[发明专利]无线传感器网络的异步预约信道接入方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络领域，特别涉及无线传感器网络设计领域，具体给出无线传感器网络的异步预约信道接入方法。

背景技术

在无线传感器网络应用系统中，节点采集到数据后通常会通过中继节点进行转发将数据包传递到汇聚节点，并通过汇聚节点将数据发送到后台进行监控。无线传感器网络应用领域比较广泛，节点可布设在森林农田、厂矿工地以及港口物流等众多环境。很多时候节点一般采用电池供电且其电池容量较小，分布在实际的应用环境后电池难以更换，但是应用系统往往需要节点持续工作数月到数年，所以能量效率是无线传感器网络设计考虑的重点。

目前无线传感器网络应用系统中信道接入方法是其中最重要的技术之一，是影响网络总体性能的重要因素，当多个节点进行数据通信的时候，需要比较有效的方法来协调节点的数据通信行为以达到最高的网络通信性能和最低的能耗。目前的技术中节点一般采用周期性的侦听和睡眠调度以降低能耗，即节点周期性地进入睡眠状态以降低能耗，在唤醒的时候发送数据给邻居节点。最有代表性的周期性侦听睡眠的信道接入机制是叶伟提出的S-MAC协议,它最早由参考文献“An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”(W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, IEEE INFOCOM, June 2002)提出。S-MAC协议按照周期性方式运行，协议的一个周期分为侦听期和睡眠期两个部分，其中的侦听期又分为同步阶段和数据阶段，侦听时间和整个周期长度的比率为占空比，协议运行过程中周期长度和占空比均固定。节点在侦听期间唤醒进行数据通信，在睡眠期间进入睡眠状态以降低功耗。为保证节点之间正确通信，协议设计采用定期同步的机制，通过周期性接收和转发同步包使得节点之间形成一致的侦听睡眠调度，从而保证节点之间能够进行正确通信。

但是在实际的无线传感器网络应用中，往往存在许多难点问题需要解决：①实际无线传感器网络中的数据流量经常变换，而且很多情况下是无规律或者规律不可循，采用固定周期和占空比的方法，当数据流量大的时候，容易引起缓冲区溢出丢包，而数据流量小的时候，不必要的唤醒过程耗费能量，从而使得网络性能低下。②在传感器网络节点之间维持同步是一个复杂过程，因为传感器节点需要侦听一段时间，接收到同步包后设置自己的调度，然后转发同步包，最终使全网形成一致的调度，这是一个耗费时间耗费能量的过程。③在接收节点醒来的时候往往有多个发送节点积累了数据包，如果每次只和一个发送节点进行数据通信，其它节点只能等到下一个周期才能发送数据，从而降低了数据传输延迟和吞吐率等方面的性能。这些存在的问题严重影响了无线传感器网络在工业控制，安全检测，火灾安防等许多领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种无线传感器网络的异步预约信道接入方法，使得网络中的节点在网络数据负载变化情况下能够保持优良的适应能力，同时不需要在线调节周期和占空比从而避免同步困难问题。在网络中节点数目比较多的时候能够加快数据传输的速度和减小传输的延迟，并最大程度降低网络运行能耗。

本发明的无线传感器网络的异步预约信道接入方法，基本思想是能让网络中的节点独立进行侦听睡眠调度，在进行数据通信的时候能够采用多节点预约和批量传输的方式提高网络性能，其步骤如下：

1、系统初始阶段网络中的节点设置按照周期T设置自身独立的侦听睡眠调度，节点按照一定的占空比（Duty Cycle，DC）周期性地进入睡眠和侦听状态以节约能量，节点之间的睡眠唤醒过程相互之间独立而不需要进行同步；

2、接收节点通过预约多个发送节点进行批量数据传输，每次接收节点唤醒后采用邀请的方式进行数据传输，接收节点发送一个采集包（Collection Packet，CP）给邻近的发送节点，这个采集包中包含了接收节点本次希望接收的发送节点，用于获取周围发送节点当前需要发送的数据包信息，这些信息包括希望发送数据的发送节点地址，以及每个发送节点本次希望发送数据包数目等；

3、接收节点一跳范围内的发送节点接收到采集包CP后，按照采集包中预定的顺序将自己本次想要发送的数据包数目NPcur依次通过汇报包（Report Pacet，RP）发回给接收节点，汇报包RP中包括发送节点本次希望发送的数据包数目和地址信息；