專利名稱：：基于ieee802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的正EE802.15.4協(xié)議和在此基礎(chǔ)上的節(jié)點(diǎn)占空比自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法及能量高效休眠機(jī)制，屬無線網(wǎng)絡(luò)通信
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線自組織方式形成的一個多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。IEEE802.15.4是美國電氣電子工程師學(xué)會最初為低速率無線個人域網(wǎng)絡(luò)(LR-WPANs)制定的一套網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。而由于其物理層(PHY)的能量高效和魯棒性，以及介質(zhì)接入控制子層(MAC)的靈活性非常適合于低速率、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因此正EE802.15.4也成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一套重要的通信協(xié)議。IEEE802.15.4支持兩種工作模式(1)無信標(biāo)使能模式(nonbeacon-enabled):此時MAC通過非時隙載波偵聽多路接入/沖突避免算法(CSMA/CA)進(jìn)行控制；(2)信標(biāo)使能模式(beacon-enabled):此時各節(jié)點(diǎn)通過接收網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器周期性廣播的信標(biāo)幀(beacon)保持同步，MAC通過時隙CSMA/CA算法進(jìn)行控制。在信標(biāo)使能模式中，協(xié)議使用超幀(superframe)進(jìn)行定時。超幀跟隨在周期性的信標(biāo)幀之后，并被分為活躍期(activeportion)與可選的非活躍期(inactiveportion)。對于活躍期，競爭接入周期(CAP)用于節(jié)點(diǎn)通過時隙CSMA/CA算法競爭信道資源；可選的無競爭接入周期(CFP)用于為特定應(yīng)用分配特定的信道資源，主要是為了滿足對端到端時延和帶寬要求較高的應(yīng)用。而在非活躍期，節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入低功耗的休眠模式。在超幀結(jié)構(gòu)中，信標(biāo)間隔周期(beaconinterval,定義為兩個連續(xù)信標(biāo)幀之間的時間間隔，由式(l)可知，其時間長度可以通過信標(biāo)指數(shù)(beaconorder,50)進(jìn)行控制；活躍期長度定義為超幀持續(xù)時間(superframeduration,SD)，由式(2)可知，其時間長度可以通過超幀指數(shù)(superframeorder,SO)進(jìn)行控制。其中SD0為一個值為960symbols的常量。5/=5Z)0x2sosymbols(1)SZ>=叫x2sosymbols(2)IEEE802.15.4節(jié)點(diǎn)占空比(dutycycle,DC)定義為其信標(biāo)間隔周期中活躍期長度Si)與其當(dāng)前整個信標(biāo)間隔周期長度^/的比值。又結(jié)合式(1)和式(2)可知，DC可以進(jìn)一步由50和SO的差值決定?！阇=圧=2洞0(3)由于占空比可以決定節(jié)點(diǎn)休眠時間的長短，因此其對于節(jié)點(diǎn)的能量高效至關(guān)重要。此外，通過調(diào)整占空比還可以平衡節(jié)點(diǎn)的功率消耗和端到端時延性能。當(dāng)占空比較低時，節(jié)點(diǎn)用于信道偵聽、信道資源競爭、數(shù)據(jù)幀收發(fā)等操作的活躍期只占整個信標(biāo)間隔周期的很小部分，而節(jié)點(diǎn)大部分時間休眠于低功耗的非活躍期。雖然節(jié)點(diǎn)的功率消耗和網(wǎng)絡(luò)的生命周期是進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計時需要重點(diǎn)考慮的性能指標(biāo)，但是如果占空比過低，會導(dǎo)致很大的網(wǎng)絡(luò)端到端時延。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在休眠之前未完成的操作及其在休眠過程中新加等待處理的操作，均要延遲到下一個信標(biāo)間隔周期才能開始進(jìn)行。因此如果周期內(nèi)的非活躍期過長，那么這種延遲將會很大。相反，如果占空比較高時，網(wǎng)絡(luò)的端到端時延性能將會改善，但是可能此時節(jié)點(diǎn)的大部分時間處在不必要的空閑偵聽狀態(tài)從而浪費(fèi)大量寶貴的能量。隨著對IEEE802.15.4協(xié)議研究的不斷深入，目前己經(jīng)提出了幾種在其基礎(chǔ)上的節(jié)點(diǎn)占空比自適應(yīng)方法，但是又都各有不足。文獻(xiàn)"DCA:用于IEEE802.15.4信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)的占空比自適應(yīng)算法"("DCA:Duty-CycleAd叩tationAlgorithmfor正EE802.15.4Beacon-EnabledNetworks",JEONJ，LEEJW,HAJY，Wa/.ProceedingsofIEEE65thVehicularTechnologyConference(VTC).2007.110-113.)通過取定50而調(diào)節(jié)SO來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)占空比的自適應(yīng)調(diào)整。而SO取定就意味著網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期是一定的，即所有節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀的頻率是一定的，但是在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較小時其信標(biāo)幀接收頻率是可以適當(dāng)減小的。而根據(jù)對目前主流的低功耗RF芯片各工作狀態(tài)功率消耗的測定結(jié)果來看，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收狀態(tài)的功率消耗是空閑狀態(tài)的數(shù)十倍，因此減少節(jié)點(diǎn)對信標(biāo)幀的接收頻率比單純減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽更加有效。而文獻(xiàn)"一種新型的用于IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)算法"("ANewBeaconOrderAdaptationAlgorithmforIEEE802.15.4Networks",NEUGEBAUERM，PLd麗IGSJ，KABITZSCHK.Proceedingsof2ndEuropeanWorkshoponWirelessSensorNetworks(EWSN).2005.302-311.)提出的方法與之前的方法正好相反，該方法是通過取定SO而調(diào)節(jié)SO來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)占空比的自適應(yīng)調(diào)整的。