專利名稱：基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于跨層的解決無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)能耗問題的方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型的信息感知和獲取手段，因其自身特點(diǎn)以及廣泛的應(yīng)用前 景，被認(rèn)為是將對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一?？缮嫘允菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先要考 慮的基本問題之一。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)通常采用容量極其有限的電池供電，而電池 的充電或是更換常常是不便甚至是不可能，這會(huì)導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的失效，最終使整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)崩潰。因此，如何在網(wǎng)絡(luò)使用過程中節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的耗電量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期是無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)所面臨的關(guān)鍵問題，在這方面的研究與探索具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
近幾年，為了提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效率，學(xué)者們做了不少的探索。相關(guān)的研究主
要包括
(1) 拓?fù)淇刂七@種方法是在滿足網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋的情況下，通過功率控制和骨干網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間無用或不必要的通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)，從而降低網(wǎng)絡(luò)的通訊能耗。
(2) 能量感知路由這種方法是根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量或傳輸路徑上的能量需求，選擇數(shù) 據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。從而降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
(3) 睡眠管理由于節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)下消耗的能量是在睡眠狀態(tài)下消耗的能量的很多倍， 所以，將空閑節(jié)點(diǎn)置于睡眠狀態(tài)也可以節(jié)省很多的能量，達(dá)到節(jié)能的目的，這主要是MAC 層的節(jié)能策略。在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)中只有很小的一部分節(jié)點(diǎn)仍然處于工作狀態(tài)，來為數(shù)據(jù) 提供傳輸與接收的服務(wù)，而大部分節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)被置于了睡眠的狀態(tài)，降低了網(wǎng)絡(luò)的能耗。
上面提到的這些方法都集中于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧中的某一層，忽略了協(xié)議棧中 不同層之間協(xié)同工作的重要性。拓?fù)淇刂坪湍芰扛兄酚墒蔷W(wǎng)絡(luò)層的一種節(jié)能策略，都是在 節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)時(shí)，通過一些策略來減少傳輸或者接收時(shí)消耗的能量，來達(dá)到總消耗能量 最小化；而睡眠管理是通過把空閑節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化到睡眠狀態(tài)，從而達(dá)到總能耗最小的目的，這是 MAC層一般采用的一種節(jié)能方法。因此可以看出MAC層的方法僅僅集中于解決該層的能量 消耗問題，沒有考慮來自網(wǎng)絡(luò)層的路由信息。而網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議僅僅集中于連通性或路徑 的有效性，沒有考慮MAC層節(jié)點(diǎn)的工作周期。如此單一層的方法導(dǎo)致了節(jié)點(diǎn)的能量利用率不高，節(jié)能效果不理想。因此，從跨層思想出發(fā)，綜合考慮MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)際情況， 使兩層之間共享信息，協(xié)同工作，從而設(shè)計(jì)出更加高效的節(jié)能方法，盡可能使無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)能量消耗極小化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法。綜合考慮網(wǎng)絡(luò)層的路由、 MAC層的能量消耗問題。它首先從MAC層收集與節(jié)點(diǎn)傳輸功率有關(guān)的參數(shù)，來構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)的 路由信息和維護(hù)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)表，使用這些信息來解決MAC層能耗問題，從而有效提高 節(jié)點(diǎn)的能量利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
本發(fā)明的第一方面是從MAC層收集信息，來維護(hù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居表和構(gòu)造整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路 由表，同時(shí)對(duì)路由表進(jìn)行更新和維護(hù)。
