙号3分配给21至30毫秒的时隙等。表示参考节点和不同的节点之间的通信时间的时隙号可包括在控制包(即RTS、CTS和ACK包)中。
现将参照图6A至图7D更详细地描述使用数据帧500的通信调度。
图6A至图6C是示出根据本发明示例性实施例的通信调度的概念性示图。
图6A示出作为参考节点的节点A，以及尝试执行与节点A的通信调度的节点B和C。根据节点A和B之间的通信调度过程，节点B将RTS包发送到节点A，节点A响应于RTS包的接收将CTS包发送到节点B，其后，节点B将ACK包发送到节点A。从而通知节点A已经确定通信调度(操作602)。根据节点A和C之间的通信调度过程，节点C将RTS包发送到节点A，节点A响应于RTS包的接收将CTS包发送到节点C，其后，节点C将ACK包发送到节点A，从而通知节点A已经建立通信调度(操作604)。
可首先执行在节点A和B之间以及在节点A和C之间执行的通信调度过程(操作602和604)中的任意一个。也就是说，在已经采用传感器节点之后，节点B和C彼此竞争以执行与节点A的通信调度。换句话说，节点B和C彼此竞争以在发送控制包之前预先占用介质。为此，节点B和C创建用于彼此竞争的比特串523。
例如，如图6B所示，当RTS包与“001”的比特序列对应并且节点B具有比特序列“011”的MAC地址时，节点B创建“001011”的比特串523。在此情况下，由于节点C具有比特序列“110”的MAC地址，因此节点C创建“001110”的比特串523。通过使用创建的比特串，节点B和C彼此竞争以预先占用介质。
首先，由于节点B和C的比特串中的第一和第二比特具有“0”值，因此节点B和C不发送控制包，并处于等待状态，同时检测是否接收到不同的数据值。其后，由于节点B和C的比特串中的第三比特具有“1”值，因此节点B和C可发送1比特值。由于节点B的比特串中的第四比特具有“0”的值并且节点C的比特串中的第四比特具有“1”的值，因此节点B处于等待状态，同时执行检测操作，节点C发送1比特值。在此情况下，节点B检测1比特值，其后，节点B不参加用于预先占用介质的竞争并处于等待状态，所述1比特值已经基于比特串的第四位置值由节点C发送。也就是说，虽然节点B的比特串中的第五比特具有“1”的值，但因为节点在其第四比特的时间部分已经接收1比特值，所以节点B在第五比特之后维持在等待状态。
其后，如图6C所示，已经预先占用介质的节点C将RTS包607发送到节点A，节点A响应于RTS包607将CTS包609发送到节点C。即使在节点A响应于RTS包发送CTS包609的过程中，节点A也首先经受用于预先占用介质的过程。也就是说，节点A基于参照图6B描述的上述原理通过使用通过对分配给CTS包609的比特序列608和表示节点A的MAC地址的比特序列610进行连结所获得的比特串来预先占用介质，其后，可在用于控制包的部分中将CTS包609发送到节点C。
在此情况下，控制包(即RTS和CTS包)中的每一个可包括时隙号，所述时隙号表示可用于节点C和A之间的实际数据通信部分的通信时间。例如，从节点C发送到节点A的RTS包607包括将用于数据通信的时隙号“2”和“3”，当将由节点A使用的时隙号是“3”和“4”时，已经接收RTS包607的节点A可发送包括时隙号“3”和“4”的CTS包606。其后，节点C对节点C自身可在数据通信时间中使用的时隙号与节点A可使用的时隙号进行比较，其后提取可将由节点A和C共同使用的时隙号“3”。其后，节点C将ACK包发送到节点A，从而完成通信调度。在此情况下，如果存在可由节点A和C共同使用的多个时隙号(例如“3”和“4”)，则优选的是，节点C选择可最小化包括由节点C收集的信息的数据包的发送中的传输延迟的一个时隙号(即“3”)。
图7A至图7D是示出根据本发明示例性实施例的在多个节点间的通信调度的示图。