但是該方法保留了正EE802.15.4的很多特性，依然是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器統(tǒng)一調(diào)節(jié)網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的同一個SO(即同一個信標(biāo)間隔周期)，而協(xié)調(diào)器在每個周期之前只廣播最小的一個BO可取值，這就意味著即使網(wǎng)內(nèi)只有一個節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)流量，那么其它無流量節(jié)點(diǎn)的占空比也不能獨(dú)自降低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于正EE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，可以使作為網(wǎng)絡(luò)中心控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獨(dú)立地根據(jù)從各節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)幀發(fā)送隊(duì)列信息對各節(jié)點(diǎn)占空比和信標(biāo)間隔周期同時地進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。節(jié)點(diǎn)在配合協(xié)調(diào)器工作的同時，根據(jù)能量高效休眠機(jī)制進(jìn)一步保證功率消耗性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明考慮到網(wǎng)絡(luò)的功率消耗和端到端時延兩者之間的相互矛盾，在廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正EE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出一種有效的節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法。在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較小的情況下，通過延長該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期而延長節(jié)點(diǎn)休眠時間，進(jìn)而減少節(jié)點(diǎn)功率消耗，同時降低節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀接收頻率進(jìn)而減少節(jié)點(diǎn)用于信標(biāo)幀接收的功率消耗；在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較大的情況下，通過縮短該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期而保證網(wǎng)絡(luò)端到端時延性能，同時降低同一時間競爭信道資源的節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)而改善網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。節(jié)點(diǎn)同時采用能量高效休眠機(jī)制可使其于周期內(nèi)活躍期提前進(jìn)行休眠，從而進(jìn)一步節(jié)省其功率消耗。本發(fā)明在保證節(jié)點(diǎn)能量高效的同時，使網(wǎng)絡(luò)功率消耗和端到端時延在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下取得良好的平衡。本發(fā)明的基于正EE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，具體包括如下步驟1)對于每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分別使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獨(dú)立記錄一個用于控制該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期長度的信標(biāo)指數(shù)，為每個節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)設(shè)置統(tǒng)一的調(diào)節(jié)范圍，并取該調(diào)節(jié)范圍中的最小值為初始廣播的信標(biāo)幀中各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)初值；將用于控制各節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期中活躍期長度的超幀指數(shù)設(shè)定為不大于信標(biāo)指數(shù)初值的常量；將由協(xié)調(diào)器控制的周期性信標(biāo)幀的廣播間隔設(shè)定為最小的信標(biāo)間隔周期長度；由協(xié)調(diào)器廣播初始信標(biāo)幀，建立一個基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；2)協(xié)調(diào)器分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的IEEE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；在某一節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送的情況下，該節(jié)點(diǎn)需要為協(xié)調(diào)器提供自身的數(shù)據(jù)幀發(fā)送隊(duì)列信息，即如果節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的退避過程中檢査到其緩沖區(qū)中還有其它待發(fā)數(shù)據(jù)幀或是又有新數(shù)據(jù)幀到達(dá)，那么此時該節(jié)點(diǎn)將其待發(fā)數(shù)據(jù)幀中的隊(duì)列信息字段置位為1，否則將其復(fù)位為O;4)協(xié)調(diào)器根據(jù)對某一節(jié)點(diǎn)的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；如果收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，協(xié)調(diào)器進(jìn)一步檢查該數(shù)據(jù)幀中隊(duì)列信息字段的值；如果隊(duì)列信息字段值為l，協(xié)調(diào)器在判斷該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)還未減少到最小值的情況下將該指數(shù)減1并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中，否則保持其最小值；如果隊(duì)列信息字段值為O，協(xié)調(diào)器保持該節(jié)點(diǎn)原有信標(biāo)指數(shù)；如果在該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時協(xié)調(diào)器仍未收到其發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，協(xié)調(diào)器在判斷該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)還未增加到最大值的情況下將該指數(shù)加1并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中，否則保持其最大值;5)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢査其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；如果某一節(jié)點(diǎn)新接收的信標(biāo)幀中含有與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)更新操作，否則節(jié)點(diǎn)保持原有信標(biāo)指數(shù)；在某一節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入下一個信標(biāo)間隔周期。