專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡的同傳時隙分配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡的同傳時隙分配方法，尤其是對大尺度、實時數(shù) 據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡的同傳時隙分配方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sens or Networks, WSN)由幾十個到上百個節(jié)點組成 的、采用無線通信方式智能節(jié)點構成。它的特點是自組織、拓撲自適應，采用無線通信。近 年來，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)廣泛用于科學研究、社會服務、軍事應用。由于傳感器節(jié)點個數(shù) 多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣，常用于部署在環(huán)境復雜，甚至人員不能到達的區(qū)域，被廣泛 用于跟蹤、環(huán)境監(jiān)測。因此，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性是無線傳感器網(wǎng)絡應用的一個重要技術需 求。但由于無線傳感器網(wǎng)絡的高傳播延時和較低的數(shù)據(jù)發(fā)送率，硬件設備和協(xié)議成為具有 挑戰(zhàn)性的研究課題。為實現(xiàn)即時有效的數(shù)據(jù)傳輸，通過研究MAC協(xié)議減少時延成為一個熱 點ο介質(zhì)訪問控制協(xié)議(Medium Access Control,MAC)處于無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議 的底層部分，主要是解決傳感器節(jié)點間公平有效的共享通信媒體，此外，它在WSN網(wǎng)絡性能 中起到一個重要作用，并且是實現(xiàn)有效通信的一個關鍵網(wǎng)絡協(xié)議。針對WSN網(wǎng)絡節(jié)點的電 源能量有限、可用帶寬低以及計算和存儲能力低的特性，MAC協(xié)議必須平衡保存能量需求和 減少傳播時延，它將改變網(wǎng)絡的生存時間。減少能耗的一個方法是采用時分多址接入(Time Division Multiple Address, TDMA)方式避免沖突檢測，每個節(jié)點輪流占用時隙，其它時隙 時等待。TDMA的時隙分配方法通常有最短路徑和累積傳輸兩種，最短路徑時隙分配方法是 指每個節(jié)點選擇到匯聚節(jié)點最短路徑作為其路由，獨自占用一個時隙。網(wǎng)絡總延時為所有 節(jié)點時隙的累加；累積傳輸時隙分配方法是指最后一跳節(jié)點先分配時隙，選擇到向前路最 短路徑作為其路由，遂跳向前傳播數(shù)據(jù)的方法。與最短路徑相比，雖然各個節(jié)點也是獨自占 用一個時隙，但減少了前幾跳在鏈路上的傳播時延，因此總的網(wǎng)絡時延較小。在無線傳感器網(wǎng)絡中，當一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，與其隔三跳的節(jié)點及同跳內(nèi)相隔 較遠的節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)將不會對其產(chǎn)生影響。因此，利用此思路，我們發(fā)明一種同傳時隙 分配方法，與傳統(tǒng)的最短路徑和累積傳輸相比，可以進一步的減小網(wǎng)絡信道時延，提高網(wǎng)絡 的吞吐量。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明的利用所有不沖突的節(jié)點共享一個時隙的原理，提供 一種有效的時隙分配方法，從而實現(xiàn)充分利用有限的無線信道，共享時隙的分配，從而有效 的減少整個網(wǎng)絡的傳輸延時，提高網(wǎng)絡的吞吐量。本發(fā)明為一種大尺度無線傳感器網(wǎng)絡中的時隙分配方法，根據(jù)網(wǎng)絡的拓撲關系， 利用網(wǎng)絡中信道不干擾的節(jié)點同占時隙的原理，實現(xiàn)同傳時隙分配方法，該方法通過以下 步驟實現(xiàn)步驟一、由匯聚節(jié)點發(fā)起初始化廣播，得到網(wǎng)絡拓樸結構及路由生成樹；
步驟二、找到最后一跳節(jié)點中連接度最大的節(jié)點作為占用起始時隙節(jié)點，以該點 及其連接頂點的領接點集即通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點作為已占時隙節(jié)點集，時隙起值為0，將 其發(fā)送時延和傳播的總延時值作為該時隙終止值，其負載即需發(fā)送的數(shù)據(jù)轉移到其所連頂占.