本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)分層通信方法。

背景技術(shù)：

隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，其在工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，線(xiàn)型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和星型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。但是單獨(dú)的線(xiàn)型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和星型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在工程應(yīng)用中的范圍都比較小，因此，目前更趨向于研究結(jié)合兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)的多鏈?zhǔn)降幕旌贤負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的研究熱點(diǎn)主要集中在3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)上：網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)，主要體現(xiàn)在：mac協(xié)議、路由協(xié)議、節(jié)能降耗以及節(jié)點(diǎn)定位四個(gè)方面。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)的生命周期決定了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，因而從節(jié)能降耗的角度設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。

影響無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的一個(gè)重要因素是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。目前廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有zigbee、182.15.4等基于層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，但是，由于無(wú)線(xiàn)信道的動(dòng)態(tài)變化特性、無(wú)線(xiàn)介質(zhì)的不可靠性、廣播特性、wsn的能量、存儲(chǔ)能力、通信能力、計(jì)算能力資源受限等特點(diǎn)，使得此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不能良好的應(yīng)用于多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，需要研究一種適用于多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從而更好的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源分配，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期并提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

為了解決上述分層協(xié)議帶來(lái)的問(wèn)題，無(wú)分層協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。目前基于無(wú)分層設(shè)計(jì)方法的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不是很多，多數(shù)對(duì)無(wú)分層協(xié)議的研究?jī)H僅是提出一個(gè)理論框架，并沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，已提出的幾個(gè)無(wú)分層協(xié)議也不適用于工業(yè)應(yīng)用中的多鏈型傳感器網(wǎng)絡(luò)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)分層通信方法，克服傳統(tǒng)分層通信方法存在的缺陷，改善和優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的性能。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)分層通信方法，所述多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星-鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，匯聚節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)測(cè)區(qū)域的中心，每條鏈上的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳方式向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸信息，將通信協(xié)議分為時(shí)間同步模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、功率控制模塊和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制模塊，通信過(guò)程如下：

(1)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，包括初始化傳感器節(jié)點(diǎn)的功率控制表、流量速率以及一個(gè)睡眠周期的時(shí)長(zhǎng)；

(2)匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步，保證每條鏈上的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間是一致的，相互之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

(3)時(shí)間同步之后，各傳感器節(jié)點(diǎn)均同步進(jìn)行周期性偵聽(tīng)和睡眠，在偵聽(tīng)階段，匯聚節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送分配時(shí)隙請(qǐng)求，傳感器接收到請(qǐng)求后開(kāi)始動(dòng)態(tài)時(shí)隙部署，在睡眠階段，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)部署好的時(shí)隙在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)醒來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

進(jìn)一步地，采用粗粒度方式進(jìn)行時(shí)間同步；由匯聚節(jié)點(diǎn)廣播包含編號(hào)的一系列信標(biāo)幀，以保證網(wǎng)內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)至少接收到一個(gè)信標(biāo)幀，各傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)幀的編號(hào)計(jì)算喚醒時(shí)間，達(dá)到時(shí)間同步的目的。

進(jìn)一步地，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均建立和維護(hù)一個(gè)功率控制表，用于存放本節(jié)點(diǎn)與其相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)功率值，根據(jù)具體通信需要從功率控制表中取出相應(yīng)的功率值，并在鏈路發(fā)生變化時(shí)，對(duì)功率控制表進(jìn)行相應(yīng)更新；任意兩跳傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)功率值的計(jì)算公式如下：

上式中，plimit為接收節(jié)點(diǎn)的功率門(mén)限值，pt為節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，pr為節(jié)點(diǎn)接收功率，gt為節(jié)點(diǎn)發(fā)射增益，gr為節(jié)點(diǎn)接收增益，λ為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均密度，d為發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，β為損耗系數(shù)。

進(jìn)一步地，所述分配時(shí)隙請(qǐng)求為rta0請(qǐng)求，rta0請(qǐng)求包括鏈編號(hào)、應(yīng)答節(jié)點(diǎn)id和時(shí)隙id；應(yīng)答節(jié)點(diǎn)是每條鏈路上距離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的一跳節(jié)點(diǎn)，每條鏈路上的應(yīng)答節(jié)點(diǎn)根據(jù)鏈編號(hào)獲取相應(yīng)的時(shí)隙id。

進(jìn)一步地，所述動(dòng)態(tài)時(shí)隙部署的過(guò)程如下：

(a)匯聚節(jié)點(diǎn)廣播rta0請(qǐng)求；

(b)每條鏈路上的應(yīng)答節(jié)點(diǎn)n1收到rta0請(qǐng)求后，取出時(shí)隙id，并在隨機(jī)退避一段時(shí)間后向下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)n2發(fā)送cta0請(qǐng)求，cta0請(qǐng)求包括數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間、時(shí)隙id、數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位和節(jié)點(diǎn)id；

(c)節(jié)點(diǎn)n2收到cta0請(qǐng)求后，首先根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位計(jì)算時(shí)隙長(zhǎng)度，并根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間部署數(shù)據(jù)接收時(shí)隙和下一跳的數(shù)據(jù)上傳時(shí)隙，若節(jié)點(diǎn)n1和n2均無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送，則不進(jìn)行時(shí)隙部署，直到匯聚節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自某條鏈路的cta0請(qǐng)求，表示該條鏈路時(shí)隙部署完成；

(d)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在收到上一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送的cta0請(qǐng)求后，會(huì)向上一跳節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)確認(rèn)信息。

進(jìn)一步地，當(dāng)某條鏈路上的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，重新建立新路由：

設(shè)某條鏈路上的節(jié)點(diǎn)n1在向下一跳節(jié)點(diǎn)n2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)現(xiàn)鏈路中斷，此時(shí)節(jié)點(diǎn)n1處于偵聽(tīng)階段，并發(fā)送一個(gè)rts消息幀聽(tīng)兩條鄰鏈的信道是否空閑，若兩條鄰鏈空閑，則節(jié)點(diǎn)n1會(huì)向兩條鄰鏈上與節(jié)點(diǎn)n2處于同一時(shí)隙的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)a2和b2持續(xù)發(fā)送路由請(qǐng)求，在接到路由請(qǐng)求后，節(jié)點(diǎn)a2和b2首先會(huì)判斷自己的剩余能量，如果剩余能量低于一個(gè)特定的值將忽略此次請(qǐng)求，如果兩條相鄰的鏈路的剩余能量都滿(mǎn)足條件，則向節(jié)點(diǎn)n1發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，那么節(jié)點(diǎn)n1根據(jù)收到的確認(rèn)幀的先后來(lái)確定新路由，節(jié)點(diǎn)n1加入新路由，匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)新路由所在鏈路進(jìn)行時(shí)隙重分配。

進(jìn)一步地，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中引入臨時(shí)休眠機(jī)制，過(guò)程如下：

(a)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)有一個(gè)計(jì)數(shù)器，初始值為一個(gè)大于0的整數(shù)；

(b)若某傳感器節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自上一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則該節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器減1；

