專利名稱：分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)休眠方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)，具體是分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)能機(jī)制。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，在軍事偵察、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)應(yīng)用等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。由于現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)問題沒有得到很好的解決，節(jié)點(diǎn)本身不能補(bǔ)充能量或補(bǔ)充不足，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要首先考慮節(jié)能，其次為可擴(kuò)展性，最后才考慮到網(wǎng)絡(luò)效率，如網(wǎng)絡(luò)的公平性、實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及帶寬利用率等。數(shù)據(jù)鏈路層的能量浪費(fèi)主要表現(xiàn)在空閑偵聽、接收不必要的數(shù)據(jù)、碰撞重傳和控制信令過多等方面。目前數(shù)據(jù)鏈路層節(jié)能機(jī)制的研究主要集中在媒介訪問控制(MAC)子層，為了減少能量消耗，節(jié)點(diǎn)可以通過動(dòng)態(tài)關(guān)閉自身的無線傳輸設(shè)備來節(jié)省能量消耗，一般采用“偵聽/休眠”交替的無線信道偵聽機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在需要收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才處于活躍狀態(tài)，其余時(shí)間盡量進(jìn)入休眠狀態(tài)。
針對(duì)不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，人們?cè)趲_突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)基礎(chǔ)上提出了許多節(jié)能機(jī)制，如在2002年W.Ye等人提出的S-MAC協(xié)議(W.Ye，J.Heidemann，and D.Estrin.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks.In21st Conference of the IEEE Computer and Communications Societies(INFOCOM)，volume 3，pages 1567-1576，June 2002.)中采用周期性偵聽/休眠的低占空比工作方式；2003年T.Dam等提出的T-MAC協(xié)議(T. van Dam and K.Langendoen.An adaptive energy-efficient MACprotocol for wireless sensor networks.In 1st ACM Conf.on Embedded Networked SensorSystems(SenSys 2003)，pages 171-180，Los Angeles，CA，November 2003.)中根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽時(shí)間，并提出未來請(qǐng)求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方法緩解早睡問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)休眠方法，可異步工作在單信道條件下，這種方法不同于S-MAC、T-MAC和802.11功率管理機(jī)制等中節(jié)點(diǎn)需要維持同步休眠/偵聽調(diào)度周期的工作模式，緩解了同步模式中碰撞重傳和控制信令過多的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)中本方法可與現(xiàn)有IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)(IEEE Std.802.11-1999.Wireless LANMedium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications[S].IEEE ComputerSociety LAN MAN standards Committee，New York，1999.)在實(shí)現(xiàn)方式上最大程度上的一致，簡單高效，有利于在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出按照本方法工作的設(shè)備。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)休眠方法，開啟分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭和匯聚節(jié)點(diǎn)無線通信設(shè)備，使其處于發(fā)送或偵聽狀態(tài)，而簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)時(shí)可關(guān)閉無線通信設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，簇頭與普通節(jié)點(diǎn)之間采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式，該帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式為1)幀與幀之間在物理媒介上必須有幀間間隔，由物理層屬性決定；使用IEEE 802.11中SIFS(最短幀間間隔)的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK(應(yīng)答)幀、CTS(允許發(fā)送)幀和數(shù)據(jù)(DATA)幀等；使用IEEE 802.11中DIFS(分布式幀間間隔)用以發(fā)送RTS(請(qǐng)求發(fā)送)幀、DAS(Data Allowing to Send，數(shù)據(jù)允許發(fā)送)幀和首次發(fā)送CTIM(簇頭傳輸指示圖)幀等；TCTIM用于第2個(gè)及其后連續(xù)的CTIM幀，其值為物理層時(shí)隙時(shí)間的整數(shù)倍。上述CTIM幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中管理幀傳輸指示圖單元基礎(chǔ)上提出，用以指示普通節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)幀在簇頭處，幀長為7至47個(gè)字節(jié)，包括管理幀的MAC頭部、幀實(shí)體和幀檢驗(yàn)序列(FCS)域，幀實(shí)體中包含位圖控制和部分虛擬位圖，位圖控制用于區(qū)分單播幀和廣播幀，若要向某節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀，則部分虛擬位圖中對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼的比特設(shè)置為1，根據(jù)所需傳送的數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)，部分虛擬位圖最多由31個(gè)字節(jié)組成。