本發(fā)明中，節(jié)點(diǎn)采用一種能量高效休眠機(jī)制，即各節(jié)點(diǎn)在特定情況下于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期即可提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，包括三種情況在當(dāng)前活躍期起始時節(jié)點(diǎn)無待發(fā)數(shù)據(jù)幀，或在當(dāng)前活躍期結(jié)束前節(jié)點(diǎn)成功地將待發(fā)數(shù)據(jù)幀傳輸至協(xié)調(diào)器；當(dāng)退避嘗試接入信道次數(shù)達(dá)到協(xié)議要求的上限，而該節(jié)點(diǎn)依然無法接入信道；節(jié)點(diǎn)估計出當(dāng)前活躍期剩余時間不足以完成通過載波偵聽多路接入/沖突避免算法進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸所需的剩余步驟，包括空閑信道評估、數(shù)據(jù)幀傳輸、和等待確認(rèn)幀。所述節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀可在正EE802.15.4數(shù)據(jù)幀基礎(chǔ)上，利用其MAC頭部中的預(yù)留字段中的l比特作為隊(duì)列信息字段。所述協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀可在IEEE802.15.4信標(biāo)幀基礎(chǔ)上，在其MAC載荷部分中添加一個信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)控制域，包括信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則和地址列表兩部分占用1字節(jié)的信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則中包括的信標(biāo)指數(shù)增加數(shù)量域和信標(biāo)指數(shù)減少數(shù)量域兩個同樣占用4比特的域，分別表示信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則之后的地址列表中有信標(biāo)指數(shù)增加變化和信標(biāo)指數(shù)減少變化的節(jié)點(diǎn)地址數(shù)量；地址列表中只添加有信標(biāo)指數(shù)更新變化的節(jié)點(diǎn)地址；如果某一種信標(biāo)指數(shù)變化的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則所限的16個，則多余節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)暫時保持不變。本發(fā)明提出的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法的優(yōu)點(diǎn)如下1)在節(jié)點(diǎn)長時間沒有數(shù)據(jù)幀等待發(fā)送的情況下，協(xié)調(diào)器會通過該方法逐漸將該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)增大，即延長了相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期，從而延長了節(jié)點(diǎn)休眠時間進(jìn)而減少了節(jié)點(diǎn)功率消耗。信標(biāo)間隔周期的延長同時降低了節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀接收頻率，而根據(jù)對目前主流的低功耗RF芯片各工作狀態(tài)功率消耗的測定結(jié)果來看，節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收狀態(tài)的功率消耗是空閑狀態(tài)的數(shù)十倍，因此為了進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)功率消耗，減少節(jié)點(diǎn)對信標(biāo)幀的接收頻率比單純減少節(jié)點(diǎn)空閑偵聽更加有效；2)在節(jié)點(diǎn)長時間沒有數(shù)據(jù)幀等待發(fā)送之后產(chǎn)生突發(fā)數(shù)據(jù)流量的情況下，如果突發(fā)數(shù)據(jù)流量不大，則先競爭到信道資源成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的一方相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)會首先減小，從而在其它節(jié)點(diǎn)依然休眠時可以繼續(xù)競爭信道資源，則繼續(xù)成功發(fā)送數(shù)據(jù)幀的概率增大，這樣可以使數(shù)據(jù)流量小的節(jié)點(diǎn)盡快退出信道資源競爭，緩解突發(fā)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；3)在節(jié)點(diǎn)持續(xù)數(shù)據(jù)流量較大的情況下，協(xié)調(diào)器會通過該方法逐漸將該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)減小，即縮短了相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期，從而保證了網(wǎng)絡(luò)端到端時延性能；4)由于各節(jié)點(diǎn)的定時周期是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獨(dú)立控制的，因此各節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期中用于競爭信道資源的活躍期并不是同時完全重疊在一起的，這樣可以避免由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器統(tǒng)一定時所造成的網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)同時蘇醒而在有限的活躍期內(nèi)同時競爭信道資源。該方法可以使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的活躍期和非活躍期更合理地分布，從而緩解了由重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載所導(dǎo)致的大量數(shù)據(jù)幀的碰撞和丟棄現(xiàn)象，進(jìn)而改善了網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。5)節(jié)點(diǎn)采用能量高效休眠機(jī)制，在不改變IEEE802.15.4協(xié)議的情況下，進(jìn)一步節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的功率消耗。綜上所述，節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法比較適用于數(shù)據(jù)流量較小且穩(wěn)定的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如醫(yī)療人體監(jiān)控、生態(tài)環(huán)境監(jiān)控、路況信息監(jiān)控等。而該方法不太適用于對突發(fā)時延性能要求較高的應(yīng)用，如突發(fā)告警，以及持續(xù)數(shù)據(jù)流量較大的應(yīng)用，如多媒體通信。圖1為典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。圖2為本發(fā)明實(shí)施例采用的仿真場景。圖3為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般操作步驟。圖4為本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器操作示例。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)功率消耗仿真曲線。圖6為本發(fā)明實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功率消耗仿真曲線。