一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，包括如下步驟：(1)無線傳感器節(jié)點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成；(2)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙；(3)根據(jù)跳頻算法，無線傳感器節(jié)點在每個時隙都進行信道切換；(4)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙。本發(fā)明的低延時調度方法在端到端的數(shù)據(jù)平均延時、數(shù)據(jù)延時上限性能指標都得到了改善，并且減緩了廣播風暴問題。
【專利說明】一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡是一種利用傳感器節(jié)點監(jiān)測環(huán)境并向匯聚節(jié)點報告感知信息的多跳自組織網(wǎng)絡。它提供了一種新型智能信息獲取模式，在入侵檢測、目標跟蹤、工業(yè)自動化和醫(yī)療監(jiān)護等領域廣泛應用，并逐漸步入大規(guī)模部署階段。
[0003]這些應用場景通常呈現(xiàn)相關流量突發(fā)特點:經(jīng)過長時間的空閑狀態(tài)或低流量負載狀態(tài)后，當“感興趣”的事件發(fā)生時，網(wǎng)絡會突然活躍并進入突發(fā)高流量負載狀態(tài)。在這種情況下，多個傳感器節(jié)點產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并將其報告給匯聚節(jié)點。然而，由于同時傳輸導致的傳輸碰撞易造成傳輸延時增大、數(shù)據(jù)包丟失及錯誤命令等問題，網(wǎng)絡服務質量受到嚴重影響。此外，無線傳感器網(wǎng)絡主要工作在2.4GHz ISM頻段，會和WiFi等無線網(wǎng)絡共用這一頻段。無線信道所具備的開放共享特征決定了這些網(wǎng)絡之間存在互相干擾，而且由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點收發(fā)機功率普遍較低，就更容易被其他網(wǎng)絡所干擾。
[0004]目前無線傳感器網(wǎng)絡收發(fā)機芯片普遍提供多信道支持。通過創(chuàng)新的多信道MAC協(xié)議機制提高網(wǎng)絡服務質量已成為研究熱點。盡管現(xiàn)有多信道協(xié)議較傳統(tǒng)協(xié)議有較大性能提升，但是仍有許多需要改善的地方。首先，很多無線傳感器網(wǎng)絡應用(如工業(yè)檢測、目標跟蹤、醫(yī)療檢測等)對數(shù)據(jù)延時非常敏感。設計MAC協(xié)議時，不僅要考慮能量高效，數(shù)據(jù)延時和吞吐量同樣需要重點關注。然而，占空比工作模式引入了睡眠延時，即當一個節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，不得不等待下一跳節(jié)點喚醒時，才能發(fā)送此數(shù)據(jù)，這樣導致了端到端延時的顯著上升。此外，廣播是一項重要的通信原語，通常用于數(shù)據(jù)分發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)、系統(tǒng)更新的任務。但是多信道接入給廣播通信帶來了挑戰(zhàn)，通常一個廣播包不得不通過冗余的單播傳輸完成。
【發(fā)明內容】
[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，解決目前無線傳感器網(wǎng)絡多信道MAC協(xié)議存在的睡眠延時問題和高效廣播支持問題。
[0006]技術方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0007]一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，包括如下步驟:
[0008](I)無線傳感器節(jié)點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成；
[0009](2)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙；
[0010](3)根據(jù)跳頻算法，無線傳感器節(jié)點在每個時隙都進行信道切換；
[0011](4)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙。[0012]所述步驟⑵中，路由信息為無線傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)信息，匯聚節(jié)點將每幀中的第一個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節(jié)點跳數(shù)為I的無線傳感器節(jié)點，將每幀中的第二個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節(jié)點跳數(shù)為N的無線傳感器節(jié)點，將每幀中的第a個時隙作為自己的廣播時隙，將該幀中的其它時隙作為單播時隙，其中N > l，a為N% m+l，m為每幀包含的隙數(shù)。
[0013]所述步驟(3)中，跳頻算法為:當網(wǎng)絡密度小于閾值或可用信道數(shù)多于閾值時使用偽隨機跳頻算法，其余情況使用基于拉丁方的跳頻算法。