上述DAS控制幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中控制幀的基礎(chǔ)上提出，幀長為14字節(jié)，包括幀控制、持續(xù)時(shí)間、發(fā)送地址域(本節(jié)點(diǎn)的MAC地址)和FCS四個(gè)域，DAS幀用于節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送，通過發(fā)送地址域表明自己身份，以取回在簇頭的數(shù)據(jù)幀；2)當(dāng)簇頭要向簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，簇頭需要周期性地發(fā)送CTIM幀，間隔時(shí)間為TCTIM，直到收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀后停止發(fā)送；當(dāng)簇頭沒有數(shù)據(jù)幀需要傳輸時(shí)，轉(zhuǎn)入偵聽信道；
3)當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)偵聽信道的偵聽時(shí)間超過TD時(shí)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)，可進(jìn)入休眠狀態(tài)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維持一個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(SSC)，其初始值都為0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)入休眠，SSC值遞增1，一旦SSC達(dá)到門限值aSSCmax后保持該值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功交互后由于網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)存在相關(guān)性，節(jié)點(diǎn)有存在后續(xù)業(yè)務(wù)的可能性，則SSC置0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到CTIM幀后，通過分析發(fā)現(xiàn)自己的關(guān)聯(lián)識(shí)別碼在部分虛擬位圖中，則SSC也置0；基于二進(jìn)制指數(shù)的休眠時(shí)間SleepTime可用下式來表示SleepTime＝min(2^(SSC-1)*Tsleep，Tmax_sleep)-Random*Tbasic其中min表示取小，^表示取指數(shù)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)它的節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(SSC)值遞增1，若SSC達(dá)到門限值aSSCmax，SSC將保持該值直至成功完成一次幀交互后復(fù)位歸0；Tsleep為基本休眠周期，Tmax_sleep為最長休眠周期，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所能容忍的最大時(shí)延與到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)來設(shè)定；Random表示為均勻分布在
范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，CWSleep的數(shù)值集合為2的整數(shù)冪減1，根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均個(gè)數(shù)來設(shè)定；Tbasic為物理層的時(shí)隙時(shí)間；普通節(jié)點(diǎn)的偵聽時(shí)間TD需大于兩倍的CTIM幀的發(fā)送時(shí)間與TCTIM之和，可保證當(dāng)簇頭周期性發(fā)送CTIM幀時(shí)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)可接收到一個(gè)CTIM幀；4)普通節(jié)點(diǎn)在接收狀態(tài)時(shí)偵聽到簇頭發(fā)送的CTIM幀后，對(duì)收到的CTIM幀進(jìn)行分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼確定自己有數(shù)據(jù)幀在簇頭處后，則它的休眠計(jì)數(shù)器歸0，與簇頭的通信方式采用DAS-DATA-ACK三握手傳輸過程；5)普通節(jié)點(diǎn)在非休眠狀態(tài)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送到簇頭時(shí)，它的休眠計(jì)數(shù)器歸0，普通節(jié)點(diǎn)與簇頭的通信方式可采用常規(guī)的RTS-CTS-DATA-ACK四握手傳輸過程；6)幀格式、退避規(guī)程、恢復(fù)規(guī)程、鑒權(quán)服務(wù)、關(guān)聯(lián)機(jī)制和加密服務(wù)等技術(shù)規(guī)范都可采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明針對(duì)以下描述的分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)按分簇算法形成多個(gè)簇，在這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾頇C(jī)制下，簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可劃分為簇頭(CH，cluster head)和普通節(jié)點(diǎn)(STA，station)。每個(gè)簇內(nèi)有一個(gè)簇頭，由簇頭來構(gòu)建骨干連通網(wǎng)絡(luò)。簇頭一直保持活動(dòng)，協(xié)調(diào)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的工作，收集和處理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和融和等功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink)。由于簇頭能量消耗比較大，需要分簇算法經(jīng)常選舉簇頭以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量消耗。分簇式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應(yīng)用，可擴(kuò)展性較好，適合大規(guī)模部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明是在帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)上提出的。該訪問方式中節(jié)點(diǎn)在開始新的數(shù)據(jù)發(fā)送前必須首先監(jiān)聽當(dāng)前物理信道的媒介狀態(tài)。