一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法
2024-01-25 08:28:15 1
一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，包括如下步驟：(1)無線傳感器節點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成；(2)無線傳感器節點根據路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙；(3)根據跳頻算法，無線傳感器節點在每個時隙都進行信道切換；(4)無線傳感器節點根據路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙。本發明的低延時調度方法在端到端的數據平均延時、數據延時上限性能指標都得到了改善，並且減緩了廣播風暴問題。
【專利說明】一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，屬於無線傳感器網絡技術。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡是一種利用傳感器節點監測環境並向匯聚節點報告感知信息的多跳自組織網絡。它提供了一種新型智能信息獲取模式，在入侵檢測、目標跟蹤、工業自動化和醫療監護等領域廣泛應用，並逐漸步入大規模部署階段。
[0003]這些應用場景通常呈現相關流量突發特點:經過長時間的空閒狀態或低流量負載狀態後，當「感興趣」的事件發生時，網絡會突然活躍並進入突發高流量負載狀態。在這種情況下，多個傳感器節點產生大量數據並將其報告給匯聚節點。然而，由於同時傳輸導致的傳輸碰撞易造成傳輸延時增大、數據包丟失及錯誤命令等問題，網絡服務質量受到嚴重影響。此外，無線傳感器網絡主要工作在2.4GHz ISM頻段，會和WiFi等無線網絡共用這一頻段。無線信道所具備的開放共享特徵決定了這些網絡之間存在互相干擾，而且由於無線傳感器網絡節點收發機功率普遍較低，就更容易被其他網絡所幹擾。
[0004]目前無線傳感器網絡收發機晶片普遍提供多信道支持。通過創新的多信道MAC協議機制提高網絡服務質量已成為研究熱點。儘管現有多信道協議較傳統協議有較大性能提升，但是仍有許多需要改善的地方。首先，很多無線傳感器網絡應用(如工業檢測、目標跟蹤、醫療檢測等)對數據延時非常敏感。設計MAC協議時，不僅要考慮能量高效，數據延時和吞吐量同樣需要重點關注。然而，佔空比工作模式引入了睡眠延時，即當一個節點需要傳輸數據時，不得不等待下一跳節點喚醒時，才能發送此數據，這樣導致了端到端延時的顯著上升。此外，廣播是一項重要的通信原語，通常用於數據分發、路由發現、系統更新的任務。但是多信道接入給廣播通信帶來了挑戰，通常一個廣播包不得不通過冗餘的單播傳輸完成。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，解決目前無線傳感器網絡多信道MAC協議存在的睡眠延時問題和高效廣播支持問題。
[0006]技術方案:為實現上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0007]一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，包括如下步驟:
[0008](I)無線傳感器節點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成；
[0009](2)無線傳感器節點根據路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙；
[0010](3)根據跳頻算法，無線傳感器節點在每個時隙都進行信道切換；
[0011](4)無線傳感器節點根據路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙。[0012]所述步驟⑵中，路由信息為無線傳感器節點到匯聚節點的跳數信息，匯聚節點將每幀中的第一個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節點跳數為I的無線傳感器節點，將每幀中的第二個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節點跳數為N的無線傳感器節點，將每幀中的第a個時隙作為自己的廣播時隙，將該幀中的其它時隙作為單播時隙，其中N > l，a為N% m+l，m為每幀包含的隙數。
[0013]所述步驟(3)中，跳頻算法為:當網絡密度小於閾值或可用信道數多於閾值時使用偽隨機跳頻算法，其餘情況使用基於拉丁方的跳頻算法。
[0014]所述步驟(4)中，路由信息為無線傳感器節點到匯聚節點的跳數信息，每個節點選擇第b個子時隙進行喚醒，b = n-N% n，其中N為該節點距離匯聚節點的跳數，η為每個時隙包含的子時隙數。
[0015]傳統方案中，當數據進行多跳傳輸時，在每一跳都存在睡眠延時，轉發節點不得不長時間的等待，直到目的節點喚醒並接收數據。本發明方法中多跳路徑上的節點順序喚醒，大大減少了睡眠延時。因此顯著降低了數據端到端延時和延時上限。
[0016]傳統方案中，當匯聚節點進行廣播時，網絡內所有節點都在同一時刻進行發送和接收廣播數據，這樣廣播風暴問題嚴重。此外兩個廣播時隙間隔非常大，導致數據傳輸延時增大。本發明方法中，從匯聚節點開始，依次順序將廣播時隙分配給每一層節點。這樣一方面降低了廣播風暴問題，另一方面，減少了廣播間隔，從而時廣播延時減低。
[0017]有益效果:本發明提供的適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，與現有的多信道MAC相比，一方面實現了數據的低延時多跳傳輸，另一方面有效的提供了多信道廣播支持，具體為:1、通過頻分方法降低同層節點幹擾，通過時分方法降低不同層節點幹擾；2、節點根據路由信息順序喚醒，解決匯聚傳輸時睡眠延時問題；3、不同層節點選擇不同時隙作為廣播時隙，減少了睡眠延時，同時減緩了廣播風暴問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的實現流程圖；
[0019]圖2為實施例的應用場景示意圖；
[0020]圖3為實施例中工作周期的時間結構圖；
[0021]圖4為節點單播調度示例圖；
[0022]圖5為廣播時隙和單播時隙分配圖；
[0023]圖6為本發明的新型無線傳感器網絡的低延時調服方法與傳統調度方法的數據單播延時仿真對比圖；
[0024]圖7為本發明的新型無線傳感器網絡的低延時調服方法與傳統調度方法的數據廣播延時仿真對比圖；