所述的鄰居表的維護(hù)主要是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維護(hù)著一張鄰居節(jié)點(diǎn)表， 這個(gè)鄰居表里面包含著這個(gè)節(jié)點(diǎn)無線通信傳輸范圍內(nèi)的所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，以及當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與它 的鄰居節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行高質(zhì)量的通信時(shí)需要使用的最小傳輸功率。所述的路由建立階段負(fù)責(zé)為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的路由路 徑，在路由建立階段試圖為每個(gè)節(jié)點(diǎn)尋找到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))消耗能量最少的路由路 徑。
所述的路由維護(hù)、更新階段是當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由表由于某種原因崩潰，或者某 個(gè)節(jié)點(diǎn)失效，有新的節(jié)點(diǎn)加入，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)要很快適應(yīng)這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，快速重建或更新 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由表。本發(fā)明第二方面使用已有的路由信息設(shè)計(jì)MAC層工作方法，解決能耗 問題。MAC層能耗的主要來源是節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽、數(shù)據(jù)碰撞、串音。因此，MAC層的能量 管理方法涉及到以下幾個(gè)方面。
(一) MAC層中節(jié)點(diǎn)空閑偵聽問題 節(jié)點(diǎn)在不需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)一直保持對(duì)無線信道的空閑偵聽以便接收可能傳輸給自己的數(shù)
據(jù)。這種過度的空閑偵聽或沒必要的空閑偵聽同樣會(huì)造成節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)。本申請(qǐng)針對(duì)這一 問題在MAC層使用了周期性"偵聽/睡眠"的無線信道使用機(jī)制。
(二) MAC層中碰撞問題
碰撞是當(dāng)MAC協(xié)議采用競(jìng)爭(zhēng)方式使用共享無線信道，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，可能與 其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的重發(fā)，引起不必要的能量浪費(fèi)。因此，本申請(qǐng)采 用基于兩階段的競(jìng)爭(zhēng)來解決節(jié)點(diǎn)之間的碰撞問題。
(三) MAC層中串音問串音是指節(jié)點(diǎn)接收并處理不必要的數(shù)據(jù)消耗，增加了節(jié)點(diǎn)接收模塊和處理器模塊消耗的 能量。在串音避免方面，使用了兩種可選擇的機(jī)制。采用類似于802. 11MAC協(xié)議的RTS/CTS 機(jī)制和基于MAC數(shù)據(jù)分組頭部的串音避免。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于
本發(fā)明采用跨層的思想，綜合考慮了MAC層、網(wǎng)絡(luò)層對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量問題的影響， 區(qū)別于以往的僅僅集中于單層的方法。它根據(jù)MAC層獲得與傳輸能耗有關(guān)的信息，以降低網(wǎng) 絡(luò)能耗為出發(fā)點(diǎn)，選擇能耗最少的最優(yōu)通訊路徑。根據(jù)路由信息來設(shè)計(jì)MAC層節(jié)點(diǎn)的工作方 式，設(shè)計(jì)睡眠調(diào)度策略、碰撞避免策略和串音避免策略來解決MAC層的能耗問題。使MAC層 和網(wǎng)絡(luò)層之間在能耗極小化的前提下，實(shí)現(xiàn)信息共享、協(xié)同工作，有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存期。


圖l鄰居表維護(hù)過程示意圖 圖2路由表的格式
圖3解決MAC層空閑節(jié)點(diǎn)偵聽問題步驟示意圖 圖4解決MAC層數(shù)據(jù)碰撞問題步驟示意圖 圖5解決MAC層串音問題示意圖 圖6數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程示意圖
具體實(shí)施例方式
圖1描述了鄰居表的維護(hù)過程。研究表明傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功接收一個(gè)數(shù)據(jù)分組的概率 主要取決于接收方的信號(hào)強(qiáng)度， 一般使用接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)來衡量。同時(shí)接收信號(hào) 強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)值與節(jié)點(diǎn)之間的傳輸功率有很大的聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)呈線性關(guān)系。因此，首 先給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i設(shè)定一個(gè)RSSI值的閾值、節(jié)點(diǎn)成功接收數(shù)據(jù)分組的閾值和一組不同級(jí)別的傳 輸功率，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)i以這組不同級(jí)別的傳輸功率向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)
分組，節(jié)點(diǎn)i+r收到這組以不同級(jí)別的傳輸功率發(fā)送的數(shù)據(jù)分組以后，節(jié)點(diǎn)i+i的物理層根