(c)若節(jié)點(diǎn)n1的計(jì)數(shù)器為0，則進(jìn)入省電模式，即在下一個(gè)接收時(shí)隙到來(lái)的時(shí)候，該節(jié)點(diǎn)n1只在接受時(shí)隙的開(kāi)始階段偵聽(tīng)一個(gè)時(shí)間t，t的時(shí)長(zhǎng)要大于接收一個(gè)wakeup報(bào)文的時(shí)間，若沒(méi)有數(shù)據(jù)接收，則立即進(jìn)入睡眠模式，節(jié)省能耗；

(d)當(dāng)鏈路恢復(fù)正常，節(jié)點(diǎn)n1的上一條節(jié)點(diǎn)首先向節(jié)點(diǎn)n1發(fā)送一個(gè)wakeup消息，防止節(jié)點(diǎn)n1處于省電模式，waekup消息僅包含下一節(jié)點(diǎn)id和鏈編號(hào)，節(jié)點(diǎn)n1在時(shí)間t內(nèi)接收到了這個(gè)wakeup消息，計(jì)數(shù)器恢復(fù)初始值，并在自己的接收時(shí)隙內(nèi)正常接收數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中引入擁塞控制機(jī)制，包括阻止傳感器節(jié)點(diǎn)參與通信來(lái)控制擁塞以及控制節(jié)點(diǎn)生成數(shù)據(jù)包的速率來(lái)控制擁塞；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足下式才能參與通信：

上式中，pi為節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤率，λi，relay為節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)包的源速率，λi，src為節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)包的延時(shí)速率，tpacket為節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)包到下一跳節(jié)點(diǎn)的平均持續(xù)時(shí)間；

當(dāng)檢測(cè)到擁塞時(shí)，數(shù)據(jù)包的生成速率如下式計(jì)算：

上式中，λ(t+δt)為當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)包生成速率，λ(t)為上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)包生成速率，δt為時(shí)間間隔，v、α為速率控制因子，v>1，α>0。

進(jìn)一步地，為了避免最后一跳數(shù)據(jù)傳輸在匯聚節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞，出現(xiàn)丟包，因此在時(shí)隙分配時(shí)保證各條鏈路的第一跳的時(shí)隙不同。

采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：

本發(fā)明采用無(wú)分層通信方法，將協(xié)議劃分成時(shí)間同步模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、功率控制模塊、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制模塊等功能模塊，完全打破了傳統(tǒng)的層次模型，實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧向功能模塊的轉(zhuǎn)變，使其更加適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決了鏈間干擾、數(shù)據(jù)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)能耗等問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明的時(shí)間同步時(shí)序圖；

圖4是本發(fā)明的鏈路故障示意圖；

圖5是本發(fā)明的tdma幀時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明的多鏈時(shí)隙分配序列圖；

圖7是本發(fā)明的單鏈時(shí)隙分配序列圖；

圖8是本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制示意圖；

圖9是本發(fā)明的數(shù)據(jù)融合機(jī)制示意圖；

圖10是本發(fā)明的數(shù)據(jù)幀格式變化圖；

圖11是本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖；

圖12是本發(fā)明的匯聚節(jié)點(diǎn)工作流程圖；

圖13是各協(xié)議的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集率與數(shù)據(jù)延時(shí)關(guān)系圖；

圖14是各協(xié)議的節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)周期占空比與能耗關(guān)系圖；

圖15是本發(fā)明的鏈路故障處理機(jī)制示意圖；

圖16是本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)故障與非故障網(wǎng)絡(luò)生命周期關(guān)系圖；

圖17是本發(fā)明的的網(wǎng)絡(luò)仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D；

圖18是本發(fā)明的rbp協(xié)議仿真模型圖；

圖19是各協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)時(shí)延關(guān)系圖；

圖20是各協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真占空比與數(shù)據(jù)時(shí)延關(guān)系圖；

圖21是各協(xié)議的鏈的條數(shù)與數(shù)據(jù)時(shí)延關(guān)系圖；

圖22是各協(xié)議的節(jié)點(diǎn)剩余能量關(guān)系圖；

圖23是各協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真占空比與網(wǎng)絡(luò)總能耗關(guān)系圖；

圖24是各協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)總能耗關(guān)系圖；

圖25是各協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真鏈的條數(shù)與網(wǎng)絡(luò)總能耗關(guān)系圖；

圖26是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)仿真出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)生命周期的影響關(guān)系圖；

圖27是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)仿真出現(xiàn)故障的鏈的條數(shù)與網(wǎng)絡(luò)生命周期的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示本發(fā)明的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，匯聚節(jié)點(diǎn)位于整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中心，以匯聚節(jié)點(diǎn)為中心形成多鏈?zhǔn)降耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域，每條鏈上傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳方式向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸信息。匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全網(wǎng)周期性時(shí)間同步，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性偵聽(tīng)及睡眠。

如圖2所示本發(fā)明的通信協(xié)議結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)系統(tǒng)被分為若干個(gè)模塊，每個(gè)功能模塊有一個(gè)頭信息，用于存儲(chǔ)模塊間需要共享的一些信息，包括功率，距離，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，剩余能量等信息，所有的這些信息均被封裝在一個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)，各個(gè)模塊均可對(duì)這些包頭信息進(jìn)行任意的訪(fǎng)問(wèn)，模塊和模塊之間實(shí)現(xiàn)了信息共享，打破了傳統(tǒng)的層的概念，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)分層的設(shè)計(jì)。

匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性時(shí)間同步：本發(fā)明通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整同步周期的長(zhǎng)度來(lái)解決時(shí)間漂移的問(wèn)題。同步周期長(zhǎng)度的選取充分考慮傳輸延時(shí)的抖動(dòng)，通過(guò)考慮本次數(shù)據(jù)傳輸與上一次傳輸之間的時(shí)延差，最終通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)的平均時(shí)延和一個(gè)初始化的比例因子k計(jì)算本次同步周期的補(bǔ)充值δt，k的值與具體的硬件環(huán)境有關(guān)。即如果上次同步周期內(nèi)時(shí)鐘偏移量較小，則將本此同步周期長(zhǎng)度按比例增加，δt增加；如果上次同步周期內(nèi)時(shí)鐘偏移量較大，則將本此同步周期長(zhǎng)度按比例縮短，δt減少；如果本此同步消息沒(méi)有收到應(yīng)答，則按照前面m次同步周期的平均值進(jìn)行時(shí)間同步。假設(shè)前兩次同步周期間隔為t，那么下一次同步時(shí)長(zhǎng)為通過(guò)合理的周期性同步可以將時(shí)鐘漂移帶來(lái)的影響控制在可忽略的范圍之內(nèi)。

傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性偵聽(tīng)及睡眠：時(shí)間同步后，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入周期性偵聽(tīng)及睡眠周期。偵聽(tīng)階段，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)的時(shí)隙部署，睡眠階段，節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)隙內(nèi)醒來(lái)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

