一種無線鏈狀傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，包括若干排成鏈狀的三層節(jié)點，其中第一層由普通節(jié)點構(gòu)成，所述普通節(jié)點用于采集現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，第二層由簇頭節(jié)點構(gòu)成，所述簇頭節(jié)點用于將其覆蓋范圍內(nèi)普通節(jié)點采集的數(shù)據(jù)匯聚起來，其中直接與匯聚節(jié)點相通信的簇頭節(jié)點稱為轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點，所述轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點用于轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，同時所述轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點還用于將其本身覆蓋范圍內(nèi)普通節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，第三層由匯聚節(jié)點構(gòu)成，匯聚節(jié)點用于接收轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。本發(fā)明減少了數(shù)據(jù)包的傳輸時延提高了鏈狀網(wǎng)絡(luò)的可靠性。提高了鏈狀網(wǎng)絡(luò)的能量利用率。使鏈狀網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。
【專利說明】一種無線鏈狀傳輸系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)和無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般假設(shè)其節(jié)點相對集中的分布在一個二維或三維空間，但某些情況，由于自然景觀或人造設(shè)施的影響，形成一條細長的鏈狀范圍。例如，道路、橋梁、隧道、管道、高壓輸電線路等。類似上述的應(yīng)用還有很多，鏈狀網(wǎng)絡(luò)的主要特點如下:(I)地理位置的限制要求傳感器按照鏈狀結(jié)構(gòu)進行分布，其位置固定，不易發(fā)生改變；(2)節(jié)點資源受限:低能量供應(yīng)、低帶寬、低處理能力以及有限的通信能力；(3)特定的數(shù)據(jù)交互模式，數(shù)據(jù)只能沿著節(jié)點的部署定向傳輸。
[0003](I)從目前無線傳感網(wǎng)技術(shù)研究的情況來看，現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大多數(shù)是應(yīng)用于面狀區(qū)域的分布式檢測領(lǐng)域的，針對無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，主要提出了以下幾種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu):架構(gòu)一:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中運用最廣泛的就是Zigbee協(xié)議棧，其最大的特點是可實現(xiàn)自組網(wǎng)，為完成鏈狀區(qū)域的數(shù)據(jù)監(jiān)控，提出網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過若干個子網(wǎng)，最底層節(jié)點在物理上構(gòu)成一個范圍較廣的鏈狀區(qū)域；優(yōu)點=ZigBee協(xié)議棧，其功能非常強大，使用方便。缺點=ZigBee豐富的功能是以增加路由過程中交互的數(shù)據(jù)量為代價的，在鏈狀監(jiān)測應(yīng)用中，監(jiān)測節(jié)點分布較為稀疏，節(jié)點的發(fā)射功率也較大，數(shù)據(jù)包單跳傳輸所消耗的能量不容小視，在這種情況下運用復(fù)雜的協(xié)議棧會產(chǎn)生一些不必要的開銷，引起節(jié)點的能耗增加、響應(yīng)速度變慢、弊大于利。與此同時ZStack協(xié)議棧完全是編譯好的函數(shù)庫，不支持用戶對其核心代碼進行任何修改，也就無法對其進行裁剪和優(yōu)化。由于ZigBee協(xié)議是一個通用的無線傳感網(wǎng)協(xié)議，其不針對一個特定場景的特殊應(yīng)用，而無線鏈狀傳輸系統(tǒng)要求將傳感器按照鏈狀結(jié)構(gòu)進行分布，而且相鄰的節(jié)點間的距離較遠，需要硬件提高發(fā)射功率和接收靈敏度，射頻電路工作時的功耗會顯著增大；如何保證鏈狀網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)可靠傳輸；由于鏈狀網(wǎng)絡(luò)其結(jié)構(gòu)單一，數(shù)據(jù)傳輸具有單向性，越靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點因為轉(zhuǎn)發(fā)消息的頻率遠高于其他節(jié)點，會形成鏈狀網(wǎng)絡(luò)的能量空洞效應(yīng)，造成網(wǎng)絡(luò)失效時網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點仍具有較高的能量，即如何提高能量利用率，減少能量消耗和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種提高能源利用效率，消除能量空洞、使鏈狀網(wǎng)絡(luò)的負載均衡的無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，所述鏈狀傳輸系統(tǒng)包括若干排成鏈狀的節(jié)點，所述鏈狀傳輸系統(tǒng)包括三層節(jié)點，其中第一層由普通節(jié)點構(gòu)成，所述普通節(jié)點用于采集現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，第二層由簇頭節(jié)點構(gòu)成，所述簇頭節(jié)點用于將其覆蓋范圍內(nèi)普通節(jié)點采集的數(shù)據(jù)匯聚起來，其中直接與匯聚節(jié)點相通信的簇頭節(jié)點稱為轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點，所述轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點用于轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，同時所述轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點還用于將其本身覆蓋范圍內(nèi)普通節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，第三層由匯聚節(jié)點構(gòu)成，匯聚節(jié)點用于接收轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶；
