專(zhuān)利名稱(chēng)：一種面向容量擴(kuò)展的無(wú)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(kuò)展的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道調(diào)度方法。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本的、具有感知、通信和計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將采集到的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以無(wú)線多跳的方式，發(fā)送給用戶。用戶可以足不出戶，就可以實(shí)時(shí)地對(duì)某一區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(duì)小流量網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量變大時(shí)，它們的性能會(huì)越來(lái)越差。而采用多信道機(jī)制，可以有效地提高整個(gè)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(diǎn)大多是單收發(fā)器節(jié)點(diǎn)，雖說(shuō)可以工作在不同的頻率上，但不同頻率間的切換時(shí)間是不容忽略的。而且它們的MAC層報(bào)文長(zhǎng)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。根據(jù)信道分配的粒度來(lái)分，現(xiàn)有的多信道調(diào)度方法可以分為基于節(jié)點(diǎn)、基于樹(shù)的調(diào)度方法。由于基于節(jié)點(diǎn)的調(diào)度方法需要大量的可用物理信道，而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)只有16個(gè)正交物理信道，這將嚴(yán)重制約著基于節(jié)點(diǎn)的調(diào)度方法的應(yīng)用?；诠?jié)點(diǎn)的多信道調(diào)度方法需要網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步，否則它們的性能會(huì)下降得很快。Micaz等節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘存在40ppm的漂移，即一秒種后，時(shí)鐘漂移為40us。為了保證協(xié)議的性能，必須經(jīng)常對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行同步。然而無(wú)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(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，是不可行的，特別是對(duì)高數(shù)據(jù)率的應(yīng)用或者是大型、密集型網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，更是如此?；跇?shù)的調(diào)度方法只需少量的正交物理信道，且不需要節(jié)點(diǎn)間保持時(shí)間同步，但它針對(duì)靜態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，擴(kuò)展性很差，不能適應(yīng)動(dòng)態(tài)的環(huán)境。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而失效或新節(jié)點(diǎn)加入而變化，因此基于樹(shù)的調(diào)度方法不適合長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于樹(shù)的多信道調(diào)度方法。本發(fā)明將網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分為三類(lèi)，普通節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。不同的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作在不同的信道上，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇加入合適的以網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)的子樹(shù)，而協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)用于協(xié)調(diào)各子樹(shù)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(shù)建立
I.I每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、路徑期望傳輸次數(shù)PETX、和發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID。I. 2普通節(jié)點(diǎn)以周期t掃描各信道，其中t大于&。在時(shí)間t內(nèi)，接收它所有潛在父節(jié)點(diǎn)廣播的Beacon包，選擇PETX值最小的父節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，并將最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)所在的路徑當(dāng)作該信道的最佳路徑。I. 3普通節(jié)點(diǎn)依次掃描完各個(gè)信道，選擇最佳路徑PETX值最小的信道作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的工作信道。I. 4選定工作信道的普通節(jié)點(diǎn)加入各子樹(shù)，周期性地將自己的孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)報(bào)告給父節(jié)點(diǎn)。 (2)信道調(diào)度
2.I協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)周期性地掃描各個(gè)信道，接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，以掌握各子樹(shù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。2.2當(dāng)各子樹(shù)的孩子數(shù)不平衡時(shí)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)數(shù)最多的那個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)度信息包(Balance包)。(3)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)加入各子樹(shù)，向父節(jié)點(diǎn)報(bào)告孩子數(shù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包。相對(duì)于現(xiàn)有的多信道調(diào)度方法，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(I)采用粗粒的信道分配方法，即給每棵子樹(shù)分配一個(gè)信道，需要較少的可用物理信道。(2)通過(guò)引入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，使得一般的單收發(fā)器傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)測(cè)工作在不同信道上的子樹(shù)網(wǎng)絡(luò)流量。(3)由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限，本多信道調(diào)度方法簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的計(jì)算和存儲(chǔ)空間，較適合無(wú)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(diǎn)調(diào)度流程。圖3為普通節(jié)點(diǎn)收到調(diào)度包重新選擇信道。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(shù)分配不同的信道，通過(guò)引入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，來(lái)減少節(jié)點(diǎn)信道切換次數(shù)和工作在不同信道上節(jié)點(diǎn)間的通信頻率，從而使各子樹(shù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到平衡，提高整個(gè)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(lái)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(diǎn)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(shù)內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，i是節(jié)點(diǎn)j的父節(jié)點(diǎn)，PETXj表示節(jié)點(diǎn)j到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的路徑期望傳輸次數(shù)，STTij表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的鏈路期望傳輸次數(shù)。每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作在不同的信道上，以周期廣播Beacon包，普通節(jié)點(diǎn)依次掃描