以上通信過(guò)程中還融入了其他相關(guān)機(jī)制：粗粒度的時(shí)間同步，可調(diào)功率控制，多鏈時(shí)隙部署，動(dòng)態(tài)時(shí)隙大小，鏈路中斷后時(shí)隙移動(dòng)機(jī)制，臨時(shí)休眠機(jī)制，占空比機(jī)制，擁塞控制和數(shù)據(jù)融合。

1、粗粒度的時(shí)間同步

匯聚節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行時(shí)間同步時(shí)采用的是粗粒度的時(shí)間同步方式。如圖3所示本發(fā)明的時(shí)間同步時(shí)序圖，匯聚節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)幀，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信標(biāo)幀的時(shí)刻進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)間調(diào)整，最終達(dá)到時(shí)間同步。假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部時(shí)鐘為t′，即傳感器節(jié)點(diǎn)每隔t′時(shí)間周期性的醒來(lái)接收信標(biāo)幀，整個(gè)同步周期為tsyc，假設(shè)某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在第一次醒來(lái)接收到信標(biāo)幀的時(shí)間為周期t′內(nèi)的t1時(shí)刻，如果傳感器節(jié)點(diǎn)第二次醒來(lái)在t1時(shí)刻沒(méi)有收到信標(biāo)幀，則在下次周期t′內(nèi)接收信標(biāo)幀的時(shí)間為t+δt，δt表示隨機(jī)延時(shí)的一時(shí)間間隔，如果傳感器節(jié)點(diǎn)第二次醒來(lái)在時(shí)間t1正常接收到信標(biāo)幀，則在下次周期t′內(nèi)接收信標(biāo)幀的時(shí)間為仍為t。網(wǎng)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)周期性的醒來(lái)接收信標(biāo)幀進(jìn)行若干次的時(shí)間調(diào)整，最終達(dá)到時(shí)間同步的狀態(tài)。

當(dāng)n個(gè)信標(biāo)幀廣播結(jié)束后，關(guān)閉傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部時(shí)鐘，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在時(shí)間t后同時(shí)醒來(lái)，進(jìn)入偵聽(tīng)階段。

2、可調(diào)功率控制

本發(fā)明中采用圖1所示的多鏈?zhǔn)降耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，因此通過(guò)嚴(yán)格的功率控制避免鏈間干擾，節(jié)省能耗，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

本發(fā)明中主要有以下三種情況要進(jìn)行鏈路控制：

(1)在通信鏈路正常的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)間距初始化自身的發(fā)送功率p0，p0剛好能夠覆蓋所在鏈路上上一跳傳感器節(jié)點(diǎn)和下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)；

(2)當(dāng)某一條通信鏈路出現(xiàn)異常，如本發(fā)明中圖4所示，鏈路lmo中節(jié)點(diǎn)b出現(xiàn)異常，此時(shí)節(jié)點(diǎn)b首先需要增大自身功率嘗試向節(jié)點(diǎn)h發(fā)送數(shù)據(jù)；

(3)如果此時(shí)b距離sink節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)間距較大，即h節(jié)點(diǎn)不在b的功率控制表中，節(jié)點(diǎn)b向鄰鏈節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由請(qǐng)求，如本發(fā)明中圖4所示，b向e節(jié)點(diǎn)發(fā)起新的路徑請(qǐng)求，此時(shí)需要調(diào)節(jié)b的功率，使得b和e之間能夠進(jìn)行通信。

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)需要建立和維護(hù)一個(gè)功率控制表，用于存放節(jié)點(diǎn)與其相關(guān)的傳感器節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)的功率值，根據(jù)具體通信需要從傳感器節(jié)點(diǎn)的功率控制表中取相應(yīng)的功率值。通過(guò)合理的功率控制，不但可以避免鏈與鏈之間的干擾，還可以避免由于功率過(guò)大而引起的額外的能耗的浪費(fèi)。在有新節(jié)點(diǎn)加入等鏈路發(fā)生變化的情況，功率表要相應(yīng)更新。任意兩跳傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最優(yōu)的功率值計(jì)算如下：

首先，傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中接收端功率的計(jì)算公式如下：

其中，λ表示監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的平均密度，β為損耗系數(shù)，d為發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)之間的距離，gt為發(fā)射天線(xiàn)增益，gr為接收天線(xiàn)增益，pt為天線(xiàn)的發(fā)送功率。假設(shè)plimit為接收節(jié)點(diǎn)的門(mén)限值，pmin為發(fā)送節(jié)點(diǎn)的最小的發(fā)射功率，則有：

由(1.1)和(1.2)可得發(fā)送端的功率如下：

3、多鏈時(shí)隙部署

本發(fā)明基于tdma的時(shí)隙分配方式，通過(guò)tdma時(shí)隙部署節(jié)點(diǎn)周期性的醒來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。通過(guò)合理的時(shí)隙分配，避免了數(shù)據(jù)碰撞，保證數(shù)據(jù)的正確傳輸，本發(fā)明的tdma的幀時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖5。

一個(gè)tdma幀被分為若干時(shí)隙，時(shí)隙0在本發(fā)明中是一個(gè)特定的競(jìng)爭(zhēng)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)隙，主要用于時(shí)隙分配，其他的若干時(shí)隙被動(dòng)態(tài)的分配給傳感器節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)傳輸。每條鏈上的第一跳節(jié)點(diǎn)(即離匯聚節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的一跳節(jié)點(diǎn))都需要維護(hù)一個(gè)時(shí)隙表，給每個(gè)時(shí)隙一個(gè)標(biāo)志位flag，一開(kāi)始初始化所有的時(shí)隙，使得flag＝0，如果一個(gè)時(shí)隙被分配到某個(gè)節(jié)點(diǎn)中，就所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配表中該時(shí)隙的flag置1。具體的時(shí)隙分配算法如下：

(1)假設(shè)整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域有l(wèi)條鏈，sink節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙ts0廣播l個(gè)rta0(requesttoassign)消息給每條鏈上的第一跳節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始時(shí)隙分配。rta0消息應(yīng)包括鏈編號(hào)\源地址，應(yīng)答節(jié)點(diǎn)id以及要分配的時(shí)隙tsi；應(yīng)答節(jié)點(diǎn)只接受鏈編號(hào)相同的rta0消息，如果鏈編號(hào)相同，則接受該消息，如果不同，則丟棄該消息。如圖6所示本發(fā)明的多鏈時(shí)隙分配圖，為了避免沖突，每條鏈上第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)隙均不能相同，圖中n1n表示第一條鏈上第一跳節(jié)點(diǎn)，ts-l表示一個(gè)tdma周期，tsi表示第i個(gè)時(shí)隙，圖6中通過(guò)給每條鏈的第一跳節(jié)點(diǎn)分配不同的時(shí)隙從而使得每條鏈上最后一跳數(shù)據(jù)傳輸時(shí)隙不同，避免了sink節(jié)點(diǎn)處的數(shù)據(jù)沖突,整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中需要的時(shí)隙數(shù)為(l+n)個(gè)。

