專利名稱：通過分組之間的延遲響應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的對等通信的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且更具體地涉及通過分組之間的延遲響應(yīng)進(jìn)行能 量高效的對等虛擬通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由于其廣泛的應(yīng)用而流行的一種新興技術(shù)。典型的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)包括出于環(huán)境的物理感測和監(jiān)視的目的而以自組織方式部署的傳感器節(jié)點(diǎn)。通過無線 通信能力，這些傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地將所感測到的數(shù)據(jù)從目標(biāo)位置散布到目的地，該目的地 通常為數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)。使用這種技術(shù)，在數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)處的用戶能夠在沒有實(shí)際 出現(xiàn)在目標(biāo)位置處的情況下監(jiān)視并探測廣泛的地理區(qū)域。圖1示出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)10。無線傳感器12被部署在圍網(wǎng)(perimeter fence) 中。被檢測到14的入侵者16的入侵將被傳送到數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)24且可以觸發(fā)警報(bào)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到嚴(yán)重的能量約束，因?yàn)橛呻姵貫閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)供電。在Yujie Zhu和Raghupathy Sivakumar在德國科隆2005年8月28日 9月2日的MobiCom，05中 所著的 ““Challenges :Communicationthrough Silence in Wireless Sensor Networks，， 中，一種架構(gòu)使用分組定時來發(fā)送信息以節(jié)省電池能量。在Zhu等人的作品中，接收機(jī)處的 計(jì)時器通過觀察分組定時對來自發(fā)送機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖5示出用于如在Zhu等人的作品中所述的那樣從發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)32處發(fā)送并在接 收機(jī)節(jié)點(diǎn)34處接收控制分組的時間線30。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)32發(fā)送36兩位的起始分組以在接 收機(jī)節(jié)點(diǎn)34接收到42時啟動接收機(jī)節(jié)點(diǎn)34處的計(jì)時器。一旦計(jì)數(shù)到η個計(jì)數(shù)的預(yù)期值 40，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)32就發(fā)送38兩位的停止分組，以在接收機(jī)節(jié)點(diǎn)34接收到44停止分組時立 即終止計(jì)時器。計(jì)時器所計(jì)數(shù)的數(shù)值作為已發(fā)送的信息被接受。將Zhu等人的作品中的通信方法稱為通過延遲響應(yīng)的虛擬通信(VOTR)。用于V⑶R 的主要動機(jī)是節(jié)能，因?yàn)樵谖锢砩喜话l(fā)送真實(shí)信息。VCDR中的功率效率應(yīng)歸于數(shù)據(jù)抑制。 通過僅使用起始和停止分組，兩個無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠在不必在物理上發(fā)送數(shù)據(jù)位的情況 下交換數(shù)據(jù)。由于功率消耗與發(fā)送的數(shù)據(jù)位的長度成比例，所以VCDR中的數(shù)據(jù)抑制減少發(fā) 送和接收功率。Zhu等人對V⑶R提出了三種優(yōu)化策略和五個挑戰(zhàn)。第一優(yōu)化策略是復(fù)用。起始和停止分組之間的靜默時間間隔在不引起干擾的情況 下被另一對節(jié)點(diǎn)用來通信。第二優(yōu)化策略是級聯(lián)。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)具有要發(fā)送到接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的 多個數(shù)值并按升序布置這些值。第一通信會話中繼最低的數(shù)值，并且后續(xù)通信會話通過使 接收機(jī)節(jié)點(diǎn)處的計(jì)時器從前一計(jì)數(shù)值起開始計(jì)數(shù)來中繼較高的數(shù)值。這減少了中繼數(shù)據(jù)的 總時間。第三優(yōu)化策略是快速轉(zhuǎn)發(fā)。接收機(jī)節(jié)點(diǎn)一旦接收到起始分組就將其重發(fā)到下游節(jié) 點(diǎn)而不等待停止分組。同樣地，一旦接收到停止分組，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)就將其重發(fā)到下游節(jié)點(diǎn)， 以便在接收機(jī)和下游節(jié)點(diǎn)處對同一值進(jìn)行計(jì)數(shù)。挑戰(zhàn)是成幀，其中必須確定要發(fā)送的數(shù)據(jù)的最佳長度。較短的數(shù)據(jù)由于更多的起
