专利名称：在移动无线传感器网络中进行集中式资源预约管理的方法
技术领域：
本发明涉及移动无线传感器网络和移动自组织网络，具体地说是一种在移动无线传感器 网络中进行集中式资源预约管理的方法。
背景技术：
移动无线传感器网络是复杂的分布式网络系统，是自组织、自愈网络，由无线移动节点 组成；无线移动节点可以自由而动态地自组织成任意临时性网络拓扑，从而允许人们装置在 没有预先存在的通信基础设施的环境中进行无缝地互连互通。任意两个移动节点之间的无线 传播条件受制于这两个节点之间的发射功率。在移动无线传感器网络中，最常使用的是竞争类的MAC协议和按需的路由方式。这两 层在整个移动自组织网络协议体系中占据很重要的地位。竞争类的MAC协议中使用最频繁的则是载波侦听多址访问协议(CSMA)和多址访问与 碰撞回避(MACA)协议。CSMA是通过测试发射机附近的信号强度拉努力避免碰撞，但碰 撞发生不是在发送方一侧，而是在接收方一侧，因此载波侦听没有提供避免碰撞所必需的所 有信息，这就导致了多跳CSMA网络中一个失效的主要原因，即"隐藏终端"问题。同时使 用CSMA媒介访问技术也会由于显现终端引起不必要的推迟消息发送问题，即"暴露终端" 问题。MACA使用RTS-CTS的控制分组握手机制，减轻了隐藏终端和暴露终端问题，但隐藏 终端问题还是会在多跳中继传输的某个中间节点上发生。按需路由协议一般使用按需距离矢量路由协议(AODV)。这是为频繁移动的网络节点设 计的，同样适用于无线传感器网络。该协议提供对动态链路的快速自适应，寻路开销低，可 用于查找移动节点之间的动态的，自启动的，多跳的路由，且不需要定期的路由维护。在多跳无线传感器网络环境下，要保证业务流的服务质量，需要考虑所经过的各个链路 和节点的状况。由于移动无线传感器网络的动态性，提供Qos保障是一件很困难的事情。单 从各个层的角度来解决Qos问题和分析网络性能并不能很好的满足应用层的Qos要求，必须 使用一种Qos体系的概念，多层之间协同处理。从MAC层来考虑，就是要避免碰撞，解决 隐藏终端和暴露终端问题，实现资源的有效预约。从路由层考虑，就是要选择最佳的Qos路由，快速建立连接路径。Qos路由的计算可以使用改进的Dijkstra最短生成树算法。即选择一 个重要的服务特性(如时延或带宽)作为成本函数来计算最短生成树路由，而其它服务要求 可以作为选择路由的限制条件。此外，还可以使用备份路由的方法来减少路由失效后查找可 用路由所需的时间，采用按需路由或类似于DSDV的序列号的方法来避免路由环路的出现。 从网络结构上来说，可对网络的组成进行一定的调整，强化一些节点的功能，实现对可用资 源的有效管理。现有无线网络中的数据传输均釆用开放的广播方式，网络中的各节点在采用竞争类MAC 协议发送数据分组时，不可避免的会出现碰撞现象。这将严重影响数据分组传输的连续性。 每个数据分组发送前均需重新发起连接过程，这无疑也加大了数据分组的传输时延和传输成 功率。当网络中需要传输对Qos要求较高的业务流时，就要采用一定的方法避免这种碰撞， 并降低时延，保证业务流传输的可靠性。发明内容本发明的目的是设计出一种在移动无线传感器网络中进行集中式资源预约管理的方法。 本发明是在路由査找过程中完成资源预约，使用集中的方式，对全网资源进行统一的管理。 整个网络包括预先指定的簇首节点和预定范围内的多个移动传感器网络节点，使用现有的同 步算法对整个网络进行时间同步，在同步的过程中，网络中各节点获悉自身到达簇首节点的 路径。路由方面，在现有的按需路由算法基础上进行改进，在原有控制消息分组基础上加入 额外的域，用于携带额外的业务流相关信息，并记录所经路径的信息。本发明包括以下步骤步骤一节点产生需要QOS保障的业务流后，节点成为发送节点，首先判断自身路由表 中是否含有目的节点的地址信息。如有，则发送节点形成资源预约请求帧，发送给簇首节点， 等待簇首节点的资源预约通知，进入步骤四；若没有，则形成路由请求分组(RREQ)，跳转至步骤二。该RREQ分组中应附加携带将要传输的业务流的种类，业务流的目的地址，并限 制该分组最大的转发次数。步骤二发送节点采用广播的形式发送RREQ分组，接收到该分组的节点根据分组中的 相关信息，判断对该分组采取何种处理方法。步骤三发送节点接收到路由应答分组(RREP)后，记录可用的路径信息，并立即开始一个等待过程，等待簇首节点下发资源预约通知。步骤四发送节点在收到簇首节点的资源预约通知以后，立即沿路由查找过程中确定的 路径开始业务流的传送。