專利名稱：在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行集中式資源預(yù)約管理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動自組織網(wǎng)絡(luò)，具體地說是一種在移動無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)中進行集中式資源預(yù)約管理的方法。
背景技術(shù)：
移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是自組織、自愈網(wǎng)絡(luò)，由無線移動節(jié)點 組成；無線移動節(jié)點可以自由而動態(tài)地自組織成任意臨時性網(wǎng)絡(luò)拓撲，從而允許人們裝置在 沒有預(yù)先存在的通信基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中進行無縫地互連互通。任意兩個移動節(jié)點之間的無線 傳播條件受制于這兩個節(jié)點之間的發(fā)射功率。在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最常使用的是競爭類的MAC協(xié)議和按需的路由方式。這兩 層在整個移動自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系中占據(jù)很重要的地位。競爭類的MAC協(xié)議中使用最頻繁的則是載波偵聽多址訪問協(xié)議(CSMA)和多址訪問與 碰撞回避(MACA)協(xié)議。CSMA是通過測試發(fā)射機附近的信號強度拉努力避免碰撞，但碰 撞發(fā)生不是在發(fā)送方一側(cè)，而是在接收方一側(cè)，因此載波偵聽沒有提供避免碰撞所必需的所 有信息，這就導(dǎo)致了多跳CSMA網(wǎng)絡(luò)中一個失效的主要原因，即"隱藏終端"問題。同時使 用CSMA媒介訪問技術(shù)也會由于顯現(xiàn)終端引起不必要的推遲消息發(fā)送問題，即"暴露終端" 問題。MACA使用RTS-CTS的控制分組握手機制，減輕了隱藏終端和暴露終端問題，但隱藏 終端問題還是會在多跳中繼傳輸?shù)哪硞€中間節(jié)點上發(fā)生。按需路由協(xié)議一般使用按需距離矢量路由協(xié)議(AODV)。這是為頻繁移動的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè) 計的，同樣適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議提供對動態(tài)鏈路的快速自適應(yīng)，尋路開銷低，可 用于查找移動節(jié)點之間的動態(tài)的，自啟動的，多跳的路由，且不需要定期的路由維護。在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，要保證業(yè)務(wù)流的服務(wù)質(zhì)量，需要考慮所經(jīng)過的各個鏈路 和節(jié)點的狀況。由于移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，提供Qos保障是一件很困難的事情。單 從各個層的角度來解決Qos問題和分析網(wǎng)絡(luò)性能并不能很好的滿足應(yīng)用層的Qos要求，必須 使用一種Qos體系的概念，多層之間協(xié)同處理。從MAC層來考慮，就是要避免碰撞，解決 隱藏終端和暴露終端問題，實現(xiàn)資源的有效預(yù)約。從路由層考慮，就是要選擇最佳的Qos路由，快速建立連接路徑。Qos路由的計算可以使用改進的Dijkstra最短生成樹算法。即選擇一 個重要的服務(wù)特性(如時延或帶寬)作為成本函數(shù)來計算最短生成樹路由，而其它服務(wù)要求 可以作為選擇路由的限制條件。此外，還可以使用備份路由的方法來減少路由失效后查找可 用路由所需的時間，采用按需路由或類似于DSDV的序列號的方法來避免路由環(huán)路的出現(xiàn)。 從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來說，可對網(wǎng)絡(luò)的組成進行一定的調(diào)整，強化一些節(jié)點的功能，實現(xiàn)對可用資 源的有效管理?