專利名稱：一種面向容量擴展的無線傳感網(wǎng)多信道調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是涉及一種面向容量擴展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本的、具有感知、通信和計算能力的傳感器節(jié)點構(gòu)成的。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點將采集到的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，以無線多跳的方式，發(fā)送給用戶。用戶可以足不出戶，就可以實時地對某一區(qū)域進行監(jiān)測。它是面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，而如今的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都針對小流量網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量變大時，它們的性能會越來越差。而采用多信道機制，可以有效地提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。如何有效地分配以及調(diào)度信道，是提高網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一。如今傳感器節(jié)點大多是單收發(fā)器節(jié)點，雖說可以工作在不同的頻率上，但不同頻率間的切換時間是不容忽略的。而且它們的MAC層報文長度較小，只有30-50byte，遠(yuǎn)小于一般的自主網(wǎng)，如Adhoc網(wǎng)絡(luò)。因此一般的多信道調(diào)度方法并不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。根據(jù)信道分配的粒度來分，現(xiàn)有的多信道調(diào)度方法可以分為基于節(jié)點、基于樹的調(diào)度方法。由于基于節(jié)點的調(diào)度方法需要大量的可用物理信道，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只有16個正交物理信道，這將嚴(yán)重制約著基于節(jié)點的調(diào)度方法的應(yīng)用?；诠?jié)點的多信道調(diào)度方法需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點保持時間同步，否則它們的性能會下降得很快。Micaz等節(jié)點的時鐘存在40ppm的漂移，即一秒種后，時鐘漂移為40us。為了保證協(xié)議的性能，必須經(jīng)常對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點重新進行同步。然而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的同步協(xié)議需要消耗額外的帶寬和能量，因此使得周期性地對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點進行同步，是不可行的，特別是對高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用或者是大型、密集型網(wǎng)絡(luò)來說，更是如此。基于樹的調(diào)度方法只需少量的正交物理信道，且不需要節(jié)點間保持時間同步，但它針對靜態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的，擴展性很差，不能適應(yīng)動態(tài)的環(huán)境。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨著節(jié)點因能量耗盡而失效或新節(jié)點加入而變化，因此基于樹的調(diào)度方法不適合長時間監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對上述問題，提供一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于樹的多信道調(diào)度方法。本發(fā)明將網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分為三類，普通節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點。不同的網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作在不同的信道上，普通節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇加入合適的以網(wǎng)關(guān)節(jié)點為根節(jié)點的子樹，而協(xié)調(diào)節(jié)點用于協(xié)調(diào)各子樹的網(wǎng)絡(luò)流量。本發(fā)明方法的主要步驟如下
(I)信道選擇及子樹建立
I.I每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作在不同的信道上，以周期
h廣播Beacon包；Beacon包包含發(fā)送節(jié)點到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的跳數(shù)、路徑期望傳輸次數(shù)PETX、和發(fā)送節(jié)點ID。I. 2普通節(jié)點以周期t掃描各信道，其中t大于&。在時間t內(nèi)，接收它所有潛在父節(jié)點廣播的Beacon包，選擇PETX值最小的父節(jié)點作為最優(yōu)父節(jié)點，并將最優(yōu)父節(jié)點所在的路徑當(dāng)作該信道的最佳路徑。I. 3普通節(jié)點依次掃描完各個信道，選擇最佳路徑PETX值最小的信道作為當(dāng)前節(jié)點的工作信道。I. 4選定工作信道的普通節(jié)點加入各子樹，周期性地將自己的孩子節(jié)點數(shù)報告給父節(jié)點。 (2)信道調(diào)度