5始和停止分組而導(dǎo)致較高的能量消耗，而較長的數(shù)據(jù)可以引入過度延遲。另一挑戰(zhàn)是尋址。 向分組報(bào)頭添加節(jié)點(diǎn)唯一地址增加了開銷并降低了效率。另一挑戰(zhàn)是排序。向起始分組添 加序列號增大了分組尺寸。附加挑戰(zhàn)是競爭控制.雖然起始和停止分組相對較短，但可能 發(fā)生分組沖突。進(jìn)一步的挑戰(zhàn)是誤差控制。V⑶R需要新的誤差控制策略。V⑶R具有多個關(guān)鍵缺點(diǎn)。VCDR的第一缺點(diǎn)是發(fā)送機(jī)與接收機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的時間同步。由于發(fā)送和傳播變量而 引起的起始和停止分組之間的延遲變化能夠容易地?fù)p壞數(shù)據(jù)并使VCDR不實(shí)用。V⑶R的另一缺點(diǎn)是缺乏誤差控制技術(shù)。由于V⑶R是相對新且未知的通信計(jì)數(shù)，所 以現(xiàn)有誤差控制技術(shù)是不夠的。V⑶R的又一缺點(diǎn)是分組丟失。例如，停止分組的丟失可以促使接收機(jī)節(jié)點(diǎn)過多或 無限期地計(jì)數(shù)并進(jìn)而損耗過多的能量。因此需要一種緩解與當(dāng)前通信技術(shù)相關(guān)聯(lián)的問題的在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中以具有能量效 率的方式在節(jié)點(diǎn)之間通信的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于克服上述缺點(diǎn)的在網(wǎng)絡(luò)中的第一和第二節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送數(shù) 據(jù)的方法。該方法包括(a)第一節(jié)點(diǎn)向第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送起始分組，(b)第一節(jié)點(diǎn)在發(fā)送起始分 組的同時啟動第一計(jì)數(shù)器，其中，第一計(jì)數(shù)器在第一計(jì)數(shù)器開始之后的預(yù)定計(jì)數(shù)時間添加 第一計(jì)數(shù)，并且然后在最近的第一計(jì)數(shù)之后的計(jì)數(shù)時間添加另一第一計(jì)數(shù)以在第一計(jì)數(shù)器 運(yùn)行的同時累加第一計(jì)數(shù)，(c)響應(yīng)于該起始分組，第二節(jié)點(diǎn)啟動計(jì)時器，(d)響應(yīng)于計(jì)時 器運(yùn)行了預(yù)定延遲時間，第二節(jié)點(diǎn)啟動第二計(jì)數(shù)器，其中，第二計(jì)數(shù)器在第二計(jì)數(shù)器開始之 后的計(jì)數(shù)時間添加第二計(jì)數(shù)，并且然后在最近的第二計(jì)數(shù)之后的計(jì)數(shù)時間添加另一第二計(jì) 數(shù)以在第二計(jì)數(shù)器運(yùn)行的同時累加第二計(jì)數(shù)，(e)響應(yīng)于第一節(jié)點(diǎn)確定累加的第一計(jì)數(shù)的 數(shù)目對應(yīng)于數(shù)據(jù)，第一節(jié)點(diǎn)使第一計(jì)數(shù)器停止并向第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組，從而僅在起始 和停止分組之間的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，以及(f)響應(yīng)于停止分組，第二節(jié)點(diǎn)使第二計(jì)數(shù)器 停止，并基于累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目來確定數(shù)據(jù)，從而僅基于起始和停止分組之間的時間 間隔來確定數(shù)據(jù)。第一節(jié)點(diǎn)可以避免在起始和停止分組之間與第二節(jié)點(diǎn)通信。第一節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)編碼成第一計(jì)數(shù)值并且然后響應(yīng)于累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目 達(dá)到第一計(jì)數(shù)值而向第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組，并且第二節(jié)點(diǎn)可以將累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目 解碼成中間值并且然后將該中間值遞增一以獲得數(shù)據(jù)。因此，累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目可以 比累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目多一個。延遲時間可以少于計(jì)數(shù)時間。例如，延遲時間可以是計(jì)數(shù)時間的40%至50%，優(yōu) 選地約為計(jì)數(shù)時間的50%。延遲時間還可以大于第一節(jié)點(diǎn)向第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組與第二節(jié)點(diǎn) 從第一節(jié)點(diǎn)接收到分組之間的傳播時間。延遲時間還可以降低由于第一節(jié)點(diǎn)向第二節(jié)點(diǎn)發(fā) 送分組與第二節(jié)點(diǎn)從第一節(jié)點(diǎn)接收到分組之間的傳播時間的變化而引起的第二節(jié)點(diǎn)確定 數(shù)據(jù)的誤差靈敏度。第一節(jié)點(diǎn)可以將填充位附加于數(shù)據(jù)并使第一計(jì)數(shù)器停止，并且然后響應(yīng)于第一節(jié)點(diǎn)確定累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目對應(yīng)于該數(shù)據(jù)和填充位而向第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組， 并且第二分組可以基于累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目來確定數(shù)據(jù)和填充位并且然后通過刪除 (stripping)填充位來確定數(shù)據(jù)。填充位可以具有約在最大值與最小值中間并與數(shù)據(jù)無關(guān) 的預(yù)定值。例如，填充位可以具有被設(shè)置為第一二進(jìn)制值的最高有效位和被設(shè)置為第二二 進(jìn)制值的剩余位。填充位還可以具有比起始和停止分組更大的位長。例如，填充位可以是 三位并且起始和停止分組每個可以是兩位的。填充位還可以降低由于第一節(jié)點(diǎn)向第二節(jié)點(diǎn) 發(fā)送分組和第二節(jié)點(diǎn)從第一節(jié)點(diǎn)接收到分組之間的傳播時間的變化而引起的第二節(jié)點(diǎn)確 定數(shù)據(jù)的誤差靈敏度。