，F(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸均釆用開放的廣播方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點在采用競爭類MAC 協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)分組時，不可避免的會出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象。這將嚴重影響數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)倪B續(xù)性。 每個數(shù)據(jù)分組發(fā)送前均需重新發(fā)起連接過程，這無疑也加大了數(shù)據(jù)分組的傳輸時延和傳輸成 功率。當網(wǎng)絡(luò)中需要傳輸對Qos要求較高的業(yè)務(wù)流時，就要采用一定的方法避免這種碰撞， 并降低時延，保證業(yè)務(wù)流傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是設(shè)計出一種在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行集中式資源預(yù)約管理的方法。 本發(fā)明是在路由査找過程中完成資源預(yù)約，使用集中的方式，對全網(wǎng)資源進行統(tǒng)一的管理。 整個網(wǎng)絡(luò)包括預(yù)先指定的簇首節(jié)點和預(yù)定范圍內(nèi)的多個移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，使用現(xiàn)有的同 步算法對整個網(wǎng)絡(luò)進行時間同步，在同步的過程中，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點獲悉自身到達簇首節(jié)點的 路徑。路由方面，在現(xiàn)有的按需路由算法基礎(chǔ)上進行改進，在原有控制消息分組基礎(chǔ)上加入 額外的域，用于攜帶額外的業(yè)務(wù)流相關(guān)信息，并記錄所經(jīng)路徑的信息。本發(fā)明包括以下步驟步驟一節(jié)點產(chǎn)生需要QOS保障的業(yè)務(wù)流后，節(jié)點成為發(fā)送節(jié)點，首先判斷自身路由表 中是否含有目的節(jié)點的地址信息。如有，則發(fā)送節(jié)點形成資源預(yù)約請求幀，發(fā)送給簇首節(jié)點， 等待簇首節(jié)點的資源預(yù)約通知，進入步驟四；若沒有，則形成路由請求分組(RREQ)，跳轉(zhuǎn)至步驟二。該RREQ分組中應(yīng)附加攜帶將要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)流的種類，業(yè)務(wù)流的目的地址，并限 制該分組最大的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。步驟二發(fā)送節(jié)點采用廣播的形式發(fā)送RREQ分組，接收到該分組的節(jié)點根據(jù)分組中的 相關(guān)信息，判斷對該分組采取何種處理方法。步驟三發(fā)送節(jié)點接收到路由應(yīng)答分組(RREP)后，記錄可用的路徑信息，并立即開始一個等待過程，等待簇首節(jié)點下發(fā)資源預(yù)約通知。步驟四發(fā)送節(jié)點在收到簇首節(jié)點的資源預(yù)約通知以后，立即沿路由查找過程中確定的 路徑開始業(yè)務(wù)流的傳送。若長時間接收不到針對自身的資源預(yù)約通知，則跳轉(zhuǎn)到步驟一。節(jié)點在接收到一個RREQ后，在確定自身從未收到過該RREQ分組的前提下，采用如下步驟判斷自身所應(yīng)采取的處理方法步驟一檢査該RREQ的目的地址是否為自己，若是，則跳轉(zhuǎn)到步驟三；若不是，則跳轉(zhuǎn)到步驟二。步驟二檢査該分組是否達到最大的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，若是，則對不做任何處理；若否，則把 分組的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)加一，并把自身的地址信息添加到該分組中，采用廣播的形式發(fā)送出去。步驟三根據(jù)接收到的RREQ分組中包含的路徑信息，目的節(jié)點形成一個路由應(yīng)答分組 (RREP)，該分組按原路徑回送給發(fā)送節(jié)點；目的節(jié)點同時根據(jù)RREQ分組中相關(guān)信息形成 資源預(yù)約請求幀，發(fā)送給簇首節(jié)點，并等待簇首節(jié)點回送ACK分組。