異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法
2023-08-11 13:04:16 1
專利名稱：異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡中數據傳輸領域，且特別是有關於一種異步佔空比無線傳感器網絡中的動態數據傳輸方法。
背景技術：
無線傳感器網絡具有廣泛的應用前景。然而，傳感器節點通常是由不可充電的電池來供電的，為了延長網絡壽命就需要在傳感器節點運行時儘可能多地節省不必要的能量損耗。讓傳感器節點在沒有數據要發送的時候關閉無線通信模塊是節省能量的最有效的方法，因此，讓傳感器節點周期性的睡眠/工作(稱為佔空比)的MAC協議就被提出來了。佔空比技術通常分為兩大類一類是傳感器節點之間需要時鐘同步的，稱為同步佔空比技術；另一類是傳感器節點之間不需要時鐘同步並且節點自行決定睡眠調度的，稱為異步佔空比技術。在同步佔空比中，節點需要時鐘同步而交換同步數據包，從而存在很大的同步能量開 銷。在異步佔空比中，節點可以節省同步的能量開銷，但由於傳感器節點之間進行通信的時間不確定，往往會使得數據包的端到端時延很大。在以往提出的一些無線傳感器網絡中的路由協議往往只針對某一網絡性能進行優化，例如時延、距離等等。然而僅僅針對某一網絡性能最優來進行路由決策往往會造成其他網絡性能的損失。例如，在使用距離最優的方法進行路由決策時就有可能造成在鏈路質量很差的節點間轉發數據，這會造成大量的數據重傳而損耗掉節點大量能量進而造成網絡過早出現分割不連通的情況。在無線傳感器網絡這種各種資源受限的網絡中，綜合考慮各種網絡性能更能保證無線傳感器網絡應用得到更加均衡的網絡功能。在大多數應用中，綜合的網絡性能對於保證網絡的功能是至關重要的。通常需要考慮的網絡性能包括節點間的鏈路質量、數據包的端到端時延、節點能量等等。我們的動態數據傳輸方法綜合考慮了鏈路質量、時延和平衡能量消耗，因此它是一個可行的方法。
發明內容
發明目的在於提供一種異步佔空比無線傳感器網絡中的動態數據傳輸的方法，克服以往的基於單一網絡性能進行路由決策的問題，從而達到保證數據包收包率、降低數據包端到端時延和延長網絡壽命的目的。為達上述目的，本發明提供一種異步佔空比無線傳感器網絡中的動態數據傳輸的方法，具體包括如下步驟(I)將傳感器節點以隨機的方式部署在監控區域，並將基站部署在網絡中心位置；(2)傳感器節點初始化到基站的跳數距離和單跳鏈路質量，並將這些信息告訴鄰居節點，鄰居節點將得到的這些信息記錄到鄰居節點自身的鄰居表中；(3)傳感器節點從鄰居節點中選取一組候選中繼節點用於轉發數據包，並使用數據包捎帶的方法更新鄰居表的相關信息。
進一步，所述步驟(2)中，傳感器節點通過基站廣播跳數初始化包的方式計算到基站的跳數距離，鄰居節點的發現過程如下每個傳感器節點找到所有與基站的距離不大於上述傳感器節點到基站跳數距離的鄰居節點，並將經過它們到基站的跳數距離和它們之間的鏈路質量記錄到傳感器節點的鄰居表中，每個傳感器節點廣播鄰居發現包，鄰居節點收到鄰居發現包後回復一個包含鄰居節點到基站的距離和收到的鄰居發現包的信號強度這兩個信息的回覆包給此傳感器節點，傳感器節點利用上述這兩個信息和回復包的信號強度即可計算出到鄰居節點的單跳雙向鏈路質量，當傳感器節點初始化完自己的鄰居表後，即可從基站開始反向逐跳地建立起傳感器節點到基站的路徑鏈路質量，並將這些路徑的下一跳相關信息記錄到鄰居表中用於後續數據的發送。其中，所述鄰居表是按照路徑鏈路質量從優到劣倒序排列的。進一步，所述步驟(3)中，傳感器節點從鄰居節點中選取候選中繼節點的步驟如下傳感器節點根據自己到基站的距離和單跳鏈路質量要求計算出到基站所要求的路徑鏈路質量閾值；將鄰居表中的經過鄰居節點到基站的路徑鏈路質量與上述閾值比較，優於閾值的節點即為候選中繼節點。 進一步，所述步驟(3)中傳感器節點根據候選中繼節點醒來的先後順序依次將數據包發送給候選中繼節點直到某個中繼節點收到數據包或者達到重傳限制為止，如果一個節點沒有收到數據包，則不再向它重傳數據包而是等待下一個節點醒來將數據包發送給它，如果多次重傳達到了重傳限制，則丟棄此包不再重傳，每當傳感器節點收到一個數據包的確認包時，根據確認包中附帶的路徑鏈路質量更新其鄰居表的表項。綜上所述，本發明根據路徑的鏈路質量和選取候選中繼節點的閾值選取一組節點來轉發數據，從而達到保證收包率、降低數據包端到端時延和提高網絡壽命的目的。
