一种无线传感器网络主动式休眠调度方法.pdf

本发明提供一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，该方法包括以下步骤：在唤醒信号内嵌入剩余时间长度标识，以广播形式下发；邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述剩余时间长度标识，确定激活时刻，再次进入休眠状态；所述激活时刻到达时，所述邻节点激活。采用本发明所提供的方法，可以使网络节点的激活时间最大限度的缩短，减少空闲监听的时间，实现网络节点最大限度的节能。

1、  一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤A：在唤醒信号内嵌入剩余时间长度标识，以广播形式下发；
步骤B：邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述剩余时间长度标识，确定激活时刻，再次进入休眠状态；
步骤C：所述激活时刻到达时，所述邻节点激活。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
步骤D：所述邻节点激活后，与所述邻节点交互数据分组业务。

3、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中数据分组业务为广播业务。

4、  根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的所有节点。

5、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中数据分组业务为单播业务。

6、  根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的特定节点。

7、  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中的唤醒信号还包括目的节点地址标识。

8、  根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括：
步骤B1：覆盖范围内的邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述目的节点地址标识，得到目的节点地址；
步骤B2：与所述目的节点地址信息相同的邻节点解析所述剩余时间长度标识，得到剩余时间长度，确定激活时刻，再次进入休眠状态。

9、  根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述邻节点包括中心控制节点时，所述步骤D包括：
向所述中心控制节点发送嵌入业务类型号的数据分组业务。

10、  根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
根据所述业务类型号，所述中心控制节点返回嵌入相应的休眠间隔时间信息的分组回复。

11、  根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤E：：
提取所述分组回复中的休眠时间间隔信息；
根据所述休眠时间间隔信息进入定时休眠状态，屏蔽业务分组的发送。

