一種適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法
2023-12-06 16:19:01 2
專利名稱：一種適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感器網絡領域，特別涉及一種無線傳感器網絡中適用於突發流量負載的批量數據的快速採集方法。
背景技術：
在無線網絡通信協議領域中，大量的MAC(介質訪問控制)層、路由層和傳輸層協議都是基於單信道傳輸。單信道傳輸使無線網絡由於天線衝突和帶寬的限制等原因，不能以較高的數據傳輸率提供可靠和及時的通信服務。而且大部分的單信道協議存在傳輸控制複雜等一系列問題。隨著硬體技術的發展，單天線多信道協議逐漸成為國內外學者的研究熱點。多信道雖然在一定程度上增加了控制代價，但是多信道在較大程度上解決了單信道 傳輸控制複雜等問題，而且所有用戶(節點)可以利用一個天線，在不同信道上，在同一時刻進行並行傳輸。這與單信道相比，在提高信道利用率，降低傳輸時延和減少衝突等方面又有較大的改善。同時，一些比較常見的無線發射硬體已經提供多頻率供用戶設置，這為提高 信道利用率、降低時延、減少衝突和重傳提供了可能。近年來，無線傳感器網絡中MAC協議的研究趨勢是由基礎理論研究轉移到面向特定應用。一方面是經過幾年的理論研究，無線傳感網的理論分析內容已經飽和，很難在基礎理論研究上面有所創新；另一方面隨著無線傳感器網絡在工業測控，醫療監護、智能建築和環境監測等應用領域的迅速發展，簡單通用的MAC模型已經不能適應很多應用場景的設計要求，需要根據特定的應用場景提煉出的通信模型設計更有針對性的MAC協議。因此，在本發明中，我們針對突發流量的特定場景，通過加入自適應喚醒機制並融入多信道模型，提出一種新型的適用於突發流量負載的批量數據的快速採集方法。由於本發明是關於面向突發流量的多信道無線傳感器網絡批量數據快速採集方法，單節點突發批量數據傳輸是突發負載傳輸問題中比較典型的一個應用模型，對應的應用有感興趣事件觸發的音頻、圖像或大批量歷史數據回取等。針對該應用模型的MAC協議設計要求為在網絡空閒狀態下，網絡保持低功耗；當節點監測到感興趣事件發生時，以最快的速度從單個節點取回大批量數據。現有的技術方案當中，特別針對該模型應用的解決方案有限，且都沒有很好的利用最短延時傳輸機制。本發明的核心內容是針對單節點批量數據傳輸問題，綜合利用現有的MAC設計技術並創新的利用異步協議傳輸過程中喚醒時間不一致的特性，提出一個新型的多信道無線傳感網絡的單流批量數據快速採集方法。
發明內容
技術問題本發明針對突發流量型的無線傳感器網絡應用場景，進行多信道MAC協議設計與實現，提供了一種可實現無幹擾單流傳輸調度，空閒時低功耗、數據採集時低延時的適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法。技術方案為解決上述技術問題，本發明提供了一種適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法，該方法包括如下步驟
節點首先在啟動進入無線傳感器網絡時通過在鄰居節點的信道上接收信標幀來獲知自己所有一跳鄰居節點的喚醒時間信息，並選擇自己的本地信道，加入無線傳感器網絡；節點成功加入無線傳 感器網絡後，會在自己選擇的固定信道上進行異步的偽隨機喚醒並廣播信標幀；當網絡中的任一節點在任一時刻有批量數據需要給匯聚節點傳送時，在這個節點和匯聚節點之間的這條鏈路上的所有節點就會通過預測喚醒機制在短期內建立出一條最短延時傳輸鏈路，然後這條鏈路上的所有節點通過建立完成的最短延時傳輸鏈路將數據包通過單包發送的方式快速的傳遞到匯聚節點；當批量的數據包採集完畢以後，節點在沒有包可發的情況下會依次退出之前形成的最短延時鏈路，進行空閒情況下的偽隨機喚醒；如果在下一時刻該節點仍然需要向匯聚節點傳遞數據包的話，就會再重複以上過程；節點在每個環節的傳輸工作流程包括如下步驟步驟I :網絡當中的所有節點在首次啟動後開始加入網絡的過程，對於匯聚節點，直接選擇0信道作為自己的固定信道，對於其它非匯聚節點，需要先在各個信道上偵聽一段時間，偵聽一輪後，如果沒有收到鄰居節點的信標幀，就進入步驟2，否則進入步驟3 ；步驟2 :如果節點從0信道開始偵聽到16信道偵聽結束，這段時間沒有收到任何其它節點的信標幀，就需要再進行一輪信道掃描，直到成功收到鄰節點的信標幀，然後進入步驟3 ;步驟3 :節點從偵聽到的信標幀中獲知自己距離匯聚節點的跳數，以及自己有哪些父節點，然後根據跳數確定自己的信道號，並開始廣播自己的信標幀，進入步驟4 ；步驟4:節點加入網絡後，就進行正常的偽隨機異步喚醒調度，如果一直沒有數據可發，則停留在步驟4;如果在任一時刻傳感器節點產生了批量數據，並需要向匯聚節點進行快速的匯報，則進入步驟5;步驟5 :此時，該源節點需要通過前面若干個數據包在短期內建立最短延時傳輸鏈路；步驟6 :最短延時傳輸鏈路建立好以後，在這條流上的所有節點都會嚴格按照設定的喚醒、休眠時間間隔定期醒來接收數據包並給自己的父節點轉發；如果在數據包傳送的過程中發生丟包情況，則進入步驟7 ；步驟7 :由於一個數據包的發送過程中，接收節點需要首先發送信標幀來引導發送節點發送數據包，然後接收節點在成功收到數據包後需要回復確認幀；步驟8 :當數據包傳送完成後，除源節點外，所有節點都會有一個依次退出最短延時傳輸鏈路的過程，本次的批量數據包的採集任務結束，節點重新回到步驟4。優選的，步驟5中，最短延時傳輸鏈路的建立過程如下步驟51 :首先，源節點通過預測喚醒機制給這條鏈路上自己的父節點發送數據包，並通過父節點回復的確認幀獲知父節點下一次的喚醒時間，然後源節點設定定時器並休眠，等待下一次發送機會；步驟52 :源節點的父節點在收到數據包以後也會通過預測喚醒機制給自己的父節點進行預測發送，同時通過回復的確認幀信息獲知下一次喚醒時間，然後設定休眠定時器進入休眠；
步驟53 :在這條鏈路上的所有節點都會依次經過如上過程來快速建立多跳最短延時傳輸機制，當匯聚節點此時收到第一個數據包的時候，就知道此時網絡中有節點需要向它傳遞批量的數據，則會每隔很短的固定時間醒來接收數據包，然後所有的子節點會按照匯聚節點設定的佔空比定期醒來接收或者發送數據包；步驟54 :根據源節點距離匯聚節點的跳數，會通過前面若干個數據包傳遞的時間建立起最短延時傳輸鏈路，當所有節點都已進入最短延時傳輸模式以後，則進入步驟6。優選的，步驟7中，數據包的發送過程中丟包的情況有3種可能，解決方法為步驟71 :如果在發送的過程中發生信標幀丟包，則發送節點需要在接收節點的信道上一直保持喚醒，直到成功收到接收節點的下一次信標幀，而對於接收節點來說，由於本次喚醒沒有成功收到數據包，因此當需要給它自己的父節點發送時，就本地產生一個虛擬數據包來維持之前建立好的最短延時傳輸鏈路； 步驟72 :如果發生數據包丟包，則接收節點不會回復確認幀，因此發送節點也需要取消下一次的自適應喚醒並在接收節點的信道繼續等待下一個信標幀，對於接收節點來說，處理方案與信標幀丟包相同；步驟73 :確認幀丟包的話，發送節點的處理方式與數據包丟包相同，而對於接收節點，收到父節點的信標幀後，由於之前已經接收到數據包，所以此時不需要產生一個虛擬數據包來維持最短延時鏈路；當所有的數據包都成功發送後，則進入步驟8。