一種針對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式分簇和休眠調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中面向目標(biāo)檢測(cè)的休眠調(diào)度方法。該方法主要用于優(yōu)化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于目標(biāo)檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸兩項(xiàng)任務(wù)的休眠調(diào)度，以達(dá)到改善端到端分組投遞延遲特性的目的。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從得到理論和工業(yè)界的廣泛關(guān)注以來(lái)得到了迅猛的發(fā)展，各種關(guān)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)也備受重視。
[0003]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)和匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink node)組成。傳感節(jié)點(diǎn)需要周期性的采樣環(huán)境信息或檢測(cè)目標(biāo)事件，若檢測(cè)到目標(biāo)事件發(fā)生，則需要快速的向Sink匯報(bào)。
[0004]無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常自身能量有限，同時(shí)受到節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境的限制，很難更換電池或充電，因此節(jié)能問(wèn)題在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)中處于重要地位。休眠技術(shù)可以大大節(jié)省節(jié)點(diǎn)能耗、延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。原因如下:節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)包括發(fā)射(transmit)、接收(receive)、空閑(idle)、睡眠(sle印)四種狀態(tài)。大量已有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備參數(shù)顯示，前三種狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)能耗顯著高于睡眠狀態(tài)下的節(jié)點(diǎn)能耗。因此，如何有效鼓勵(lì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并保持良好的網(wǎng)絡(luò)性能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重要方向之一。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)不僅數(shù)據(jù)的產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)，也承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，因此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的休眠調(diào)度，可能會(huì)較大影響端到端分組投遞延遲。在休眠機(jī)制中，同步休眠機(jī)制較易實(shí)現(xiàn)。SMAC，TMAC通過(guò)劃分虛擬簇，在鄰居節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行同步。同一個(gè)虛擬簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)醒來(lái)，工作一段時(shí)間后再同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。同步休眠機(jī)制簡(jiǎn)單易行，且適用多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，但節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的延時(shí)可能會(huì)大幅度的增加。
[0005]傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為簇結(jié)構(gòu)是一種常見(jiàn)且有效的網(wǎng)絡(luò)管理以及路由方法。分簇路由在數(shù)據(jù)匯報(bào)與融合、能量節(jié)省、網(wǎng)絡(luò)管理、提高吞吐量等方面都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這主要是因?yàn)榉执亟Y(jié)構(gòu)可以使得更多的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)并保持網(wǎng)絡(luò)連通、降低節(jié)點(diǎn)能耗和信道接入競(jìng)爭(zhēng)、易于實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)融合。分簇網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通常包括簇頭節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。有些分簇方案中還包括簇間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收本簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)采集的信息，并通過(guò)其他簇頭形成的路徑傳遞到目的節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))。普通節(jié)點(diǎn)只需要與自己的簇頭進(jìn)行通信，且不需要進(jìn)行分組中繼，因而可以在沒(méi)有承擔(dān)任務(wù)時(shí)休眠，以節(jié)省能量。由于簇頭承擔(dān)任務(wù)較多，耗能較大，因此簇頭和普通節(jié)點(diǎn)之間需要輪換。在某些分簇協(xié)議中，相鄰簇之間通信還可能通過(guò)簇間網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
[0006]由于缺乏針對(duì)性的設(shè)計(jì)，同步休眠會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)匯報(bào)的延時(shí)造成很大影響。本專(zhuān)利面向基于休眠機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如何實(shí)現(xiàn)高效的基于分簇的休眠機(jī)制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有同步休眠機(jī)制下數(shù)據(jù)匯報(bào)存在較大傳輸延遲的問(wèn)題，保持較低能量消耗的同時(shí)，達(dá)到較低的傳輸延遲。
[0008]本發(fā)明中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和Sink節(jié)點(diǎn)組成，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集和傳輸，Sink節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)匯集并上傳給遠(yuǎn)程控制端(如通過(guò)Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)等方式)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和控制。
[0009]本發(fā)明假設(shè):