如图7所示，作为参考节点的节点B以及节点C通过使用上述原理按序列发送或接收多个控制包，从而执行通信调度。也就是说，已经通过使用比特串预先占用介质的节点C将RTS包发送到节点B(操作701)，在预先占用介质之后，节点B将CTS包发送到节点C(操作702)。其后，节点C提取可由节点B和C共同使用的通信时间，并将ACK包发送到节点B(操作703)。在此情况下，已经通过将较高比特值分配给较高优先级来按“RTS(001)＜RTS(010)＜WTS(011)＜ACK(100)”顺序设置控制包的优先级。结果，可基于已经预先占用介质的参考节点的优先级及其子节点在其之间快速完成通信调度。
如图7所示，其后，位于与节点C相同级别的节点D和E检测由节点B发送的CTS包，从而节点D和E中的每一个将WTS包发送到节点B，由此通知节点B节点D或E尚未完成与节点B的通信调度(操作704和705)。
当确定是否已经确定与其每一较低节点的通信调度的节点B接收WTS包时，节点B确定其尚未确定与节点D和E的通信调度。其后，如图7C所示，节点B根据参照操作701和703描述的原理执行与节点D和E的通信调度(操作706、707、708、705b、709、710和711)。在此情况下，由于节点E检测从节点B发送到节点D的CTS包，因此节点E再次将WTS包发送到节点B，从而通知节点B尚未在节点B和节点E之间执行通信调度(操作705b)。
其后，如图7D所示，当节点B已经完成与其每一子节点的通信调度时，节点B选择通信时间并执行与节点B的父节点节点A的通信调度。在此情况下，优选的是，节点B提取并选择可最小化包括由节点B收集的信息的数据包的传输中的传输延迟的通信时间。例如，当节点B已经分别使用时隙号“1”、“2”和“3”确定与节点C、D和E的通信调度时，节点B可将可用于通信的其它时隙号(例如“4”、“5”和“6”)插入RTS包，并将RTS包发送到节点A(操作712)。其后，节点A将可由节点A自身使用的时隙号(例如“4”和“5”)插入CTS包，并将CTS包发送到节点B(操作713)。其后，节点B从可由节点A和B共同使用的时隙号中选择能够最小化数据包的传输延迟的时隙号(即“4”)，并将包括选择的时隙号的ACK包发送到节点A(操作714)，从而完成与节点A的通信调度。数据包可包括已经在区域中由节点B、C、D和E收集的各种信息，例如温度、电磁波、污染级别、位置、地形以及对象。节点B可在与时隙号“4”对应的通信时间将数据包发送到节点A。
图8A至8C是示出根据本发明示例性实施例的仿真结果的示图。
在用作仿真工具的Network Simulator Version-2(NS-2)中进行根据本发明的仿真，可通过一个时隙发送的控制包的大小被限制为12字节。此外，一个传感器节点使用0.66W来发送一个控制包，并消耗0.395W来接收一个控制包。传感器区域的大小被设置为653m×653m，并使用CSMA/IC。此外，通信范围被设置为200m，检测范围为限制为400m。然而，作为比较对象的现有技术交叉层调度使用CSMA。此外，通过将CSMA的检测范围从200m扩展到400m来进行仿真。首先，对用于执行通信调度的平均功率消耗进行比较，同时将节点的数量从10增加到20和30。本发明示例性实施例提出的协议称为“会聚功率有效MAC协议(Aggregation-Power Efficient MACprotocol，A-PEM)”。
参照图8A可知，A-PEM消耗比现有技术交叉层调度少得多的功率。
为了检查是否因为使用CSMA/IC而导致功率消耗的减少，进行另一仿真，其中，作为比较对象的现有技术的检测范围双倍扩展，从而等于CSMA/IC的检测距离。结果，如图8所示，可确定A-PEM大约消耗现有技术交叉层调度一半的功率。
图8C示出作为现有技术交叉层调度的问题的包的传输延迟的改进程度。现有技术交叉层调度在通信时间设置操作中增加包的传输延迟，这是因为RTS包丢失的时间点不可用于时间控制包的传输的部分。根据本发明，如图8C所示，可理解，与现有技术交叉层调度相比，包的传输延迟减少18至20倍。