由物理載波偵聽機(jī)制和虛擬載波偵聽機(jī)制用于決定媒介狀態(tài)，當(dāng)任一機(jī)制報(bào)告媒介忙，則認(rèn)為媒介忙，否則認(rèn)為媒介空閑；物理載波偵聽檢測(cè)機(jī)制由物理層提供；虛擬載波偵聽檢測(cè)機(jī)制參考NAV(網(wǎng)絡(luò)分配矢量)實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)在接收到合法幀后，應(yīng)使用該幀的持續(xù)時(shí)間和識(shí)別碼域的信息更新其NAV，但條件為新的NAV數(shù)值應(yīng)比當(dāng)前NAV數(shù)值大，且該幀不是發(fā)送至該節(jié)點(diǎn)的；NAV可視為計(jì)數(shù)器，由統(tǒng)一速率遞減至0，當(dāng)NAV為0時(shí)，表明媒介空閑，否則為忙。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送幀前，應(yīng)檢測(cè)媒介上是否其它節(jié)點(diǎn)正在發(fā)送幀；如果媒介空閑，則節(jié)點(diǎn)就可以發(fā)送幀；如果媒介檢測(cè)表明處于忙狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)將推遲發(fā)送，直至當(dāng)前幀發(fā)送完畢；在推遲發(fā)送或成功發(fā)送后，如果需要立即再次發(fā)送，節(jié)點(diǎn)將選擇隨機(jī)退避時(shí)間。幀與幀之間在媒介上必須有幀間間隔，相關(guān)參數(shù)由物理層屬性決定。發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)可通過交換短的控制幀RTS/CTS(請(qǐng)求發(fā)送/允許發(fā)送)來確保在請(qǐng)求使用媒介的時(shí)間期間內(nèi)媒介空閑。鑒權(quán)過程用于聲明合法的身份，關(guān)聯(lián)過程用于分配關(guān)聯(lián)識(shí)別碼。幀格式、退避規(guī)程、恢復(fù)規(guī)程、鑒權(quán)服務(wù)、關(guān)聯(lián)機(jī)制和加密服務(wù)等技術(shù)規(guī)范都可采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。
為了指示普通節(jié)點(diǎn)(STA)是否有數(shù)據(jù)幀在簇頭(CH)處，本發(fā)明在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中管理幀傳輸指示圖單元基礎(chǔ)上提出CTIM(簇頭傳輸指示圖)。在圖1定義了該幀的格式，幀長為7至47個(gè)字節(jié)；位圖控制用于區(qū)分單播幀和廣播幀；部分虛擬位圖由簇頭維護(hù)，設(shè)置對(duì)應(yīng)于STA的關(guān)聯(lián)識(shí)別碼的比特位來識(shí)別在CH處緩存的數(shù)據(jù)幀。當(dāng)STA對(duì)收到的CTIM幀進(jìn)行分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼確定有數(shù)據(jù)幀在CH處后，可發(fā)送DAS(Data Allowing to Send，數(shù)據(jù)允許發(fā)送)控制幀，而CH接收到DAS后可發(fā)送對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。DAS控制幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中控制幀的基礎(chǔ)上提出，其幀格式如圖2所示，幀長為14字節(jié)。DAS包含發(fā)送地址域(本節(jié)點(diǎn)的MAC地址)，不同于CTS和ACK幀中包含接收地址域。
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中為了減少節(jié)點(diǎn)能量消耗，節(jié)點(diǎn)要盡量處于低功耗的休眠狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)沒有幀需要接收或發(fā)送可轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量具有突發(fā)性，本發(fā)明提出一種自適應(yīng)休眠機(jī)制，由于節(jié)點(diǎn)完成一次幀交換后可能仍然有后續(xù)業(yè)務(wù)存在，此時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入短休眠周期，以提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，盡量降低端到端的傳輸時(shí)延；當(dāng)多次偵聽/休眠后仍無幀交互，則存在后續(xù)業(yè)務(wù)的可能性較小，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入的休眠周期也相應(yīng)基于二進(jìn)制指數(shù)增加，提高節(jié)能效率。每個(gè)STA都維持一個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(STA sleep count，SSC)，初始值為0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)它的SSC值遞增1；當(dāng)SSC達(dá)到門限值aSSCmax，SSC將保持該值直至復(fù)位歸0；若STA成功完成一次幀交互時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)存在相關(guān)性，STA有存在業(yè)務(wù)的可能性，則SSC被復(fù)位為0。休眠時(shí)間SleepTime可用下式來表示SleepTime＝min(2^(SSC-1)*Tsleep，Tmax_sleep)-Random*Tbasic(1)其中min表示取小，^表示取指數(shù)；Tsleep為基本休眠周期，Tmax_sleep為最長休眠周期，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所能容忍的最大時(shí)延與STA到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)來設(shè)定；Random表示為均勻分布在
范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，CWSleep的數(shù)值集合為2的整數(shù)冪減1，根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均個(gè)數(shù)來設(shè)定；Tbasic為物理層的時(shí)隙時(shí)間，與Random相乘用于產(chǎn)生休眠時(shí)間中的隨機(jī)時(shí)間分量，使得休眠時(shí)間取值呈隨機(jī)性，避免數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)睡眠或喚醒，降低發(fā)送或接收幀造成的碰撞概率；上述網(wǎng)絡(luò)參數(shù)在實(shí)際中需要根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合來設(shè)定，根據(jù)QOS(服務(wù)質(zhì)量)在各種性能參數(shù)之間進(jìn)行折中。