(2)第一跳傳感器節(jié)點(diǎn)在收到rta0消息后，首先根據(jù)時(shí)隙表中的flag位來(lái)檢查tsi是否為空閑：

a.如果flag＝0，則說(shuō)明時(shí)隙tsi沒(méi)有被占用，傳感器節(jié)點(diǎn)i會(huì)主動(dòng)發(fā)送一個(gè)cta0(cleartoassign)消息給sink節(jié)點(diǎn)；sink節(jié)點(diǎn)收到cta0則將時(shí)隙tsi分配給節(jié)點(diǎn)i，并且將該時(shí)隙的flag置1，cta0消息中包含鏈編號(hào)，源地址，目的地址，時(shí)隙id，數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位；

b.如果時(shí)隙表中tsi的flag＝1，那么傳感器節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答，當(dāng)超過(guò)一定的時(shí)間sink節(jié)點(diǎn)仍然沒(méi)有收到某條鏈上的應(yīng)答消息，則再次對(duì)其進(jìn)行時(shí)隙分配；

(3)每條鏈上的第一跳節(jié)點(diǎn)不會(huì)同時(shí)給sink節(jié)點(diǎn)回復(fù)cta0消息，此時(shí)應(yīng)用隨機(jī)退避機(jī)制，即只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)立即回復(fù)一個(gè)cta0給sink，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)退避不同的隨機(jī)時(shí)間后發(fā)送cta0應(yīng)答消息，避免了沖突。具體如下：假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)一共有l(wèi)條鏈，每條鏈的第一跳節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到rta0消息，第一條鏈的第一跳節(jié)點(diǎn)n11緩沖時(shí)間δt后向sink節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，第二條鏈的第一跳節(jié)點(diǎn)n21則退避(δt+t)時(shí)間后向sink節(jié)點(diǎn)應(yīng)答sink節(jié)點(diǎn)收到cta0，第i條鏈的第一跳節(jié)點(diǎn)ni1則退避(δt+(i-1)t)時(shí)間后向sink節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，這里的時(shí)間t是接收一個(gè)cta0消息的時(shí)長(zhǎng)，由于cta0消息比較小，因此t很小。cta0消息的具體發(fā)送過(guò)程如下：

a.cta0消息在上傳的過(guò)程可以對(duì)其所在鏈上的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙分配。cta0消息是通過(guò)多跳的方式上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)。第一跳節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)cta0消息給下一跳節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)接收到的上一跳節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙id確定自己的時(shí)隙id，并且可以根據(jù)收到的cta0消息的發(fā)送時(shí)間以及下一跳節(jié)點(diǎn)接收到cta0消息所需時(shí)間計(jì)算和部署數(shù)據(jù)接收時(shí)隙和下一跳的數(shù)據(jù)上傳時(shí)隙。下一跳節(jié)點(diǎn)在收到cta0消息后，回復(fù)一個(gè)確認(rèn)消息cta給上一跳節(jié)點(diǎn)；

b.在時(shí)隙部署的過(guò)程中，cta0消息中還增加了1bit數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位，用來(lái)標(biāo)志發(fā)送該請(qǐng)求消息的源節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)送cta0請(qǐng)求消息，如果節(jié)點(diǎn)i有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則將該位置1，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則將該位置0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i的時(shí)隙到來(lái)時(shí)，如果該位為0，節(jié)點(diǎn)i在當(dāng)前時(shí)隙將繼續(xù)休眠。節(jié)點(diǎn)j收到來(lái)自節(jié)點(diǎn)i的cta0消息，如果該消息數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位為1，則按照前文所描述的方法進(jìn)行時(shí)隙部署；如果標(biāo)志位為0，并且節(jié)點(diǎn)j也沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則不對(duì)節(jié)點(diǎn)j進(jìn)行時(shí)隙部署，繼續(xù)向下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送cta0消息，在節(jié)點(diǎn)j的時(shí)隙到來(lái)時(shí)節(jié)點(diǎn)j繼續(xù)休眠；如果如果標(biāo)志位為0，但是節(jié)點(diǎn)j有數(shù)據(jù)發(fā)送，則將節(jié)點(diǎn)j的cta0消息中的數(shù)據(jù)標(biāo)志位置1，發(fā)送到下一跳節(jié)點(diǎn)，并對(duì)節(jié)點(diǎn)j進(jìn)行相應(yīng)的時(shí)隙部署，后面的節(jié)點(diǎn)以此類(lèi)推。

(4)如果sink節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自鏈i上的cta0消息，則說(shuō)明鏈i完成時(shí)隙部署。如果沒(méi)有收到，將會(huì)重新分配一個(gè)時(shí)隙給節(jié)點(diǎn)i，i的時(shí)隙分配將會(huì)在下一個(gè)tdma幀的ts0進(jìn)行。

(5)若超過(guò)一定時(shí)間沒(méi)有收到cta消息，則根據(jù)隨機(jī)退避算法，隨機(jī)退避一定時(shí)間后重發(fā)cta0消息，如果此時(shí)ts0已結(jié)束，則在下一個(gè)周期的ts0進(jìn)行。

(6)最終匯聚節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自該鏈的cta0消息，則表示該條鏈上的時(shí)隙部署完成。本發(fā)明中每條鏈上的時(shí)隙部署過(guò)程如圖7所示。

4、動(dòng)態(tài)時(shí)隙大小

本發(fā)明中采用了tdma動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配方法，每個(gè)時(shí)隙的大小根據(jù)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量動(dòng)態(tài)的變化，通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配，可以減少時(shí)延和不必要的能耗的浪費(fèi)。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為rij，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)的時(shí)間為tdata。

如圖6所示，節(jié)點(diǎn)n1，n在時(shí)隙ts1內(nèi)如果有數(shù)據(jù)發(fā)送，那么協(xié)議中t11的大小應(yīng)為t11＞tdata+t0，其中t11表示第一條鏈第一個(gè)節(jié)點(diǎn)所在時(shí)隙的長(zhǎng)度，t0是一個(gè)預(yù)留時(shí)間，用于鏈路中斷發(fā)送請(qǐng)求或者接收其他數(shù)據(jù)幀等等，n1，n-1在收到上一節(jié)點(diǎn)的cta0消息時(shí)首先根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送標(biāo)志位判斷上一節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，如果上一節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則節(jié)點(diǎn)n1，n-1處的數(shù)據(jù)量為r11+r12，即時(shí)隙ts2的大小t12的大小應(yīng)為t12＞2tdata+t0；如果上一跳節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，則ts2的大小t12的大小應(yīng)為t12<2tdata+t0。假設(shè)每一跳節(jié)點(diǎn)均有數(shù)據(jù)發(fā)送，那么第一條鏈上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)所在時(shí)隙tsi的大小t1i應(yīng)為t1i＞i*tdata+t0。同理，第二條鏈在進(jìn)行時(shí)隙部署時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送最終確定時(shí)隙i的長(zhǎng)度為t2i，第i條鏈在進(jìn)行時(shí)隙部署時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)發(fā)送最終確定時(shí)隙i的長(zhǎng)度為tii，最終時(shí)隙i的大小為：