步驟三、依次判斷最后 一跳中各節(jié)點及其所連頂點是否屬于已占時隙節(jié)點集，若 不屬于，則比較該節(jié)發(fā)送時延和傳播時延的總延時值與時隙截止值，取兩者最大值作為時 隙截止值，其負載轉移到其所連頂點，并將該節(jié)點及其所接連頂點的鄰接點集加入已占時 隙節(jié)點集；步驟四、將時隙截止值作為新的時隙起始值，找到最后一跳沒有分配時隙節(jié)點中 連接度最大的節(jié)點，以這個節(jié)點的發(fā)送時延和傳播時延作為時隙終止值，其負載轉移到其 所連頂點；步驟五、重復步驟三至步驟四，直到最后一跳節(jié)點都分配時隙，并記錄該跳最終時 延截止值；步驟六、找到向前三跳節(jié)點中負載不為0的連接度最大節(jié)點作為占用起始節(jié)點， 時隙起始值為0，與最后一跳節(jié)點具有相同的起始值，將其發(fā)送時延和傳播的總延時值作為 該時隙終止值，其負載轉移到其所連頂點；步驟七、重步驟三至步驟六，直到跳數(shù)小于3，比較該輪同傳中各跳的最大時隙截 止值作為下一輪時隙起始值。步驟八、找到倒數(shù)第二跳負載不為0的節(jié)點及其所連頂點；找到這跳節(jié)點中連接 度最大的節(jié)點，以上輪時隙截止值作為起始時隙值，將其發(fā)送時延和傳播的總延時值作為 該時隙終止值，其負載轉移到其所連頂點；步驟九、重復步驟三至步驟七，直到匯聚節(jié)點。本發(fā)明的時隙分配方法，與現(xiàn)有時隙分配方法相比具有以下優(yōu)點1)路由生成樹中，所有不干擾的節(jié)點共享時隙，有效的減少了信道沖突檢測引起 的能耗和時延，有效提高了網(wǎng)絡壽命周期，減少了網(wǎng)絡的傳輸延時，提高網(wǎng)絡的吞吐量。2)路由生成樹中，無需轉發(fā)數(shù)據(jù)的其余節(jié)點只占用發(fā)送其產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時隙，其余 時隙休眠，有效的空出信道給其他需轉發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點，提高了信道的利用率。3)經(jīng)過一定時間后，需轉發(fā)數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點能耗較快，可重新以剩余能耗最大為 優(yōu)化目標，重新生成路由生樹。有效利用前次路由中無需轉發(fā)數(shù)據(jù)節(jié)點的剩余能量，延長了 網(wǎng)絡壽命周期。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明專利進一步說明。圖1是本發(fā)明的分配方法的流程圖圖2是本發(fā)明的同傳時隙分配說明示意3是本發(fā)明的時隙分配時序示意4a是針對一個仿真場景示意4b是網(wǎng)絡路由生成樹示意4c是比較不同時隙分配的網(wǎng)絡時延比較圖。
圖4d是針對仿真場景得到的時隙分配圖
具體實施例方式以下為更詳細地說明本發(fā)明，根據(jù)

實施本發(fā)明的最佳形態(tài)。本發(fā)明提出的同傳時隙分配方法基于大尺度無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)無干擾節(jié)點共 享無線信道，共占一個時隙的分配方法。下面通過一個實施例對本發(fā)明進行詳細描述。 在一個600*600范圍內(nèi)隨機部署100個節(jié)點為例，如圖4a所示。在無線傳感器網(wǎng) 絡初始階段，任何節(jié)點不知道網(wǎng)絡分布的拓撲，也不知道周圍的節(jié)點情況.為得到網(wǎng)絡拓 樸信息及路由信息，我們可進行如下步驟1、其匯聚節(jié)點發(fā)起同步廣播，在其通信范圍內(nèi)的第一跳節(jié)點收到廣播包，如圖所 示節(jié)點23、39、41、84等。在發(fā)送廣播包完畢后節(jié)點1就進入等待接收模式，等待其鄰居節(jié) 點的返回廣播包，以確認各節(jié)點時隙。2、在節(jié)點1通信范圍內(nèi)的節(jié)點收到廣播包后，在等待時間內(nèi)等待接收可能發(fā)來的 廣播包。在等待時間結束后，節(jié)點存儲節(jié)點1的地址作為其向前跳的目的地址。完成后隨 機等待一個時間后轉發(fā)自己的廣播包。其中是為克服類似于節(jié)點90這種離節(jié)點1距離相 近的節(jié)點，在繼續(xù)廣播時造成節(jié)點1接收沖突。時間是為了保證節(jié)點能收到所有可能發(fā)送 包的鄰居的廣播包。廣播包的內(nèi)容包括該節(jié)點地址及其選擇前跳的目的地址。3、節(jié)點1收到了鄰居節(jié)點的返回廣播包并對廣播包的內(nèi)容做相應的處理，包括提 起鄰居節(jié)點地址及其路由信息。此時第二跳節(jié)點亦收到廣播包，第二跳節(jié)點存儲收到的節(jié) 點地址作為其前一跳的目的地址，當?shù)诙?jié)點收到多個第一跳節(jié)點的廣播包時，選擇距 離第一跳最短路徑節(jié)點作為其前一跳的目的地址。4、重復步驟2-3，直至遍歷網(wǎng)絡中所有傳感器節(jié)點。5、由最后一跳節(jié)點開始，依次向前一跳節(jié)點發(fā)送本節(jié)點及其所連路由樹中所有節(jié) 點的路由信息和鄰居節(jié)點地址集，直至Sink節(jié)點，至此，Sink節(jié)點得到整個網(wǎng)絡的拓撲信 息及路由表。6、按照發(fā)明內(nèi)容所述的方法，Sink節(jié)點計算出每個節(jié)點的時隙分配結果，并將節(jié) 點的時隙分配信息經(jīng)生成的路由樹依次轉發(fā)到各個傳感器節(jié)點。