基于能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其低延遲路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由方法，具體涉及一種基于能量采集的無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)低延遲路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一組傳感器節(jié)點自組織而形成的一個多跳無線網(wǎng)絡(luò)，不需要 固定網(wǎng)絡(luò)支持，具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)勢，同時還具有自組織、多跳、動態(tài)拓?fù)浜湍芰?資源受限等特點。它能夠在人們無法接近的惡劣或特殊環(huán)境中工作。由于微型傳感器節(jié)點 能力有限且成本低廉，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常部署數(shù)量龐大的微型傳感器節(jié)點和一個能量 不受限制且處理能力較強(qiáng)的基站節(jié)點（或稱Sink節(jié)點）。傳感器節(jié)點協(xié)同感知、采集和處 理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過多跳路由傳送給基站，最后 通過互連網(wǎng)或衛(wèi)星到達(dá)管理節(jié)點。傳感器網(wǎng)絡(luò)目前廣泛地應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境 監(jiān)測和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。路由技術(shù)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種重要支撐技術(shù)，直接關(guān)系 到網(wǎng)絡(luò)的運行質(zhì)量。
[0003] 傳感器節(jié)點通常采用大量密集部署方式，價格低廉使得節(jié)點在通信能力、信息處 理能力和能量供應(yīng)系統(tǒng)方面采用較為簡單低廉的芯片技術(shù)。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常采 用便攜式電池作為能量供應(yīng)系統(tǒng)，電池存儲能力的有限性使得電池能量很容易耗盡，傳感 器節(jié)點失去動力后就會被遺棄。近幾十年來，蓄電池技術(shù)一直沒有獲得突破性的進(jìn)展，電池 能量的有限性使得網(wǎng)絡(luò)壽命成為影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用推廣的短板，同時電池耗盡電能 后通常被遺棄于野外，也對自然環(huán)境造成一定的污染。隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們將目光投向了 自然的清潔能源，希望將外部環(huán)境中的自然資源轉(zhuǎn)化為傳感器節(jié)點可以使用的電能，其中， 太陽能的利用最為廣泛。人類利用太陽能的時間還要早于利用蓄電池的時間。
[0004] 隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前存在一些能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，使無線傳感節(jié)點能夠從環(huán)境中采 集或收集能量。能量采集技術(shù)與應(yīng)用環(huán)境密切相關(guān)，其中，最常用的有太陽能電池技術(shù)，此 夕卜，還有振動取電，溫差取電以及依賴機(jī)械運動引發(fā)等各種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)等。當(dāng)前的環(huán)境能 量收集技術(shù)已經(jīng)能為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供適量的能量補(bǔ)給，能量供應(yīng)系統(tǒng)的改變?yōu)闊o 線傳感器技術(shù)發(fā)展提供了新方向，尤其是路由協(xié)議的研宄。在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中， 由于使用能量有限的電池，路由協(xié)議主要以節(jié)能和提高能量的利用率為目標(biāo)，最大限度延 遲網(wǎng)絡(luò)生命期。在以能量采集或能量再生能能量供應(yīng)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)生命 期不再是一個主要問題，如果可以合理利用有效的采集能量，傳感器系統(tǒng)可以一直工作到 節(jié)點物理器件損壞為止，時間甚至可以超過10年。由于能量儲存系統(tǒng)不便于設(shè)計過大，所 以能量儲存能力有限，節(jié)點盡快將能量耗盡繼續(xù)可以從外部吸取更多的能量，節(jié)能反而降 低系統(tǒng)工作效率。所以在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下設(shè)計的以節(jié)能為目標(biāo)的路由協(xié)議將不再適 用于以能量采集技術(shù)為前提的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0005] 能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研宄方向，當(dāng)前的研 宄處于起步階段。