第二節(jié)點(diǎn)可以向第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)分組且使第二計(jì)數(shù)器停止并響應(yīng)于累加的第 二計(jì)數(shù)的數(shù)目小于預(yù)定計(jì)數(shù)限度而確定數(shù)據(jù)，并向第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送非確認(rèn)分組且使第二計(jì)數(shù) 器停止，并響應(yīng)于累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目達(dá)到計(jì)數(shù)限度而不確定數(shù)據(jù)。第一節(jié)點(diǎn)可以響應(yīng) 于非確認(rèn)分組向第二節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送起始和停止分組。第一節(jié)點(diǎn)還可以響應(yīng)于發(fā)送停止分組 而進(jìn)入省電模式并響應(yīng)于接收到確認(rèn)和非確認(rèn)分組中的任何一個而退出省電模式。第一和第二節(jié)點(diǎn)可以是運(yùn)動檢測器且網(wǎng)絡(luò)可以是響應(yīng)于第一和第二節(jié)點(diǎn)中的任 何一個檢測到入侵者的運(yùn)動而觸發(fā)警報(bào)的對等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，諸如圍網(wǎng)。有利的是，本發(fā)明非常適合于對等無線網(wǎng)絡(luò)中的V⑶R。另一優(yōu)點(diǎn)是第二節(jié)點(diǎn)在接收到起始分組時啟動計(jì)時器并在延遲時間期滿之后啟 動第二計(jì)數(shù)器，從而引入了降低對起始和停止分組之間的傳輸和傳播變化的誤差靈敏度的 仿真延遲。結(jié)果，第二節(jié)點(diǎn)對可能以其他方式損壞數(shù)據(jù)的起始和停止分組之間的延遲變化 較不敏感。另一優(yōu)點(diǎn)是第一節(jié)點(diǎn)添加填充位且第二節(jié)點(diǎn)刪除填充位，從而引入改善誤差控制 的冗余位。結(jié)果，第二節(jié)點(diǎn)對超過時鐘周期的數(shù)據(jù)誤差較不敏感。另一優(yōu)點(diǎn)是第一和第二節(jié)點(diǎn)使用確認(rèn)和非確認(rèn)分組參與握手協(xié)議，從而在起始或 停止分組丟失的情況下節(jié)省第一和第二節(jié)點(diǎn)兩者處的功率。根據(jù)以下詳細(xì)說明和附圖，本發(fā)明的這些及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域的技 術(shù)人員來說將變得顯而易見。


根據(jù)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下說明，通過非限制性示例的方式可以完全且更清楚地理 解本發(fā)明的實(shí)施例，在附圖中相同的附圖標(biāo)記指示類似或相應(yīng)元件，并且在附圖中圖1示出使用可以采用本發(fā)明的對等通信的具有節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；圖2示出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)；圖3示出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的使用通過延遲響應(yīng)的虛擬通信(VOTR)的兩個節(jié)點(diǎn) 之間的通信會話；圖4A 4D示出在節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的起始和停止分組；圖5示出用于發(fā)送和接收起始和停止分組的時間線；圖6示出依照本發(fā)明的用于在接收機(jī)節(jié)點(diǎn)處使用仿真延遲tf發(fā)送和接收起始和 停止分組以使下沖(undershoot)最小化的時間線；圖7A 7F示出依照本發(fā)明的被附加于數(shù)據(jù)的填充位；
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圖8A 8F示出依照本發(fā)明的被附加于數(shù)據(jù)的填充位；以及圖9示出依照本發(fā)明的使用起始、停止、確認(rèn)和非確認(rèn)分組的節(jié)點(diǎn)之間的通信會 話的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明被示為基于通過延遲響應(yīng)的虛擬通信(VOTR)的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 節(jié)點(diǎn)的對等數(shù)據(jù)通信技術(shù)。VCDR的兩個關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能和數(shù)據(jù)安全性。VCDR通過節(jié)點(diǎn)處的時間計(jì)數(shù)而不是發(fā)送實(shí)際數(shù)據(jù)來減少能量消耗并提高數(shù)據(jù)安 全性。對于要發(fā)送的特定數(shù)值n，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)通過向接收機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送起始分組來發(fā)起數(shù)據(jù) 發(fā)送過程。一旦接收到起始分組，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)激活計(jì)數(shù)器并開始對已經(jīng)歷的時間進(jìn)行計(jì)數(shù)。 計(jì)數(shù)器每固定時間段觸發(fā)一次且每個引發(fā)事件表示一個計(jì)數(shù)。因此，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)根據(jù)所經(jīng) 歷的時間連續(xù)地從1計(jì)數(shù)至有限數(shù)。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)以類似方法操作其自己的計(jì)數(shù)器。一旦發(fā) 送機(jī)節(jié)點(diǎn)已計(jì)數(shù)至值n，則發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)向接收機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組。