7、各傳感器節(jié)點接收到時隙分配結果時，按照分配的時隙，依次發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)包本 節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)及需轉發(fā)的其他節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。圖4b為得到的路由生成樹示意圖，圖4c所示為采用不同時隙分配方法得到的網(wǎng) 絡延時比較圖。由圖可知，采用同傳時隙分配方法，網(wǎng)絡傳播時延最小。圖4d所示為部分 節(jié)點在一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)分配時隙結果。結合圖4b可見，不干擾的節(jié)點占用了相同的時 隙。需要說明的是，實施例僅僅是對本發(fā)明的解釋說明，并非以此為限，任何符合本發(fā) 明技術方案實質(zhì)原理的等效變換均應在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種針對大尺度、實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅骶W(wǎng)絡中同傳時隙分配方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一、由匯聚節(jié)點發(fā)起初始化廣播，得到網(wǎng)絡拓樸結構及路由生成樹；步驟二、找到最后一跳節(jié)點中連接度最大的節(jié)點作為占用起始時隙節(jié)點，以該點及其連接頂點的領接點集即通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點作為已占時隙節(jié)點集，時隙起值為0，將其發(fā)送時延和傳播的總延時值作為該時隙終止值，其負載即需發(fā)送的數(shù)據(jù)轉移到其所連頂點；步驟三、依次判斷最后一跳中各節(jié)點及其所連頂點是否屬于已占時隙節(jié)點集，若不屬于，則比較該節(jié)發(fā)送時延和傳播時延的總延時值與時隙截止值，取兩者最大值作為時隙截止值，其負載轉移到其所連頂點，并將該節(jié)點及其所接連頂點的鄰接點集加入已占時隙節(jié)點集；步驟四、將時隙截止值作為新的時隙起始值，找到最后一跳沒有分配時隙節(jié)點中連接度最大的節(jié)點，以這個節(jié)點的發(fā)送時延和傳播時延作為時隙終止值，其負載轉移到其所連頂點；步驟五、重復步驟三至步驟四，直到最后一跳節(jié)點都分配時隙，并記錄該跳最終時延截止值；步驟六、找到向前三跳節(jié)點中負載不為0的連接度最大節(jié)點作為占用起始節(jié)點，時隙起始值為0，與最后一跳節(jié)點具有相同的起始值，將其發(fā)送時延和傳播的總延時值作為該時隙終止值，其負載轉移到其所連頂點；步驟七、重步驟三至步驟六，直到跳數(shù)小于3，比較該輪同傳中各跳的最大時隙截止值作為下一輪時隙起始值。步驟八、找到倒數(shù)第二跳負載不為0的節(jié)點及其所連頂點；找到這跳節(jié)點中連接度最大的節(jié)點，以上輪時隙截止值作為起始時隙值，將其發(fā)送時延和傳播的總延時值作為該時隙終止值，其負載轉移到其所連頂點；步驟九、重復步驟三至步驟七，直到匯聚節(jié)點。
2.根據(jù)權利要求1的同傳時隙分配方法，判斷節(jié)點是否產(chǎn)生沖突的步驟包括在路由生成樹中，以占用起始時隙節(jié)點為端點，找到路由生成樹中相連的節(jié)點作為頂 點，將這兩點的鄰接節(jié)點集作為會產(chǎn)生沖突的節(jié)點集，依次判斷不屬于節(jié)點集的余下各點， 將該點及其所連頂點的鄰接節(jié)點集加入會產(chǎn)生沖突的節(jié)點集，直至遍歷傳感網(wǎng)絡中所有節(jié)點ο
3.根據(jù)權利要求1的中同傳時隙分配方法，由最后一跳節(jié)點及其向前三跳的節(jié)點先 占用時隙，該跳節(jié)點完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，倒數(shù)第二跳節(jié)點及其向前三跳節(jié)點再占用時隙，直至 Sink節(jié)點。
4.根據(jù)權利要求1的同傳時隙分配方法，當節(jié)點負載為0時，表示該節(jié)點無需發(fā)送數(shù) 據(jù)，為了充分利用信道，在判斷沖突節(jié)點集時，可以不考慮這些節(jié)點。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡的同傳時隙分配方法，其用于功率受限、信道時延大、節(jié)點發(fā)送率低的大尺度無線傳感器網(wǎng)絡，它是在網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定的情況下，按照生成的路由，根據(jù)網(wǎng)絡不產(chǎn)生沖突的節(jié)點同時占用時隙的原理，實現(xiàn)一種同傳的時隙分配方法。本發(fā)明充分利用了有限的無線信道，有效的減少了整個網(wǎng)絡的傳輸延時，提高網(wǎng)絡的吞吐量。
文檔編號H04W40/04GK101977414SQ20101054049
公開日2011年2月16日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權日2010年11月11日
發(fā)明者李德識, 聶菊根, 韓彥琰 申請人:聶菊根;李德識;韓彥琰