圖7為本發(fā)明實(shí)施例的全網(wǎng)功率消耗仿真曲線。圖8為本發(fā)明實(shí)施例的端到端時延仿真曲線。圖9為本發(fā)明實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)吞吐量仿真曲線。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。對于一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，由于整個網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)眾多且單個節(jié)點(diǎn)的通信范圍有限，因此通過分簇算法將網(wǎng)絡(luò)中各局部的節(jié)點(diǎn)分簇從而使整個網(wǎng)絡(luò)形成分簇樹形拓?fù)涫且环N比較有效的實(shí)現(xiàn)方式。如圖1所示，每個PAN子網(wǎng)作為一個相對獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)簇由一個作為簇首的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理，而各簇之間的數(shù)據(jù)流量由各簇簇首負(fù)責(zé)傳遞，并最終由一個第一網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器控制全網(wǎng)的運(yùn)行。為了關(guān)注于本發(fā)明方法性能的驗(yàn)證而不涉及其它具體技術(shù)，如節(jié)點(diǎn)分簇算法、路由選擇算法等，對驗(yàn)證該方法的實(shí)驗(yàn)場景的設(shè)置主要考慮單個獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)簇，簇內(nèi)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為簇首，而簇內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)與簇首形成一個星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本實(shí)施例即選取圖1中的一個節(jié)點(diǎn)簇如圖2所示，節(jié)點(diǎn)0作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)對簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)1-6的控制管理。圖3所示為采用本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器操作的一般步驟，而簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)主要為配合協(xié)調(diào)器進(jìn)行相關(guān)操作。而圖4所示為本實(shí)施例中協(xié)調(diào)器進(jìn)行五個周期操作的示例。按本發(fā)明方法步驟，本實(shí)施例具體描述如下、1)在圖2中的網(wǎng)絡(luò)建立之初，需要設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。主要參數(shù)設(shè)置如表l所示，其余系統(tǒng)參數(shù)均采用正EE802.15.4協(xié)議中定義的缺省值。其中，四個節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)(包括空閑、休眠、發(fā)送、接收狀態(tài))的功率消耗根據(jù)低功耗RF芯片Tl/ChipconCC2420的測定結(jié)果而設(shè)置；對于每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分別使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獨(dú)立記錄一個用于控制該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期長度的信標(biāo)指數(shù)，為每個節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)設(shè)置統(tǒng)一的調(diào)節(jié)范圍，本實(shí)例設(shè)置為[O,6]，并取該調(diào)節(jié)范圍中的最小值0為初始廣播的信標(biāo)幀中各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)初值(需要指出的是，對于大部分低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，信標(biāo)指數(shù)最小值不必取很小值，而為了驗(yàn)證本發(fā)明方法的有效性，本實(shí)驗(yàn)場景中特別考慮最小值取0的最壞情況。)；將用于控制各節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期中活躍期長度的超幀指數(shù)設(shè)定為不大于信標(biāo)指數(shù)初值的常量，本實(shí)例中設(shè)置為0;將由協(xié)調(diào)器控制的周期性信標(biāo)幀的廣播間隔設(shè)定為最小的信標(biāo)間隔周期長度；由協(xié)調(diào)器廣播初始信標(biāo)幀，建立一個基于正EE802.15.4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；開始步驟2進(jìn)入圖4所示的第一個信標(biāo)間隔周期。表l.系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>2)(周期一)協(xié)調(diào)器首先分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)(周期一)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的IEEE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；對于節(jié)點(diǎn)來說，本周期未向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由于采用能量高效休眠機(jī)制，其可于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，包括三種可能情況在當(dāng)前活躍期起始時節(jié)點(diǎn)無待發(fā)數(shù)據(jù)幀；當(dāng)退避嘗試接入信道次數(shù)達(dá)到協(xié)議要求的上限，而該節(jié)點(diǎn)依然無法接入信道；節(jié)點(diǎn)估計出當(dāng)前活躍期剩余時間不足以完成通過載波偵聽多路接入/沖突避免算法進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸所需的剩余步驟，包括空閑信道評估、數(shù)據(jù)幀傳輸、和等待確認(rèn)幀；4)(周期一)協(xié)調(diào)器根據(jù)對節(jié)點(diǎn)/的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；在SO,和SO均為0的第一個信標(biāo)間隔周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器沒有收到節(jié)點(diǎn)/發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，則網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在此周期結(jié)束時將BO,加1，并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中；5)(周期一)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢查其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；節(jié)點(diǎn)z'進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)更新操作，在該節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入圖4所示的第二個信標(biāo)間隔周期。