[0005]所述鏈狀傳輸系統(tǒng)的普通節(jié)點包括普通發(fā)送節(jié)點與普通接收節(jié)點，所述普通發(fā)送節(jié)點與普通接收節(jié)點之間通過單跳或/和多跳通信方式進行通信，所述普通發(fā)送節(jié)點向普通接收節(jié)點發(fā)送請求發(fā)送包RTS，當(dāng)普通接收節(jié)點收到請求發(fā)送包RTS后應(yīng)答一個發(fā)送允許包CTS給普通發(fā)送節(jié)點，所述普通發(fā)送節(jié)點收到發(fā)送允許包CTS后開始發(fā)送數(shù)據(jù)包給普通接收節(jié)點；
[0006]進一步的，所述鏈狀傳輸系統(tǒng)的節(jié)點在物理層采用射頻傳輸模塊進行發(fā)送，在MAC層采用調(diào)度式接入法進行接入，在網(wǎng)絡(luò)層采用靜態(tài)路由協(xié)議。
[0007]更進一步的，所述射頻傳輸模塊采用CC2530作為無線射頻收發(fā)器，所述MAC層采用TIMAC協(xié)議棧。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下:
[0009]本發(fā)明采用保證單跳范圍內(nèi)的可靠無線通信，這樣節(jié)點的無線收發(fā)器就可以在較低的功率級別上工作，此外這種路由機制不必進行路由發(fā)現(xiàn)、建立和維護，從而進一步節(jié)省了能量開銷，大大減少了數(shù)據(jù)包的傳輸時延，十分有利于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能和監(jiān)測信息的及時傳輸提高了鏈狀網(wǎng)絡(luò)的可實現(xiàn)性。提高了鏈狀網(wǎng)絡(luò)的可靠性。提高了鏈狀網(wǎng)絡(luò)的能量利用率。使鏈狀網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例鏈狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景；
[0011]圖2是ZigBee鏈狀網(wǎng)絡(luò)；
[0012]圖3是鏈狀網(wǎng)絡(luò)的層次模型；
[0013]圖4是單跳數(shù)據(jù)的可靠傳輸；
[0014]圖5是節(jié)點通過接力方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳傳輸；
[0015]圖6無線鏈狀傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；
[0016]圖7無線鏈狀網(wǎng)絡(luò)能量分布策略。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖給出一個非限定性的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述。
[0018]如圖1所示，該鏈狀結(jié)構(gòu)由三個層次構(gòu)成，最底層由普通節(jié)點構(gòu)成，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，第二層由簇頭節(jié)點構(gòu)成，簇頭節(jié)點主要匯聚其覆蓋范圍普通節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，同時向匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)其下游簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)。第三層由匯聚節(jié)點構(gòu)成，匯聚節(jié)點主要向用戶發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0019]優(yōu)點:該層次結(jié)構(gòu)具有較好的可擴展性:完成更長范圍的監(jiān)控，只需增加匯聚節(jié)點即可；也可減少鏈狀網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)，減少延時。缺點:該層次結(jié)構(gòu)只是從理論方面分析了可行性，并沒有考慮實際可操作性，例如簇頭如何選取等，同時也沒有考慮能量受限的問題，靠近匯聚節(jié)點的簇頭不僅要匯聚本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)，而且也要轉(zhuǎn)發(fā)下游節(jié)點的數(shù)據(jù)，因此負擔(dān)最重，其能量消耗得最快，因而會造成網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。也有相關(guān)文獻提出輪流選舉簇頭，但是這樣節(jié)點就需要知道全網(wǎng)的信息，無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，也降低了系統(tǒng)的可操作性。
[0020](I)數(shù)據(jù)的可靠傳輸
[0021]為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，只需要保證單跳范圍內(nèi)的可靠無線通信即可，這樣節(jié)點的無線收發(fā)器就可以在較低的功率級別上工作，此外這種路由機制不必進行路由發(fā)現(xiàn)、建立和維護，從而進一步節(jié)省了能量開銷，大大減少了數(shù)據(jù)包的傳輸時延，十分有利于網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能和監(jiān)測信息的及時傳輸。
[0022]在CSMA/CA機制下，存在比較嚴重的“隱蔽”節(jié)點和“暴露”節(jié)點問題，所以發(fā)送者和接收者在通信前需要使用RTS/CTS控制協(xié)議進行握手，首先，發(fā)送者向接收者發(fā)送請求發(fā)送包(RTS)，接收者收到后應(yīng)答一個發(fā)送允許包(CTS)，發(fā)送者收到CTS包后才正式開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。通過RTS/CTS信號握手的方式會使通訊效率略微下降，但是比起數(shù)據(jù)沖突帶來的負面影響，這一點是損失是值得的，它從整體上減少了由于數(shù)據(jù)包沖突導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)資源的浪費。
[0023]若兩個節(jié)點之間的通信失敗，說明下游節(jié)點可能損壞，為了提高鏈狀網(wǎng)絡(luò)的健壯性，可提高發(fā)送節(jié)點的發(fā)射功率，將數(shù)據(jù)傳輸給下游節(jié)點。