如上所述，根据本发明示例性实施例的通信调度设备和方法可具有以下效果。
首先，能够减少由于包重传导致的功率消耗。
其次，减少了传感器网络的维护成本，从而能够提供传感器网络的实用性和普及性。
虽然已经为了示例性目的描述了本发明示例性实施例，但本领域技术人员应理解，贼不脱离由所附权利要求公开的范围和精神的情况下，可进行各种修改、添加和替换。因此，应理解，上述示例性实施例只是示例性的，而非限定性的。
Claims (14)
1、一种用于通信调度的设备，该设备包括：
控制单元，基于参考节点确定参考节点以及参考节点的多个子节点是否已经完成通信调度，在时间周期期间在参考节点和所述多个子节点之间执行通信需要所述通信调度；以及
调度单元，如果控制单元确定参考节点和所述多个子节点已经完成通信调度，则通过选择通信时间在参考节点和父节点之间执行通信调度。
2、如权利要求1所述的设备，其中，调度单元对可用于参考节点和父节点之间的通信的通信时间进行比较，并选择可共同使用的通信时间，从而在参考节点和父节点之间执行通信调度。
3、如权利要求2所述的设备，其中，选择的通信时间是最小化数据包的传输延迟的时间，所述数据包包括由参考节点收集的信息。
4、如权利要求1所述的设备，该设备还包括：构造单元，通过使用第一比特值和第二比特值中的至少一个来构造将用于预先占用介质以发送控制包的比特串，其中，根据由参考节点使用的控制包来分配第一比特值，以在参考节点和父节点之间执行通信调度，第二比特值表示参考节点的特定地址。
5、如权利要求4所述的设备，其中，第一比特值是根据控制包的优先级而分配的值。
6、如权利要求1所述的设备，该设备还包括：传感器单元，如果参考节点将控制包发送到所述多个子节点的第一子节点，则检测控制包，从而位于与所述多个子节点的第一子节点同级别的所述多个子节点的第二子节点可通知参考节点所述多个子节点的第二子节点尚未执行与参考节点的通信调度。
7、如权利要求6所述的设备，其中，传感器单元通过使用载波侦听多路访问/ID倒计数(CSMA/IC)协议来检测是否已经发送控制包。
8、一种通信调度的方法，该方法包括：
基于参考节点确定参考节点和参考节点的多个子节点是否已经完成通信调度，在时间周期期间在参考节点和所述多个子节点之间执行通信需要所述通信调度；以及
如果确定参考节点和所述多个子节点已经完成通信调度，则通过选择通信时间在参考节点和父节点之间执行通信调度。
9、如权利要求8所述的方法，还包括：对可用于参考节点和父节点之间的通信的通信时间进行比较，并选择可共同使用的通信时间，从而在参考节点和父节点之间执行通信调度。
10、如权利要求9所述的方法，其中，选择的通信时间包括最小化数据包的传输延迟的时间，并且其中，所述数据包包括由参考节点收集的信息。
11、如权利要求8所述的方法，还包括：通过使用第一比特值和第二比特值中的至少一个来构造将用于预先占用介质以发送控制包的比特串，其中，根据由参考节点使用的控制包来分配第一比特值，以在参考节点和父节点之间执行通信调度，第二比特值表示参考节点的特定地址。
12、如权利要求11所述的方法，其中，用于控制包的第一比特值包括根据控制包的优先级而分配的值。
13、如权利要求8所述的方法，还包括：当参考节点将控制包发送到所述多个子节点的第一子节点时检测控制包，从而位于与所述多个子节点的第一子节点的级别相等的级别的所述多个子节点的第二子节点可通知参考节点所述多个子节点的第二子节点尚未执行与参考节点的通信调度。
14、如权利要求13所述的方法，其中，所述检测包括：使用载波侦听多路访问/ID倒计数(CSMA/IC)协议来检测是否已经发送控制包。
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