據(jù)傳輸功率的值得到每個(gè)級(jí)別的傳輸功率對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)值，然后封裝在 數(shù)據(jù)分組中返回給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的MAC層。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)分組的數(shù)量與兩節(jié)點(diǎn)之間的 距離成反比，因此當(dāng)節(jié)點(diǎn)i+l返回給當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)分組數(shù)量超過已設(shè)定的節(jié)點(diǎn)成功接收 數(shù)據(jù)分組的閾值時(shí)，就認(rèn)為節(jié)點(diǎn)i+l在節(jié)點(diǎn)i的無線通信覆蓋范圍內(nèi)，所以節(jié)點(diǎn)i+l是節(jié)點(diǎn) i的鄰居節(jié)點(diǎn)。同時(shí)利用這些返回的數(shù)據(jù)分組中的RSSI值建立傳輸功率與RSSI閾值之間的 線性模型。然后利用巳建立的線性模型與已設(shè)定的RSSI閾值計(jì)算出節(jié)點(diǎn)i+l與節(jié)點(diǎn)i進(jìn)行通 信的合適的最小傳輸功率，并把節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的編號(hào)i+l和最小傳輸功率加入到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i的鄰居表中。這樣網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地更新自己的鄰居表，就建立起了一個(gè)實(shí)時(shí)的鄰居表 的維護(hù)機(jī)制。接下來利用MAC層維護(hù)的鄰居表來建立網(wǎng)絡(luò)層的路由表，圖2描述了路由表的格式。下 面具體描述一下路由建立的主要過程，在該過程中用Cost(N,)表示節(jié)點(diǎn)i到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的能量開銷，Metric(Ni,Nj)表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的傳輸能量開銷， 公式(1<formula>formula see original document page 7</formula>其中g(shù)j代表節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的傳輸功率，R代表數(shù)據(jù)的傳輸速率，B代表網(wǎng)絡(luò)帶寬。(1) 初始化網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)除了匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))以外都設(shè)置為非活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，匯 聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))將Cost(Nj)置為零，匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))首先設(shè)置一個(gè)路由更新序列號(hào)為0，建立自己的路由表。在這個(gè)路由表中下一跳表項(xiàng)設(shè)置為無效，其他節(jié)點(diǎn)也初始 化它們的路由表。匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))開始向它的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播路由更新信息，同時(shí)每 廣播一個(gè)路由更新信息，路由更新序列號(hào)加一。路由信息中包括Cost(N,)值、路由更新序列號(hào)。(2) 匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的鄰居節(jié)點(diǎn)i收到路由更新信息以后，查詢自己的鄰居表中 到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的傳輸功率，根據(jù)公式(1)計(jì)算出Metric(Ni，Nj)，即Cost(Nj^Metric(Ni，Nj)，下一跳節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)所經(jīng)過的下一個(gè)節(jié)點(diǎn))為匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))，把Cost(Nj)存儲(chǔ)在路由表中，并標(biāo)記匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)把該路由更新信息轉(zhuǎn)發(fā)給自己的鄰居節(jié)點(diǎn)，每發(fā)送一個(gè)路由更新信息路由更新序列號(hào)加一。(3) 當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)j收到鄰居節(jié)點(diǎn)i的路由信息后，查詢自己的鄰居表中相對(duì)應(yīng)的傳輸功率， 根據(jù)公式(1)計(jì)算出Metric(Nj,Nj)，同時(shí)查詢自己是否為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算出Cost(Nj)，計(jì)算公式如下—yCost(Ni)+Metric(Ni，Nj)+Cost(i)當(dāng)節(jié)點(diǎn)i是非活動(dòng)節(jié)點(diǎn) CoSt(Nj) = (Cost(Ni)+Metric(Ni，Nj)當(dāng)節(jié)點(diǎn)i是活動(dòng)節(jié)點(diǎn) 公式(2)(Cost(i)為節(jié)點(diǎn)i的開銷) 節(jié)點(diǎn)j是否更新路由表取決于以下三方面l)如果新收到的路由更新信息的路由更新序列號(hào)小于它當(dāng)前路由表中己有的路由更新序 列號(hào)，則直接丟棄這個(gè)信息，如果兩者的路由更新序列號(hào)相等，而新的路由比已有的路由好，也就是說Cost(Nj)比當(dāng)前路由表中已存在的所有能量開銷值都小,則節(jié)點(diǎn)j更新自己的路由表，選擇節(jié)點(diǎn)i為下一跳節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把節(jié)點(diǎn)i的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)。