5、鏈路中斷后時(shí)隙移動(dòng)機(jī)制

本發(fā)明的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于鏈?zhǔn)剑虼嗽跀?shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，如果某一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤，那么整條鏈路的傳輸將會(huì)中斷。為了提高傳輸?shù)目煽啃?，本發(fā)明提出ssm(scheduleshiftmechanism)機(jī)制，用來(lái)應(yīng)對(duì)鏈路傳輸中的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

ssm機(jī)制主要思想是通過(guò)時(shí)隙的移動(dòng)重新建立新的路由，保證數(shù)據(jù)包的可靠傳輸，具體如圖8所示。鏈路i上的節(jié)點(diǎn)n13在向下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)現(xiàn)鏈路中斷，數(shù)據(jù)包沒(méi)有轉(zhuǎn)發(fā)成功，此時(shí)節(jié)點(diǎn)ni3會(huì)向兩條相鄰鏈上的節(jié)點(diǎn)nj3和nk1持續(xù)發(fā)送路由請(qǐng)求，在發(fā)送路由請(qǐng)求之前，節(jié)點(diǎn)ni3首先會(huì)處于偵聽(tīng)階段，并發(fā)送一個(gè)rts消息偵聽(tīng)鄰鏈的信道是否處于忙碌，如果信道均被占用，則說(shuō)明鄰鏈正在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，如果檢測(cè)到兩邊信道都處于空閑狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)ni3會(huì)立即向nj3和nk1發(fā)送新的路由請(qǐng)求request，如果nj3和nk1同收到該請(qǐng)求，首先會(huì)判斷自己的剩余能量，如果剩余能量低于一個(gè)特定的值將忽略此次請(qǐng)求，如果兩條相鄰的鏈路都滿(mǎn)足條件，并向原節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，那么節(jié)點(diǎn)ni3根據(jù)收到的確認(rèn)幀的先后來(lái)確定最后的路由。如圖8中，節(jié)點(diǎn)ni3先收到了鄰鏈j的確認(rèn)幀，最終加入到鄰鏈j中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，sink節(jié)點(diǎn)對(duì)鏈路j進(jìn)行時(shí)隙重分配過(guò)程。sink節(jié)點(diǎn)廣播1bit的控制信息，隨后再?gòu)V播時(shí)隙分配通知，節(jié)點(diǎn)nj3之前的節(jié)點(diǎn)向前移動(dòng)一個(gè)時(shí)隙，從而預(yù)留出一個(gè)空余時(shí)隙，鏈上各節(jié)點(diǎn)收到通知后，按照新的時(shí)隙，將來(lái)自鏈j的數(shù)據(jù)包和來(lái)自節(jié)點(diǎn)ni3的數(shù)據(jù)包進(jìn)行融合，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

最終，整個(gè)鏈路恢復(fù)正常。當(dāng)然，太多的時(shí)隙移動(dòng)會(huì)造成額外的能量消耗，因此，本發(fā)明還限制了移動(dòng)的時(shí)隙單元的數(shù)量。如果移動(dòng)的次數(shù)超過(guò)這個(gè)上限，那么該過(guò)程則被取消。

6、臨時(shí)休眠機(jī)制

本發(fā)明中提出的臨時(shí)休眠機(jī)制是為了進(jìn)一步減少不必要的能耗的浪費(fèi)。

在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)時(shí)刻節(jié)點(diǎn)醒來(lái)，上一節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，會(huì)存在能量浪費(fèi)，這種情況通常發(fā)生在某條鏈路中斷后，節(jié)點(diǎn)已經(jīng)申請(qǐng)了新的路徑，但是該條鏈上后面的節(jié)點(diǎn)在屬于他們的時(shí)隙依舊醒來(lái)接收數(shù)據(jù)，本文對(duì)此進(jìn)行了考慮：

(1)每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)計(jì)數(shù)器，初始值為一個(gè)大于0的整數(shù)；

(2)若節(jié)點(diǎn)在接收時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有收到來(lái)自上一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，相應(yīng)的計(jì)數(shù)器值減1；否則，計(jì)數(shù)器保持初始值不變；

(3)若節(jié)點(diǎn)的計(jì)數(shù)器為0，則進(jìn)入ps(powersaving，省電)模式，即在下一個(gè)接收時(shí)隙到來(lái)的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)只在接受時(shí)隙的開(kāi)始階段偵聽(tīng)一個(gè)很短的時(shí)間t，t的時(shí)長(zhǎng)要大于接收一個(gè)wakeup報(bào)文的時(shí)間，若沒(méi)有數(shù)據(jù)接收，則立即進(jìn)入睡眠模式，節(jié)省能耗；

(4)若某時(shí)刻鏈路回復(fù)正常，節(jié)點(diǎn)首先下一節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)wakeup消息，防止下一節(jié)點(diǎn)處于ps模式，無(wú)法正常接收數(shù)據(jù)，waekup消息很小，僅包含下一結(jié)點(diǎn)id，鏈編號(hào)。節(jié)點(diǎn)在時(shí)間t內(nèi)接收到了這個(gè)wakeup消息，計(jì)數(shù)器恢復(fù)初始值，并在自己的接收時(shí)槽內(nèi)保持活躍狀態(tài)，開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。

本發(fā)明在整個(gè)協(xié)議中采用了占空比機(jī)制，即節(jié)點(diǎn)周期性的偵聽(tīng)和睡眠。節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)的時(shí)長(zhǎng)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能影響很大，如果偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延減少，但會(huì)導(dǎo)致能耗增大；反之，偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)短，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延較大，網(wǎng)絡(luò)擁塞變大。因此本發(fā)明對(duì)占空比的大小δ進(jìn)行分析。

由前文分析可知，偵聽(tīng)階段主要進(jìn)行時(shí)隙分配，即t1的長(zhǎng)度必須能保證時(shí)隙分配過(guò)程能夠完成，然后節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)入sleep狀態(tài)。時(shí)隙分配過(guò)程中的數(shù)據(jù)傳輸主要包括rta0消息，cta0消息，cta消息，假設(shè)傳輸這三種消息的平均時(shí)間分別為tcta,則tl的可以表示如下：

其中，l為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的鏈的條數(shù)，ts-l表示一個(gè)完整的幀聽(tīng)周期，tl表示傳感器節(jié)點(diǎn)醒來(lái)的時(shí)長(zhǎng)，n為一條鏈上節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，th為緩沖時(shí)長(zhǎng)。因此在設(shè)定δ時(shí)，必須保證δ*ts-l≥tl，由于ts＝tack+tdata×(n+l),而cta0消息長(zhǎng)度約為數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的1/6到1/5左右，因此δ的值一般在0.1到0.3之間。

8、擁塞控制

在傳統(tǒng)的跨層協(xié)議中，一般由傳輸層進(jìn)行擁塞控制。但是，由于層與層之間的接口問(wèn)題，傳輸層無(wú)法充分獲取其他層的信息，比如時(shí)隙，隊(duì)列等等，從而導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)行很好的擁塞控制。而在本發(fā)明中，使用了無(wú)層協(xié)議的思想，在進(jìn)行擁塞控制時(shí)可以共享其他模塊的信息，因此能更好的進(jìn)行擁塞控制。