該資源預(yù)約請求幀中應(yīng) 攜帶業(yè)務(wù)流的類型及所經(jīng)路徑信息，其中所經(jīng)路徑信息中應(yīng)包含業(yè)務(wù)流將要經(jīng)過的節(jié)點地址， 經(jīng)過該地址時的時間戳等信息。步驟四簇首節(jié)點在接收到資源預(yù)約請求幀后單播回送ACK給目的節(jié)點，同時根據(jù)虛擬 簇中的資源使用情況，給即將發(fā)生的業(yè)務(wù)流分配適當?shù)馁Y源，并廣播通知虛擬簇中所有節(jié)點。本發(fā)明具有以下有有益效果1) 集中式的資源分配控制，使得網(wǎng)絡(luò)資源可得到最佳的分配，有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。2) 由簇首節(jié)點集中式定期下發(fā)資源分配情況，使得網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都能獲悉當前資源的 使用情況，完全避免了隱藏終端和暴露終端等方式使用無線信道，實現(xiàn)業(yè)務(wù)流的Qos保障。3) 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點預(yù)先獲悉自身到達簇首節(jié)點的路徑，有利于縮短預(yù)約過程所使用的時間。4) 預(yù)約過程中使用按需路由的方式尋路，減少日常維護路由的開銷，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲經(jīng)常 變動的情況。


圖1是集中式資源預(yù)約請求流程圖。 圖2是預(yù)約前、后的超幀結(jié)構(gòu)。 圖3是資源預(yù)約請求幀格式。 圖4是RREQ分組格式。圖5是RREP分組格式。圖6是網(wǎng)絡(luò)組建示意圖。圖7是簇內(nèi)相鄰節(jié)點預(yù)約示意圖。圖8是簇內(nèi)非相鄰節(jié)點預(yù)約示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的說明。網(wǎng)絡(luò)建立之前，要求所有節(jié)點擁有一個預(yù)先設(shè)定好的ID。指定的簇首節(jié)點ID為1。其余 節(jié)點ID大于2。設(shè)定簇首節(jié)點的最大射頻發(fā)射功率值是普通節(jié)點的兩倍。網(wǎng)絡(luò)中的可用資源 足夠支撐至少兩對節(jié)點進行業(yè)務(wù)流的傳輸。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)半徑即是簇首節(jié)點信號的最大傳播距離， 則網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點應(yīng)最大通過兩跳即可與簇首節(jié)點相連。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在超幀的概念之上，實施例中使用的超幀結(jié)構(gòu)是固定劃分一段時間進行信標幀 的傳送，其余時間為CSMA競爭時間，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點均有權(quán)在這段時間中競爭傳送自身的控 制分組或數(shù)據(jù)分組。預(yù)約前超幀結(jié)構(gòu)參見圖2a。預(yù)約到的資源是指從CSMA的尾部劃分出的 合適的時間段，這些時間段只能供特定節(jié)點使用，其他節(jié)點在這些時間段必須處于靜默狀態(tài)。 我們對時間段進行管理，使得該預(yù)約到的時間段總是在超幀的尾部，并且該時間段是連續(xù)的。 預(yù)約后超幀結(jié)構(gòu)參見圖2b。整個網(wǎng)絡(luò)存在兩種信標幀組網(wǎng)信標幀和預(yù)約信標幀。組網(wǎng)信標幀完成網(wǎng)絡(luò)的組建，使 用普通功率發(fā)射；預(yù)約信標幀通告全網(wǎng)資源的使用情況，使用最大功率發(fā)射。信標幀發(fā)送的策略組網(wǎng)信標幀每隔一定時期發(fā)送一次，幫助網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點重新了解網(wǎng)絡(luò) 拓撲的變動；預(yù)約信標幀僅在有需要的時候發(fā)送。