同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)路由更新信息 和路由更新序列號(hào)加一。2) 如果新收到的路由更新信息的能量開銷值比路由表中已存在的所有能量開銷值都大， 則丟棄這個(gè)信息；3) 當(dāng)新路由更新信息的路由更新序列號(hào)大于路由表中已有的路由更新序列號(hào)，若新的路 由更新信息到匯聚節(jié)點(diǎn)的開銷Cost(Nj)比路由表中現(xiàn)存的路由開銷Cost(Nj)少或者相等，則節(jié)點(diǎn)j更新自己的路由表,選擇節(jié)點(diǎn)i為下一跳節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把節(jié)點(diǎn)i的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)。同 時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)這個(gè)路由更新信息和路由更新序列號(hào)加一。否則丟棄這條信息，但是，需要注意的是， 如果新路由更新信息的路由更新序列號(hào)大于路由表中己有的路由更新序列號(hào)且到匯聚節(jié)點(diǎn)的 開銷大于路由表中已存在的開銷，但是新路由更新信息的路由更新序列號(hào)減去舊路由更新信 息的路由更新序列號(hào)的差值己經(jīng)超過了某一個(gè)閾值，或者在路由表里面查到原來的下一跳地 址已經(jīng)不是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居，則認(rèn)為舊的路由已經(jīng)失效，所以需要強(qiáng)制當(dāng)前節(jié)點(diǎn)更新自己的 路由表。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的路由表一旦被更新，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)便把這條路由更新信息發(fā)布給它們各自的 鄰居，同時(shí)每發(fā)送一個(gè)路由更新信息路由更新序列號(hào)加一。(4)重復(fù)上述過程(3)，直到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都找到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的路由 路徑。路由更新、維護(hù)主要包括以下三方面1) 匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))失效當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))失效以后采用快 速恢復(fù)機(jī)制。所謂的快速恢復(fù)機(jī)制是指當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))失效后每次重新啟動(dòng)時(shí)， 它首先發(fā)送出一些路由更新請(qǐng)求信息，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)收到這些信息后，會(huì)發(fā)送回自己當(dāng)前的 路由信息，與匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))進(jìn)行同步，匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))得知了當(dāng)前的最 新路由信息序列號(hào)以及已經(jīng)找到的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的路由后，便可以繼續(xù)自己在崩潰前的工作。2) 新節(jié)點(diǎn)的加入新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)以洪泛的方式對(duì)它的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播節(jié)點(diǎn)加入的信 息，然后鄰居繼續(xù)廣播， 一直到這個(gè)消息傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))，匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的 節(jié)點(diǎn))在自己的路由表里面注冊(cè)這個(gè)新節(jié)點(diǎn)，然后按照上面的路由建立方法尋找該節(jié)點(diǎn)到目 的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路經(jīng)。3) 普通節(jié)點(diǎn)失效節(jié)點(diǎn)失效以后就處于睡眠狀態(tài)，以該節(jié)點(diǎn)為下一跳的節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)收到 序列號(hào)較新而花費(fèi)卻較大的路由更新信息，而收不到該節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)的路由更新信息， 按照前述路由表的建立方法，當(dāng)新的路由序列號(hào)與自己路由表里面保存的序列號(hào)的差值超過一個(gè)固定的閾值時(shí)，這時(shí)節(jié)點(diǎn)就會(huì)認(rèn)為下一跳節(jié)點(diǎn)失效，根據(jù)新接收到的路由信息對(duì)路由表 進(jìn)行強(qiáng)制的更新。這就是所謂的普通節(jié)點(diǎn)超時(shí)機(jī)制。利用已建立的路由表，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)，從已建立的路由表中選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，然 后發(fā)一個(gè)短喚醒標(biāo)識(shí)(即短的控制分組)喚醒下一跳節(jié)點(diǎn)，而節(jié)點(diǎn)的其他鄰居節(jié)點(diǎn)沒有接到 喚醒標(biāo)識(shí)，繼續(xù)處于睡眠狀態(tài)。此時(shí)下一跳節(jié)點(diǎn)處于喚醒狀態(tài)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)分組。