同樣地，一旦接收機(jī)節(jié) 點(diǎn)已計(jì)數(shù)至值n，則接收機(jī)節(jié)點(diǎn)從發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)接收停止分組以使計(jì)數(shù)器停止。結(jié)果，接收機(jī) 節(jié)點(diǎn)能夠在發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)不必在物理上發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下導(dǎo)出預(yù)期值η。本發(fā)明非常適合于使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圍網(wǎng)中的VCDR，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使 用傳感器節(jié)點(diǎn)作為運(yùn)動檢測器。給定諸如軍事基地、機(jī)場或政府建筑物的必須受到入侵保 護(hù)的安全位置，可以將傳感器節(jié)點(diǎn)戰(zhàn)略地設(shè)置在設(shè)施周圍以檢測運(yùn)動。在正常操作期間，傳 感器節(jié)點(diǎn)以低數(shù)據(jù)速率更新環(huán)境讀數(shù)以節(jié)省能量。然而，如果檢測到可疑入侵者，則傳感器 節(jié)點(diǎn)可以切換到警報(bào)模式并更頻繁地更新所感測到的數(shù)據(jù)。本發(fā)明非常適合于要求高節(jié)能和/或高數(shù)據(jù)安全性的其它無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的 VCDR0例如，傳感器節(jié)點(diǎn)可以是監(jiān)視入侵者、人、動物等的移動的運(yùn)動檢測器。替代地，傳感 器節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)視濕度、溫度等以及單個或多個現(xiàn)象。圖2示出無線傳感器節(jié)點(diǎn)12的基本架構(gòu)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)12包括計(jì)時器模塊62 和無線電臺模塊66。計(jì)時器模塊62是根據(jù)應(yīng)用要求啟動一個或多個計(jì)數(shù)器64的內(nèi)部時 鐘。通常用值0和分辨率t。來觸發(fā)計(jì)數(shù)器64。例如，計(jì)數(shù)器64可以每5秒進(jìn)行計(jì)數(shù)。無 線電臺模塊66包含天線60、發(fā)送機(jī)68和接收機(jī)70。發(fā)送機(jī)68向接收機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而 接收機(jī)70從發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)接收信息。可以使用用于獲得在傳感器節(jié)點(diǎn)12處獲得的數(shù)據(jù)并將其傳送到數(shù)據(jù)收集和處理 點(diǎn)24的各種技術(shù)。例如，要發(fā)送到數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)24的數(shù)據(jù)可以包括識別諸如節(jié)點(diǎn)12 或數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)24的已發(fā)送數(shù)據(jù)的源的標(biāo)識號碼。根據(jù)特定應(yīng)用，該通信可以是單向 的或雙向的。一旦在數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)24處接收到數(shù)據(jù)，則可以對其進(jìn)行處理。例如，如 果在節(jié)點(diǎn)12處感測到檢測，則數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)24可以向節(jié)點(diǎn)12發(fā)送請求以增加感測速 率。將理解，可以采用其它技術(shù)從節(jié)點(diǎn)12向數(shù)據(jù)收集和處理點(diǎn)24發(fā)送數(shù)據(jù)。圖3示出參與V⑶R對等通信的兩個傳感器節(jié)點(diǎn)12a和12b。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a通過 向接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b發(fā)送起始分組82來發(fā)起通信會話。與發(fā)送起始分組并發(fā)地(即，在其之 前、之后、或同時)，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a啟動計(jì)數(shù)器并用預(yù)定義的時鐘分辨率進(jìn)行計(jì)數(shù)。預(yù)期 接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b的計(jì)數(shù)器已達(dá)到預(yù)計(jì)值，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a發(fā)送停止分組86以使接收機(jī)節(jié)點(diǎn) 12b的計(jì)數(shù)器終止。無論發(fā)送起或停止分組與接收起始或停止分組之間的數(shù)據(jù)延遲84的時間間隔如何，數(shù)據(jù)的精確性受起始和停止分組到達(dá)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b處之間的延遲變化的影 響。本發(fā)明解決了此問題。通過經(jīng)由時間計(jì)數(shù)將信息中繼到接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a減少了能量消 耗，因?yàn)椴话l(fā)送真實(shí)的信息。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a只需消耗用于調(diào)節(jié)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b計(jì)數(shù)器的 小的起始和停止控制分組82和86的能量。例如，起始和停止分組每個可以僅僅為兩位。 發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a通過對于一個數(shù)據(jù)發(fā)送會話而言只發(fā)送起始和停止分組82和86來節(jié)省能 量。在接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b處，主要能量消耗與接收起始和停止分組82和86相關(guān)聯(lián)。