專利名稱：Ieee 802.15.4中g(shù)ts釋放機(jī)制的改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種IEEE 802. 15. 4中GTS釋放機(jī)制的改進(jìn)方法。
背景技術(shù)：
IEEE 802. 15. 4中的GTS通信技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的研究，由于GTS資源非常 寶貴且有限，人們在如何提高GTS資源利用率等方面做了很多工作，大部分的研究工作 主要集中在如何對GTS資源進(jìn)行分配這個問題上。在Anis Koubaa, Mario Alves, and Eduardo Tovar 的文獻(xiàn)"An implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802. 15. 4 for time-sensitive wireless sensor networks :theory and practice ( 一禾中用于對時間 敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的IEEE 802. 15. 4GTS分配方案)”，Real-Time Systems, 2008, PP. 169-204中，根據(jù)通信數(shù)據(jù)流的具體形式，延遲要求和可用帶寬資源的綜合考慮，依據(jù) "admission control algorithm”算法，提出了多個節(jié)點共享一個GTS時槽的通信理論，提 高了 GTS的帶寬利用率。由于在每個超幀內(nèi)最多允許分配7個GTS，而且有時節(jié)點對GTS的利用并不充 分，僅僅在一個GTS時槽內(nèi)的部分時間進(jìn)行通信，其余的帶寬只能白白的浪費(fèi)掉，針對這 禾中情況，Liang Cheng, A. G. Bourgeois, and Xin Zhang 的文獻(xiàn)"A new GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4networks with improved bandwidth utilization (一禾中 IEEE 802. 15.4中用于提高帶寬利用率的新型GTS分配方案)”，ISCIT，07, 2007, pp. 1143-1148， 將CFP內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)時隙劃分成更多更小的時隙，然后再根據(jù)節(jié)點通信要求的額需要進(jìn)行重新 分配，這樣既可以解決節(jié)點對每個GTS利用不充分的問題又可以增加GTS的分配名額，從而 提高了 GTS的利用率。為了解決通信的延遲和帶寬問題，GTS被單獨的分配給一個節(jié)點獨自享用。但是 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的通信狀況也要考慮節(jié)點利用GTS資源的公平性。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)， 針對節(jié)點的通信要求和使用GTS的公平性方面的改進(jìn)，Yu-Kai Huang, Ai-Chun Pang, and Hui-Nien Hung 的文獻(xiàn)"An Adaptive GTS Allocation Scheme for IEEE 802. 15. 4(— 種 IEEE 802. 15. 4 中自適應(yīng)的 GTS 分配方案)”，IEEE Transactions On Parallel and Distributed Systems, 2008, pp. 641-651，提出了一種自適應(yīng)的GTS分配方法，這個自適應(yīng) 的過程包含兩個階段一是設(shè)備分類階段，在這個階段中，設(shè)備被賦予不同的優(yōu)先級；而在 GTS分配階段，按照優(yōu)先級的高低進(jìn)行分配GTS資源，同時提出一種避免低優(yōu)先級設(shè)備始終 無法得到GTS分配的機(jī)制，因此也間接地實現(xiàn)了 GTS的釋放，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)利用的公平性。在 Yong-Geun Hong, Hyoung-Jun Kim and Hee-Dong Park 的文獻(xiàn)"Adaptive GTS Allocation scheme to support QoS and multiple devices in 802. 15. 4 (802. 15. 4 中支 持服務(wù)質(zhì)量和多設(shè)備的自適應(yīng)GTS分配方案)”，Do-Hyeon Kim, ICACT，2009，pp. 1697-1702 中，通過修改超幀的結(jié)構(gòu)，增加GTS的分配數(shù)量來滿足多個設(shè)備的通信服務(wù)質(zhì)量，提高GTS 的利用率。