若长时间接收不到针对自身的资源预约通知，则跳转到步骤一。节点在接收到一个RREQ后，在确定自身从未收到过该RREQ分组的前提下，采用如下步骤判断自身所应采取的处理方法步骤一检査该RREQ的目的地址是否为自己，若是，则跳转到步骤三；若不是，则跳转到步骤二。步骤二检査该分组是否达到最大的转发次数，若是，则对不做任何处理；若否，则把 分组的转发次数加一，并把自身的地址信息添加到该分组中，采用广播的形式发送出去。步骤三根据接收到的RREQ分组中包含的路径信息，目的节点形成一个路由应答分组 (RREP)，该分组按原路径回送给发送节点；目的节点同时根据RREQ分组中相关信息形成 资源预约请求帧，发送给簇首节点，并等待簇首节点回送ACK分组。该资源预约请求帧中应 携带业务流的类型及所经路径信息，其中所经路径信息中应包含业务流将要经过的节点地址， 经过该地址时的时间戳等信息。步骤四簇首节点在接收到资源预约请求帧后单播回送ACK给目的节点，同时根据虚拟 簇中的资源使用情况，给即将发生的业务流分配适当的资源，并广播通知虚拟簇中所有节点。本发明具有以下有有益效果1) 集中式的资源分配控制，使得网络资源可得到最佳的分配，有效地利用网络资源。2) 由簇首节点集中式定期下发资源分配情况，使得网络中所有节点都能获悉当前资源的 使用情况，完全避免了隐藏终端和暴露终端等方式使用无线信道，实现业务流的Qos保障。3) 网络中各节点预先获悉自身到达簇首节点的路径，有利于縮短预约过程所使用的时间。4) 预约过程中使用按需路由的方式寻路，减少日常维护路由的开销，适应网络拓扑经常 变动的情况。
图1是集中式资源预约请求流程图。 图2是预约前、后的超帧结构。 图3是资源预约请求帧格式。 图4是RREQ分组格式。图5是RREP分组格式。图6是网络组建示意图。图7是簇内相邻节点预约示意图。图8是簇内非相邻节点预约示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。网络建立之前，要求所有节点拥有一个预先设定好的ID。指定的簇首节点ID为1。其余 节点ID大于2。设定簇首节点的最大射频发射功率值是普通节点的两倍。网络中的可用资源 足够支撑至少两对节点进行业务流的传输。假设网络半径即是簇首节点信号的最大传播距离， 则网络中的节点应最大通过两跳即可与簇首节点相连。网络构建在超帧的概念之上，实施例中使用的超帧结构是固定划分一段时间进行信标帧 的传送，其余时间为CSMA竞争时间，网络中各节点均有权在这段时间中竞争传送自身的控 制分组或数据分组。预约前超帧结构参见图2a。预约到的资源是指从CSMA的尾部划分出的 合适的时间段，这些时间段只能供特定节点使用，其他节点在这些时间段必须处于静默状态。 我们对时间段进行管理，使得该预约到的时间段总是在超帧的尾部，并且该时间段是连续的。 预约后超帧结构参见图2b。整个网络存在两种信标帧组网信标帧和预约信标帧。组网信标帧完成网络的组建，使 用普通功率发射；预约信标帧通告全网资源的使用情况，使用最大功率发射。信标帧发送的策略组网信标帧每隔一定时期发送一次，帮助网络中节点重新了解网络 拓扑的变动；预约信标帧仅在有需要的时候发送。簇首节点通过广播发送组网信标帧实现整个网络的组建，参见图6。组网信标帧的发送使 用普通节点功率能级，且只允许转发一次，离簇首一跳范围内的节点均能顺利收到该组网信 标帧。组网信标帧中包含的信息有1) 同步信息完成整个网络中所有节点的时间同步2) 组网信息根据簇成员节点ID规划网络中所有节点转发组网信标帧的延迟时间，避 免同时转发组网信标帧时带来的严重的碰撞。处于簇首节点一跳范围内的节点在收到组网信标帧后，将根据组网信标帧中携带的组网信息，按预定好的延迟时间，依次进行转发。假定网络是对称的，且在组网过程中，虚拟簇中的节点均处于侦听信道状态，则侦听到 的邻居信息可记录到路由表中，认为其是可达的。任何接收到信标帧的节点都相当于获得了 到达簇首节点的路径信息。在一个超帧周期之后，网络即完成组建。网络进入运行阶段后，虛拟簇中的节点可采用不定期或始终侦听信道状态，采用不定期 侦听方式时，要确证在每个超帧周期的信标帧广播阶段，簇内所有节点都处于侦听状态。节 点在侦听信道的过程中，可根据侦听结果修改自身的路由表信息。