簇頭(CH)和匯聚節(jié)點(diǎn)需要一直保持活動(dòng)狀態(tài)，因此簇頭之間以及與匯聚節(jié)點(diǎn)間通信采用CSMA/CA訪問方式。簇頭需要收集和處理簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和融和等功能，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)(STA)沒有幀需要接收或發(fā)送可轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，可采用本發(fā)明提出的自適應(yīng)休眠方法。在圖3和圖4中給出了CH和STA狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在圖3和圖4中通過CH和STA狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，闡述了CH和STA之間的訪問規(guī)程。幀與幀之間在媒介上必須有幀間間隔，由物理層屬性決定；使用SIFS(最短幀間間隔)的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK(應(yīng)答)幀、CTS(允許發(fā)送)幀和DATA(數(shù)據(jù))幀等；使用DIFS(分布式幀間間隔)用以發(fā)送RTS(請(qǐng)求發(fā)送)幀、DAS幀和首次發(fā)送CTIM幀等；TCTIM用于第2個(gè)及其后連續(xù)的CTIM幀。CH狀態(tài)可以分為接收、發(fā)送和退避等狀態(tài)。CH狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖由圖3表示，圖中數(shù)字標(biāo)識(shí)的步驟描述如下1、發(fā)送到簇內(nèi)STA的數(shù)據(jù)幀被緩存在CH中，CH周期性地發(fā)送CTIM幀，CTIM幀中部分虛擬位圖設(shè)置該數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)于STA的關(guān)聯(lián)識(shí)別碼的比特位，當(dāng)收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀后停止發(fā)送CTIM幀；2、CH發(fā)送完CTIM幀后偵聽信道上是否有其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀；
3、當(dāng)CH接收到STA發(fā)送的DAS幀后，發(fā)送對(duì)應(yīng)于該數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀；4、數(shù)據(jù)幀發(fā)送完后，監(jiān)聽數(shù)據(jù)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK(應(yīng)答)幀，以確認(rèn)數(shù)據(jù)幀已被目的節(jié)點(diǎn)正確接收到；5、CH接收到STA發(fā)送的RTS(請(qǐng)求發(fā)送)幀后，向該數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回CTS(允許發(fā)送)幀進(jìn)行應(yīng)答；6、CH接收到數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送的Data(數(shù)據(jù))幀后，確認(rèn)自己已經(jīng)正確接收，并向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK幀；7、CH向發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK幀后，轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，并監(jiān)聽信道。
STA狀態(tài)可以分為接收、發(fā)送、退避和休眠等狀態(tài)，STA狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖由圖4表示，圖中數(shù)字標(biāo)識(shí)的步驟具體如下1、STA偵聽信道狀態(tài)，偵聽時(shí)間為TD，偵聽時(shí)間結(jié)束時(shí)無數(shù)據(jù)幀需要接收或發(fā)送時(shí)，可進(jìn)入休眠狀態(tài)；2、當(dāng)休眠時(shí)間結(jié)束后STA轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，并偵聽信道狀態(tài)；3、當(dāng)STA需要向CH傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，偵聽信道狀態(tài)確定媒介空閑后發(fā)送RTS幀；4、當(dāng)STA接收到CH發(fā)送的CTS幀后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀；5、發(fā)送完數(shù)據(jù)幀后，STA接收到ACK幀；6、STA接收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送給它的RTS幀后，則返回CTS幀；7、STA正確接收到數(shù)據(jù)幀后，向數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回ACK幀；8、發(fā)送完ACK后，STA進(jìn)入接收狀態(tài)；9、偵聽到簇頭發(fā)送的CTIM，發(fā)現(xiàn)自己在簇頭處有被緩存的數(shù)據(jù)幀，通過發(fā)送DAS幀到簇頭，以接收被緩存的數(shù)據(jù)幀。
對(duì)于要發(fā)送幀的STA而言，當(dāng)偵聽發(fā)現(xiàn)媒介忙時(shí)，則該STA調(diào)用退避規(guī)程。當(dāng)發(fā)起幀交換的STA預(yù)測(cè)傳送失敗后，一般通過重傳進(jìn)行差錯(cuò)恢復(fù)，重傳過程一直持續(xù)到該幀成功發(fā)送或者重傳次數(shù)達(dá)到門限值為止。STA和CH的退避規(guī)程、恢復(fù)規(guī)程等都采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。STA的偵聽時(shí)間TD需大于兩倍的CTIM分組的發(fā)送時(shí)延與簇頭周期性發(fā)送CTIM的幀間間隔為TCTIM之和，這樣能保證當(dāng)簇頭周期性發(fā)送CTIM幀時(shí)STA處于接收狀態(tài)可正確接收到一個(gè)CTIM幀。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)本自適應(yīng)休眠方法是一種在分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層中簡單易于實(shí)現(xiàn)的節(jié)能機(jī)制，它提出了節(jié)點(diǎn)隨休眠次數(shù)基于二進(jìn)制指數(shù)自適應(yīng)改變休眠時(shí)間的機(jī)制，并且通過聯(lián)合簇頭周期性發(fā)送簇頭傳輸指示圖管理幀的機(jī)制，使得分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能異步工作在單信道條件下，且不同于其它節(jié)能機(jī)制中數(shù)據(jù)鏈路層采用隨機(jī)訪問方式需要維持同步休眠/偵聽調(diào)度周期的模式，可緩解了同步模式中節(jié)點(diǎn)碰撞重傳和同步控制信令過多的問題，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效率，同時(shí)簡單高效，實(shí)現(xiàn)容易，避免信令開銷大，并在設(shè)計(jì)中可與現(xiàn)有IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)現(xiàn)方式上最大程度上的一致，有利于在較短時(shí)間內(nèi)研發(fā)出采用本發(fā)明的設(shè)備。