各個(gè)信道，并在各個(gè)信道停留t時(shí)間，其中t略大于^ ,記錄接收到的Beacon包信息。普通節(jié)點(diǎn)一接收到Beacon包，首先判斷接收Beacon包時(shí)的RSSI值是否大于_75dbm，若成立，則計(jì)算當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的PETX值。否則丟棄該包，繼續(xù)偵聽(tīng)，接收其他Beacon包。若在t時(shí)間內(nèi)，普通節(jié)點(diǎn)還收到它的其他潛在父節(jié)點(diǎn)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(shí)，普通節(jié)點(diǎn)才更新選取路徑。那么普通節(jié)點(diǎn)在一個(gè)信道上偵聽(tīng)t時(shí)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(diǎn)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(diǎn)切換到那個(gè)信道，發(fā)送TreeJoin包，申請(qǐng)加入它的潛在父節(jié)點(diǎn)所在路徑，并等待父節(jié)點(diǎn)的回復(fù)。否則這個(gè)普通節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的孩子數(shù)小于它所允許的最大孩子數(shù)，則給申請(qǐng)加入的那個(gè)孩子節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)確認(rèn)包，否則父節(jié)點(diǎn)丟棄該申請(qǐng)包，不對(duì)它作出回復(fù)。若孩子節(jié)點(diǎn)在Is之內(nèi)沒(méi)有收到它的潛在父節(jié)點(diǎn)的回復(fù)包，那么它認(rèn)為當(dāng)前所處的鏈路不穩(wěn)定，進(jìn)行新一輪的信道掃描，爭(zhēng)取加入最優(yōu)的子樹(shù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到父節(jié)點(diǎn)的回復(fù)，它再開(kāi)始周期性地廣播Beacon包，以及定時(shí)將自己的孩子數(shù)報(bào)告給它的父節(jié)點(diǎn)，以便網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能了解當(dāng)前子樹(shù)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。(2)由于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)自主地加入各子樹(shù)，因此子樹(shù)建立完成時(shí)，它們的規(guī)?？赡軙?huì)不平衡。當(dāng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)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(shù)的規(guī)模也會(huì)變得不平衡。本發(fā)明方法以各子樹(shù)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)衡量子樹(shù)的規(guī)模，并根據(jù)它來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)中各子樹(shù)的網(wǎng)絡(luò)流量。它周期性地檢測(cè)各子樹(shù)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，對(duì)那棵擁有最大節(jié)點(diǎn)數(shù)的子樹(shù)進(jìn)行信道平衡。一旦確定進(jìn)行信道平衡，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)給相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則發(fā)送Balance包，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將它轉(zhuǎn)發(fā)給子樹(shù)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，子樹(shù)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)Balance包來(lái)選擇是否跳轉(zhuǎn)到其他信道。本發(fā)明方法采用兩種機(jī)制來(lái)避免網(wǎng)絡(luò)過(guò)于動(dòng)蕩一，將需要進(jìn)行信道平衡的過(guò)程限定在孩子數(shù)最多的那棵子樹(shù)；二，它容許各子樹(shù)間存在一定的不平衡。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)只有在滿足以下條件下才開(kāi)始進(jìn)行信道平衡，即
權(quán)利要求
1. 一種面向容量擴(kuò)散的無(wú)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(shù)建立，具體是 ·1. 1每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)、路徑期望傳輸次數(shù)PETX和發(fā)送節(jié)點(diǎn)ID ； ·1. 2普通節(jié)點(diǎn)以周期t掃描各信道，其中t大于tO ;在時(shí)間t內(nèi)，接收它所有潛在父節(jié)點(diǎn)廣播的Beacon包，選擇PETX值最小的父節(jié)點(diǎn)作為最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)，并將最優(yōu)父節(jié)點(diǎn)所在的路徑當(dāng)作該信道的最佳路徑； ·1. 3普通節(jié)點(diǎn)依次掃描完各個(gè)信道，選擇最佳路徑PETX值最小的信道作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的工作信道； ·1.4選擇工作信道的普通節(jié)點(diǎn)加入各子樹(shù)，周期性地將自己的孩子節(jié)點(diǎn)數(shù)報(bào)告給父節(jié)占. (2)信道調(diào)度，具體是 ·2. I協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)周期性地掃描各個(gè)信道，接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，以掌握各子樹(shù)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；· 2.2當(dāng)各子樹(shù)的孩子數(shù)不平衡時(shí)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)向節(jié)點(diǎn)數(shù)最多的那個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送調(diào)度信息包； (3)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)加入各子樹(shù)，向父節(jié)點(diǎn)報(bào)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(kuò)展的無(wú)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(shù)分配不同的信道，通過(guò)引入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，來(lái)減少節(jié)點(diǎn)信道切換次數(shù)和工作在不同信道上節(jié)點(diǎn)間的通信頻率，從而使各子樹(shù)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到平衡，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的計(jì)算和存儲(chǔ)空間，較適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102685917SQ20121017961
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)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(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)