有益效果本發明方法與傳統的MAC協議數據傳輸方案相比，具有以下明顯優點節點通過在入網時根據距離匯聚節點的跳數來選擇自己的固定信道，可以避免節點在後期的數據傳輸時發生碰撞和流內幹擾；通過在發送數據包時節點進行自適應的佔空比調整來有效降低異步協議在傳輸過程中的睡眠延時問題，從而最大化採集速度；當節點分布的地理環境不穩定導致節點在轉發數據有丟包的時候，通過採用有效的丟包處理機制能夠使丟包引起的性能降低得以最小化，顯著提升了其在火山監測以及森林火災監測等應用場景中的協議健壯性和實用性。具體分析如下(I)在傳統的多信道異步協議中，無論節點發送數據包採用的是固定信道分配方式還是動態信道分配，都不能從根本上解決相鄰節點間信道重用的問題，這在信道調度時有可能帶來數據包的碰撞和重傳，引起協議性能的下降。本發明方法中，節點在入網階段通過根據距離匯聚節點的跳數來設置信道號，這樣在單流傳輸時，該鏈路上的所有相鄰節點都會選擇不同的信道，就能夠避免出現以上這種情況。傳統方案中，當節點I想要給節點2發包的時候，節點2此刻有可能正在給節點3發數據，這樣在節點I處就造成一定的延時和能耗浪費，而在本發明中，當有數據包時，由於節點有統一的傳輸時間調度，就不會出現節點無謂等待的情況，最大限度的提升了吞吐率。(2)在一般的異步協議中，由於是接收端發起的協議類型，因此發送節點需要等待接收節點醒來並收到接收端的信標幀之後才能開始數據包的發送，並且這一周期的數據包發送結束以後，若要繼續發送數據包，則需要等到接收節點下一次醒來，當在一些突發流量型的場景中，此種類型的協議會帶來很大的睡眠延時問題。而在本發明中，由於有數據包的時候，鏈路上的所有節點會暫時取消偽隨機喚醒，進入自適應喚醒模式，發送節點通過接收節點回復的確認幀知道接收節點下一次什麼時候醒來，並且節點通過調整自身的佔空比來讓發送節點等待的延時得以最小化，這就很大程度的提高了批量數據的採集速度。
(3)在一些突發流量型的應用場景中，節點的撒布環境一般較為惡劣，而在這樣的環境中，仍需要協議可以保持較好的穩定性和抵禦各種外界幹擾的能力。而一般的技術方案由於採用的多為固定的傳輸調度，缺少了一定的靈活性，並且在受外界幹擾導致節點傳輸有丟包的情況下，性能下降較為明顯。在本發明中，由於節點可以根據流量變化進行自適應的佔空比調整，並且在有丟包的情況下通過有效的處理機制依然能夠保持較高的傳輸效率和協議穩定性。因此，在真實的應用場景中，當節點周圍的環境不穩定時，採用本發明中的批量數據快速採集方法將更為有效。
圖I為本發明方法整體流程圖；圖2為節點加入網絡過程圖；圖3為建立最短延時傳輸鏈路流程圖；·圖4為節點建立多跳多信道最短延時傳輸鏈路示意具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步說明。—種多信道無線傳感器網絡中適用於突發流量負載的單流批量數據快速採集方法，通過利用路由層信息，在異步協議中實現無幹擾單流傳輸調度，最大化採集速度。所有傳感器節點通過節點啟動時的入網過程將鄰居節點的異步喚醒時間信息存儲在自己的鄰居列表中。當源節點有大量數據包需要快速傳遞到目標節點的時候，首先在這條數據流上的所有節點會通過預測喚醒機制在短時間內建立起最短延時傳輸鏈路，當所有節點都已加入最短延時傳輸鏈路以後就能以最快的速度將批量數據包從源節點傳遞到目標節點，通過這樣一種發明方法，能夠很好的解決異步協議在批量數據採集時的睡眠延時問題。同時本方法在節點撒布環境惡劣、丟包嚴重的情況下仍然有良好的性能表現，這也提升了它在實際場合下的協改健壯性和實用性。本發明提出的數據採集方法實現了空閒時低功耗、數據採集時高吞吐率的協議需求。