圖1簇頭傳輸指示圖(CTIM)管理幀的格式。
圖2數(shù)據(jù)允許發(fā)送(DAS)幀的格式。
圖3簇頭的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
圖4普通節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。
圖5虛擬單元格劃分示意圖。
圖6簇頭和普通節(jié)點(diǎn)的訪問機(jī)制圖。
圖7數(shù)據(jù)包發(fā)送比例的性能比較圖。
圖8不同節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間比例圖。
圖9節(jié)點(diǎn)平均功耗的性能比較圖。
圖10平均端到端時(shí)延的性能比較圖。
具體實(shí)施例一種分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)休眠方法，開啟分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭和匯聚節(jié)點(diǎn)無線通信設(shè)備，使其處于發(fā)送或偵聽狀態(tài)，而簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)時(shí)可關(guān)閉無線通信設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，簇頭與普通節(jié)點(diǎn)之間采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式，該帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式為1)幀與幀之間在物理媒介上必須有幀間間隔，由物理層屬性決定；使用IEEE 802.11中SIFS(最短幀間間隔)的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK(應(yīng)答)幀、CTS(允許發(fā)送)幀和數(shù)據(jù)(DATA)幀等；使用IEEE 802.11中DIFS(分布式幀間間隔)用以發(fā)送RTS(請(qǐng)求發(fā)送)幀、DAS(Data Allowing to Send，數(shù)據(jù)允許發(fā)送)幀和首次發(fā)送CTIM(簇頭傳輸指示圖)幀等；TCTIM用于第2個(gè)及其后連續(xù)的CTIM幀，其值為物理層時(shí)隙時(shí)間的整數(shù)倍。上述CTIM幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中管理幀傳輸指示圖單元基礎(chǔ)上提出，用以指示普通節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)幀在簇頭處，幀長為7至47個(gè)字節(jié)，包括管理幀的MAC頭部、幀實(shí)體和幀檢驗(yàn)序列(FCS)域，幀實(shí)體中包含位圖控制和部分虛擬位圖，位圖控制用于區(qū)分單播幀和廣播幀，若要向某節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀，則部分虛擬位圖中對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼的比特設(shè)置為1，根據(jù)所需傳送的數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)，部分虛擬位圖最多由31個(gè)字節(jié)組成。上述DAS控制幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中控制幀的基礎(chǔ)上提出，幀長為14字節(jié)，包括幀控制、持續(xù)時(shí)間、發(fā)送地址域(本節(jié)點(diǎn)的MAC地址)和FCS四個(gè)域，DAS幀用于節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送，通過發(fā)送地址域表明自己身份，以取回在簇頭的數(shù)據(jù)幀；2)當(dāng)簇頭要向簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，簇頭需要周期性地發(fā)送CTIM幀，間隔時(shí)間為TCTIM，直到收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀后停止發(fā)送；當(dāng)簇頭沒有數(shù)據(jù)幀需要傳輸時(shí)，轉(zhuǎn)入偵聽信道；3)當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)偵聽信道的偵聽時(shí)間超過TD時(shí)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)，可進(jìn)入休眠狀態(tài)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維持一個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(SSC)，其初始值都為0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)入休眠，SSC值遞增1，一旦SSC達(dá)到門限值aSSCmax后保持該值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功交互后由于網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)存在相關(guān)性，節(jié)點(diǎn)有存在后續(xù)業(yè)務(wù)的可能性，則SSC置0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到CTIM幀后，通過分析發(fā)現(xiàn)自己的關(guān)聯(lián)識(shí)別碼在部分虛擬位圖中，則SSC也置0；基于二進(jìn)制指數(shù)的休眠時(shí)間SleepTime可用下式來表示SleepTime＝min(2^(SSC-1)*Tsleep，Tmax_sleep)-Random*Tbasic其中min表示取小，^表示取指數(shù)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)它的節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(SSC)值遞增1，若SSC達(dá)到門限值aSSCmax，SSC將保持該值直至成功完成一次幀交互后復(fù)位歸0；Tsleep為基本休眠周期，Tmax_sleep為最長休眠周期，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所能容忍的最大時(shí)延與到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)來設(shè)定；Random表示為均勻分布在