[0010]?時(shí)間采用幀結(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)需要同步幀結(jié)構(gòu)，并根據(jù)其距離Sink節(jié)點(diǎn)的距離決定自己在每個(gè)幀中的工作相位；
[0011]?網(wǎng)絡(luò)劃分為簇狀結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)間建立梯度，通過(guò)最短路徑傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)。
[0012]?簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間同步，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)CSMA競(jìng)爭(zhēng)信道；簇頭節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間根據(jù)梯度交錯(cuò)排序，以時(shí)間序貫的方式傳輸數(shù)據(jù)到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)，以期達(dá)到較低的端到端投遞延遲。
[0013]本發(fā)明的具體方案如下。
[0014]1.分簇結(jié)構(gòu)的建立
[0015]步驟I, Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送ClusterHeadIndicat1n消息給自己的兩跳鄰居以通告自己成為簇頭節(jié)點(diǎn)，該消息攜帶Sink節(jié)點(diǎn)ID,該消息迄今為止離開(kāi)Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)距離，記做LEN且其初值為0，序列號(hào)SEQ且其初值為1，每次Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)起廣播一個(gè)新的ClusterHeadIndicat1n消息，該消息攜帶的SEQ加I ;
[0016]步驟2,每個(gè)節(jié)點(diǎn)i收至丨J ClusterHeadIndicat1n消息后，若該消息的SEQ值不小于本地記錄的SEQ值或本地沒(méi)有相關(guān)記錄，則檢測(cè)鄰居的情況，若發(fā)送給自己ClusterHeadIndicat1n消息的節(jié)點(diǎn)為簇頭節(jié)點(diǎn)、并且其直接鄰居中存在不與任何簇頭節(jié)點(diǎn)直接相鄰的節(jié)點(diǎn)，那么該節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器，其長(zhǎng)度為T(mén)i=TcX [l-(min{Lij |節(jié)點(diǎn)j是節(jié)點(diǎn)i的鄰居節(jié)點(diǎn)且為簇頭節(jié)點(diǎn)} XEi) / (RX E)]，其中Tc為計(jì)時(shí)器的最大長(zhǎng)度，Lij為節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)i之間的距離，Ei為節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，R是節(jié)點(diǎn)的最大通信距離，E為節(jié)點(diǎn)的初始能量；否則不執(zhí)行任何動(dòng)作；Ti的選取可以保障簇頭節(jié)點(diǎn)的剩余能量較大、且簇頭之間的距離盡可能的大，從而使網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)盡量少、網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)距離盡可能的小；
[0017]步驟3:若計(jì)時(shí)器超時(shí)，節(jié)點(diǎn)i選擇自己為簇頭，本地記錄LEN和SEQ信息，并向兩跳鄰居范圍內(nèi)廣播ClusterHeadIndicat1n消息(該消息中攜帶節(jié)點(diǎn)i的ID,從Sink到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)距離LEN、SEQ值)以通告自己成為簇頭節(jié)點(diǎn)這一事件；若未超時(shí)前收到其他簇頭的ClusterHeadIndicat1n消息則重復(fù)步驟2,直到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中都有至少一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)；
[0018]步驟4:每個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)梯度最小或隨機(jī)的原則選擇一個(gè)鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)作為自己的簇頭節(jié)點(diǎn)。
[0019]為保障網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗均衡，以及適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，簇結(jié)構(gòu)需要周期性的更新。簇結(jié)構(gòu)重新分簇方法的特征在于，每隔Y時(shí)間(如15分鐘)，Sink節(jié)點(diǎn)重新啟動(dòng)分簇過(guò)程，首先，Sink節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中洪泛一個(gè)信令以通知網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持清醒狀態(tài)以準(zhǔn)備重新分簇，直到分簇和梯度的重新建立完畢；每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)接收到該信令后通知其簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)保持清醒狀態(tài)。之后網(wǎng)絡(luò)按照分簇方法重新劃分簇結(jié)構(gòu)。
[0020]2.基于分簇的休眠調(diào)度以及路由調(diào)度
[0021]本方案設(shè)計(jì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)休眠同步，簇間節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間采用交錯(cuò)排序。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)利用控制信息ClusterHeadIndicat1n消息建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、以及建立Sink到所有簇頭的最短路徑樹(shù)?；诜执亟Y(jié)構(gòu)的梯度建立具體實(shí)現(xiàn)步驟如下。
[0022]ClusterHeadIndicat1n消息攜帶迄今為止其離開(kāi)Sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)距離LEN,初值為O ;每個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)接收到一條ClusterHeadIndicat1n消息后，若該消息攜帶的序列號(hào)SEQ大于本地存儲(chǔ)的序列號(hào)SEQ或首次接收到這樣的消息，則執(zhí)行以下操作:該簇頭節(jié)點(diǎn)將ClusterHeadIndicat1n消息中的LEN加I,本地記錄該值、將發(fā)送ClusterHeadIndicat1n消息的節(jié)點(diǎn)記錄為自己到達(dá)Sink的下一跳節(jié)點(diǎn)、最后將該記錄加入自己的ClusterHeadIndicat1n消息然后轉(zhuǎn)發(fā)該消息；否則若序列號(hào)相等且新消息攜帶的LEN值加I后小于本地記錄的LEN值,則該簇頭節(jié)點(diǎn)將新消息攜帶的LEN加I,本地記錄更新后的LEN值,將發(fā)送給自己ClusterHeadIndicat1n消息的節(jié)點(diǎn)記錄為自己到Sink的下一跳節(jié)點(diǎn)。
[0023]梯度構(gòu)造完畢之后,簇頭節(jié)點(diǎn)記錄自己的梯度depth,簇內(nèi)所有