需要能 量來為收聽無線頻道并處理接收到的數(shù)據(jù)的電子組件供電。由時間計(jì)數(shù)過程導(dǎo)出真實(shí)數(shù)據(jù) 消耗用于接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b板上微處理器的能量。然而，用于對微處理器供電的此能量通常 低于接收數(shù)據(jù)所需的能量。因此，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)12b通過抑制接收真實(shí)信息來節(jié)省能量。這種對等V⑶R計(jì)數(shù)的另一優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)安全性。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)12a通過只發(fā)送起始 和停止分組82和86來完成一個通信會話。由于不發(fā)送真實(shí)數(shù)據(jù)，所以這使非預(yù)期接收機(jī) 進(jìn)行竊聽的風(fēng)險最小化。此特征尤其對發(fā)送關(guān)鍵數(shù)據(jù)有用。除此之外，非預(yù)期節(jié)點(diǎn)必須擁 有預(yù)定義計(jì)時器分辨率以便導(dǎo)出被中繼的真實(shí)信息。因此，非預(yù)期節(jié)點(diǎn)能夠破譯信息的可 能性很小。依照本發(fā)明，提出了用于改善了數(shù)據(jù)精確性和功率效率的對等VCDR的三種技術(shù)。 這三種技術(shù)相輔相成并組成用于真實(shí)實(shí)現(xiàn)的協(xié)議棧。為了便于參考，將這三種技術(shù)稱為時 移、誤差保護(hù)和計(jì)數(shù)限度。時移解決影響這種通信技術(shù)的精確性的時間同步問題。由于本發(fā)明依賴于時間計(jì) 數(shù)，所以被傳送的數(shù)據(jù)對發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)部時鐘是敏感的。接收或處理起 始和停止分組時的任何延遲變化都可能危及數(shù)據(jù)精確性，因?yàn)榻邮諜C(jī)節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器可能過 沖(overshoot)或下沖(undershott)。時移通過首先將時鐘分辨率設(shè)置為能夠容忍未預(yù)期 的延遲變化的值來解決此問題。換言之，計(jì)數(shù)器處的每個計(jì)數(shù)以足夠?qū)挼臅r間間隔被間隔 開，以便使計(jì)數(shù)器過沖的概率最小化。時移還在接收機(jī)節(jié)點(diǎn)處引入仿真延遲以使下沖事件 最小化。誤差保護(hù)提供額外的安全層以保證數(shù)據(jù)精確性。誤差保護(hù)向原始數(shù)據(jù)添加一串冗 余填充位。這些填充位被附加于數(shù)據(jù)的結(jié)尾并被調(diào)整，使得該數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步容忍計(jì)數(shù)器 過沖和下沖誤差。一旦接收機(jī)節(jié)點(diǎn)已通過時間計(jì)數(shù)導(dǎo)出此增大的數(shù)據(jù)，則它刪除填充位以 獲得原始數(shù)據(jù)。雖然填充位增加了要發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度，但它們保護(hù)原始數(shù)據(jù)在發(fā)送和接 收起始和停止分組時免受較高程度的延遲變化。計(jì)數(shù)限度保護(hù)發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)和接收機(jī)節(jié)點(diǎn)在起始或停止分組丟失的情況下免受過 度或無限期的時間計(jì)數(shù)。起始和停止分組可能由于分組沖突或未預(yù)見的信號衰減而丟失。 計(jì)數(shù)限度保持計(jì)數(shù)器在其自動終止之前能夠計(jì)數(shù)到的上限。因此，一旦已達(dá)到該上限，則它 通知節(jié)點(diǎn)信號丟失且可能需要重發(fā)和可選的傳輸功率遞增。本發(fā)明改進(jìn)了常規(guī)VCDR。給定參與無線通信的一對無線傳感器節(jié)點(diǎn)，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn) 通過發(fā)送起始分組92來啟動通信會話。圖4A示出起始分組92的結(jié)構(gòu)。它由具有二進(jìn)制 值10的兩位數(shù)據(jù)組成。類似于起始分組92，起始分組94也由具有二進(jìn)制值11的兩位數(shù)據(jù) 組成。圖4B示出停止分組94的結(jié)構(gòu)。在該實(shí)施例中，起始和停止分組由兩位數(shù)據(jù)組成，但 將理解該分組可以包含不同的位數(shù)。
一旦發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)已發(fā)送了起始分組，則它將以分辨率t。啟動其自己的計(jì)數(shù)器，表 示計(jì)數(shù)器將如圖5和6所示每t。增加一個計(jì)數(shù)112。一旦接收到起始分組，接收機(jī)節(jié)點(diǎn)還 將以相同的分辨率t。啟動其計(jì)數(shù)器。如果要發(fā)送的數(shù)據(jù)是數(shù)值n，則發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)將在起始 分組之后的時間nt。向接收機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組。一旦接收機(jī)節(jié)點(diǎn)已接收到停止分組，則 它將立即使其計(jì)數(shù)器停止并由其當(dāng)前計(jì)數(shù)器值導(dǎo)出數(shù)據(jù)。通信會話通過接收機(jī)節(jié)點(diǎn)向發(fā)送 機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)分組ACK 96來完成。如果需要重發(fā)，則接收機(jī)節(jié)點(diǎn)可以向發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送非確認(rèn)分組NACK 98。下面更 詳細(xì)地討論ACK 96和NACK 98。雖然此對等通信技術(shù)是簡單的，但數(shù)據(jù)的精確性對接收機(jī) 節(jié)點(diǎn)接收起始和停止分組時的延遲變化高度敏感。