[发明专利]基于跨层的无线传感器网络节能方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络能量管理领域，特别是涉及一种基于跨层的解决无线传感器网络能耗问题的方法。

背景技术

无线传感器网络作为一种新型的信息感知和获取手段，因其自身特点以及广泛的应用前景，被认为是将对21世纪产生巨大影响力的技术之一。可生存性是无线传感器网络首先要考虑的基本问题之一。在无线传感器网络中，节点通常采用容量极其有限的电池供电，而电池的充电或是更换常常是不便甚至是不可能，这会导致传感器网络节点的失效，最终使整个网络崩溃。因此，如何在网络使用过程中节省网络节点的耗电量，延长网络生存期是无线传感器网络所面临的关键问题，在这方面的研究与探索具有重要的理论意义和应用价值。

近几年，为了提高无线传感器网络的节能效率，学者们做了不少的探索。相关的研究主要包括：

(1)拓扑控制：这种方法是在满足网络连通性和覆盖的情况下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间无用或不必要的通信链路，生成一个高效的数据转发的网络拓扑结构，从而降低网络的通讯能耗。

(2)能量感知路由：这种方法是根据节点的剩余能量或传输路径上的能量需求，选择数据的转发路径。从而降低整个网络的能耗，延长网络的生存周期。

(3)睡眠管理：由于节点在空闲状态下消耗的能量是在睡眠状态下消耗的能量的很多倍，所以，将空闲节点置于睡眠状态也可以节省很多的能量，达到节能的目的，这主要是MAC层的节能策略。在这种情况下，网络中只有很小的一部分节点仍然处于工作状态，来为数据提供传输与接收的服务，而大部分节点都已经被置于了睡眠的状态，降低了网络的能耗。

上面提到的这些方法都集中于无线传感器网络节点协议栈中的某一层，忽略了协议栈中不同层之间协同工作的重要性。拓扑控制和能量感知路由是网络层的一种节能策略，都是在节点处于工作状态时，通过一些策略来减少传输或者接收时消耗的能量，来达到总消耗能量最小化；而睡眠管理是通过把空闲节点转化到睡眠状态，从而达到总能耗最小的目的，这是MAC层一般采用的一种节能方法。因此可以看出MAC层的方法仅仅集中于解决该层的能量消耗问题，没有考虑来自网络层的路由信息。而网络层的路由协议仅仅集中于连通性或路径的有效性，没有考虑MAC层节点的工作周期。如此单一层的方法导致了节点的能量利用率不高，节能效果不理想。因此，从跨层思想出发，综合考虑MAC层和网络层的实际情况，使两层之间共享信息，协同工作，从而设计出更加高效的节能方法，尽可能使无线传感器网络能量消耗极小化。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于跨层的无线传感器网络节能方法。综合考虑网络层的路由、MAC层的能量消耗问题。它首先从MAC层收集与节点传输功率有关的参数，来构造网络的路由信息和维护节点的邻居节点表，使用这些信息来解决MAC层能耗问题，从而有效提高节点的能量利用率，延长网络的生存周期。

本发明的第一方面是从MAC层收集信息，来维护每个节点的邻居表和构造整个网络的路由表，同时对路由表进行更新和维护。

所述的邻居表的维护主要是维护网络的拓扑控制，每个节点都维护着一张邻居节点表，这个邻居表里面包含着这个节点无线通信传输范围内的所有的邻居节点，以及当前节点与它的邻居节点之间能够进行高质量的通信时需要使用的最小传输功率。

所述的路由建立阶段负责为网络中的每个节点建立到汇聚节点(即目的节点)的路由路径，在路由建立阶段试图为每个节点寻找到汇聚节点(即目的节点)消耗能量最少的路由路径。

所述的路由维护、更新阶段是当无线传感器网络中的路由表由于某种原因崩溃，或者某个节点失效，有新的节点加入，这时网络要很快适应这种拓扑结构的变化，快速重建或更新整个网络的路由表。本发明第二方面使用已有的路由信息设计MAC层工作方法，解决能耗问题。MAC层能耗的主要来源是节点的空闲侦听、数据碰撞、串音。因此，MAC层的能量管理方法涉及到以下几个方面。

(一)MAC层中节点空闲侦听问题

节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听或没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费。本申请针对这一问题在MAC层使用了周期性“侦听/睡眠”的无线信道使用机制。

(二)MAC层中碰撞问题

碰撞是当MAC协议采用竞争方式使用共享无线信道，节点在发送数据的过程中，可能与其它节点发送的数据产生碰撞，导致数据的重发，引起不必要的能量浪费。因此，本申请采用基于两阶段的竞争来解决节点之间的碰撞问题。

(三)MAC层中串音问题