2.I協(xié)調(diào)節(jié)點周期性地掃描各個信道，接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)包，以掌握各子樹的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。2.2當(dāng)各子樹的孩子數(shù)不平衡時，協(xié)調(diào)節(jié)點向節(jié)點數(shù)最多的那個網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送調(diào)度信息包(Balance包)。(3)節(jié)點根據(jù)調(diào)度信息重新選擇加入信道
3.I網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收調(diào)度信息包，并將調(diào)度信息包向下廣播。3.2網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點接收到調(diào)度信息包，轉(zhuǎn)發(fā)該調(diào)度信息包，并根據(jù)包內(nèi)的信息，跳轉(zhuǎn)到其他信道或繼續(xù)留在原信道。3. 3選定工作信道的普通節(jié)點加入各子樹，向父節(jié)點報告孩子數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包。相對于現(xiàn)有的多信道調(diào)度方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
(I)采用粗粒的信道分配方法，即給每棵子樹分配一個信道，需要較少的可用物理信道。(2)通過引入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點，使得一般的單收發(fā)器傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以監(jiān)測工作在不同信道上的子樹網(wǎng)絡(luò)流量。(3)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限，本多信道調(diào)度方法簡單，不需要復(fù)雜的計算和存儲空間，較適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。


圖I為調(diào)度方法示意圖。圖2為協(xié)調(diào)節(jié)點調(diào)度流程。圖3為普通節(jié)點收到調(diào)度包重新選擇信道。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明
如圖I所示，本發(fā)明采用粗粒的信道分配方法，即給每棵子樹分配不同的信道，通過引入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點，來減少節(jié)點信道切換次數(shù)和工作在不同信道上節(jié)點間的通信頻率，從而使各子樹的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到平衡，提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。( I)本發(fā)明以路徑期望傳輸次數(shù)PETX來表征路徑的鏈路質(zhì)量。它是路徑上各鏈路的鏈路期望傳輸次數(shù)ETX值之和，其中ETX是指節(jié)點在一條鏈路上成功傳遞數(shù)據(jù)所需的期望傳輸次數(shù)。子樹內(nèi)的普通節(jié)點到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的路徑鏈路質(zhì)量可由式I表示，PETXi = PBTXi + STXij(I)
其中j是當(dāng)前節(jié)點，i是節(jié)點j的父節(jié)點，PETXj表示節(jié)點j到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的路徑期望傳輸次數(shù)，STTij表示節(jié)點i到節(jié)點j的鏈路期望傳輸次數(shù)。每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作在不同的信道上，以周期廣播Beacon包，普通節(jié)點依次掃描
各個信道，并在各個信道停留t時間，其中t略大于^ ,記錄接收到的Beacon包信息。普通節(jié)點一接收到Beacon包，首先判斷接收Beacon包時的RSSI值是否大于_75dbm，若成立，則計算當(dāng)前節(jié)點到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的PETX值。否則丟棄該包，繼續(xù)偵聽，接收其他Beacon包。若在t時間內(nèi)，普通節(jié)點還收到它的其他潛在父節(jié)點發(fā)的Beacon包，只有新路徑的PETX值小于當(dāng)前選取路徑的PETX值時，普通節(jié)點才更新選取路徑。那么普通節(jié)點在一個信道上偵聽t時間后，若它的選取路徑存在，該路徑也是最優(yōu)的路徑。當(dāng)普通節(jié)點掃描完全部的信道后，根據(jù)接收到的信息，選擇出最佳的信道。若最佳信道存在，那么普通節(jié)點切換到那個信道，發(fā)送TreeJoin包，申請加入它的潛在父節(jié)點所在路徑，并等待父節(jié)點的回復(fù)。否則這個普通節(jié)點繼續(xù)依次掃描信道，以尋找加入最優(yōu)的信道。若父節(jié)點的孩子數(shù)小于它所允許的最大孩子數(shù)，則給申請加入的那個孩子節(jié)點回復(fù)一個確認(rèn)包，否則父節(jié)點丟棄該申請包，不對它作出回復(fù)。