圖I為節點部署在監控區域初始化鄰居表完成後的示意圖。圖2為本發明異步佔空比無線傳感器網絡中的動態傳輸方法的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。異步佔空比無線傳感器網絡中的動態傳輸方法其工作步驟如下(I)將傳感器節點以隨機的方式部署在監控區域，並將基站部署在網絡中心位置。也可以根據一定的需求將節點布置在監控區域內，基站部署的位置只要滿足基站能夠接收到所有傳感器節點多跳方式發送來的數據包即可。(2)傳感器節點初始化到基站的跳數距離和鏈路質量，並將這些信息告訴鄰居節點，鄰居節點將得到的這些信息記錄到自己的鄰居表中，鄰居表是按照路徑鏈路質量從優到劣倒序排列的。從基站開始初始化傳感器節點到基站的跳數距離，傳感器節點第一次收到初始化包時計算自己到基站的跳數距離並廣播一次初始化包。如圖I所示，傳感器節點跳數距離初始化完成後，節點N1到基站的跳數距離為j。傳感器節點知道自己到基站的跳數距離後，就可以啟動鄰居發現過程。在這一過程中節點需要記錄跳數距離不大於自己的鄰居節點的相關信息，包括經過它們到基站的跳數距離和單跳鏈路質量。如圖I所示，節點N1需要記錄鄰居節點N2、N3, N4, N5的相關信息到鄰居表中。最後從基站開始初始化到基站的最優路徑鏈路質量，並將更新後的路徑鏈路質量記錄到鄰居表中。最後對鄰居表的表項按路徑鏈路質量的優劣進行倒序排列。這一執行過程的算法可詳細表述如下
權利要求
1.一種異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟 (1)將傳感器節點以隨機的方式部署在監控區域，並將基站部署在網絡中心位置； (2)各個傳感器節點初始化到基站的跳數距離和鏈路質量，並將這些信息告訴鄰居節點，鄰居節點根據這些信息計算出到基站的最優路徑鏈路質量並記錄到鄰居節點自身的鄰居表中； (3)傳感器節點從鄰居節點中選取ー組候選中繼節點用於轉發數據包，並使用數據包捎帶的方法更新鄰居表的相關信息。
2.根據權利要求I所述的異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法，其特徵在於所述步驟(2)中，傳感器節點通過基站廣播跳數初始化包的方式計算到基站的跳數距離，且鄰居節點的發現過程如下每個傳感器節點找到所有與基站的距離不大於上述傳感器節點到基站跳數距離的鄰居節點，並將經過它們到基站的跳數距離和它們之間的鏈路質量記錄到傳感器節點的鄰居表中，每個傳感器節點廣播鄰居發現包，鄰居節點收到鄰居發現包後回復ー個包含鄰居節點到基站的距離和收到的鄰居發現包的信號強度這兩個信息的回覆包給此傳感器節點，傳感器節點利用上述這兩個信息和回復包的信號強度即可計算出到鄰居節點的單跳雙向鏈路質量，當傳感器節點初始化完自己的鄰居表後，即可從基站開始反向逐跳地建立起傳感器節點到基站的路徑鏈路質量，並將這些路徑的下一跳相關信息記錄到鄰居表中用於後續數據的發送。
3.根據權利要求2所述的異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法，其特徵在於所述步驟(2)中，所述鄰居表是按照路徑鏈路質量從優到劣倒序排列的。
4.根據權利要求I所述的異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法，其特徵在於所述步驟(3)中，傳感器節點從鄰居節點中選取候選中繼節點的步驟如下 傳感器節點根據自己到基站的距離和單跳鏈路質量要求計算出到基站所要求的路徑鏈路質量閾值；將鄰居表中的經過鄰居節點到基站的路徑鏈路質量與上述閾值比較，優於閾值的節點即為候選中繼節點。
5.根據權利要求4所述的異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法，其特徵在於所述步驟(3)中傳感器節點根據候選中繼節點醒來的先後順序依次將數據包發送給候選中繼節點直到某個中繼節點收到數據包或者達到重傳限制為止，如果ー個節點沒有收到數據包，則不再向它重傳數據包而是等待下一個節點醒來將數據包發送給它，如果多次重傳達到了重傳限制，則丟棄此包不再重傳，每當傳感器節點收到一個數據包的確認包時，根據確認包中附帯的路徑鏈路質量更新其鄰居表的表項。
全文摘要
本發明提供一種異步佔空比無線傳感器網絡中進行動態數據傳輸的方法，該方法包括如下步驟(1)將傳感器節點以隨機的方式部署在監控區域，並將基站部署在網絡中心位置；(2)各個傳感器節點初始化到基站的跳數距離和鏈路質量，並將這些信息告訴鄰居節點，鄰居節點將得到的這些信息記錄到鄰居節點自身的鄰居表中；(3)傳感器節點從鄰居節點中選取一組候選中繼節點用於轉發數據包，並使用數據包捎帶的方法更新鄰居表的相關信息。本發明提供的方法，能夠保證數據包的收包率、降低數據包的端到端時延並延長網絡的壽命。
文檔編號H04W84/18GK102761931SQ20121022064
公開日2012年10月31日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者吳小兵, 徐力傑, 段軼, 陳貴海 申請人:南京大學