[0014]所述步驟(4)中，路由信息為無線傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)信息，每個節(jié)點選擇第b個子時隙進行喚醒，b = n-N% n，其中N為該節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，η為每個時隙包含的子時隙數(shù)。
[0015]傳統(tǒng)方案中，當數(shù)據(jù)進行多跳傳輸時，在每一跳都存在睡眠延時，轉發(fā)節(jié)點不得不長時間的等待，直到目的節(jié)點喚醒并接收數(shù)據(jù)。本發(fā)明方法中多跳路徑上的節(jié)點順序喚醒，大大減少了睡眠延時。因此顯著降低了數(shù)據(jù)端到端延時和延時上限。
[0016]傳統(tǒng)方案中，當匯聚節(jié)點進行廣播時，網(wǎng)絡內所有節(jié)點都在同一時刻進行發(fā)送和接收廣播數(shù)據(jù)，這樣廣播風暴問題嚴重。此外兩個廣播時隙間隔非常大，導致數(shù)據(jù)傳輸延時增大。本發(fā)明方法中，從匯聚節(jié)點開始，依次順序將廣播時隙分配給每一層節(jié)點。這樣一方面降低了廣播風暴問題，另一方面，減少了廣播間隔，從而時廣播延時減低。
[0017]有益效果:本發(fā)明提供的適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，與現(xiàn)有的多信道MAC相比，一方面實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的低延時多跳傳輸，另一方面有效的提供了多信道廣播支持，具體為:1、通過頻分方法降低同層節(jié)點干擾，通過時分方法降低不同層節(jié)點干擾；2、節(jié)點根據(jù)路由信息順序喚醒，解決匯聚傳輸時睡眠延時問題；3、不同層節(jié)點選擇不同時隙作為廣播時隙，減少了睡眠延時，同時減緩了廣播風暴問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；
[0019]圖2為實施例的應用場景示意圖；
[0020]圖3為實施例中工作周期的時間結構圖；
[0021]圖4為節(jié)點單播調度示例圖；
[0022]圖5為廣播時隙和單播時隙分配圖；
[0023]圖6為本發(fā)明的新型無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調服方法與傳統(tǒng)調度方法的數(shù)據(jù)單播延時仿真對比圖；
[0024]圖7為本發(fā)明的新型無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調服方法與傳統(tǒng)調度方法的數(shù)據(jù)廣播延時仿真對比圖；
[0025]圖8為本發(fā)明的新型無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調服方法與傳統(tǒng)調度方法的廣播接收數(shù)據(jù)總數(shù)仿真對比圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。[0027]如圖1所示為一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，包括如下步驟:
[0028](I)無線傳感器節(jié)點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成；
[0029](2)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙；
[0030]此步驟中的路由信息為無線傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)信息，匯聚節(jié)點將每幀中的第一個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節(jié)點跳數(shù)為I的無線傳感器節(jié)點，將每幀中的第二個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節(jié)點跳數(shù)為N的無線傳感器節(jié)點，將每幀中的第a個時隙作為自己的廣播時隙，將該幀中的其它時隙作為單播時隙，其中N > l，a為N% m+l，m為每幀包含的隙數(shù)；％為取余運算符，例如5% 4 = I ;在文中給出距離為I跳節(jié)點的廣播時隙為2是舉例說明，可以用上述公式計算出，如果每幀包含的時隙數(shù)為4，那么距離匯聚節(jié)點I?5跳的節(jié)點廣播時隙分別為2、3、4、1、2。
[0031](3)根據(jù)跳頻算法，無線傳感器節(jié)點在每個時隙都進行信道切換；所述跳頻算法為:當網(wǎng)絡密度小于閾值或可用信道數(shù)多于閾值時使用偽隨機跳頻算法，其余情況使用基于拉丁方的跳頻算法；
[0032](4)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙；
[0033]此步驟中的路由信息為無線傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)信息，每個節(jié)點選擇第b個子時隙進行喚醒，b = n-N% n，其中N為該節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，η為每個時隙包含的子時隙數(shù)；圖4為一個例子，該例中η = 9，節(jié)點K-H-D-B-S的喚醒子時隙依次為5?9，其中節(jié)點S是匯聚節(jié)點。