2)(周期二)協(xié)調(diào)器分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)(周期二)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的正EE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；對于節(jié)點(diǎn)/來說，本周期未向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由于采用能量高效休眠機(jī)制，其可于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，包括三種可能情況在當(dāng)前活躍期起始時節(jié)點(diǎn)無待發(fā)數(shù)據(jù)幀；當(dāng)退避嘗試接入信道次數(shù)達(dá)到協(xié)議要求的上限，而該節(jié)點(diǎn)依然無法接入信道；節(jié)點(diǎn)估計出當(dāng)前活躍期剩余時間不足以完成通過載波偵聽多路接入/沖突避免算法進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸所需的剩余步驟，包括空閑信道評估、數(shù)據(jù)幀傳輸、和等待確認(rèn)幀；4)(周期二)協(xié)調(diào)器根據(jù)對節(jié)點(diǎn)z'的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；由于SO不變，因此第二個周期的活躍期時間長度不變，而整個周期長度由于^9,的增加而成為第一個周期的兩倍，則占空比降為50%;協(xié)調(diào)器在此周期內(nèi)同樣沒有收到節(jié)點(diǎn)/發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，SO,再增加1，并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中；5)(周期二)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢査其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；節(jié)點(diǎn)/進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)更新操作，在該節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入圖4所示的第三個信標(biāo)間隔周期；2)(周期三)協(xié)調(diào)器分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)(周期三)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的IEEE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；在節(jié)點(diǎn)/有數(shù)據(jù)幀發(fā)送的情況下，該節(jié)點(diǎn)需要為協(xié)調(diào)器提供自身的數(shù)據(jù)幀發(fā)送隊(duì)列信息，節(jié)點(diǎn)/在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的退避過程中檢査到其緩沖區(qū)中還有其它待發(fā)數(shù)據(jù)幀或是又有新數(shù)據(jù)幀到達(dá)，該節(jié)點(diǎn)將其待發(fā)數(shù)據(jù)幀中的隊(duì)列信息字段置位為1;對于節(jié)點(diǎn)/來說，本周期有向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由于采用能量高效休眠機(jī)制，其可于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，即情況在當(dāng)前活躍期結(jié)束前節(jié)點(diǎn)成功地將待發(fā)數(shù)據(jù)幀傳輸至協(xié)調(diào)器；4)(周期三)協(xié)調(diào)器根據(jù)對節(jié)點(diǎn)/的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；節(jié)點(diǎn)z'的第三個周期的占空比降為25%，其休眠時間繼續(xù)延長。而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在此周期收到了節(jié)點(diǎn)/發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，并且數(shù)據(jù)幀內(nèi)的隊(duì)列信息字段i^顯示節(jié)點(diǎn)z'的緩沖區(qū)中還有待發(fā)數(shù)據(jù)幀，則此時網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將BO,減1，并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中；5)(周期三)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢査其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；節(jié)點(diǎn)z'進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)更新操作，在該節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入圖4所示的第四個信標(biāo)間隔周期；2)(周期四)協(xié)調(diào)器首先分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)(周期四)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的正EE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；在節(jié)點(diǎn)z'有數(shù)據(jù)幀發(fā)送的情況下，該節(jié)點(diǎn)需要為協(xié)調(diào)器提供自身的數(shù)據(jù)幀發(fā)送隊(duì)列信息，節(jié)點(diǎn)z'在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的退避過程中檢查到其緩沖區(qū)中沒有其它待發(fā)數(shù)據(jù)幀或是新數(shù)據(jù)幀到達(dá)，那么此時該節(jié)點(diǎn)將其待發(fā)數(shù)據(jù)幀中的隊(duì)列信息字段復(fù)位為O;對于節(jié)點(diǎn)/來說，本周期有向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由于采用能量高效休眠機(jī)制，其可于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，即情況在當(dāng)前活躍期結(jié)束前節(jié)點(diǎn)成功地將待發(fā)數(shù)據(jù)幀傳輸至協(xié)調(diào)器；4)(周期四)協(xié)調(diào)器根據(jù)對節(jié)點(diǎn)/的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；為了保證節(jié)點(diǎn)/緩沖區(qū)發(fā)送隊(duì)列中數(shù)據(jù)幀的端到端時延性能，第四個周期占空比又升為50%。