本發明的無線傳感器網絡的單流批量數據快速採集方法，節點首先在啟動入網時通過在鄰居節點的信道上接收信標幀來獲知自己所有一跳鄰居節點的喚醒時間信息，並選擇自己的本地信道，加入網絡；節點成功加入網絡後，會在自己選擇的固定信道上進行異步的偽隨機喚醒並廣播信標幀；當網絡中的某一節點在某一時刻有批量數據需要給匯聚節點傳送時，在這個節點和匯聚節點之間的這條鏈路上的所有節點就會通過預測喚醒機制在短期內建立出一條最短延時傳輸鏈路，然後這條鏈路上的所有節點通過建立完成的最短延時鏈路就可以將數據包通過單包發送的方式快速的傳遞到匯聚節點。當批量的數據包採集完畢以後，節點在沒有包可發的情況下會依次退出之前形成的最短延時傳輸鏈路，回到空閒情況下的偽隨機喚醒。如果在下一時刻該節點仍然需要向匯聚節點傳遞數據包的話，就會再重複以上過程。節點在每個環節的傳輸工作流程包括如下步驟I)如圖2所示，網絡當中的所有節點在首次啟動後開始加入網絡的過程，對於匯聚節點，直接選擇0信道作為自己的固定信道，對於其它節點，需要先在各個信道上偵聽一段時間，偵聽一輪後，如果沒有收到鄰居節點的信標幀，就進入步驟2)，否則進入步驟3)；2)如果節點從0信道開始偵聽到16信道偵聽結束，這段時間沒有收到任何其它節點的信標幀，就需要再進行一輪信道掃描，直到成功收到鄰節點的信標幀，然後進入步驟3)；3)節點從偵聽到的信標幀中獲知自己距離匯聚節點的跳數，以及自己有哪些父節點，然後根據跳數確定自己的信道，並開始廣播自己的信標幀，進入步驟4)；4)節點加入網絡後，就進行正常的偽隨機異步喚醒調度，如果一直沒有數據可發，則停留在步驟4);如果在某一時刻傳感器節點產生了批量數據，並需要向匯聚節點進行快速的匯報，則進入步驟5)；5)此時，該源節點需要通過前面若干個數據包在短期內建立最短延時傳輸鏈路， 最短延時鏈路的建立過程如下51)首先，源節點通過預測喚醒機制給這條鏈路上自己的父節點發送數據包，並通過父節點回復的確認幀獲知父節點下一次的喚醒時間，然後源節點設定定時器並休眠，等待下一次發送機會；52)源節點的父節點在收到數據包以後也會通過預測喚醒機制給自己的父節點進行預測發送，同時通過回復的確認幀信息獲知下一次喚醒時間，然後設定休眠定時器進入休眠；53)在這條鏈路上的所有節點都會依次經過如上過程來快速建立多跳最短延時傳輸機制，當匯聚節點此時收到第一個數據包的時候，就知道此時網絡中有節點需要向它傳遞批量的數據，則會每隔很短的固定時間醒來接收數據包，然後所有的子節點會按照匯聚節點設定的佔空比定期醒來接收或者發送數據包。54)根據源節點距離匯聚節點的跳數，會通過前幾個數據包傳遞的時間建立起最短延時傳輸鏈路，當所有節點都已進入最短延時傳輸模式以後，則進入步驟6)；6)最短延時傳輸鏈路建立好以後，在這條流上的所有節點都會嚴格按照設定的喚醒、休眠時間間隔定期醒來接收數據包並給自己的父節點發送；如果在建立數據包傳送的過程中發生丟包情況，則進入步驟7)；7)由於一個數據包的發送過程中，接收節點需要首先發送信標幀來引導發送節點發送數據包，然後接收節點在成功收到數據包後需要回復確認幀，因此在數據包的發送過程中丟包的情況有3種可能，對應的也有3種相應的處理方案。71)如果在發送的過程中發生信標幀丟包，則發送節點需要在接收節點的信道上一直保持喚醒，直到成功收到接收節點的下一次信標幀，而對於接收節點來說，由於本次喚醒沒有成功收到數據包，因此當需要給它自己的父節點發送時，就本地產生一個虛擬數據包來維持之前建立好的最短延時鏈路；72)如果發生數據包丟包，則接收節點不會回復確認幀，因此發送節點也需要取消下一次的自適應喚醒並在接收節點的信道繼續等待下一個信標幀，對於接收節點來說，處理方案與信標幀丟包相同；73)信標幀丟包的話，發送節點的處理方式與數據包丟包相同，而對於接收節點，收到父節點的信標幀後，由於之前已經接收到數據包，所以此時不需要產生一個虛擬數據包來維持最短延時鏈路。當所有的數據包都成功發送後，則進入步驟8)；