本發(fā)明從兩個(gè)角度對(duì)擁塞控制進(jìn)行考慮：

第一，如果當(dāng)前的負(fù)載較高，路由任務(wù)通過(guò)阻止傳感器節(jié)點(diǎn)參與通信來(lái)控制擁塞；第二，通過(guò)限定源節(jié)點(diǎn)上生成數(shù)據(jù)包的傳輸速率。

對(duì)于任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)i，其輸入輸出包的速率可以用如下公式表示：

λi，in＝λi，src+λi，relay(1.6)

λi，out＝(1+pi)λi，in(1.7)

其中pi代表節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤率，λi,src數(shù)據(jù)包的源速率，λi,relay數(shù)據(jù)包的延時(shí)速率，1+pi代表著數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄螖?shù)。通過(guò)(1.6)和(1.7)可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)i發(fā)送和接收持續(xù)的時(shí)間(其中t代表一個(gè)比較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，tpacket是節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)包到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均持續(xù)時(shí)間)：

ttx＝t*λi，out*tpacket(1.8)

trx＝t*λi，relay*tpacket(1.9)

為了在節(jié)點(diǎn)i處阻止擁塞，所有的數(shù)據(jù)包都需要在時(shí)間間隔t內(nèi)完成傳輸，因此，必須滿(mǎn)足下面的關(guān)系：

t≥ttx+trx(1.10)

結(jié)合公式(1.6)～(1.10),我們最終有如下關(guān)系：

節(jié)點(diǎn)滿(mǎn)足公式(1.11)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。擁塞控制的另一方面即控制源節(jié)點(diǎn)的速率。在本發(fā)明中，生成數(shù)據(jù)包的傳輸速率按照加性增加，乘性較少的規(guī)律來(lái)控制。當(dāng)檢測(cè)到擁塞時(shí)，生成數(shù)據(jù)包的速率按公式其中v定義為傳輸速率控制因子，λii為第i跳第i個(gè)數(shù)據(jù)包的速率，如果數(shù)據(jù)包被成功傳輸，那么數(shù)據(jù)包生成速率以加法速度增加，即λii＝λii+α，此種方法可以防止局部流量負(fù)載的抖動(dòng)。因此，一個(gè)源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的流量滿(mǎn)足公式(1.12)，其中△t為時(shí)間間隔：

9、數(shù)據(jù)融合

本發(fā)明的數(shù)據(jù)傳輸采用多跳轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)的過(guò)程中，采用了數(shù)據(jù)融合機(jī)制。通過(guò)數(shù)據(jù)融合，能夠有效的減少數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，并能剔除冗余數(shù)據(jù)。合理的數(shù)據(jù)融合機(jī)制能夠節(jié)省能耗，降低時(shí)延。

如圖9所示本發(fā)明的數(shù)據(jù)融合機(jī)制圖，圖中為一條鏈，鏈上有7個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在向下一跳轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行融合，最終在節(jié)點(diǎn)1處打包成一個(gè)數(shù)據(jù)包一起上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)融合前后數(shù)據(jù)幀的變化如圖10所示，其中控制信息中包含鏈編號(hào)，幀類(lèi)型，前導(dǎo)碼等信息。

為了進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)包的大小，在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合時(shí)，只有當(dāng)相鄰兩次傳感器采集到的數(shù)據(jù)的差值大于某個(gè)特定的容忍限度時(shí)(該值根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景作具體的規(guī)定)，該數(shù)據(jù)才轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點(diǎn)，即滿(mǎn)足公式(1.13)的數(shù)據(jù)才能轉(zhuǎn)發(fā)，否則數(shù)據(jù)將被丟棄。

|c1-c2|＞cth(1.13)

另外，在數(shù)據(jù)融合中，數(shù)據(jù)幀過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)間大大增加，因此，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)初始化過(guò)程中，需給定數(shù)據(jù)融合最大值，以確保在部署的時(shí)隙內(nèi)數(shù)據(jù)可以成功發(fā)送和接收。當(dāng)超過(guò)這個(gè)最大融合的值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將不再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。

如圖11所示本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)的工作過(guò)程具體如下：

(1)首先對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化，包括傳感器節(jié)點(diǎn)的初始功率信息表，流量速率，一個(gè)周期性睡眠周期的時(shí)間等等；

(2)匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間同步，保證每條鏈上的傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)間是一致的，相互之間能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

(3)匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)隙分配，考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)比較穩(wěn)定且在最后一跳處數(shù)據(jù)流量比較大，為了避免最后一跳數(shù)據(jù)傳輸在匯聚節(jié)點(diǎn)處發(fā)生碰撞，出現(xiàn)丟包，因此在時(shí)隙分配時(shí)保證每條鏈第一跳的時(shí)隙不同；

(4)鏈穩(wěn)定運(yùn)行階段：在tdma時(shí)隙分配完成之后，sink節(jié)點(diǎn)廣播tdma時(shí)隙表之后，開(kāi)始處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，鏈節(jié)點(diǎn)在接收到本鏈上的時(shí)隙分配表之后，根據(jù)時(shí)隙分配的要求，關(guān)閉無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)模塊，進(jìn)入sleep狀態(tài)，直到所分配的發(fā)送時(shí)隙的到來(lái)，則醒來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在傳感器節(jié)點(diǎn)的每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸周期開(kāi)始，節(jié)點(diǎn)會(huì)先偵聽(tīng)一段時(shí)間，用來(lái)接收一些控制，請(qǐng)求消息等等。偵聽(tīng)結(jié)束之后，則進(jìn)入睡眠階段，等待自己的時(shí)隙。

(5)數(shù)據(jù)傳輸階段：節(jié)點(diǎn)在睡眠周期內(nèi)，根據(jù)部署好的時(shí)隙，開(kāi)始以初始化功率值逐跳上傳數(shù)據(jù)：

a.如果當(dāng)前時(shí)隙屬于本節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，那么節(jié)點(diǎn)在發(fā)送子時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在確認(rèn)子時(shí)隙接收來(lái)自下一跳節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀，相當(dāng)于ack報(bào)文；

b.如果當(dāng)前時(shí)隙屬于本節(jié)點(diǎn)，但是節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；

c.如果當(dāng)前時(shí)隙屬于上一跳節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在接收子時(shí)隙內(nèi)接收數(shù)據(jù)；

如圖12所示本發(fā)明的匯聚節(jié)點(diǎn)的主要功能具體如下：

(1)時(shí)間同步：匯聚節(jié)點(diǎn)主要用于廣播同步消息，保證鏈上所有的節(jié)點(diǎn)都能收到同步消息，并指定相應(yīng)的應(yīng)答節(jié)點(diǎn)；

(2)時(shí)隙分配：sink節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙ts0廣播一個(gè)rta0(requesttoassign)消息，來(lái)進(jìn)行時(shí)隙分配；