隨后網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到了新的數(shù)據(jù)幀，而其中Fg顯示節(jié)點(diǎn)/的緩沖區(qū)中已沒有待發(fā)數(shù)據(jù)幀，那么此時網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器無需再將SO,減小，從而保證節(jié)點(diǎn)f獲得更多的休眠時間；5)(周期四)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢査其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；節(jié)點(diǎn)/保持原有信標(biāo)指數(shù)；在某一節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入圖4所示的第五個信標(biāo)間隔周期；2)(周期五)協(xié)調(diào)器分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)(周期五)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的IEEE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；對于節(jié)點(diǎn)/來說，本周期未向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，由于采用能量高效休眠機(jī)制，其可于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，包括三種可能情況在當(dāng)前活躍期起始時節(jié)點(diǎn)無待發(fā)數(shù)據(jù)幀；當(dāng)退避嘗試接入信道次數(shù)達(dá)到協(xié)議要求的上限，而該節(jié)點(diǎn)依然無法接入信道；節(jié)點(diǎn)估計出當(dāng)前活躍期剩余時間不足以完成通過載波偵聽多路接入/沖突避免算法進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸所需的剩余步驟，包括空閑信道評估、數(shù)據(jù)幀傳輸、和等待確認(rèn)幀；4)(周期五)協(xié)調(diào)器根據(jù)對節(jié)點(diǎn)z'的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；在第五個周期內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器未收到節(jié)點(diǎn)/發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，重新將BO,增加l,并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中；5)(周期五)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢查其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；節(jié)點(diǎn)/進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)更新操作，在該節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入其下一個信標(biāo)間隔周期。以圖2所示的星形網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)驗(yàn)場景，以所有網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)l-6作為數(shù)據(jù)源，均以一個固定的平均時間間隔向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送泊松數(shù)據(jù)流量，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)向網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)幀。通過逐漸增加網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀發(fā)送頻率，可以比較采用本發(fā)明方法的正EE802.15.4和傳統(tǒng)正EE802.15.4在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下的性能。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，因此節(jié)點(diǎn)的功率消耗以及網(wǎng)絡(luò)的生命周期是進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計時需要重點(diǎn)考慮的性能指標(biāo)之一。而整個網(wǎng)絡(luò)的功率消耗分為兩個部分網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功率消耗。圖5所示為采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4和傳統(tǒng)IEEE802.15.4關(guān)于網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)功率消耗的仿真比較曲線，其中紅色曲線對應(yīng)采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4，黑色曲線對應(yīng)傳統(tǒng)IEEE802.15.4取定不同SO時的仿真結(jié)果。從圖5可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較小時，以每節(jié)點(diǎn)平均1數(shù)據(jù)包/秒為例，此時采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4的性能接近于傳統(tǒng)IEEE802.15.4在5(9取5、6時的性能，即協(xié)議優(yōu)先保證節(jié)點(diǎn)的功率消耗性能。這是因?yàn)楫?dāng)傳統(tǒng)協(xié)議SO取定為6時，節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期正好接近1秒，對于平均1數(shù)據(jù)包/秒的數(shù)據(jù)流量來說節(jié)點(diǎn)在大部分情況下可以保證一個周期發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀而緩沖區(qū)發(fā)送隊(duì)列不會過多滯留待發(fā)數(shù)據(jù)幀，即采用本發(fā)明方法的正EE802.15.4可以使節(jié)點(diǎn)大部分時間使SO保持在5、6左右。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較大時，以每節(jié)點(diǎn)平均32數(shù)據(jù)包/秒為例，此時采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4的性能接近于傳統(tǒng)IEEE802.15.4在￡<9取0、1時的性能r即協(xié)議優(yōu)先保證網(wǎng)絡(luò)的端到端時延性能而非節(jié)點(diǎn)的功率消耗。為了研究方便，很多現(xiàn)有的研究成果通常假設(shè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是有交流供電的，因此在考慮功率消耗時只考慮網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的功率消耗。但是為了使設(shè)計的協(xié)議具有更廣泛的適用性，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功率消耗性能也是需要考慮的。由于本發(fā)明方法是以犧牲部分網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的能量而換取網(wǎng)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的能量節(jié)省的，因此需要驗(yàn)證這種犧牲是否可以換取整個網(wǎng)絡(luò)功率消耗的節(jié)省，這樣就可以通過節(jié)點(diǎn)分簇算法的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器輪換以保證全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量的均衡消耗。