8)當數據包傳送完成後，除源節點外，所有節點都會有一個依次退出最短延時傳輸鏈路的過程，本次的批量數據包的採集任務結束。節點重新回到步驟4)。如圖I所示，本發明的無線傳感器網絡的單流批量數據快速採集方法，節點首先在啟動入網時通過在鄰居節點的信道上接收信標幀來獲知自己所有一跳鄰居節點的喚醒時間信息，並選擇自己的本地信道，加入網絡；節點成功加入網絡後，會在自己選擇的固定信道上進行異步的偽隨機喚醒並廣播信標幀；當網絡中的某一節點在某一時刻有批量數據需要給匯聚節點傳送時，在這個節點和匯聚節點之間的這條鏈路上的所有節點就會通過預測喚醒機制在短期內建立出一條最短延時傳輸鏈路，然後這條鏈路上的所有節點通過建立完成的最短延時鏈路就可以將數據包通過單包發送的方式快速的傳遞到匯聚節點。當批量的數據包採集完畢以後，節點在沒有包可發的情況下會依次退出之前形成的最短延時傳輸鏈路，回到空閒情況下的偽隨機喚醒。如果在下一時刻該節點仍然需要向匯聚節點傳遞數據包的話，就會再重複以上最短延時鏈路的建立和通信過程。節點在空閒狀態時採用偽隨機異步喚醒調度，在本發明中，為簡單起見，我們採用LCG(線性同餘發生器)算法的偽隨機序列作為節點周期喚醒間隔
Xnl (aXn c)modm(I)其中，m > 0是係數，a(0 < a < m)是乘數，c(0 c_)是增量是當前的種子。每個產生的Xnl可以用作隨機數，並成為新的種子。這裡，我們取a、c、m分別為21、7、100，Xtl取節點的序列號。採用這種方法構建偽隨機序列發生器，一方面可以使不同節點的時間調度不發生衝突，另一方面發送節點知道偽隨機的參數就可以知道接收節點的所有未來喚醒時間。而在數據傳輸階段節點進行自適應喚醒，收到數據包後，節點就進入自適應喚醒模式，在自適應喚醒模式中，節點暫停根據偽隨機算法喚醒發信標幀，而只在發送數據包收到確認幀後返回自己的信道喚醒發送信標幀，並通過確認幀告知子節點下一次自適應喚醒時間。在自適應喚醒的過程中，節點如果連續3次發送信標幀都收不到數據包則退出自適應喚醒模式，恢復偽隨機喚醒。節點在每個環節的傳輸工作流程包括如下步驟I)如圖2所示，網絡當中的所有節點在首次啟動後開始加入網絡的過程，對於匯聚節點，直接選擇0信道作為自己的固定信道並開始偽隨機喚醒廣播信標幀，對於其它節點，需要先在各個信道上偵聽一段時間，偵聽一輪後，如果沒有收到鄰居節點的信標幀，就進入步驟2)，否則進入步驟3)；2)如果節點從0信道開始偵聽到16信道偵聽結束，這段時間沒有收到任何其它節點的信標幀，則無法根據鄰居節點的信標幀信息設置自己距離匯聚節點的跳數，並無法選擇信道號。就需要再進行一輪信道掃描，直到成功收到鄰節點的信標幀，然後進入步驟3)；3)節點從偵聽到的信標幀中獲知自己距離匯聚節點的跳數，以及自己有哪些父節點，然後根據跳數確定自己的信道號，並開始廣播自己的信標幀，進入步驟4)；4)節點加入網絡後，就進行正常的偽隨機異步喚醒調度，如果一直沒有數據可發，則停留在步驟4);如果在某一時刻該傳感器節點產生了批量數據，並需要向匯聚節點進行快速的匯報，則進入步驟5)；5)此時，該源節點需要通過前面若干個數據包在短期內建立最短延時傳輸鏈路，如圖3和圖4所示，最短延時鏈路的建立過程如下51)首先，源節點通過預測喚醒機制給這條鏈路上自己的父節點發送數據包，並通過父節點回復的確認幀獲知父節點下一次的喚醒時間，然後源節點設定定時器並休眠，等待下一次發送機會；52)源節點的父節點在收到數據包以後也會通過預測喚醒機制給自己的父節點進行預測發送，同時也通過回復的確認幀信息獲知下一次喚醒時間，然後設定休眠定時器進入休眠；53)在這條鏈路上的所有節點都會依次經過如上過程來快速建立多跳最短延時傳輸機制，當鏈路上的最後一個節點也就是匯聚節點此時收到第一個數據包的時候，就知道此時網絡中有節點需要向它傳遞批量的數據，則會每隔很短的固定時間醒來接收數據包，然後所有的子節點會按照匯聚節點設定的佔空比大小自適應的進行佔空比調整，定期醒來接收或者發送數據包。