范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，CWSleep的數(shù)值集合為2的整數(shù)冪減1，根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均個(gè)數(shù)來設(shè)定；Tbasic為物理層的時(shí)隙時(shí)間；普通節(jié)點(diǎn)的偵聽時(shí)間TD需大于兩倍的CTIM幀的發(fā)送時(shí)間與TCTIM之和，可保證當(dāng)簇頭周期性發(fā)送CTIM幀時(shí)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)可接收到一個(gè)CTIM幀；4)普通節(jié)點(diǎn)在接收狀態(tài)時(shí)偵聽到簇頭發(fā)送的CTIM幀后，對(duì)收到的CTIM幀進(jìn)行分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼確定自己有數(shù)據(jù)幀在簇頭處后，則它的休眠計(jì)數(shù)器歸0，與簇頭的通信方式采用DAS-DATA-ACK三握手傳輸過程；5)普通節(jié)點(diǎn)在非休眠狀態(tài)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送到簇頭時(shí)，它的休眠計(jì)數(shù)器歸0，普通節(jié)點(diǎn)與簇頭的通信方式可采用常規(guī)的RTS-CTS-DATA-ACK四握手傳輸過程；6)幀格式、退避規(guī)程、恢復(fù)規(guī)程、鑒權(quán)服務(wù)、關(guān)聯(lián)機(jī)制和加密服務(wù)等技術(shù)規(guī)范都可采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。
為更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)仿真的實(shí)施例。目前已實(shí)用的Mica節(jié)點(diǎn)是美國加州大學(xué)伯克利分校研制的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的演示平臺(tái)的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，在本例中采用Mica節(jié)點(diǎn)的性能特征來設(shè)置仿真參數(shù)。這款產(chǎn)品中采用了RFM公司的TR1000芯片，其性能參數(shù)如下載波頻段為916.5MHz固定頻點(diǎn)；調(diào)制方式為幅移鍵控(ASK)時(shí)最大數(shù)據(jù)傳輸速率為115.2kbps，誤碼率為10-3時(shí)接收機(jī)敏感度為-91dBm；發(fā)送、接收和休眠狀態(tài)平均功率分別是24.75mW、13.5mW和15μW；編碼方式為透明編碼。簇頭節(jié)點(diǎn)的TCTIM為6.1ms，普通節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置如下TD為12.2ms，Tsleep取61ms，Tmax_sleep為305ms，Tbasic為200μs，CWSleep為31，aSSCmax取4。仿真軟件采用GLOMOSIM軟件(http//pcl.cs.ucla.edu/projects/glomosim/)，仿真時(shí)間設(shè)為1000秒。路由協(xié)議采用最大可用能量節(jié)點(diǎn)路由。收發(fā)信機(jī)不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)延如下表一所示。數(shù)據(jù)分組為采用基于UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)的泊松到達(dá)業(yè)務(wù)流，其數(shù)據(jù)報(bào)文的長度為200字節(jié)。數(shù)據(jù)鏈路層的基本訪問模式采用802.11 DCF，將其與采用自適應(yīng)休眠方法后的模式進(jìn)行仿真比較。
表一收發(fā)信機(jī)不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)延(μs)

分簇算法采用P.Santi等人提出的一種GAF改進(jìn)算法(P.Santi.Maintaining a connectedbackbone in wireless sensor networks.In1st European Workshop on Wireless Sensor Networks，Berlin，Jan 2004)。GAF算法是以節(jié)點(diǎn)地理位置為依據(jù)的分簇算法，該算法把監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分成虛擬單元格，將節(jié)點(diǎn)按照位置信息劃入相應(yīng)的單元格；在每個(gè)單元格種定期選舉產(chǎn)生一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，只有簇頭保持活動(dòng)，其它節(jié)點(diǎn)可相應(yīng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。由于GAF算法沒有考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，而改進(jìn)算法采用隨機(jī)型簇頭選擇機(jī)制，選舉剩余能量多的節(jié)點(diǎn)作為簇頭有利于延長傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。
通常分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過簇頭向一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，因此仿真中節(jié)點(diǎn)布置采用如圖5所示，左右各是一個(gè)虛擬單元格，r為100米，虛擬單元格1中放置了20個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，虛擬單元格2中只放置了一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)在仿真區(qū)域內(nèi)都處于靜止?fàn)顟B(tài)。隨機(jī)選擇1個(gè)數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)和1個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，如圖5中節(jié)點(diǎn)C和D分別作為數(shù)據(jù)接收和發(fā)送節(jié)點(diǎn)，通過簇頭B與匯聚節(jié)點(diǎn)A進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)幀的傳輸方向分別是D-＞B-＞A和A-＞B-＞C，節(jié)點(diǎn)E等為無業(yè)務(wù)的普通節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)A與簇頭B始終都處于活動(dòng)狀態(tài)，訪問規(guī)程采用802.11 DCF。在圖6中給出了簇頭與普通節(jié)點(diǎn)之間的訪問機(jī)制圖，從圖中可以看出當(dāng)簇頭B有數(shù)據(jù)幀要發(fā)送時(shí)，它周期性發(fā)送CTIM幀，當(dāng)接收到DAS幀后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀；發(fā)送節(jié)點(diǎn)D在活躍狀態(tài)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送時(shí)，采用RTS-CTS-DATA-ACK四握手傳輸過程；接收節(jié)點(diǎn)C在活躍狀態(tài)時(shí)接收到簇頭B發(fā)送的CTIM幀，發(fā)現(xiàn)自己有數(shù)據(jù)幀緩存在B，采用DAS-DATA-ACK三握手傳輸過程；當(dāng)C、D完成分組交互后，如無分組業(yè)務(wù)則轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；簇內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)由于處于接收狀態(tài)時(shí)未發(fā)現(xiàn)自身有分組業(yè)務(wù)，則偵聽完畢后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。圖6中幀間間隔由物理層屬性決定。