綜上所述，以前的GTS改進(jìn)工作主要集中在對GTS資源如何進(jìn)行分配的問題上，進(jìn) 而對GTS的利用率來實現(xiàn)提高和優(yōu)化。然而，它們在評估系統(tǒng)性能的時候，忽略了因GTS釋 放延遲多占用的超幀所消耗的帶寬資源和能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種IEEE 802. 15. 4中GTS釋放機(jī)制 的改進(jìn)方法，從GTS釋放對系統(tǒng)性能的影響的角度來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。GTS及時有效地釋放對 GTS的利用率和能量消耗等性能有著直接的影響，因此本發(fā)明通過對GTS釋放機(jī)制的改進(jìn)， 改善和提高了系統(tǒng)性能。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點對其最近兩次的通信時間間隔作為通信周期，進(jìn)行下一 次通信時間的預(yù)測，具體步驟為1. 1)節(jié)點記錄初始兩次GTS數(shù)據(jù)通信的起始時間、和tb，從而計算出兩次通信的 時間間隔為Ki = tb-ta ；1. 2)對于在S時刻開始進(jìn)行的周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ胖芷谑浅瑤L度的整數(shù)倍， 則Ki = mXtminX2B°，其中tmin為最短超幀持續(xù)時間，BO為信標(biāo)階數(shù)，m的取值由兩次通信 時間所間隔的實際超幀數(shù)目決定，當(dāng)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，即非周期性數(shù)據(jù)傳輸時m設(shè)置為1 ；1.3)下一次通信時間的預(yù)測值為S+nXKi;n = 1，2，3…。第二步、節(jié)點在達(dá)到通信預(yù)測時間時對其緩存進(jìn)行GTS資源使用檢測，當(dāng)GTS資源 的數(shù)據(jù)緩存為空，則該節(jié)點在當(dāng)前的GTS時隙內(nèi)立即主動申請GTS釋放。本發(fā)明能有效提高GTS資源的使用并降低能量消耗，實現(xiàn)簡單方便，有著很好的 經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。


圖1為確定節(jié)點的通信時刻，即檢測緩存的時刻示意圖。圖2為本發(fā)明的釋放機(jī)制與802. 15. 4被動釋放機(jī)制比較示意圖。圖3為本發(fā)明在突發(fā)數(shù)據(jù)通信場景下GTS利用率比較圖。圖4為本發(fā)明在突發(fā)數(shù)據(jù)通信場景下平均傳輸能耗比較圖。圖5為本發(fā)明在周期性數(shù)據(jù)通信場景下GTS利用率比較圖。圖6為本發(fā)明在周期性數(shù)據(jù)通信場景下平均傳輸能耗比較圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。實施例1)對數(shù)據(jù)緩存檢測時間的確定階段若想對GTS進(jìn)行及時的釋放，必須明確GTS 通信在何時結(jié)束。本實施例中通過主動檢測緩存中是否有數(shù)據(jù)來驗證GTS通信是否停止。 而在不同應(yīng)用場景下，節(jié)點的通信時間是有差異的。在周期性數(shù)據(jù)通信場景中，節(jié)點并非在
4每個超幀的GTS內(nèi)進(jìn)行通信，而是以固定的周期進(jìn)行通信，周期可以通過記錄相鄰兩次通 信的間隔確定。如圖1所示，假設(shè)一個節(jié)點的通信周期為Ki,它在S時刻開始進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)傳 輸，因此后面的通信時刻即為S+n·!^，!！ = 1，2，3…。節(jié)點只要在這些時刻對緩存進(jìn)行檢測 即可，不必每個超幀都進(jìn)行檢測。而對于突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，由于瞬時的數(shù)據(jù)量較大，且對延遲 要求較高，所以通常會在幾個連續(xù)的超幀內(nèi)進(jìn)行發(fā)送，因此需要對緩存進(jìn)行連續(xù)的檢測，此 時附圖1中的Ki應(yīng)該設(shè)置為1個超幀時長。2)GTS通信是否結(jié)束的確定階段確定了檢測時刻之后，節(jié)點便可以按照預(yù)測的 通信時間對緩存進(jìn)行檢測。通常，申請GTS通信的節(jié)點一旦停止了 GTS通信，在隨后的短時 間內(nèi)不會再次申請GTS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此通過節(jié)點對緩存的檢測，一旦發(fā)現(xiàn)緩存中無數(shù) 據(jù)發(fā)送，則認(rèn)為GTS通信已經(jīng)停止對于周期性通信，說明節(jié)點不再產(chǎn)生有用的數(shù)據(jù)；對于 突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，說明大量的突發(fā)數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢。3) GTS的釋放階段當(dāng)節(jié)點確定停止使用GTS后，本方法使節(jié)點在發(fā)現(xiàn)通信停止的 當(dāng)前GTS內(nèi)便向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出釋放申請。在當(dāng)前的GTS內(nèi)申請釋放，能夠避免其它干擾 或者由于CSMA/CA競爭失敗而延誤申請，從而能夠提前有效地釋放GTS。通過性能分析和仿真，本實施例在GTS實際利用率和平均傳輸能耗等性能方面有