兩個(gè)節(jié) 點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)在MAC層可能會(huì)出現(xiàn)碰撞、串音這些問題，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中不參與傳輸活動(dòng)的節(jié) 點(diǎn)應(yīng)該進(jìn)入睡眠狀態(tài)而不是一直保持著對(duì)無線信道的偵聽，這涉及到節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽問題， 因此提出以下方法來解決這些問題。圖3說明在MAC層解決空閑節(jié)點(diǎn)偵聽問題的過程針對(duì)這一問題在MAC層使用了周期性 "偵聽/睡眠"的無線信道使用機(jī)制。節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒標(biāo)識(shí)以后，節(jié)點(diǎn)喚醒短時(shí)間偵聽 信道，以確定是否需要接收數(shù)據(jù)。如果需要，保持喚醒接收數(shù)據(jù)。否則的話，節(jié)點(diǎn)再次睡眠。 目的是讓不參與路由的節(jié)點(diǎn)能夠在第一時(shí)間關(guān)閉通信模塊從而避免節(jié)點(diǎn)的過度偵聽。同時(shí)為 了降低傳輸延遲，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用SYNC (同步信號(hào)分組)分組向鄰居節(jié)點(diǎn)通告自己的調(diào)度狀 態(tài)，同時(shí)也維持一個(gè)調(diào)度表，這個(gè)表里保存了所有鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)喚醒以后， 先偵聽信道一段時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)收到了鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，節(jié)點(diǎn)調(diào)整自己的調(diào)度 狀態(tài)，使節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)保持同步。圖4描述了解決數(shù)據(jù)碰撞問題的過程，使用兩階段的競(jìng)爭(zhēng)。首先，發(fā)送方節(jié)點(diǎn)在第一個(gè) 競(jìng)爭(zhēng)階段隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間槽進(jìn)行偵聽，如果信道空閑，節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)階段剩余的時(shí)間 內(nèi)發(fā)送一個(gè)短的喚醒標(biāo)識(shí)。如果信道忙，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功發(fā)送喚醒標(biāo)識(shí)以后 進(jìn)入第二個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期。如果在第二個(gè)競(jìng)爭(zhēng)周期內(nèi)，仍然偵聽到信道空閑，它開始發(fā)送數(shù)據(jù)。解決串音問題的方法，我們使用了兩種可選擇的機(jī)制。圖5描述了第一種機(jī)制，第一種是 使用類似于802. 11MAC協(xié)議的RTS/CTS機(jī)制，當(dāng)發(fā)送方節(jié)點(diǎn)決定向接收方節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā) 送方節(jié)點(diǎn)首先向接收方節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS (請(qǐng)求發(fā)送分組)分組，當(dāng)接收方節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)請(qǐng)求 分組以后，它回送一個(gè)CTS (清除信道分組)分組。此時(shí)標(biāo)識(shí)該發(fā)送方節(jié)點(diǎn)和接收方節(jié)點(diǎn)占用 了信道。發(fā)送方節(jié)點(diǎn)收到CTS分組以后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方節(jié)點(diǎn)采用基于MAC分組頭部的串 音避免，具體方法是一個(gè)接收方節(jié)點(diǎn)在完全收到數(shù)據(jù)分組之前，接收到數(shù)據(jù)分組的頭部以后 立即檢查一個(gè)包的目的地址，如果是傳給其他節(jié)點(diǎn)的包，節(jié)點(diǎn)立即停止接收進(jìn)入睡眠。否則 的話，接收數(shù)據(jù)。接收方節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)分組以后用一個(gè)ACK (收到數(shù)據(jù)確認(rèn)分組) 分組作為應(yīng)答。同時(shí)接收方在接收到數(shù)據(jù)以后不是立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是保持偵聽一段時(shí) 間，如果在這段時(shí)間內(nèi)收到RTS分組，則可以立即接收數(shù)據(jù)，沒有必要等到下一次喚醒周期， 這樣可以減少數(shù)據(jù)分組的傳輸延遲。利用跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能方法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的流程如圖6所示， 具體步驟如下1) 通過路由發(fā)現(xiàn)階段建立的路由表，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)査詢路由表找到通往匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的 節(jié)點(diǎn))的下一跳節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)在MAC層經(jīng)歷以下過程① 節(jié)點(diǎn)首先偵聽信道，如果信道空閑，發(fā)送短的喚醒標(biāo)識(shí)，喚醒下一跳節(jié)點(diǎn)，否則的話， 節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。