簇首節(jié)點通過廣播發(fā)送組網(wǎng)信標幀實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的組建，參見圖6。組網(wǎng)信標幀的發(fā)送使 用普通節(jié)點功率能級，且只允許轉(zhuǎn)發(fā)一次，離簇首一跳范圍內(nèi)的節(jié)點均能順利收到該組網(wǎng)信 標幀。組網(wǎng)信標幀中包含的信息有1) 同步信息完成整個網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的時間同步2) 組網(wǎng)信息根據(jù)簇成員節(jié)點ID規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)信標幀的延遲時間，避 免同時轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)信標幀時帶來的嚴重的碰撞。處于簇首節(jié)點一跳范圍內(nèi)的節(jié)點在收到組網(wǎng)信標幀后，將根據(jù)組網(wǎng)信標幀中攜帶的組網(wǎng)信息，按預(yù)定好的延遲時間，依次進行轉(zhuǎn)發(fā)。假定網(wǎng)絡(luò)是對稱的，且在組網(wǎng)過程中，虛擬簇中的節(jié)點均處于偵聽信道狀態(tài)，則偵聽到 的鄰居信息可記錄到路由表中，認為其是可達的。任何接收到信標幀的節(jié)點都相當于獲得了 到達簇首節(jié)點的路徑信息。在一個超幀周期之后，網(wǎng)絡(luò)即完成組建。網(wǎng)絡(luò)進入運行階段后，虛擬簇中的節(jié)點可采用不定期或始終偵聽信道狀態(tài)，采用不定期 偵聽方式時，要確證在每個超幀周期的信標幀廣播階段，簇內(nèi)所有節(jié)點都處于偵聽狀態(tài)。節(jié) 點在偵聽信道的過程中，可根據(jù)偵聽結(jié)果修改自身的路由表信息。當簇內(nèi)某個節(jié)點產(chǎn)生對QOS保障有要求的業(yè)務(wù)流以后，即發(fā)起一個資源預(yù)約請求過程 節(jié)點首先根據(jù)該業(yè)務(wù)流的目的地址，檢查自身路由表，1) 若有相關(guān)路由信息，則直接形成一個資源預(yù)約請求幀發(fā)送給簇首節(jié)點，該資源預(yù)約請 求幀格式參見圖3，攜帶的信息包括該業(yè)務(wù)流即將使用的路徑、業(yè)務(wù)流的種類，節(jié)點在接收到 簇首節(jié)點的ACK回應(yīng)后，即開始等待簇首節(jié)點使用預(yù)約信標幀公布資源劃分結(jié)果。2) 若無相關(guān)路由信息，則發(fā)送RREQ，發(fā)起尋路過程。該RREQ格式參見圖4，攜帶的 信息包括業(yè)務(wù)流的種類，并且記錄下自身經(jīng)過的路徑信息。RREQ分組的發(fā)送僅限于超幀的 CSMA時間段，使用泛洪的機制。目的節(jié)點接收到該RREQ后，提取出該RREQ中存儲下的 路徑信息，根據(jù)此信息原路回送一個RREP。該RREP格式參見圖5，緊接著節(jié)點立即發(fā)送一 個資源預(yù)約請求幀給簇首節(jié)點，在接收到簇首節(jié)點的ACK回應(yīng)后，開始等待過程。簇首節(jié)點在收到資源預(yù)約請求幀后，會立即大功率單播回復(fù)一個ACK給請求節(jié)點，然后 簇首節(jié)點將首先檢查資源預(yù)約請求幀中的業(yè)務(wù)流種類域，所經(jīng)節(jié)點地址域和時間戳域，對當 前業(yè)務(wù)流所應(yīng)分配的時間做出計算，然后結(jié)合當前的網(wǎng)絡(luò)資源使用狀況，判決是否有足夠的 資源支撐當前業(yè)務(wù)流請求。若有足夠的時間段資源，即在超幀CSMA段的尾部劃分出適當?shù)?時間段給該業(yè)務(wù)流使用。此時間段又具體細化分配給該業(yè)務(wù)流所經(jīng)過的節(jié)點，每一個節(jié)點分 配到的時間段的大小和先后順序?qū)⒂蓵r間戳，業(yè)務(wù)流種類共同決定。資源劃分完成后，簇首節(jié)點將在緊接著的信標幀時段，發(fā)送包含網(wǎng)絡(luò)資源分配的預(yù)約信 標幀，公告全網(wǎng)。相關(guān)的所有節(jié)點接收到該幀后，將根據(jù)資源劃分情況，在下一超幀周期， 開始自身的業(yè)務(wù)流的傳送。
權(quán)利要求