著顯著的改善。如圖3和圖4所示，給出了在突發(fā)數(shù)據(jù)通信場景下，本實施例的改進(jìn)GTS釋放機(jī) 制和802. 15. 4被動釋放機(jī)制在GTS利用率及平均傳輸能耗兩方面性能的比較圖(由于 802. 15. 4主動釋放機(jī)制尚未在通信結(jié)束時刻和申請釋放時刻上的判定方面給出具體的規(guī) 定，實際中很難應(yīng)用，因此沒有將其放在對比之中)。由仿真圖可知，本實施例的釋放機(jī)制有 更高的GTS利用率和較低的通信能耗；如圖5和圖6所示，則給出了在周期性數(shù)據(jù)通信情況下，本實施例設(shè)計和802. 15. 4 被動釋放機(jī)制的性能比較示意圖，同樣可以看出本實施例在GTS利用率和通信的平均能耗 方面表現(xiàn)地更為優(yōu)越。綜上可以看出，無論在突發(fā)數(shù)據(jù)通信還是在周期性數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中， 本實施例的GTS釋放機(jī)制都會提高GTS利用率，降低通信的平均能耗，能很好的提高GTS資 源的使用，降低能量消耗，同時本實施例建立在原802. 15. 4協(xié)議基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)簡單方便， 有著很好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。圖1為本實施例檢測緩存的時刻示意圖。圖2為本實施例的釋放機(jī)制與802. 15. 4 被動釋放機(jī)制比較示意圖。在突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)中，仿真參數(shù)設(shè)置如下每次突發(fā)數(shù)據(jù)傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)總量均勻分布于[10，20]lAitS，最大允許延遲在[2，4] s服從均勻分布，數(shù)據(jù)傳輸 速率為2501ibpS，節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)功率為40mW，節(jié)點空閑時消耗的功率為0. 8mW。圖3為本 實施例在突發(fā)數(shù)據(jù)通信場景下GTS利用率比較圖。圖4為本實施例在突發(fā)數(shù)據(jù)通信場景下 平均傳輸能耗比較圖。在周期性數(shù)據(jù)通信場景下，仿真參數(shù)設(shè)置如下每個節(jié)點的周期性通 信發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)均勻分布于[10，20]次，數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率在[l，7]lApS均勻分布，節(jié)點的數(shù) 據(jù)收發(fā)功率為40mW，節(jié)點空閑時消耗的功率為0. 8mW。圖5為本實施例在周期性數(shù)據(jù)通信場 景下GTS利用率比較圖。圖6為本實施例在周期性數(shù)據(jù)通信場景下平均傳輸能耗比較圖。
權(quán)利要求
1.一種IEEE 802. 15. 4中GTS釋放機(jī)制的改進(jìn)方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步、網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點對其最近兩次的通信時間間隔作為通信周期，進(jìn)行下一次通信時間的預(yù)測；第二步、節(jié)點在達(dá)到通信預(yù)測時間時對其緩存進(jìn)行GTS資源使用檢測，當(dāng)GTS資源的數(shù) 據(jù)緩存為空，則該節(jié)點在當(dāng)前的GTS時隙內(nèi)立即主動申請GTS釋放。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的IEEE802. 15. 4中GTS釋放機(jī)制的改進(jìn)方法，其特征是，所述 的第一步具體步驟為，1. 1)節(jié)點記錄初始兩次GTS數(shù)據(jù)通信的起始時間1和tb，從而計算出兩次通信的時間 間隔為Ki = tb-ta ；，1. 2)對于在S時刻開始進(jìn)行的周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ胖芷谑浅瑤L度的整數(shù)倍，則Ki =HIXtminX 2B°，其中tmin為最短超幀持續(xù)時間，BO為信標(biāo)階數(shù)，m的取值由兩次通信時間所 間隔的實際超幀數(shù)目決定，當(dāng)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸，即非周期性數(shù)據(jù)傳輸時m設(shè)置為1 ； 1.3)下一次通信時間的預(yù)測值為S+nXKi;n = 1，2，3…。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的IEEE 802.15.4中GTS釋放機(jī)制的改進(jìn)方法，通過網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點對其最近兩次的通信時間間隔作為通信周期，進(jìn)行下一次通信時間的預(yù)測；節(jié)點在達(dá)到通信預(yù)測時間時對其緩存進(jìn)行GTS資源使用檢測，當(dāng)GTS資源的數(shù)據(jù)緩存為空，則該節(jié)點在當(dāng)前的GTS時隙內(nèi)立即主動申請GTS釋放。本發(fā)明從GTS釋放對系統(tǒng)性能的影響的角度來進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。GTS及時有效地釋放對GTS的利用率和能量消耗等性能有著直接的影響，因此本發(fā)明通過對GTS釋放機(jī)制的改進(jìn)，改善和提高了系統(tǒng)性能。
文檔編號H04W76/06GK102123519SQ20111006525
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月18日
發(fā)明者何晨, 呂超, 吳呈瑜, 周桂寅, 田軍 申請人:上海交通大學(xué), 富士通株式會社