② 節(jié)點(diǎn)仍然偵聽到信道空閑，發(fā)送RTS分組，當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)收到RTS分組之后回送一個(gè)CTS 分組，占用無線信道。③ 節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，下一跳節(jié)點(diǎn)在完全收到數(shù)據(jù)分組以前，檢查數(shù)據(jù)分組的頭部，查 看頭部所包含的目的地址是否與自身地址相匹配，如果匹配則接收數(shù)據(jù)，回復(fù)一個(gè)ACK分組。④ 下一跳節(jié)點(diǎn)接收完數(shù)據(jù)之后，繼續(xù)保持偵聽信道一段時(shí)間，如果在這段時(shí)間內(nèi)收到RTS 分組，則立即接收數(shù)據(jù)。2) 中間節(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)中間所經(jīng)過的節(jié)點(diǎn))接收到數(shù)據(jù)分組以后， 查詢路由表找到去往匯聚節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)，喚醒節(jié)點(diǎn)，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組，中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn) 發(fā)數(shù)據(jù)分組時(shí)在MAC層也經(jīng)歷步驟1)中的過程；3) 匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))收到該分組以后，確認(rèn)自己是目的地后，不再轉(zhuǎn)發(fā)。
權(quán)利要求
1、一種基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征包括以下步驟1)鄰居表的維護(hù)，所述鄰居表的維護(hù)是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)，其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)i以若干個(gè)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)傳輸功率向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù)分組，當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)收到這些數(shù)據(jù)分組后，分別從物理層取得對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)，并把它封裝在數(shù)據(jù)分組中返回給節(jié)點(diǎn)i，節(jié)點(diǎn)i根據(jù)傳回的包含接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量來確定哪個(gè)節(jié)點(diǎn)是它的鄰居節(jié)點(diǎn)，同時(shí)節(jié)點(diǎn)i在MAC層利用鄰居節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)分組中接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)值來計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間能成功傳輸數(shù)據(jù)的最小傳輸功率，把該最小傳輸功率和鄰居節(jié)點(diǎn)的編號(hào)填入鄰居表中；2)路由表的建立，所述路由表的建立是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的路由信息，其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)來的路由信息時(shí)，計(jì)算自身通過該鄰居節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))的能量開銷，然后與該節(jié)點(diǎn)路由表中已存在的那些表項(xiàng)中到目的節(jié)點(diǎn)的能量開銷比較，如果該能量開銷值比路由表中已存在的小，那么就把該鄰居節(jié)點(diǎn)作為該節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的下一跳節(jié)點(diǎn)，更新路由表，并把該信息轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰居節(jié)點(diǎn)；3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，所述的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)利用路由表的建立步驟中建立的路由表，把數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)(即目的節(jié)點(diǎn))，當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)從自己的路由表中選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，把數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)，當(dāng)數(shù)據(jù)分組從一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到它的下一跳節(jié)點(diǎn)的過程中，如果下一跳節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，則喚醒它接收數(shù)據(jù)分組。
2、 如權(quán)利要求1所述的基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，鄰居表的維護(hù)步 驟中，設(shè)置成功接收數(shù)據(jù)分組的閾值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i在MAC層接收到的來自節(jié)點(diǎn)j的包含接收信 號(hào)強(qiáng)度指數(shù)(RSSI)的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量超過設(shè)置的上述閾值時(shí)，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的鄰居 節(jié)點(diǎn)。