圖6所示為采用本發(fā)明方法的正EE802.15.4和傳統(tǒng)IEEE802.15.4關(guān)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功率消耗的仿真比較曲線。從圖6可以看出，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較小時，采用本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功率消耗相對較高。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器始終需要以BO取0時的最小信標(biāo)間隔周期廣播信標(biāo)幀，而對于傳統(tǒng)正EE802.15.4來說在50取較大值時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于信標(biāo)幀廣播的功率消耗會明顯減少。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較大時，采用本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功率消耗依然相對較高，但是此時網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的大部分功率消耗是用于數(shù)據(jù)幀的接收而不是信標(biāo)幀的廣播，因此高頻率的信標(biāo)幀廣播所帶來的影響在節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量較大時被弱化了。圖7所示為采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4和傳統(tǒng)正EE802.15.4關(guān)于全網(wǎng)功率消耗的仿真比較曲線，即由圖5和圖6所示曲線相加得到。從圖7可以看出，在需要保證功率消耗性能的低數(shù)據(jù)流量情況下，全網(wǎng)的功率消耗還是相對較低的。而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用于高頻率信標(biāo)幀廣播的額外功率消耗對于全網(wǎng)功率消耗來說會更加的不明顯。提出占空比自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法的目的就是能夠使網(wǎng)絡(luò)的功率消耗和端到端時延這對相互矛盾的性能指標(biāo)能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下取得良好的平衡，因此采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4禾n傳統(tǒng)IEEE802.15.4關(guān)于端到端時延性能的比較也是需要考慮的，如圖8所示。從圖8可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流量的增大，采用本發(fā)明方法的IEEE802.15.4的端到端時延性能有明顯的改善，且大大優(yōu)于傳統(tǒng)正EE802.15.4在BO取較大值時的性能。對于網(wǎng)絡(luò)吞吐量來說，由于本發(fā)明方法可以避免由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器統(tǒng)一定時所造成的網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)同時蘇醒而在有限的活躍期內(nèi)同時競爭信道資源，因此本發(fā)明方法同樣也可以在一定程度上保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。如圖9所示，采用本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而平穩(wěn)上升，而相比之下傳統(tǒng)IEEE802.15.4的吞吐量性能則受到較重網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的明顯影響而上升緩慢甚至下降。權(quán)利要求1.一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，其特征在于包括如下步驟1)對于每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分別使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獨(dú)立記錄一個用于控制該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期長度的信標(biāo)指數(shù)，為每個節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)設(shè)置統(tǒng)一的調(diào)節(jié)范圍，并取該調(diào)節(jié)范圍中的最小值為初始廣播的信標(biāo)幀中各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)初值；將用于控制各節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期中活躍期長度的超幀指數(shù)設(shè)定為不大于信標(biāo)指數(shù)初值的常量；將由協(xié)調(diào)器控制的周期性信標(biāo)幀的廣播間隔設(shè)定為最小的信標(biāo)間隔周期長度；由協(xié)調(diào)器廣播初始信標(biāo)幀，建立一個基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；2)協(xié)調(diào)器分別根據(jù)當(dāng)前各信標(biāo)指數(shù)計算相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，對相應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立定時計數(shù)，以掌握各節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)間隔周期的起始和結(jié)束時刻；同時，每個網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)同樣根據(jù)當(dāng)前收到的信標(biāo)指數(shù)計算其相應(yīng)的信標(biāo)間隔周期長度，以獨(dú)立地進(jìn)行定時，并與協(xié)調(diào)器對該節(jié)點(diǎn)信標(biāo)間隔周期的控制保持同步；3)在各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的信標(biāo)間隔周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用能量高效休眠機(jī)制的IEEE802.15.4MAC協(xié)議進(jìn)行操作；在某一節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送的情況下，該節(jié)點(diǎn)需要為協(xié)調(diào)器提供自身的數(shù)據(jù)幀發(fā)送隊(duì)列信息，即如果節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)幀的退避過程中檢查到其緩沖區(qū)中還有其它待發(fā)數(shù)據(jù)幀或是又有新數(shù)據(jù)幀到達(dá)，那么此時該節(jié)點(diǎn)將其待發(fā)數(shù)據(jù)幀中的隊(duì)列信息字段置位為1，否則將其復(fù)位為0；4)協(xié)調(diào)器根據(jù)對某一節(jié)點(diǎn)的定時計數(shù)信息，判斷在該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前信標(biāo)間隔周期內(nèi)是否有收到其發