這些延遲變化可能使計(jì)時器過沖或下沖 一個或多個計(jì)數(shù)，這將危及正在中繼的數(shù)據(jù)。因此，本發(fā)明提供了一種提高容忍延遲變化并 改善數(shù)據(jù)精確性的技術(shù)。時移假設(shè)正在中繼的實(shí)際數(shù)據(jù)取決于由發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的起始和停止分組，則數(shù)據(jù)的 精確性對接收機(jī)接收到這些分組的時間高度敏感。例如起始分組或停止分組的分組從發(fā)送 機(jī)節(jié)點(diǎn)到達(dá)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的時間可以分成傳播延遲tp和發(fā)送延遲tr。傳播延遲是分 組從發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)的天線通過無線通信行進(jìn)到接收機(jī)節(jié)點(diǎn)的天線的時間間隔。發(fā)送延遲是向 無線介質(zhì)發(fā)送或從其接收分組所需的時間量。因此，分組所經(jīng)歷的端到端延遲46和48由 te = tp+tr給出。此延遲在圖5中示出。圖6圖示依照本發(fā)明的當(dāng)發(fā)生通信時用于發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)102和接收機(jī)節(jié)點(diǎn)104的時 間線100。以黑色氣泡為端點(diǎn)的垂直線段表示一個計(jì)數(shù)。每個計(jì)數(shù)之間的持續(xù)時間50和 100由t。給出。發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)102在時間、發(fā)送36起始分組并在時間t2發(fā)送停止分組，其 中，t2 = t^n, · t。。因此，發(fā)送機(jī)節(jié)點(diǎn)102處的計(jì)數(shù)數(shù)目由下式給出，
權(quán)利要求
一種用于在網(wǎng)絡(luò)中的第一和第二節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，包括所述第一節(jié)點(diǎn)向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送起始分組；所述第一節(jié)點(diǎn)在發(fā)送所述起始分組的同時啟動第一計(jì)數(shù)器，其中，所述第一計(jì)數(shù)器在所述第一計(jì)數(shù)器開始之后的預(yù)定計(jì)數(shù)時間添加第一計(jì)數(shù)，并且然后在最近的第一計(jì)數(shù)之后的所述計(jì)數(shù)時間添加另一第一計(jì)數(shù)以在所述第一計(jì)數(shù)器運(yùn)行的同時累加第一計(jì)數(shù)；響應(yīng)于所述起始分組，所述第二節(jié)點(diǎn)啟動計(jì)時器；響應(yīng)于計(jì)時器運(yùn)行了預(yù)定延遲時間，所述第二節(jié)點(diǎn)啟動第二計(jì)數(shù)器，其中，第二計(jì)數(shù)器在所述第二計(jì)數(shù)器開始之后的所述計(jì)數(shù)時間添加第二計(jì)數(shù)，并且然后在最近的第二計(jì)數(shù)之后的所述計(jì)數(shù)時間添加另一第二計(jì)數(shù)以在所述第二計(jì)數(shù)器運(yùn)行的同時累加第二計(jì)數(shù)；響應(yīng)于第一節(jié)點(diǎn)確定累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目對應(yīng)于所述數(shù)據(jù)，所述第一節(jié)點(diǎn)使所述第一計(jì)數(shù)器停止并向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組，從而僅在所述起始和停止分組之間的時間間隔發(fā)送所述數(shù)據(jù)；以及響應(yīng)于所述停止分組，所述第二節(jié)點(diǎn)使所述第二計(jì)數(shù)器停止，并且基于累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目來確定所述數(shù)據(jù)，從而僅基于所述起始與停止分組之間的時間間隔來確定所述數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一節(jié)點(diǎn)在所述起始和停止分組之間不與 所述第二節(jié)點(diǎn)通信。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一節(jié)點(diǎn)將所述數(shù)據(jù)編碼成第一計(jì)數(shù)值，并且然后響應(yīng)于所述累加的第一計(jì)數(shù)的 數(shù)目達(dá)到所述第一計(jì)數(shù)值而向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送所述停止分組；以及所述第二節(jié)點(diǎn)將所述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目解碼成中間值，并且然后將該中間值遞增 一以獲得所述數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目比所述累加的第二 計(jì)數(shù)的數(shù)目多一個。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述延遲時間小于所述計(jì)數(shù)時間。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述延遲時間是所述計(jì)數(shù)時間的40%至50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述延遲時間約為所述計(jì)數(shù)時間的50%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述延遲時間是所述計(jì)數(shù)時間的50%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述延遲時間大于所述第一節(jié)點(diǎn)向所述第二節(jié) 點(diǎn)發(fā)送分組與所述第二節(jié)點(diǎn)從所述第一節(jié)點(diǎn)接收到該分組之間的傳播時間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述延遲時間降低了由于所述第一節(jié)點(diǎn)向所述 第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組與所述第二節(jié)點(diǎn)從所述第一節(jié)點(diǎn)接收到該分組之間的傳播時間的變化 而引起的第二節(jié)點(diǎn)確定所述數(shù)據(jù)的誤差靈敏度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述起始和停止分組每個是兩位。