在圖7中給出的是數(shù)據(jù)包發(fā)送比例的性能比較圖；從圖中可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層802.11協(xié)議下，系統(tǒng)在業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載發(fā)送速率大約為11包/秒時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送比例開始由1減少，在負(fù)載為12.5包/秒時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送比例減少到大約80％；而采用自適應(yīng)休眠方法后大約為7包/秒時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送比例開始由1減少，在負(fù)載為12.5包/秒時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送比例減少到大約32％左右；由此發(fā)現(xiàn)采用休眠機(jī)制后節(jié)點(diǎn)在無分組接收和發(fā)送情況下會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，則當(dāng)分組到達(dá)時(shí)節(jié)點(diǎn)可能處于休眠狀態(tài)造成包發(fā)送比例較低，而不休眠情況下節(jié)點(diǎn)無業(yè)務(wù)情況下會(huì)處于接收狀態(tài)，因此采用休眠機(jī)制后數(shù)據(jù)包發(fā)送比例性能降低了。圖8為采用自適應(yīng)休眠方法后不同節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間比例圖；無業(yè)務(wù)的普通節(jié)點(diǎn)無需進(jìn)行同步，只要在接收狀態(tài)時(shí)偵聽TD時(shí)間后進(jìn)入休眠狀態(tài)，每次休眠時(shí)間隨休眠次數(shù)遞增，直至達(dá)到最大休眠時(shí)間，從圖中可以看出休眠時(shí)間占整個(gè)時(shí)間的96％；有業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)在負(fù)載較低時(shí)，由于休眠時(shí)間隨休眠次數(shù)的變化而不同，休眠時(shí)間比例在55％到70％間變化，在負(fù)載增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間比例隨數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的增加而遞減。圖9給出的是節(jié)點(diǎn)平均功耗的性能比較圖，可以看出采用二種協(xié)議時(shí)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)平均功耗都隨負(fù)載的增加而遞增；采用節(jié)能機(jī)制后節(jié)點(diǎn)耗能約為采用802.11時(shí)的10.5％；簇頭始終處于活躍，無法進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此耗能較大，而普通節(jié)點(diǎn)無需進(jìn)行同步，只要監(jiān)聽信道一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)無分組需發(fā)送或接收則可進(jìn)入休眠狀態(tài)，因此控制信令耗能有所降低，在分簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)耗能較快，需要經(jīng)常選舉更替。在圖10給出的是業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)到簇頭的平均端到端時(shí)延性能比較圖；從圖中可以發(fā)現(xiàn)在負(fù)載較低時(shí)采用802.11協(xié)議的系統(tǒng)平均時(shí)延為70毫秒左右，而數(shù)據(jù)包發(fā)送速率大約為11包/秒時(shí)系統(tǒng)逐漸開始飽和，平均時(shí)延增加較快；而采用休眠機(jī)制后平均時(shí)延在負(fù)載較低時(shí)0.23至2秒之間變化，原因是休眠時(shí)間采用隨休眠次數(shù)的變化而不等，在負(fù)載增加到數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為7包/秒后，平均端到端時(shí)延迅速增加。從以上仿真結(jié)果可以看出，采用自適應(yīng)休眠方法改進(jìn)后可以大幅度地降低能量消耗，節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，但在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)數(shù)據(jù)包成功發(fā)送比例和節(jié)點(diǎn)平均端到端時(shí)延性能都有所下降。
權(quán)利要求
1.一種分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)休眠方法，其特征在于開啟分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭和匯聚節(jié)點(diǎn)無線通信設(shè)備，使其處于發(fā)送或偵聽狀態(tài)，而簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)時(shí)可關(guān)閉無線通信設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，簇頭與普通節(jié)點(diǎn)之間采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式，該帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式為1)幀與幀之間在物理媒介上必須有幀間間隔，由物理層屬性決定；使用IEEE 802.11中SIFS(最短幀間間隔)的幀優(yōu)先級(jí)最高，用于需要立即響應(yīng)的服務(wù)，如ACK(應(yīng)答)幀、CTS(允許發(fā)送)幀和數(shù)據(jù)(DATA)幀等；使用IEEE 802.11中DIFS(分布式幀間間隔)用以發(fā)送RTS(請(qǐng)求發(fā)送)幀、DAS(Data Allowing to Send，數(shù)據(jù)允許發(fā)送)幀和首次發(fā)送CTIM(簇頭傳輸指示圖)幀等；TCTIM用于第2個(gè)及其后連續(xù)的CTIM幀，其值為物理層時(shí)隙時(shí)間的整數(shù)倍。