[0025]圖8為本發明的新型無線傳感器網絡的低延時調服方法與傳統調度方法的廣播接收數據總數仿真對比圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。[0027]如圖1所示為一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，包括如下步驟:
[0028](I)無線傳感器節點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成；
[0029](2)無線傳感器節點根據路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙；
[0030]此步驟中的路由信息為無線傳感器節點到匯聚節點的跳數信息，匯聚節點將每幀中的第一個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節點跳數為I的無線傳感器節點，將每幀中的第二個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節點跳數為N的無線傳感器節點，將每幀中的第a個時隙作為自己的廣播時隙，將該幀中的其它時隙作為單播時隙，其中N > l，a為N% m+l，m為每幀包含的隙數；％為取餘運算符，例如5% 4 = I ;在文中給出距離為I跳節點的廣播時隙為2是舉例說明，可以用上述公式計算出，如果每幀包含的時隙數為4，那麼距離匯聚節點I?5跳的節點廣播時隙分別為2、3、4、1、2。
[0031](3)根據跳頻算法，無線傳感器節點在每個時隙都進行信道切換；所述跳頻算法為:當網絡密度小於閾值或可用信道數多於閾值時使用偽隨機跳頻算法，其餘情況使用基於拉丁方的跳頻算法；
[0032](4)無線傳感器節點根據路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙；
[0033]此步驟中的路由信息為無線傳感器節點到匯聚節點的跳數信息，每個節點選擇第b個子時隙進行喚醒，b = n-N% n，其中N為該節點距離匯聚節點的跳數，η為每個時隙包含的子時隙數；圖4為一個例子，該例中η = 9，節點K-H-D-B-S的喚醒子時隙依次為5?9，其中節點S是匯聚節點。
[0034]下面結合實例對本發明做出進一步的說明。
[0035]如圖2所示為實施例的應用場景示意圖，該示意圖中一個匯聚節點和多個傳感器節點分布在監測區域。當感知到目標信息時，節點向匯聚節點報告。當需要系統更新、時間同步等任務時，匯聚節點通過多跳轉發的方式將廣播包傳送網絡中的傳感器節點。
[0036]如圖3所示為實施例中工作周期的時間結構圖，其中網絡生命周期由M個幀組成，每一幀由N個時隙組成，每個時隙由P個子時隙構成。
[0037]如圖4所示為節點單播調度示例圖，圖中的〈X，Y〉，X代表節點在某個時隙的偵聽信道，Y代表節點在某個時隙的喚醒子時隙。信道計算方法如下:
[0038](I)當網絡密度小或可用信道數多時，使用偽隨機計算公式Cn+1 = (aCn+b)modn，其中cn+1為下一個時隙的偵聽信道號，Cn為當前時隙的偵聽信道號，η為可用信道數，a和b的取值根據最大周期原則，本實施方案中的取值為a = 5，b = I ;
[0039](2)其它情況使用基於拉丁方的跳頻算法進行信道切換。系統配置初期，所有無線傳感器網絡節點都在默認信道完成初始化工作。初始信道分配任務通過分布式算法實現。當未分配到初始信道時，節點偵聽信道並廣播分配請求幀(ARF)。鄰居節點接收到ARF後隨機退避並回復確認幀(ACK)。通過上述兩次握手，節點就可以建立自己的鄰居鍊表。然後，按照鄰居節點地址大小，依次將可用信道分配給鄰居節點作為其起始跳頻信道。當鄰居節點數量不大於可用信道數時，每個節點都可以分配到不同的信道，進而避免信道競爭。當鄰居節點數量超出可用信道數時，根據最小重複原則分配起始信道。最後，節點廣播分配完成幀(AFF)，實現第三次握手。鄰居節點接收到AFF後，將信道分配信息記錄到鄰居鍊表中。值得注意的是，如果接收到ARF時，節點已經完成初始信道分配工作，那麼它就在ACK中將自己的分配結果告知給請求節點，請求節點不再對此節點進行重新分配。初始信道分配後，節點根據如下公式進行信道的切換:
[0040]當可用信道數小於4時，Cn+1 = Cn% n+1
[0041]當可用信道數不小於4時
【權利要求】
1.一種適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，其特徵在於:包括如下步驟: (1)無線傳感器節點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成； (2)無線傳感器節點根據路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙； (3)根據跳頻算法，無線傳感器節點在每個時隙都進行信道切換； (4)無線傳感器節點根據路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙。
2.根據權利要求1所述的適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，其特徵在於:所述步驟⑵中，路由信息為無線傳感器節點到匯聚節點的跳數信息，匯聚節點將每幀中的第一個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節點跳數為I的無線傳感器節點，將每幀中的第二個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節點跳數為N的無線傳感器節點，將每幀中的第a個時隙作為自己的廣播時隙，將該幀中的其它時隙作為單播時隙，其中N > l，a為N% m+l，m為每幀包含的隙數。
3.根據權利要求1所述的適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，其特徵在於:所述步驟(3)中，跳頻算法為:當網絡密度小於閾值或可用信道數多於閾值時使用偽隨機跳頻算法，其餘情況使用基於拉丁方的跳頻算法。
4.根據權利要求1所述的適用於無線傳感器網絡的低延時調度方法，其特徵在於:所述步驟(4)中，路由信息為無線傳感器節點到匯聚節點的跳數信息，每個節點選擇第b個子時隙進行喚醒，b = n-N% n，其中N為該節點距離匯聚節點的跳數，η為每個時隙包含的子時隙數。
【文檔編號】H04W72/12GK103974442SQ201410168717
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月24日 優先權日:2014年4月24日
【發明者】胡晨, 劉野, 劉昊, 吳建輝, 張萌, 李紅 申請人:東南大學