54)根據源節點距離匯聚節點的跳數，會通過前若干個數據包傳遞的時間建立起最短延時傳輸鏈路，這裡，所有節點建立最短延時傳輸鏈路所需的時間與源節點距離匯聚節點的跳數有關。當所有節點都已進入最短延時傳輸模式以後，則進入步驟6)；6)最短延時傳輸鏈路建立好以後，在這條流上的所有節點都會嚴格按照設定的喚醒、休眠時間間隔定期醒來接收數據包並給自己的父節點發送；如果在建立數據包傳送的過程中發生丟包情況，則進入步驟7)；7)由於一個數據包的發送過程中，接收節點需要首先發送信標幀來引導發送節點發送數據包，然後接收節點在成功收到數據包後需要回復確認幀，因此在數據包的發送過程中丟包的情況有3種可能，對應的也有3種相應的處理方案。71)如果在發送的過程中發生信標幀丟包，則發送節點需要在接收節點的信道上一直保持喚醒，直到成功收到接收節點的下一次信標幀並進行數據包的發送，而對於接收節點來說，由於本次喚醒沒有成功收到數據包，因此當需要給它自己的父節點發送時，就本地產生一個虛擬數據包來維持之前建立好的最短延時傳輸鏈路，而父節點收到這個虛擬的數據包後直接丟棄，並回復一個包含有下一次喚醒時間的確認幀；72)如果發生數據包丟包，則接收節點不會回復確認幀，因此發送節點也需要取消下一次的自適應喚醒並在接收節點的信道繼續等待下一個信標幀，直到解決本次丟包問題，並在成功收到確認幀後立即進行一次自適應喚醒，這樣可以讓發送節點的子節點知道本次丟包問題已經解決,並可以將丟包引起的延時問題最小化。而對於接收節點來說,處理方案與信標巾貞丟包相同；73)確認幀丟包的話，發送節點的處理方式與數據包丟包相同，而對於接收節點，收到其父節點的信標幀後，由於之前已經接收到數據包，所以此時不需要產生一個虛擬數據包來維持最短延時傳輸鏈路，直接轉發之前收到的數據包並等待父節點回復的確認幀信息。當所有的數據包都成功發送後，則進入步驟8);8)當數據包傳送完成後，除源節點外，所有節點都會有一個依次退出最短延時傳輸鏈路的過程，本次的批量數據包的採集任務結束。節點重新回到步驟4)。若下一階段再有批量數據包需要採集的話就再次進入步驟5)，並重複步驟5)到步驟8)的傳輸過程。以上所述僅為本發明的較佳實施方式，本發明的保護範圍並不以上述實施方式為、限，但凡本領域普通技術人員根據本發明所揭示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入 權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求
1.一種適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 節點首先在啟動進入無線傳感器網絡時通過在鄰居節點的信道上接收信標幀來獲知自己所有一跳鄰居節點的喚醒時間信息，並選擇自己的本地信道，加入無線傳感器網絡；節點成功加入無線傳感器網絡後，會在自己選擇的固定信道上進行異步的偽隨機喚醒並廣播信標幀；當網絡中的任ー節點在任ー時刻有批量數據需要給匯聚節點傳送時，在這個節點和匯聚節點之間的這條鏈路上的所有節點就會通過預測喚醒機制在短期內建立出一條最短延時傳輸鏈路，然後這條鏈路上的所有節點通過建立完成的最短延時傳輸鏈路將數據包通過單包發送的方式快速的傳遞到匯聚節點； 