[0024](2)提高能源利用效率，消除能量空洞
[0025]鏈狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)能主要從物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層三個方面來考慮。在物理層，主要通過采用短距離、低功耗射頻技術(shù)達到節(jié)省能量的目的；MAC層主要通過設(shè)計低碰撞、靈活、自適應(yīng)接入技術(shù)節(jié)省能量；網(wǎng)絡(luò)層主要通過可靠有效路由、數(shù)據(jù)融合技術(shù)達到節(jié)省能量的目的。
[0026]物理層:
[0027]采用短距離、低功耗的射頻傳輸模塊。例如CC2530，CCllOO等。
[0028]MAC 層:
[0029]采用基于調(diào)度式的MAC接入控制方案，減少因碰撞而消耗的能量；采用周期性睡眠機制，減少空閑偵聽的能量消耗；減少控制信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，從而降低能耗。
[0030]網(wǎng)絡(luò)層
[0031]選擇合適的路由機制，權(quán)衡單跳和多跳傳輸?shù)哪芎南?，同時也可采用簡單的數(shù)據(jù)融合方案，減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包等。
[0032]在鏈狀網(wǎng)絡(luò)中負載不均衡必然存在，因為靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點會多次參與的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗快，因此，讓節(jié)點攜帶不同的能量，靠近匯聚節(jié)點近的節(jié)點攜帶更多的能量，遠離匯聚節(jié)點的節(jié)點攜帶較少的能量，以達到整個網(wǎng)絡(luò)的平衡。
[0033]初始化階段，主要完成網(wǎng)絡(luò)建立，設(shè)備入網(wǎng)等；
[0034]工作階段，將時間分片，每當(dāng)設(shè)備從睡眠狀態(tài)進入活動狀態(tài)后，由匯聚節(jié)點同步整個網(wǎng)絡(luò)；在指定時間內(nèi)，節(jié)點接收匯聚節(jié)點的詢問命令；隨后的時間片，節(jié)點采集數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心；最后節(jié)點再次進入睡眠狀態(tài)，節(jié)省能量。
[0035]圖7中圖中的圈表示節(jié)點所攜帶的能量，圈越大，節(jié)點能量越多；靠近匯聚節(jié)點的節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)多，能量消耗快，讓其攜帶更多的能量，可以達到整個網(wǎng)絡(luò)的負載均衡。本發(fā)明采用TI的CC2530作為無線射頻收發(fā)器，移植TIMAC協(xié)議棧，TIMAC可以實現(xiàn)點到點的可靠傳輸，在TIMAC基礎(chǔ)上添加網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)設(shè)備入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)等功能，采用靜態(tài)路由協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的多跳傳輸；在網(wǎng)絡(luò)層上添加相應(yīng)的應(yīng)用層協(xié)議，實現(xiàn)不同的應(yīng)用，[0036] 以上這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，所述鏈狀傳輸系統(tǒng)包括若干排成鏈狀的節(jié)點，其特征在于:所述鏈狀傳輸系統(tǒng)包括三層節(jié)點，其中第一層由普通節(jié)點構(gòu)成，所述普通節(jié)點用于采集現(xiàn)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)；第二層由簇頭節(jié)點構(gòu)成，所述簇頭節(jié)點用于將其覆蓋范圍內(nèi)普通節(jié)點采集的數(shù)據(jù)匯聚起來，其中直接與第三層的匯聚節(jié)點相通信的簇頭節(jié)點稱為轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點，所述轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點用于轉(zhuǎn)發(fā)其他簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)給匯聚節(jié)點，同時所述轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點還用于將其本身覆蓋范圍內(nèi)普通節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，第三層由匯聚節(jié)點構(gòu)成，匯聚節(jié)點用于接收轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶； 所述鏈狀傳輸系統(tǒng)的普通節(jié)點包括普通發(fā)送節(jié)點與普通接收節(jié)點，所述普通發(fā)送節(jié)點與普通接收節(jié)點之間通過單跳或/和多跳通信方式進行通信，所述普通發(fā)送節(jié)點向普通接收節(jié)點發(fā)送請求發(fā)送包RTS，當(dāng)普通接收節(jié)點收到請求發(fā)送包RTS后應(yīng)答一個發(fā)送允許包CTS給普通發(fā)送節(jié)點，所述普通發(fā)送節(jié)點收到發(fā)送允許包CTS后開始發(fā)送數(shù)據(jù)包給普通接收節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述鏈狀傳輸系統(tǒng)的節(jié)點在物理層采用射頻傳輸模塊進行發(fā)送，在MAC層采用調(diào)度式接入法進行接入，在網(wǎng)絡(luò)層采用靜態(tài)路由協(xié)議。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線鏈狀傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述射頻傳輸模塊采用CC2530作為無線射頻收發(fā)器，所述MAC層采用TIMAC協(xié)議棧。
【文檔編號】H04W52/02GK103916939SQ201410086478
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】張毅, 鐘露 申請人:重慶郵電大學(xué)