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中 所述第一節(jié)點(diǎn)將填充位附加于所述數(shù)據(jù)；響應(yīng)于所述第一節(jié)點(diǎn)確定所述累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目對應(yīng)于所述數(shù)據(jù)和所述填充位， 所述第一節(jié)點(diǎn)使所述第一計(jì)數(shù)器停止并向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送所述停止分組；所述第二節(jié)點(diǎn)基于所述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目來確定所述數(shù)據(jù)和所述填充位；以及所述第二節(jié)點(diǎn)通過刪除所述填充位來確定所述數(shù)據(jù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述填充位具有約在最大值與最小值中間且 與所述數(shù)據(jù)無關(guān)的預(yù)定值。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述填充位具有被設(shè)置成第一二進(jìn)制值的最 高有效位和被設(shè)置成第二二進(jìn)制值的剩余位。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述填充位具有比所述起始和停止分組更大 的位長。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述填充位降低了由于所述第一節(jié)點(diǎn)向所述 第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組與所述第二節(jié)點(diǎn)從所述第一節(jié)點(diǎn)接收到該分組之間的傳播時間的變化 而引起的所述第二節(jié)點(diǎn)確定所述數(shù)據(jù)的誤差靈敏度。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二節(jié)點(diǎn)向所述第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)分組且使所述第二計(jì)數(shù)器停止，并且響應(yīng)于所 述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目小于預(yù)定計(jì)數(shù)限度而確定所述數(shù)據(jù)；以及所述第二節(jié)點(diǎn)向所述第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送非確認(rèn)分組且使所述第二計(jì)數(shù)器停止，并且響應(yīng)于 所述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目達(dá)到所述計(jì)數(shù)限度而不確定所述數(shù)據(jù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一節(jié)點(diǎn)響應(yīng)于所述非確認(rèn)分組向所述 第二節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送所述起始和停止分組。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述第一節(jié)點(diǎn)響應(yīng)于發(fā)送所述停止分組而進(jìn) 入省電模式，并且響應(yīng)于接收到所述確認(rèn)和非確認(rèn)分組中的任何一個而退出所述省電模 式。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二節(jié)點(diǎn)是運(yùn)動檢測器，并且所述 網(wǎng)絡(luò)是對等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
21.一種用于在對等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的第一和第二運(yùn)動檢測節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送數(shù)據(jù)的方 法，包括所述第一節(jié)點(diǎn)向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送起始分組；所述第一節(jié)點(diǎn)在發(fā)送所述起始分組的同時啟動第一計(jì)數(shù)器，其中，所述第一計(jì)數(shù)器在 所述第一計(jì)數(shù)器啟動之后的預(yù)定計(jì)數(shù)時間添加第一計(jì)數(shù)，并且然后在最近的第一計(jì)數(shù)之后 的所述計(jì)數(shù)時間添加另一第一計(jì)數(shù)以在所述第一計(jì)數(shù)器運(yùn)行的同時累加第一計(jì)數(shù)；所述第一節(jié)點(diǎn)將所述數(shù)據(jù)編碼成第一計(jì)數(shù)數(shù)目；響應(yīng)于所述起始分組，所述第二節(jié)點(diǎn)啟動計(jì)時器；響應(yīng)于所述計(jì)時器運(yùn)行了預(yù)定延遲時間，所述第二節(jié)點(diǎn)啟動第二計(jì)數(shù)器，其中，所述第 二計(jì)數(shù)器在所述第二計(jì)數(shù)器啟動之后的所述計(jì)數(shù)時間添加第二計(jì)數(shù)，并且然后在最近的第 二計(jì)數(shù)之后的所述計(jì)數(shù)時間添加另一第二計(jì)數(shù)以在所述第二計(jì)數(shù)器運(yùn)行的同時累加第二 計(jì)數(shù)，所述延遲時間小于所述計(jì)數(shù)時間，并且所述累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目比所述累加的第 二計(jì)數(shù)的數(shù)目多一個；響應(yīng)于所述第一節(jié)點(diǎn)確定所述累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目已達(dá)到所述第一計(jì)數(shù)數(shù)目，所述 第一節(jié)點(diǎn)使所述第一計(jì)數(shù)器停止并向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送停止分組，從而僅在所述起始和停 止分組之間的時間間隔發(fā)送所述數(shù)據(jù)；以及所述第二節(jié)點(diǎn)響應(yīng)于所述停止分組使所述第二計(jì)數(shù)器停止，并且基于將所述累加的第二計(jì)數(shù)解碼而確定所述數(shù)據(jù)以獲得中間值，并且然后將該中間值遞增一以獲得所述數(shù)據(jù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述第一節(jié)點(diǎn)在所述起始和停止分組之間不 與所述第二節(jié)點(diǎn)通信。