(3)時(shí)隙重分配：鏈路意外中斷，重新申請(qǐng)新的路徑時(shí)由匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙重分配；

(4)老節(jié)點(diǎn)退出和新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)：當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間之內(nèi)一直沒(méi)有收到某條鏈中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，則斷定此位置節(jié)點(diǎn)已死亡，此時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)退出與加入的算法；

(5)功率控制表：在新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和鏈路重申請(qǐng)時(shí)，需更新節(jié)點(diǎn)功率控制表；

(6)數(shù)據(jù)接收：這是匯聚節(jié)點(diǎn)最核心的一個(gè)功能，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)最終都上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，存儲(chǔ)，最終和上層控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

(7)其他功能：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞警告或者當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量出現(xiàn)低電警告等情況時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)需要作出相應(yīng)的處理。

本發(fā)明的性能理論分析：

本發(fā)明提供了一種農(nóng)田監(jiān)測(cè)多鏈型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)分層通信方法，可以視為一種新的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，一下用rbp表示

(1)數(shù)據(jù)包時(shí)延：假設(shè)在一條鏈中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都被分配一個(gè)單獨(dú)的時(shí)隙，單跳的傳輸可以看作是一個(gè)伯努利模型，一跳(s_hop)成功傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)隙數(shù)可表示如下：

其中，ptxfail表示在一次數(shù)據(jù)包傳輸失敗的概率，n為節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)，p0表示時(shí)隙內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的概率，ptxfail和鏈路的誤比特率pe相關(guān)，由于考慮的是一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，因此還決定于當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇螖?shù)ntxop，因此我們可以得到：

根據(jù)m/m/1/b排隊(duì)模型，p0可以表示如下：

其中ρ表示傳輸密度，ρ可以用一次上傳過(guò)程的數(shù)據(jù)總量r和傳輸率μ表示：

其中tdata表示數(shù)據(jù)上傳一次到sink節(jié)點(diǎn)的時(shí)間?？紤]到多跳傳輸，如果一個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳輸失敗，即s_hop>1，s_hop-1即為額外的平均時(shí)隙數(shù)，假設(shè)相鄰兩跳間的距離為d,則到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的平均幀數(shù)如下：

根據(jù)每幀內(nèi)的時(shí)隙總數(shù)(nslots)以及一次數(shù)據(jù)交換的持續(xù)時(shí)間tdata,一個(gè)數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延如下：

其中，slot_distance表示的是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)i所在的時(shí)隙與幀的最后一個(gè)時(shí)隙間的時(shí)隙數(shù)。在smac中，由于沒(méi)有事先的時(shí)隙分配，而且占空比是固定的，數(shù)據(jù)通信如果在listen階段沒(méi)有完成，協(xié)議將數(shù)據(jù)通信延遲到下一次偵聽(tīng)的開(kāi)始，這樣大大增加了時(shí)延。在xlp中數(shù)據(jù)傳輸在偵聽(tīng)階段，且沒(méi)有時(shí)間同步，單次數(shù)據(jù)上傳時(shí)間由rts-cts-data-ack順序完成，其中還需要通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)窗機(jī)制獲取通信資格，大大的增加了單次數(shù)據(jù)上傳時(shí)間，因此在xlp中，ttxop遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于rba中的ttxop，時(shí)延大于rbp，通過(guò)上面的分析，最終可以獲得三種協(xié)議的時(shí)延如圖13所示。由圖13可知，rbp的時(shí)延低于其他兩種協(xié)議。

(2)系統(tǒng)能耗：假設(shè)每條鏈上的節(jié)點(diǎn)數(shù)為n，節(jié)點(diǎn)i經(jīng)過(guò)多跳傳輸數(shù)據(jù)到sink節(jié)點(diǎn)，一次數(shù)據(jù)交換的持續(xù)時(shí)間ttxop，假設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間相等，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間為ttxop/2，一個(gè)時(shí)隙的時(shí)間為tslot。另外，設(shè)偵聽(tīng)階段沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)為eactive，睡眠階段能耗為esleep，同步過(guò)程能耗在此處忽略不計(jì)，數(shù)據(jù)接收的平均能耗為erx＝13.8mw，數(shù)據(jù)發(fā)送的平均能耗為etx＝24.95mw。根據(jù)前文分析，節(jié)點(diǎn)i通過(guò)多跳將數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點(diǎn)所需要消耗的能量如下：

erep，i＝eslot，i+elisten，i+edata，i(1.20)

eslot，i和elisten，i具體的可以表示成如下：

elisten，i＝iδts-leactive(1.22)

其中，δ表示占空比，pcta、psend、prev、pack分別為成功接收rta0(或rts)、發(fā)送cta0、發(fā)送cta、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、接收ack的概率。

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，可分為兩部分，正常數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量以及鏈路中斷后數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量，假設(shè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)意外死亡的概率為p，這里的p是一個(gè)常數(shù)，與具體的環(huán)境相關(guān)，那么，

當(dāng)鏈路正常的情況下，節(jié)點(diǎn)i傳輸數(shù)據(jù)所需要的能耗為：

當(dāng)鏈路中斷的情況下，傳輸數(shù)據(jù)所需要的能耗要比正常情況下多一個(gè)路由申請(qǐng)的過(guò)程和時(shí)隙充分配的過(guò)程：

而對(duì)于xlp協(xié)議，偵聽(tīng)階段和睡眠階段總能耗可表示如下：

而對(duì)于smac協(xié)議，具體的能耗分析可參考論文。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集率為v，由于網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)部署采用的是優(yōu)化部署方案，雖然上式在計(jì)算過(guò)程中將數(shù)據(jù)發(fā)送和接收簡(jiǎn)化成平均能耗，但是在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸中節(jié)點(diǎn)功耗可調(diào)，即在正常的發(fā)射功率下，可路由的節(jié)點(diǎn)有且僅有一個(gè)。因此，上傳所有數(shù)據(jù)需要的總能耗為：

同時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)正確發(fā)送或接受的概率為：

p＝(1-pe)^8ρf(1.28)

其中，f是包的長(zhǎng)度(比特)，ρ是編碼率，pe是信噪比。

根據(jù)上面的分析，最終可以得到本發(fā)明所述通信協(xié)議的能耗與占空比的關(guān)系如圖14所示。從圖中可以看出，當(dāng)占空比超過(guò)0.5時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗增大的很快，當(dāng)占空比約等于0.2時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗最低。

(3)單鏈故障：當(dāng)一條鏈上某個(gè)節(jié)點(diǎn)意外故障時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期也會(huì)發(fā)生變化。如果di+di-1≤rmax，rmax為最大通信半徑，故障處理如圖15(a)所示，，節(jié)點(diǎn)i將轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到節(jié)點(diǎn)i-2。此種情況下，由于節(jié)點(diǎn)i的傳輸距離發(fā)生變化，其他節(jié)點(diǎn)的傳輸沒(méi)有受到影響，因此節(jié)點(diǎn)i的能耗為：

e′net(i)＝etx+εamp·(di+di-1)^β)·k·(n-i+1)+erx·k·(n-i)(1.29)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期則為：