當批量的數據包採集完畢以後，節點在沒有包可發的情況下會依次退出之前形成的最短延時鏈路，進行空閒情況下的偽隨機喚醒；如果在下ー時刻該節點仍然需 要向匯聚節點 傳遞數據包的話，就會再重複以上過程； 節點在每個環節的傳輸工作流程包括如下步驟 步驟I:網絡當中的所有節點在首次啟動後開始加入網絡的過程，對於匯聚節點，直接選擇O信道作為自己的固定信道，對於其它非匯聚節點，需要先在各個信道上偵聽一段時間，偵聽ー輪後，如果沒有收到鄰居節點的信標幀，就進入步驟2，否則進入步驟3 ； 步驟2 :如果節點從O信道開始偵聽到16信道偵聽結束，這段時間沒有收到任何其它節點的信標幀，就需要再進行ー輪信道掃描，直到成功收到鄰節點的信標幀，然後進入步驟.3 ； 步驟3 :節點從偵聽到的信標幀中獲知自己距離匯聚節點的跳數，以及自己有哪些父節點，然後根據跳數確定自己的信道號，並開始廣播自己的信標幀，進入步驟4 ； 步驟4:節點加入網絡後，就進行正常的偽隨機異步喚醒調度，如果一直沒有數據可發，則停留在步驟4;如果在任ー時刻傳感器節點產生了批量數據，並需要向匯聚節點進行快速的匯報，則進入步驟5; 步驟5 :此時，該源節點需要通過前面若干個數據包在短期內建立最短延時傳輸鏈路；步驟6 :最短延時傳輸鏈路建立好以後，在這條流上的所有節點都會嚴格按照設定的喚醒、休眠時間間隔定期醒來接收數據包並給自己的父節點轉發；如果在數據包傳送的過程中發生丟包情況，則進入步驟7 ； 步驟7:由於ー個數據包的發送過程中，接收節點需要首先發送信標幀來引導發送節點發送數據包，然後接收節點在成功收到數據包後需要回復確認幀； 步驟8 :當數據包傳送完成後，除源節點外，所有節點都會有一個依次退出最短延時傳輸鏈ー種適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟 節點首先在啟動進入無線傳感器網絡時通過在鄰居節點的信道上接收信標幀來獲知自己所有一跳鄰居節點的喚醒時間信息，並 選擇自己的本地信道，加入無線傳感器網絡；節點成功加入無線傳感器網絡後，會在自己選擇的固定信道上進行異步的偽隨機喚醒並廣播信標幀；當網絡中的任ー節點在任ー時刻有批量數據需要給匯聚節點傳送時，在這個節點和匯聚節點之間的這條鏈路上的所有節點就會通過預測喚醒機制在短期內建立出一條最短延時傳輸鏈路，然後這條鏈路上的所有節點通過建立完成的最短延時傳輸鏈路將數據包通過單包發送的方式快速的傳遞到匯聚節點； 當批量的數據包採集完畢以後，節點在沒有包可發的情況下會依次退出之前形成的最短延時鏈路，進行空閒情況下的偽隨機喚醒；如果在下ー時刻該節點仍然需要向匯聚節點傳遞數據包的話，就會再重複以上過程； 節點在每個環節的傳輸工作流程包括如下步驟 步驟I:網絡當中的所有節點在首次啟動後開始加入網絡的過程，對於匯聚節點，直接選擇O信道作為自己的固定信道，對於其它非匯聚節點，需要先在各個信道上偵聽一段時間，偵聽ー輪後，如果沒有收到鄰居節點的信標幀，就進入步驟2，否則進入步驟3 ； 步驟2 :如果節點從O信道開始偵聽到16信道偵聽結束，這段時間沒有收到任何其它節點的信標幀，就需要再進行ー輪信道掃描，直到成功收到鄰節點的信標幀，然後進入步驟3； 步驟3 :節點從偵聽到的信標幀中獲知自己距離匯聚節點的跳數，以及自己有哪些父節點，然後根據跳數確定自己的信道號，並開始廣播自己的信標幀，進入步驟4 ； 步驟4 :節點加入網絡後，就進行正常的偽隨機異步喚醒調度，如果一直沒有數據可發，則停留在步驟4;如果在任ー時刻傳感器節點產生了批量數據，並需要向匯聚節點進行快速的匯報，則進入步驟5; 步驟5 :此時，該源節點需要通過前面若干個數據包在短期內建立最短延時傳輸鏈路；步驟6:最短延時傳輸鏈路建立好以後，在這條流上的所有節點都會嚴格按照設定的喚醒、休眠時間間隔定期醒來接收數據包並給自己的父節點轉發；如果在數據包傳送的過程中發生丟包情況，則進入步驟7 ； 步驟7:由於ー個數據包的發送過程中，接收節點需要首先發送信標幀來引導發送節點發送數據包，然後接收節點在成功收到數據包後需要回復確認幀； 步驟8 :當數據包傳送完成後，除源節點外，所有節點都會有一個依次退出最短延時傳輸鏈路的過程，本次的批量數據包的採集任務結束，節點重新回到步驟4。