一种无线传感器网络主动式休眠调度方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种无线传感器网络主动式休眠调度方法。
背景技术
通常情况下，无线传感器节点以干电池、纽扣电池等提供能量，由于网络规模较大或工作于无人值守环境等原因，系统布设完毕后电池难以充电或进行更换。同时，在设计过程中需要充分考虑在满足应用需求的前提下尽最大可能延长网络寿命。因此，提高能量效率以延长工作时间成为无线传感器网络主要的设计准则之一。
在无线传感器网络中，导致能量损耗的主要因素包括空闲监听、串听、碰撞和控制开销四个方面。其中，引起能量损耗最多的是移动节点的空闲监听和串听。目前，解决这种能量损耗的有效方法是采用节点休眠机制。在无线传感器网络中，实现节点休眠的关键问题是如何实现节点间的唤醒同步。另外，移动节点的休眠还会造成业务传输时延的增加，在支持对时延有较高要求的业务时，需要及时唤醒移动节点。
在现有技术中，主动式唤醒机制是实现休眠节点及时唤醒的主要方法之
参见图1所示，为现有技术中节点发送数据分组的时序图。
在无线传感器网络中，网络中的节点以Tw为一个休眠周期。在一个休眠周期内，节点在固定时间醒来Tj时间，对信道进行监听。节点在需要进行数据分组发送时，首先通过广播形式发送一段Tp长度的唤醒信号。唤醒信号的长度Tp与移动节点的休眠周期Tw之间必须满足Tw＜Tp的关系，以保证节点覆盖范围内的所有邻节点均能监听到该节点发送的唤醒信号。当所有邻节点均被唤醒时，节点再发送数据分组。邻节点在接收到唤醒信号后被激活，将一直保持监听状态，直到整个唤醒信号结束，数据分组业务发送完毕，再进入休眠状态或其他状态。
采用主动式唤醒机制的媒体访问控制(MAC)协议主要是B-MAC协议，这种协议存在的主要问题是：当邻节点监听到节点发出的唤醒信号被激活后，将一直保持监听状态，直至整个唤醒信号结束，所有邻节点均被激活，数据分组业务传送完成。这样大大延长了节点的空闲监听时间，增加节点的能耗。
同时，这种机制在发送单播业务时会产生严重的串听问题。无线传感器网络中，节点均采用广播形式发送唤醒信号。当节点需要发送单播业务分组，希望唤醒特定的目的节点，但是非目的节点也可以接收到唤醒信号并保持激活状态，从而造成串听问题，浪费节点能量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，通过在唤醒信号中添加剩余时间长度信息，缩短节点的监听时间，实现节点最大限度的节能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感器网络主动式休眠调度方法，该方法包括以下步骤：
步骤A：在唤醒信号内嵌入剩余时间长度标识，以广播形式下发；
步骤B：邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述剩余时间长度标识，确定激活时刻，再次进入休眠状态；
步骤C：所述激活时刻到达时，所述邻节点激活。
其中，该方法还包括：
步骤D：所述邻节点激活后，与所述邻节点交互数据分组业务。
其中，所述步骤D中数据分组业务为广播业务。
其中，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的所有节点。
其中，所述步骤D中数据分组业务为单播业务。
其中，所述步骤D中邻节点为覆盖范围内的特定节点。
其中，所述步骤A中的唤醒信号还包括目的节点地址标识。
其中，所述步骤B包括：
步骤B1：覆盖范围内的邻节点周期性醒来，接收所述唤醒信号，解析所述目的节点地址标识，得到目的节点地址；
步骤B2：与所述目的节点地址信息相同的邻节点解析所述剩余时间长度标识，得到剩余时间长度，确定激活时刻，再次进入休眠状态。
其中，当所述邻节点包括中心控制节点时，所述步骤D包括：
向所述中心控制节点发送嵌入业务类型号的数据分组业务。
其中，该方法还包括：
根据所述业务类型号，所述中心控制节点返回嵌入相应的休眠间隔时间信息的分组回复。
其中，该方法还包括步骤E：：
提取所述分组回复中的休眠时间间隔信息；
根据所述休眠时间间隔信息进入定时休眠状态，屏蔽业务分组的发送。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
在本发明所提供的无线传感器网络主动式休眠调度方法中，发送广播业务分组时，通过在唤醒信号内嵌入剩余时间长度信息，使接收到唤醒信号的邻节点再次进入休眠状态，直到唤醒信号结束时激活，接收数据分组。采用本发明所提供的方法，可以使节点的激活时间最大限度的缩短，减少空闲监听的时间，实现网络节点最大限度的节能。
同时，本发明还提供了一种针对单播业务的有目的的主动唤醒方法，在唤醒信号中嵌入目的节点地址标识，只激活需要接收数据分组业务的节点，其他节点仍保持休眠状态，解决了单播业务中串听带来的节点能量损耗问题，实现节能目的。
附图说明
图1为现有技术中节点发送数据分组的时序图；
图2为本发明第一实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图；
图3为本发明第二实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图；
图4为本发明第一实施例所提供的节点发送数据分组的时序图；
图5为本发明第三实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图；
图6为本发明第四实施例所提供的休眠间隔调整的方法流程图；
图7为本发明第四实施例所提供的休眠间隔调整的时序图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
为实现上述目的，本发明提供了一种无线传感器网络主动式休眠调度方法。参见图2，为本发明第一实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤201：在唤醒信号的唤醒小分组内嵌入剩余时间长度标识，以广播形式下发；
所述唤醒信号由唤醒小分组组成。为了实现节点最大程度的休眠，在唤醒信号的每个唤醒小分组内嵌入了剩余时间长度标识，该标识表示本周期内唤醒信号发送的剩余时间长度；
步骤202：发送唤醒信号的节点覆盖范围内的邻节点在休眠周期内的固定时间醒来，接收唤醒信号，解析其中包含的剩余时间长度标识，得到本周期唤醒信号发送的剩余时间长度信息，对自身休眠时间进行调整，确定激活时刻，再次进入休眠状态；
步骤203：在所述激活时刻，所有邻节点同步激活，进行数据分组业务交互。
参见图3所示，为本发明第二实施例所提供的主动式休眠调度方法流程图。该方法中，节点需要对其覆盖范围内的所有邻节点进行数据分组业务交互，即为广播业务。该方法具体包括以下步骤：
步骤301：初始化无线传感器网络；
步骤302：节点判断自身是否需要进行广播数据分组业务发送，如果是，进入步骤303，如果否，进入步骤306；
步骤303：节点构造唤醒信号，在唤醒信号的每个唤醒小分组内嵌入唤醒信号剩余时间标识，该标识表示本周期内唤醒信号发送的剩余时间长度，并以广播形式下发；
步骤304：节点覆盖范围内的所有邻节点接收到唤醒信号，解析唤醒信号内的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态；
此处的激活时间即为本周期唤醒信号的结束时刻，因此对节点覆盖范围内的所有邻节点而言，其激活时间是统一的，即为同步激活；
步骤305：在本周期唤醒信号结束时刻，所有邻节点同时激活，节点发送数据分组业务，进入步骤310；
步骤306：节点在休眠周期内的固定时刻醒来，监听唤醒信号；
步骤307：判断节点是否接收到其他节点发送的唤醒信号，如果是，进入步骤308，如果否，进入步骤310；
步骤308：节点根据接收到的唤醒信号，解析唤醒信号内的剩余时间标识，得到剩余时间长度，对自身休眠时间进行调整，确定激活时间，并再次进入休眠状态；
步骤309：节点在相应时刻激活，接收数据分组业务，进入步骤310；
步骤310：节点再次进入休眠状态，返回步骤302，准备下一周期动作。
参见图4所示，为本发明第一实施例所提供的节点发送数据分组的时序图。图中，邻节点的每节实框表示一个休眠周期，实框中的阴影部分表示邻节点处于激活状态，空白部分表示邻节点处于休眠状态，虚框中的空白部分表示邻节点处于接收状态。
如图所示，在本发明中，邻节点以Tw为一个休眠周期。在一个休眠周期内，节点在固定时间醒来Tj时间，对信道进行监听。当节点需要进行数据分组业务发送时，为保证不同节点间的信号不冲突，节点采用载波侦听多路访问(CSMA)方式，首先对信道进行监听。在确认无其他节点占用信道时，发送唤醒信号，唤醒信号长度(Tp)大于等于邻节点的休眠周期长度(Tw)，以保证唤醒节点覆盖范围内的所有邻节点。
为了使节点获得更长时间的休眠，更有效的节能，本发明在节点发送的唤醒信号的每个唤醒小分组中嵌入了本周期内唤醒信号剩余时间标识，表示该唤醒信号剩余时间长度(Td)信息。
参见表1所示，为节点发送的唤醒信号帧结构。其中，P_type表示帧结构，P_subtype表示子帧结构，Ts表示唤醒信号剩余时间标识， Da为空。