如果di+di-1＞rmax，此時(shí)節(jié)點(diǎn)i不能直接與節(jié)點(diǎn)i-2進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，因此需要向鄰鏈發(fā)起新的路由請(qǐng)求，如圖15(b)所示。

節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j發(fā)起新的路由請(qǐng)求，鏈2上從節(jié)點(diǎn)j開(kāi)始所承擔(dān)的數(shù)據(jù)流量將大大增大，消耗的能量更多，網(wǎng)絡(luò)的生命周期也隨之發(fā)生變化。鏈2上每個(gè)節(jié)點(diǎn)將需要(2n-i-j+2)此數(shù)據(jù)發(fā)送和(2n-i+1-j)次數(shù)據(jù)接收，因此對(duì)于鏈2：

e′net(j)＝(etx+(ε·dj)^β)·k·(2n-i+2-j)+erx·k·(2n-i+1-j)(1.31)

此時(shí)網(wǎng)絡(luò)的生命周期為：

根據(jù)上面的分析最終得到無(wú)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)的網(wǎng)絡(luò)生命周期和有節(jié)點(diǎn)變化時(shí)的網(wǎng)絡(luò)生命周期之間的關(guān)系，如圖16所示。

根據(jù)圖16可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，整體網(wǎng)絡(luò)生命周期下降；節(jié)點(diǎn)故障位置出現(xiàn)位置不同，網(wǎng)絡(luò)生命周期不同，節(jié)點(diǎn)故障出現(xiàn)在靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的位置，由于兩跳之間距離較小，直接增大功率與下下跳節(jié)點(diǎn)通信，此時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期影響較小；當(dāng)節(jié)點(diǎn)故障位置出現(xiàn)在距離匯聚節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，需要向鄰鏈申請(qǐng)新的路由，對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期影響較大。

本發(fā)明的性能仿真分析：

采用omnet++對(duì)本發(fā)明的性能進(jìn)行仿真。圖17和圖18分別是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D和協(xié)議仿真模型圖。

(1)數(shù)據(jù)時(shí)延仿真：數(shù)據(jù)時(shí)延是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)時(shí)延是隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而不斷累加的，因此在一條鏈上節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，平均時(shí)延越大。對(duì)于相鄰的兩條鏈之間，由于大部分時(shí)隙是復(fù)用的，因此時(shí)延不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增大而增大，在某個(gè)階段會(huì)保持不變，假設(shè)占空比此時(shí)取固定值，即δ＝0.2，那么平均時(shí)延與某兩條鏈上節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系如圖19所示。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)一定時(shí)，即監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑固定，δ的取值對(duì)時(shí)延也產(chǎn)生很大的影響，δ越小，節(jié)點(diǎn)睡眠時(shí)間越長(zhǎng)，相應(yīng)的時(shí)延越大，某一條鏈上平均數(shù)據(jù)時(shí)延和占空比的關(guān)系如圖20所示。

由圖20可知，當(dāng)占空比很小時(shí)，xlp時(shí)延過(guò)大，盡管在δ>0.65時(shí)，時(shí)延性能略?xún)?yōu)于rbp，但是由于能耗的因素，一般δ<0.5。

rbp協(xié)議的時(shí)延除了和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及占空比有關(guān)，還和鏈的條數(shù)有關(guān)，鏈的條數(shù)與數(shù)據(jù)時(shí)延的關(guān)系如圖21所示。

綜上所述，可知rbp協(xié)議由于睡眠周期仍可數(shù)據(jù)傳輸，并且采用時(shí)隙復(fù)用的方式，因此降低了平均數(shù)據(jù)時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。

(2)網(wǎng)絡(luò)能耗仿真：能耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)重要的指標(biāo)，能耗越低，網(wǎng)絡(luò)性能越優(yōu)。本文在仿真中假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始能量相同，監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑為500m，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，其中一條鏈上每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量如圖22所示。

由圖22所示，rbp協(xié)議仿真后每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量基本相當(dāng)，且仿真值與理論值接近。而xlp協(xié)議中節(jié)點(diǎn)剩余能量與節(jié)點(diǎn)位置有關(guān)，越靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量越少。而且在xlp協(xié)議中仿真值明顯低于理論值，這表明rbp協(xié)議在實(shí)際環(huán)境中的適應(yīng)性比xlp協(xié)議要好。

上面的仿真過(guò)程中占空比，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及鏈的條數(shù)是固定的，如果改變占空比，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及鏈的條數(shù)，總能耗也隨之改變，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)越多，鏈數(shù)越多，能耗越高，占空比越低，能耗越低。下面本發(fā)明將通過(guò)改變占空比，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)以及鏈的條數(shù)對(duì)能耗進(jìn)一步分析。首先，分析占空比與網(wǎng)絡(luò)能耗的關(guān)系，仿真過(guò)程中通過(guò)設(shè)定不同的占空比計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的總能耗值，具體如圖23所示。由圖23可知，占空比越大，網(wǎng)絡(luò)總能耗越大，因此在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)應(yīng)盡量減小占空比。

其次，進(jìn)一步分析不同的網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)總能耗的關(guān)系，此處取δ＝0.2。仿真過(guò)程中取傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1～7個(gè)，傳感器節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)增加，能耗也隨之增加。兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，網(wǎng)絡(luò)能耗圖如圖24所示。

最后，分析鏈的條數(shù)與網(wǎng)絡(luò)總能耗的關(guān)系，δ仍取0.2，監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑為500m，仿真結(jié)果如圖25所示。

綜上所述，rbp無(wú)層協(xié)議與xlp相比具有更小的能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。

(3)網(wǎng)絡(luò)故障仿真：假設(shè)監(jiān)測(cè)區(qū)域半徑為500m，每條鏈上有7個(gè)節(jié)點(diǎn)，有相鄰的兩條鏈節(jié)點(diǎn)id編號(hào)分別為1-14，某一條鏈路上節(jié)點(diǎn)id為5的節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障死亡，并通過(guò)向鄰鏈上節(jié)點(diǎn)id為12的節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)新的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)仿真得到這兩條鏈路上的節(jié)點(diǎn)剩余能耗如圖26所示。仿真結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)id為5和12的節(jié)點(diǎn)由于需要承擔(dān)更多的負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致剩余能量明顯降低。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有多條鏈路出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，rbp協(xié)議和xlp協(xié)議的生命周期變化如圖27所示。由圖27所示，當(dāng)鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，兩種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期均有所下降，rbp協(xié)議由于具有故障處理機(jī)制，因此網(wǎng)絡(luò)生命周期下降緩慢，而xlp協(xié)議隨著鏈路故障的條數(shù)的增加生命周期迅速減少，最后變?yōu)?。由此可見(jiàn)，rbp協(xié)議性能明顯由于xlp協(xié)議。

綜上所述，rbp協(xié)議在鏈路出現(xiàn)故障時(shí)其處理能力明顯優(yōu)于xlp協(xié)議，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。