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀；如果收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，協(xié)調(diào)器進(jìn)一步檢查該數(shù)據(jù)幀中隊(duì)列信息字段的值；如果隊(duì)列信息字段值為1，協(xié)調(diào)器在判斷該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)還未減少到最小值的情況下將該指數(shù)減1并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中，否則保持其最小值；如果隊(duì)列信息字段值為0，協(xié)調(diào)器保持該節(jié)點(diǎn)原有信標(biāo)指數(shù)；如果在該節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時協(xié)調(diào)器仍未收到其發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，協(xié)調(diào)器在判斷該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)還未增加到最大值的情況下將該指數(shù)加1并將該節(jié)點(diǎn)的相關(guān)更新信息加入之后待廣播的信標(biāo)幀中，否則保持其最大值；5)各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的定時信息在其當(dāng)前信標(biāo)間隔周期結(jié)束時，允許接收協(xié)調(diào)器新廣播的信標(biāo)幀并檢查其中是否含有與其相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息；如果某一節(jié)點(diǎn)新接收的信標(biāo)幀中含有與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信標(biāo)指數(shù)更新信息，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的信標(biāo)指數(shù)更新操作，否則節(jié)點(diǎn)保持原有信標(biāo)指數(shù)；在某一節(jié)點(diǎn)結(jié)束當(dāng)前信標(biāo)間隔周期并收到新的信標(biāo)幀時，返回步驟2進(jìn)入下一個信標(biāo)間隔周期。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IEEE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，其特征在于節(jié)點(diǎn)采用一種能量高效休眠機(jī)制，即各節(jié)點(diǎn)在特定情況下于信標(biāo)間隔周期內(nèi)的活躍期即可提前進(jìn)入休眠模式而不必等到非活躍期到來，包括三種情況在當(dāng)前活躍期起始時節(jié)點(diǎn)無待發(fā)數(shù)據(jù)幀，或在當(dāng)前活躍期結(jié)束前節(jié)點(diǎn)成功地將待發(fā)數(shù)據(jù)幀傳輸至協(xié)調(diào)器；當(dāng)退避嘗試接入信道次數(shù)達(dá)到協(xié)議要求的上限，而該節(jié)點(diǎn)依然無法接入信道；節(jié)點(diǎn)估計出當(dāng)前活躍期剩余時間不足以完成通過載波偵聽多路接入/沖突避免算法進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸所需的剩余步驟，包括空閑信道評估、數(shù)據(jù)幀傳輸、和等待確認(rèn)幀。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于正EE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，其特征在于所述節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀在IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀基礎(chǔ)上，利用其MAC頭部中的預(yù)留字段中的1比特作為隊(duì)列信息字段。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于IEEE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，其特征在于所述協(xié)調(diào)器廣播的信標(biāo)幀在IEEE802.15.4信標(biāo)幀基礎(chǔ)上，在其MAC載荷部分中添加一個信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)控制域，包括信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則和地址列表兩部分占用1字節(jié)的信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則中包括的信標(biāo)指數(shù)增加數(shù)量域和信標(biāo)指數(shù)減少數(shù)量域兩個同樣占用4比特的域，分別表示信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則之后的地址列表中有信標(biāo)指數(shù)增加變化和信標(biāo)指數(shù)減少變化的節(jié)點(diǎn)地址數(shù)量；地址列表中只添加有信標(biāo)指數(shù)更新變化的節(jié)點(diǎn)地址；如果某一種信標(biāo)指數(shù)變化的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于信標(biāo)指數(shù)自適應(yīng)規(guī)則所限的16個，則多余節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)指數(shù)暫時保持不變。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)占空比獨(dú)立自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法，在節(jié)點(diǎn)流量較小時，通過延長該節(jié)點(diǎn)的休眠時間進(jìn)而減少其功率消耗，同時降低該節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)幀接收頻率進(jìn)而減少其相應(yīng)的接收功率消耗；在節(jié)點(diǎn)流量較大時，通過獨(dú)立縮短該節(jié)點(diǎn)的休眠時間而保證其端到端時延性能，同時降低同一時間競爭信道的節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)而改善吞吐量性能。節(jié)點(diǎn)同時采用能量高效休眠機(jī)制可使其于周期內(nèi)活躍期提前進(jìn)行休眠，從而進(jìn)一步節(jié)省其功率消耗。本發(fā)明在保證節(jié)點(diǎn)能量高效的同時，使網(wǎng)絡(luò)功率消耗和端到端時延在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下取得良好的平衡，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器獨(dú)立地根據(jù)從各節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)幀發(fā)送隊(duì)列信息對各節(jié)點(diǎn)占空比和信標(biāo)間隔周期同時地進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。文檔編號H04L12/28GK101442551SQ20081020265公開日2009年5月27日申請日期2008年11月13日優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日發(fā)明者晨何,強(qiáng)林,軍田,蔣鈴鴿,博高申請人:上海交通大學(xué);富士通株式會社