[0034]下面結合實例對本發(fā)明做出進一步的說明。
[0035]如圖2所示為實施例的應用場景示意圖，該示意圖中一個匯聚節(jié)點和多個傳感器節(jié)點分布在監(jiān)測區(qū)域。當感知到目標信息時，節(jié)點向匯聚節(jié)點報告。當需要系統(tǒng)更新、時間同步等任務時，匯聚節(jié)點通過多跳轉發(fā)的方式將廣播包傳送網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點。
[0036]如圖3所示為實施例中工作周期的時間結構圖，其中網(wǎng)絡生命周期由M個幀組成，每一幀由N個時隙組成，每個時隙由P個子時隙構成。
[0037]如圖4所示為節(jié)點單播調度示例圖，圖中的〈X，Y〉，X代表節(jié)點在某個時隙的偵聽信道，Y代表節(jié)點在某個時隙的喚醒子時隙。信道計算方法如下:
[0038](I)當網(wǎng)絡密度小或可用信道數(shù)多時，使用偽隨機計算公式Cn+1 = (aCn+b)modn，其中cn+1為下一個時隙的偵聽信道號，Cn為當前時隙的偵聽信道號，η為可用信道數(shù)，a和b的取值根據(jù)最大周期原則，本實施方案中的取值為a = 5，b = I ;
[0039](2)其它情況使用基于拉丁方的跳頻算法進行信道切換。系統(tǒng)配置初期，所有無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點都在默認信道完成初始化工作。初始信道分配任務通過分布式算法實現(xiàn)。當未分配到初始信道時，節(jié)點偵聽信道并廣播分配請求幀(ARF)。鄰居節(jié)點接收到ARF后隨機退避并回復確認幀(ACK)。通過上述兩次握手，節(jié)點就可以建立自己的鄰居鏈表。然后，按照鄰居節(jié)點地址大小，依次將可用信道分配給鄰居節(jié)點作為其起始跳頻信道。當鄰居節(jié)點數(shù)量不大于可用信道數(shù)時，每個節(jié)點都可以分配到不同的信道，進而避免信道競爭。當鄰居節(jié)點數(shù)量超出可用信道數(shù)時，根據(jù)最小重復原則分配起始信道。最后，節(jié)點廣播分配完成幀(AFF)，實現(xiàn)第三次握手。鄰居節(jié)點接收到AFF后，將信道分配信息記錄到鄰居鏈表中。值得注意的是，如果接收到ARF時，節(jié)點已經(jīng)完成初始信道分配工作，那么它就在ACK中將自己的分配結果告知給請求節(jié)點，請求節(jié)點不再對此節(jié)點進行重新分配。初始信道分配后，節(jié)點根據(jù)如下公式進行信道的切換:
[0040]當可用信道數(shù)小于4時，Cn+1 = Cn% n+1
[0041]當可用信道數(shù)不小于4時
【權利要求】
1.一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)無線傳感器節(jié)點周期性工作，每個工作周期為一幀，其中一幀由多個時隙組成，一個時隙由多個子時隙組成； (2)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息，將每一幀中的時隙分配成一個廣播時隙和多個單播時隙； (3)根據(jù)跳頻算法，無線傳感器節(jié)點在每個時隙都進行信道切換； (4)無線傳感器節(jié)點根據(jù)路由信息在每個時隙選擇喚醒子時隙。
2.根據(jù)權利要求1所述的適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，其特征在于:所述步驟⑵中，路由信息為無線傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)信息，匯聚節(jié)點將每幀中的第一個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節(jié)點跳數(shù)為I的無線傳感器節(jié)點，將每幀中的第二個時隙作為自己的廣播時隙，該幀中的其它時隙作為單播時隙；距離匯聚節(jié)點跳數(shù)為N的無線傳感器節(jié)點，將每幀中的第a個時隙作為自己的廣播時隙，將該幀中的其它時隙作為單播時隙，其中N > l，a為N% m+l，m為每幀包含的隙數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，其特征在于:所述步驟(3)中，跳頻算法為:當網(wǎng)絡密度小于閾值或可用信道數(shù)多于閾值時使用偽隨機跳頻算法，其余情況使用基于拉丁方的跳頻算法。
4.根據(jù)權利要求1所述的適用于無線傳感器網(wǎng)絡的低延時調度方法，其特征在于:所述步驟(4)中，路由信息為無線傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的跳數(shù)信息，每個節(jié)點選擇第b個子時隙進行喚醒，b = n-N% n，其中N為該節(jié)點距離匯聚節(jié)點的跳數(shù)，η為每個時隙包含的子時隙數(shù)。
【文檔編號】H04W72/12GK103974442SQ201410168717
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權日:2014年4月24日
【發(fā)明者】胡晨, 劉野, 劉昊, 吳建輝, 張萌, 李紅 申請人:東南大學