在基于能量采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，雖然可以解決當(dāng)節(jié)點能量有 限性問題，但是在路由設(shè)計中將面臨新的問題。首先為了便于節(jié)點大規(guī)模隨機(jī)布設(shè)，節(jié)點通 常較小便于攜帶和拋灑，那么節(jié)點的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常較小，如傳感節(jié)點上的太陽能電池 板尺寸通常較小。再者，節(jié)點上的儲存系統(tǒng)占據(jù)節(jié)點的大部分空間，通常也較小，造成節(jié)點 電能儲存能力也較小。再加上當(dāng)前能量轉(zhuǎn)換技術(shù)的限制，依靠節(jié)點的能量采集技術(shù)提供的 電量并不能保證節(jié)點持續(xù)性的工作，節(jié)點大部分時間都處于充電狀態(tài)，也即節(jié)點工作必須 維持一個較低的占空比。節(jié)點的能量采集系統(tǒng)具有較強(qiáng)的環(huán)境依賴性，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變 化時，采集到的能量就會發(fā)生變化，不同的節(jié)點處于不同的環(huán)境也會采集到不同的能量，所 以節(jié)點的工作時間具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。節(jié)點工作在較低的占空比下和工作時間的隨機(jī)性使 得在能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)下，數(shù)據(jù)延遲比以往傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要嚴(yán)重和復(fù) 雜的多，在某些時候數(shù)據(jù)傳輸延遲變得難以忍受。
[0006] 在能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸延遲最小化，必須要面臨兩個 問題，首先是節(jié)點由于對環(huán)境極強(qiáng)的依賴性所帶來的工作時間的不確定性，工作時間的不 確定性導(dǎo)致節(jié)點無法掌握鄰居節(jié)點的工作時間，由于能量采集的有限性，節(jié)點也不能像傳 統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下節(jié)點不斷探測其他節(jié)點的工作狀態(tài)，導(dǎo)致節(jié)點不能及時將數(shù)據(jù)傳往下一跳節(jié)點。 另一個問題是節(jié)點工作必須維持在一個較低的占空比下，也即為節(jié)點大部分時間都處于充 電狀態(tài)，而不能及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這兩個問題如果不能有效解決或者不能將不利因素 降到最低，數(shù)據(jù)延遲將不可控制，會極大影響作為基于新型能源的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 推廣使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對具有能量采集技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的 數(shù)據(jù)傳輸效率問題，提出一種能量采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低延遲路由方法，以解決由于節(jié) 點工作在較低的占空比下和工作時間的隨機(jī)性所帶來的較大的數(shù)據(jù)傳輸延遲問題，提高網(wǎng) 絡(luò)運行效率，確保數(shù)據(jù)及時到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。
[0008] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：
[0009] 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括基站節(jié)點和隨機(jī)分布在監(jiān)測區(qū)域 中的若干普通節(jié)點，其特征在于：每個普通節(jié)點均包括可充電系統(tǒng)和能量儲備系統(tǒng)，其中可 充電系統(tǒng)用于將外部自然能源轉(zhuǎn)化為電能并儲存在能量儲備系統(tǒng)中，當(dāng)能量儲備系統(tǒng)的電 能不足時，啟動該節(jié)點的可充電系統(tǒng)并一直到電能充滿為止；
[0010] 所述普通節(jié)點的整個工作時間分為若干個工作周期，一個工作周期中所處的狀態(tài) 由多個工作狀態(tài)和空閑狀態(tài)組成，所述多個工作狀態(tài)為：充電狀態(tài)、數(shù)據(jù)包接收狀態(tài)、數(shù)據(jù) 包發(fā)送狀態(tài)、偵聽狀態(tài)，其中充電狀態(tài)能夠與其它狀態(tài)并行工作，其它狀態(tài)之間不能并行工 作。
[0011] 進(jìn)一步的，本發(fā)明的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述普通節(jié)點均具有相同的通信能力、 信息處理能力，以及相同的傳輸半徑和唯一標(biāo)識。
[0012] 進(jìn)一步