2.根據權利要求I所述的適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法，其特徵在於，步驟5中，最短延時傳輸鏈路的建立過程如下 步驟51 :首先，源節點通過預測喚醒機制給這條鏈路上自己的父節點發送數據包，並通過父節點回復的確認幀獲知父節點下一次的喚醒時間，然後源節點設定定時器並休眠，等待下一次發送機會； 步驟52 :源節點的父節點在收到數據包以後也會通過預測喚醒機制給自己的父節點進行預測發送，同時通過回復的確認幀信息獲知下一次喚醒時間，然後設定休眠定時器進入休眠； 步驟53 :在這條鏈路上的所有節點都會依次經過如上過程來快速建立多跳最短延時傳輸機制，當匯聚節點此時收到第一個數據包的時候，就知道此時網絡中有節點需要向它傳遞批量的數據，則會每隔很短的固定時間醒來接收數據包，然後所有的子節點會按照匯聚節點設定的佔空比定期醒來接收或者發送數據包； 步驟54 :根據源節點距離匯聚節點的跳數，會通過前面若干個數據包傳遞的時間建立起最短延時傳輸鏈路，當所有節點都已進入最短延時傳輸模式以後，則進入步驟6。
3.根據權利要求I所述的適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法，其特徵在於，步驟7中，數據包的發送過程中丟包的情況有3種可能，解決方法為 步驟71 :如果在發送的過程中發生信標幀丟包，則發送節點需要在接收節點的信道上一直保持喚醒，直到成功收到接收節點的下一次信標幀，而對於接收節點來說，由於本次喚醒沒有成功收到數據包，因此當需要給它自己的父節點發送吋，就本地產生ー個虛擬數據包來維持之前建立好的最短延時傳輸鏈路； 步驟72 :如果發生數據包丟包，則接收節點不會回復確認幀，因此發送節點也需要取消下一次的自適應喚醒並在接收節點的信道繼續等待下ー個信標幀，對於接收節點來說，處理方案與信標巾貞丟包相同；步驟73:確認幀丟包的話，發送節點的處理方式與數據包丟包相同，而對於接收節點，收到父節點的信標幀後，由於之前已經接收到數據包，所以此時不需要產生ー個虛擬數據包來維持最短延時鏈路；當所有的數據包都成功發送後，則進入步驟8。
全文摘要
本發明公開了一種適用於無線傳感器網絡的單流批量數據採集方法，該方法包括如下步驟節點首先在啟動進入無線傳感器網絡時通過在鄰居節點的信道上接收信標幀來獲知自己所有一跳鄰居節點的喚醒時間信息，並選擇自己的本地信道，加入無線傳感器網絡；節點成功加入無線傳感器網絡後，會在自己選擇的固定信道上進行異步的偽隨機喚醒並廣播信標幀；當網絡中的任一節點在任一時刻有批量數據需要給匯聚節點傳送時，在這個節點和匯聚節點之間的這條鏈路上的所有節點就會通過預測喚醒機制在短期內建立出一條最短延時傳輸鏈路。本發明空閒時低功耗、數據採集時高吞吐率。
文檔編號H04W28/08GK102740365SQ201210218948
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月28日 優先權日2012年6月28日
發明者劉昊, 吳建輝, 徐傑, 蔣富龍 申請人:東南大學