上述CTIM幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中管理幀傳輸指示圖單元基礎(chǔ)上提出，用以指示普通節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)幀在簇頭處，幀長為7至47個(gè)字節(jié)，包括管理幀的MAC頭部、幀實(shí)體和幀檢驗(yàn)序列(FCS)域，幀實(shí)體中包含位圖控制和部分虛擬位圖，位圖控制用于區(qū)分單播幀和廣播幀，若要向某節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀，則部分虛擬位圖中對(duì)應(yīng)該節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼的比特設(shè)置為1，根據(jù)所需傳送的數(shù)據(jù)幀個(gè)數(shù)，部分虛擬位圖最多由31個(gè)字節(jié)組成。上述DAS控制幀在IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)中控制幀的基礎(chǔ)上提出，幀長為14字節(jié)，包括幀控制、持續(xù)時(shí)間、發(fā)送地址域(本節(jié)點(diǎn)的MAC地址)和FCS四個(gè)域，DAS幀用于節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送，通過發(fā)送地址域表明自己身份，以取回在簇頭的數(shù)據(jù)幀；2)當(dāng)簇頭要向簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)幀時(shí)，簇頭需要周期性地發(fā)送CTIM幀，間隔時(shí)間為TCTIM，直到收到其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀后停止發(fā)送；當(dāng)簇頭沒有數(shù)據(jù)幀需要傳輸時(shí)，轉(zhuǎn)入偵聽信道；3)當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)偵聽信道的偵聽時(shí)間超過TD時(shí)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)，可進(jìn)入休眠狀態(tài)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)都維持一個(gè)節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(SSC)，其初始值都為0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)入休眠，SSC值遞增1，一旦SSC達(dá)到門限值aSSCmax后保持該值，當(dāng)節(jié)點(diǎn)成功交互后由于網(wǎng)絡(luò)局部范圍內(nèi)存在相關(guān)性，節(jié)點(diǎn)有存在后續(xù)業(yè)務(wù)的可能性，則SSC置0，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到CTIM幀后，通過分析發(fā)現(xiàn)自己的關(guān)聯(lián)識(shí)別碼在部分虛擬位圖中，則SSC也置0；基于二進(jìn)制指數(shù)的休眠時(shí)間SleepTime可用下式來表示SleepTime＝min(2^(SSC-1)*Tsleep，Tmax_sleep)-Random*Tbasic其中min表示取小，^表示取指數(shù)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)它的節(jié)點(diǎn)休眠計(jì)數(shù)器(SSC)值遞增1，若SSC達(dá)到門限值aSSCmax，SSC將保持該值直至成功完成一次幀交互后復(fù)位歸0；Tsleep為基本休眠周期，Tmax_sleep為最長休眠周期，由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所能容忍的最大時(shí)延與到匯聚節(jié)點(diǎn)的最大跳數(shù)來設(shè)定；Random表示為均勻分布在
范圍內(nèi)的隨機(jī)整數(shù)，CWSleep的數(shù)值集合為2的整數(shù)冪減1，根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)平均個(gè)數(shù)來設(shè)定；Tbasic為物理層的時(shí)隙時(shí)間；普通節(jié)點(diǎn)的偵聽時(shí)間TD需大于兩倍的CTIM幀的發(fā)送時(shí)間與TCTIM之和，可保證當(dāng)簇頭周期性發(fā)送CTIM幀時(shí)節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)可接收到一個(gè)CTIM幀；4)普通節(jié)點(diǎn)在接收狀態(tài)時(shí)偵聽到簇頭發(fā)送的CTIM幀后，對(duì)收到的CTIM幀進(jìn)行分析，根據(jù)關(guān)聯(lián)識(shí)別碼確定自己有數(shù)據(jù)幀在簇頭處后，則它的休眠計(jì)數(shù)器歸0，與簇頭的通信方式采用DAS-DATA-ACK三握手傳輸過程；5)普通節(jié)點(diǎn)在非休眠狀態(tài)有數(shù)據(jù)幀發(fā)送到簇頭時(shí)，它的休眠計(jì)數(shù)器歸0，普通節(jié)點(diǎn)與簇頭的通信方式可采用常規(guī)的RTS-CTS-DATA-ACK四握手傳輸過程；6)幀格式、退避規(guī)程、恢復(fù)規(guī)程、鑒權(quán)服務(wù)、關(guān)聯(lián)機(jī)制和加密服務(wù)等技術(shù)規(guī)范都可采用IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)鏈路層的自適應(yīng)休眠方法，開啟分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中簇頭和匯聚節(jié)點(diǎn)無線通信設(shè)備，使其處于發(fā)送或偵聽狀態(tài)，而簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)幀需要收發(fā)時(shí)可關(guān)閉無線通信設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，簇頭與普通節(jié)點(diǎn)之間采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式。它提出了節(jié)點(diǎn)隨休眠次數(shù)基于二進(jìn)制指數(shù)自適應(yīng)改變休眠時(shí)間的機(jī)制，并且通過聯(lián)合簇頭周期性發(fā)送簇頭傳輸指示圖管理幀的機(jī)制，使得分簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能異步工作在單信道條件下，可緩解了同步模式中節(jié)點(diǎn)碰撞重傳和同步控制信令過多的問題，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效率。
文檔編號(hào)H04L12/56GK1794687SQ20061003762
公開日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月6日
發(fā)明者朱赟, 徐友云, 蔡躍明 申請(qǐng)人:中國人民解放軍理工大學(xué)