1、一種在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行集中式資源預(yù)約管理的方法，其特征在于以下步驟步驟一節(jié)點產(chǎn)生需要Qos保障的業(yè)務(wù)流后，節(jié)點成為發(fā)送節(jié)點，首先判斷自身路由表中是否含有目的節(jié)點的地址信息，如有，則發(fā)送節(jié)點形成資源預(yù)約請求幀，發(fā)送給簇首節(jié)點，等待簇首節(jié)點的資源預(yù)約通知，進入步驟四；若沒有，則形成路由請求分組(RREQ)，跳轉(zhuǎn)至步驟二；該RREQ分組中應(yīng)附加攜帶將要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)流的種類，業(yè)務(wù)流的目的地址，并限制該分組最大的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。步驟二發(fā)送節(jié)點采用廣播的形式發(fā)送RREQ分組，接收到該分組的節(jié)點根據(jù)分組中的相關(guān)信息，判斷對該分組采取何種處理方法。步驟三發(fā)送節(jié)點接收到路由應(yīng)答分組(RREP)后，記錄可用的路徑信息，并立即開始一個等待過程，等待簇首節(jié)點下發(fā)資源預(yù)約通知；步驟四發(fā)送節(jié)點在收到簇首節(jié)點的資源預(yù)約通知以后，立即沿路由查找過程中確定的路徑開始業(yè)務(wù)流的傳送；若長時間接收不到針對自身的資源預(yù)約通知，則跳轉(zhuǎn)到步驟一。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行集中式資源預(yù)約管理的方法，其特征在于節(jié)點在接收到一個RREQ后，在確定自身從未收到過該RREQ分組的前提下，采用如下步驟判斷自身所應(yīng)采取的處理方法步驟一檢查該RREQ的目的地址是否為自己，若是，則跳轉(zhuǎn)到步驟三；若不是，則跳轉(zhuǎn)到步驟二。步驟二檢査該分組是否達到最大的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，若是，則對不做任何處理；若否，則把 分組的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)加一，并把自身的地址信息添加到該分組中，采用廣播的形式發(fā)送出去。步驟三根據(jù)接收到的RREQ分組中包含的路徑信息，目的節(jié)點形成一個路由應(yīng)答分組 (RREP)，該分組按原路徑回送給發(fā)送節(jié)點；目的節(jié)點同時根據(jù)RREQ分組中相關(guān)信息形成 資源預(yù)約請求幀，發(fā)送給簇首節(jié)點，并等待簇首節(jié)點回送ACK分組。該資源預(yù)約請求幀中應(yīng) 攜帶業(yè)務(wù)流的類型及所經(jīng)路徑信息，其中所經(jīng)路徑信息中應(yīng)包含業(yè)務(wù)流將要經(jīng)過的節(jié)點地址， 經(jīng)過該地址時的時間戳等信息。步驟四簇首節(jié)點在接收到資源預(yù)約請求幀后單播回送ACK給目的節(jié)點，同時根據(jù)虛擬 簇中的資源使用情況，給即將發(fā)生的業(yè)務(wù)流分配適當?shù)馁Y源，并廣播通知虛擬簇中所有節(jié)點。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進行集中式資源預(yù)約管理的方法，適用于多跳移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)初始化時，由預(yù)先指定的簇首節(jié)點完成對周圍節(jié)點的時間同步，這些同步的節(jié)點共同構(gòu)成一個虛擬簇。同步的過程中，節(jié)點可獲悉自己到達簇首節(jié)點的路徑信息。虛擬簇內(nèi)成員節(jié)點產(chǎn)生Qos業(yè)務(wù)流時，首先獲得可用路徑，然后告知簇首節(jié)點可用路徑信息和業(yè)務(wù)流種類信息，由簇首節(jié)點統(tǒng)一分配管理簇內(nèi)所有Qos業(yè)務(wù)流所使用的資源。本發(fā)明可實現(xiàn)簇成員之間需進行多跳傳輸時的資源預(yù)約。
文檔編號H04L12/56GK101247339SQ20081005995
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者劉海濤, 帥 張, 旸 楊, 棟 楊, 翔 王 申請人:中科院嘉興中心微系統(tǒng)所分中心