3、 如權(quán)利要求1-2所述的基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，路由表的建立 步驟中，所述的能量開銷由以下方法確定，根據(jù)發(fā)送方節(jié)點(diǎn)是否為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，如果發(fā)送方節(jié) 點(diǎn)為活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，則能量開銷為發(fā)送方節(jié)點(diǎn)與接收方節(jié)點(diǎn)之間的能量開銷加上發(fā)送方節(jié)點(diǎn)自身 的能量開銷；否則的話能量開銷為發(fā)送方節(jié)點(diǎn)與接收方節(jié)點(diǎn)之間的能量開銷，發(fā)送方節(jié)點(diǎn)與 接收方節(jié)點(diǎn)之間的能量開銷是根據(jù)下述公式計(jì)算的能量開銷-最小傳輸功率X數(shù)據(jù)傳輸速率/網(wǎng)絡(luò)帶寬。
4、 如權(quán)利要求1所述的基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)步驟，采用以下方式來解決空閑節(jié)點(diǎn)偵聽問題節(jié)點(diǎn)收到鄰居節(jié)點(diǎn)喚醒標(biāo)識(shí)以后，節(jié)點(diǎn)喚醒短時(shí)間偵聽信道，以確定是否需要接收數(shù)據(jù)，如果需要，保持喚醒接收數(shù)據(jù)；否則的話，節(jié)點(diǎn)再次睡眠。
5、 如權(quán)利要求1所述的基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)步驟， 采用以下方式來解決數(shù)據(jù)碰撞問題無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)喚醒以后，偵聽信道，如果信 道空閑，發(fā)送方節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)短的喚醒標(biāo)識(shí)喚醒下一跳節(jié)點(diǎn)(即接收方節(jié)點(diǎn))，接著發(fā)送方節(jié) 點(diǎn)繼續(xù)偵聽信道，如果信道仍然空閑，節(jié)點(diǎn)開始給下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)分組。
6、 如權(quán)利要求l所述的基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，其特征在于，在數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā) 步驟，采用以下方式來解決串音問題當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)決定向下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù) 據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先向下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTS (請(qǐng)求發(fā)送分組)分組，當(dāng)下一跳節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)請(qǐng) 求分組以后，它回送節(jié)點(diǎn)一個(gè)CTS (清除信道分組)分組，節(jié)點(diǎn)收到CTS分組以后開始發(fā)送數(shù)據(jù)，下一跳節(jié)點(diǎn)在完全收到數(shù)據(jù)之前，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)分組的頭部以后立即檢查包的目的地址， 如果目的地址與自身地址不匹配，下一跳節(jié)點(diǎn)立即停止接收進(jìn)入睡眠狀態(tài)，否則的話，下一跳節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，完全收到數(shù)據(jù)以后用一個(gè)ACK (收到數(shù)據(jù)確認(rèn)分組)分組作為應(yīng)答返回給節(jié) 占。
全文摘要
一種基于跨層的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法，從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層和網(wǎng)絡(luò)層出發(fā)，綜合考慮這兩層對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題的影響，它首先從MAC層收集有關(guān)的信息，來為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和維護(hù)鄰居表。接著，它利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居表和從MAC層收集的有關(guān)信息來為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)到目的節(jié)點(diǎn)(即匯聚節(jié)點(diǎn))能量消耗最少的路由，由此構(gòu)建每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表。最后，利用已建立的路由表，把數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)(即匯聚節(jié)點(diǎn))。在數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)的過程中根據(jù)路由信息決定節(jié)點(diǎn)的工作方式，同時(shí)解決了MAC層所存在的碰撞、串音等能耗問題。
文檔編號(hào)H04L12/10GK101217381SQ20081005645
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2008年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者劉淑娟, 白躍彬, 成 羅 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)