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述延遲時間是所述計(jì)數(shù)時間的40%至50%。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述延遲時間約為所述計(jì)數(shù)時間的約50%。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述延遲時間大于所述第一節(jié)點(diǎn)向所述第二 節(jié)點(diǎn)發(fā)送分組與所述第二節(jié)點(diǎn)從所述第一節(jié)點(diǎn)接收到該分組之間的傳播時間。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第一節(jié)點(diǎn)將填充位附加于所述數(shù)據(jù)，其中，所述填充位具有約在最大值與最小值 中間且與所述數(shù)據(jù)無關(guān)的預(yù)定值；響應(yīng)于所述第一節(jié)點(diǎn)確定所述累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目對應(yīng)于所述數(shù)據(jù)和所述填充位， 所述第一節(jié)點(diǎn)使所述第一計(jì)數(shù)器停止并向所述第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送所述停止分組；所述第二節(jié)點(diǎn)基于所述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目來確定所述數(shù)據(jù)和所述填充位；以及所述第二節(jié)點(diǎn)通過刪除所述填充位來確定所述數(shù)據(jù)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中，所述填充位具有被設(shè)置成第一二進(jìn)制值的最 高有效位和被設(shè)置成第二二進(jìn)制值的剩余位。
28.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第二節(jié)點(diǎn)向所述第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)分組且使所述第二計(jì)數(shù)器停止，并且響應(yīng)于所 述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目小于預(yù)定計(jì)數(shù)限度而確定所述數(shù)據(jù)；所述第二節(jié)點(diǎn)向所述第一節(jié)點(diǎn)發(fā)送非確認(rèn)分組且使所述第二計(jì)數(shù)器停止，并且響應(yīng)于 所述累加的第二計(jì)數(shù)的數(shù)目達(dá)到所述計(jì)數(shù)限度而不確定所述數(shù)據(jù)；以及所述第一節(jié)點(diǎn)響應(yīng)于所述非確認(rèn)分組向所述第二節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送所述起始和停止分組。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中，所述第一節(jié)點(diǎn)響應(yīng)于發(fā)送所述停止分組而進(jìn) 入省電模式，并且響應(yīng)于接收到所述確認(rèn)和非確認(rèn)分組中的任何一個而退出所述省電模 式。
30.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中，所述傳感器網(wǎng)絡(luò)是響應(yīng)于所述第一和第二節(jié)點(diǎn)中 的任何一個檢測到入侵者的運(yùn)動而觸發(fā)警報(bào)的圍網(wǎng)。
全文摘要
一種用于在網(wǎng)絡(luò)中的第一和第二節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送數(shù)據(jù)的方法包括(a)第一節(jié)點(diǎn)向第二節(jié)點(diǎn)發(fā)送起始分組，(b)第一節(jié)點(diǎn)在發(fā)送起始分組的同時啟動第一計(jì)數(shù)器，其中，第一計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，(c)響應(yīng)于該起始分組，第二節(jié)點(diǎn)啟動計(jì)時器，(d)響應(yīng)于計(jì)時器運(yùn)行了預(yù)定延遲時間，第二節(jié)點(diǎn)啟動第二計(jì)數(shù)器，其中，第二計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，(e)響應(yīng)于第一節(jié)點(diǎn)確定累加的第一計(jì)數(shù)的數(shù)目對應(yīng)于數(shù)據(jù)，第一節(jié)點(diǎn)使第一計(jì)數(shù)器停止并發(fā)送停止分組(從而僅在起始和停止分組之間的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù))，響應(yīng)于停止分組，第二節(jié)點(diǎn)使第二計(jì)數(shù)器停止(并接收已發(fā)送的數(shù)據(jù))。
文檔編號G08C17/02GK101971227SQ200880120988
公開日2011年2月9日 申請日期2008年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者劉浚壕, 宋文喜, 張莉莉 申請人:南洋理工大學(xué);新加坡科技勁力私人有限公司