若孩子節(jié)點在Is之內(nèi)沒有收到它的潛在父節(jié)點的回復(fù)包，那么它認(rèn)為當(dāng)前所處的鏈路不穩(wěn)定，進行新一輪的信道掃描，爭取加入最優(yōu)的子樹。當(dāng)節(jié)點收到父節(jié)點的回復(fù)，它再開始周期性地廣播Beacon包，以及定時將自己的孩子數(shù)報告給它的父節(jié)點，以便網(wǎng)關(guān)節(jié)點能了解當(dāng)前子樹內(nèi)的節(jié)點數(shù)。(2)由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點自主地加入各子樹，因此子樹建立完成時，它們的規(guī)?？赡軙黄胶狻．?dāng)節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)的鏈路質(zhì)量發(fā)生變化，各棵子樹的規(guī)模也會變得不平衡。本發(fā)明方法以各子樹內(nèi)的節(jié)點數(shù)來衡量子樹的規(guī)模，并根據(jù)它來平衡網(wǎng)絡(luò)中各子樹的網(wǎng)絡(luò)流量。它周期性地檢測各子樹內(nèi)的節(jié)點數(shù)，當(dāng)滿足一定條件時，對那棵擁有最大節(jié)點數(shù)的子樹進行信道平衡。一旦確定進行信道平衡，協(xié)調(diào)節(jié)點給相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點則發(fā)送Balance包，網(wǎng)關(guān)節(jié)點將它轉(zhuǎn)發(fā)給子樹內(nèi)的每個節(jié)點，子樹內(nèi)的節(jié)點根據(jù)Balance包來選擇是否跳轉(zhuǎn)到其他信道。本發(fā)明方法采用兩種機制來避免網(wǎng)絡(luò)過于動蕩一，將需要進行信道平衡的過程限定在孩子數(shù)最多的那棵子樹；二，它容許各子樹間存在一定的不平衡。協(xié)調(diào)節(jié)點只有在滿足以下條件下才開始進行信道平衡，即
權(quán)利要求
1. 一種面向容量擴散的無線傳感網(wǎng)多信道調(diào)度方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)信道選擇及子樹建立，具體是 ·1. 1每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作在不同的信道上，以周期to廣播Beacon包；BeaCon包包含發(fā)送節(jié)點到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的跳數(shù)、路徑期望傳輸次數(shù)PETX和發(fā)送節(jié)點ID ； ·1. 2普通節(jié)點以周期t掃描各信道，其中t大于tO ;在時間t內(nèi)，接收它所有潛在父節(jié)點廣播的Beacon包，選擇PETX值最小的父節(jié)點作為最優(yōu)父節(jié)點，并將最優(yōu)父節(jié)點所在的路徑當(dāng)作該信道的最佳路徑； ·1. 3普通節(jié)點依次掃描完各個信道，選擇最佳路徑PETX值最小的信道作為當(dāng)前節(jié)點的工作信道； ·1.4選擇工作信道的普通節(jié)點加入各子樹，周期性地將自己的孩子節(jié)點數(shù)報告給父節(jié)占. (2)信道調(diào)度，具體是 ·2. I協(xié)調(diào)節(jié)點周期性地掃描各個信道，接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)包，以掌握各子樹的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；· 2.2當(dāng)各子樹的孩子數(shù)不平衡時，協(xié)調(diào)節(jié)點向節(jié)點數(shù)最多的那個網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送調(diào)度信息包； (3)節(jié)點根據(jù)調(diào)度信息重新選擇加入信道，具體是 ·3. I網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收調(diào)度信息包，并將調(diào)度信息包向下廣播； ·3. 2網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點接收到調(diào)度信息包，轉(zhuǎn)發(fā)該調(diào)度信息包，并根據(jù)包內(nèi)的信息，跳轉(zhuǎn)到其他信道或繼續(xù)留在原信道； ·3.3選定工作信道的普通節(jié)點加入各子樹，向父節(jié)點報告孩子數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面向容量擴展的無線傳感網(wǎng)多信道調(diào)度方法。本發(fā)明采用粗粒的信道分配方法，即給每棵子樹分配不同的信道，通過引入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點，來減少節(jié)點信道切換次數(shù)和工作在不同信道上節(jié)點間的通信頻率，從而使各子樹的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到平衡，提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本發(fā)明方法簡單，不需要復(fù)雜的計算和存儲空間，較適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H04W84/18GK102685917SQ20121017961
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月4日
發(fā)明者仇建, 劉鵬, 吳以凡, 趙備, 阮志博 申請人:杭州電子科技大學(xué)