[发明专利]一种面向混合业务的无线传感器网络能量有效接入方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络，无线Internet网络以及无线局域网等相关技术领域。

背景技术

近年来，无线传感器网络发展迅速，受到了学术界和工业界的广泛关注。一个典型的无线传感器网络由部署在一定地理区域范围内的传感器节点构成，主要用于监测物理现象如温度、湿度、火灾以及地震。一个无线传感器网络节点通常由三个部分组成：一个感知子系统，用于捕获外界环境的变化信息；一个信息处理子系统，用于对本地数据的处理与存储；以及一个通信子系统，主要用于数据的传输与接收。除此之外，传感器节点还需要一个功率源来提供设备运行所需要的能量。该功率源通常是一个有限供电能力的电池。由于无线传感常常部署在恶劣的地理位置或者敌对环境中，对其进行重新充电非常困难。但是，大部分的应用都要求无线传感器网络具有一个足够长的生命周期（天，月等）。因此，在能量有限的条件下，如何尽可能的延长网络的生命周期成为设计无线传感器网络的关键问题。

根据网络结构和应用需求的不同，无线传感器网络可以分为周期监测网络和事件驱动网络两种。其中，周期监测网络主要用于完成一些非实时的环境监测任务，如气象监测、地理位置信息采集等；事件驱动网络主要用于完成一些实时性的环境监测任务，反恐安全和入侵防御、灾害监测、设备监控等。由于应用需求不同，其能量有效性的研究方法也不相同。对于周期监测网络，最有效的能量效率提升方式是当没有通信需求时，将传感器节点置于低功率的睡眠状态。理想情况下，传感器节点能够在没有数据发送时，即时切换到睡眠模式，而当有数据发送时，即时切换到通信模式。但是，在实际系统设计中，节点处于睡眠状态，通常假定为不能进行数据接收，并且节点在工作模式转换的过程中，也要产生一定的延迟和能量消耗。因此，如何有效的调度节点睡眠/通信模式之间的转换，成为周期监测网路节能问题的主要研究方向。其中典型的协议有SMAC，该协议通过以虚拟簇为单位周期同步睡眠，延长了节点睡眠时间，减少了节点能耗。随后众多工作在此协议基础上展开，如TMAC同样采用了睡眠机制，不同的是，虽然TMAC中保持了固定的周期长度，但节点监听时间会根据信道情况进行调整，从而改变睡眠时间的长度；PMAC通过网络流量信息自适应地调整睡眠时间；DMAC针对SMAC中存在的睡眠延迟，提出了数据成树形汇聚的通信方式，根据树状结构调整节点睡眠时间。此类方法需要节点周期的进行簇内同步，由同步所带来的额外节点能耗不能忽略，因此在节能方面具有一定局限性。考虑到周期同步开销，第二类方法为异步接入机制，在这种方法中节点只需要监听较短时间来判断是否有数据需要接收。有文献通过延长数据帧中导言的方式，异步接入信道来减少空闲监听。此类接入方式优点在于当有数据传输时，仅仅收发节点需要通过同步通信，其他节点则避免了周期同步开销；缺点在于发送节点需要保持监听状态直到接收节点苏醒才能传输数据，因此增加了发送节点的监听开销和等待时延。

相比较而言，事件驱动网络对数据传输的实时性要求较高，节点需要一直处于环境感知状态，以确保有紧急情况发生时，无线传感器节点能够及时将数据传回sink节点。因此，通常情况下，事件驱动网络具有更高的优先级。已有研究中，提高事件驱动网络能量效率的一种方法是通过能量有效的数据捕获，降低采样数据的样本数。

尽管已有的研究中，对于周期监测网络和事件驱动网络的节能问题都进行了充分的研究。但是仍然很少有工作对于混合业务模式下的网络进行研究。将周期监测网络和事件驱动网络共同部署，可以使无线传感器网络具有更强的环境适应能力并满足更加广泛的应用需求。在本文中，将对混合网络模式下的无线传感器网络进行建模研究，并重点针对的周期监测网络的睡眠机制进行研究。在本文中，无线传感器网络中存在两种不同的网络节点。其中，基于周期监测网络节点主要用于进行环境的常规检测等对传输延迟要求较低的非实时业务，网络节点可以在传输状态、睡眠状态和监听状态之间进行切换；基于事件驱动网络节点主要用于进行突发性的环境事件等对数据传输的延迟敏感的实时性数据业务，且节点始终处于监听状态或者传输状态，同时，实时性业务具有更高的信道使用权限。本申请主要考虑在实时业务和非实时业务共同存在的混合网络下，获得非实时业务的最优睡眠时间，使得网络节点的能量效率最大化。

发明内容