当簇内某个节点产生对QOS保障有要求的业务流以后，即发起一个资源预约请求过程 节点首先根据该业务流的目的地址，检查自身路由表，1) 若有相关路由信息，则直接形成一个资源预约请求帧发送给簇首节点，该资源预约请 求帧格式参见图3，携带的信息包括该业务流即将使用的路径、业务流的种类，节点在接收到 簇首节点的ACK回应后，即开始等待簇首节点使用预约信标帧公布资源划分结果。2) 若无相关路由信息，则发送RREQ，发起寻路过程。该RREQ格式参见图4，携带的 信息包括业务流的种类，并且记录下自身经过的路径信息。RREQ分组的发送仅限于超帧的 CSMA时间段，使用泛洪的机制。目的节点接收到该RREQ后，提取出该RREQ中存储下的 路径信息，根据此信息原路回送一个RREP。该RREP格式参见图5，紧接着节点立即发送一 个资源预约请求帧给簇首节点，在接收到簇首节点的ACK回应后，开始等待过程。簇首节点在收到资源预约请求帧后，会立即大功率单播回复一个ACK给请求节点，然后 簇首节点将首先检查资源预约请求帧中的业务流种类域，所经节点地址域和时间戳域，对当 前业务流所应分配的时间做出计算，然后结合当前的网络资源使用状况，判决是否有足够的 资源支撑当前业务流请求。若有足够的时间段资源，即在超帧CSMA段的尾部划分出适当的 时间段给该业务流使用。此时间段又具体细化分配给该业务流所经过的节点，每一个节点分 配到的时间段的大小和先后顺序将由时间戳，业务流种类共同决定。资源划分完成后，簇首节点将在紧接着的信标帧时段，发送包含网络资源分配的预约信 标帧，公告全网。相关的所有节点接收到该帧后，将根据资源划分情况，在下一超帧周期， 开始自身的业务流的传送。
权利要求
1、一种在移动无线传感器网络中进行集中式资源预约管理的方法，其特征在于以下步骤步骤一节点产生需要Qos保障的业务流后，节点成为发送节点，首先判断自身路由表中是否含有目的节点的地址信息，如有，则发送节点形成资源预约请求帧，发送给簇首节点，等待簇首节点的资源预约通知，进入步骤四；若没有，则形成路由请求分组(RREQ)，跳转至步骤二；该RREQ分组中应附加携带将要传输的业务流的种类，业务流的目的地址，并限制该分组最大的转发次数。步骤二发送节点采用广播的形式发送RREQ分组，接收到该分组的节点根据分组中的相关信息，判断对该分组采取何种处理方法。步骤三发送节点接收到路由应答分组(RREP)后，记录可用的路径信息，并立即开始一个等待过程，等待簇首节点下发资源预约通知；步骤四发送节点在收到簇首节点的资源预约通知以后，立即沿路由查找过程中确定的路径开始业务流的传送；若长时间接收不到针对自身的资源预约通知，则跳转到步骤一。
2、 根据权利要求1所述的在移动无线传感器网络中进行集中式资源预约管理的方法，其特征在于节点在接收到一个RREQ后，在确定自身从未收到过该RREQ分组的前提下，采用如下步骤判断自身所应采取的处理方法步骤一检查该RREQ的目的地址是否为自己，若是，则跳转到步骤三；若不是，则跳转到步骤二。步骤二检査该分组是否达到最大的转发次数，若是，则对不做任何处理；若否，则把 分组的转发次数加一，并把自身的地址信息添加到该分组中，采用广播的形式发送出去。步骤三根据接收到的RREQ分组中包含的路径信息，目的节点形成一个路由应答分组 (RREP)，该分组按原路径回送给发送节点；目的节点同时根据RREQ分组中相关信息形成 资源预约请求帧，发送给簇首节点，并等待簇首节点回送ACK分组。该资源预约请求帧中应 携带业务流的类型及所经路径信息，其中所经路径信息中应包含业务流将要经过的节点地址， 经过该地址时的时间戳等信息。步骤四簇首节点在接收到资源预约请求帧后单播回送ACK给目的节点，同时根据虚拟 簇中的资源使用情况，给即将发生的业务流分配适当的资源，并广播通知虚拟簇中所有节点。
全文摘要
本发明涉及一种在移动无线传感器网络中进行集中式资源预约管理的方法，适用于多跳移动无线传感器网络和移动Ad Hoc网络。网络初始化时，由预先指定的簇首节点完成对周围节点的时间同步，这些同步的节点共同构成一个虚拟簇。同步的过程中，节点可获悉自己到达簇首节点的路径信息。虚拟簇内成员节点产生Qos业务流时，首先获得可用路径，然后告知簇首节点可用路径信息和业务流种类信息，由簇首节点统一分配管理簇内所有Qos业务流所使用的资源。本发明可实现簇成员之间需进行多跳传输时的资源预约。
文档编号H04L12/56GK101247339SQ20081005995
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5日
发明者刘海涛, 帅 张, 旸 杨, 栋 杨, 翔 王 申请人:中科院嘉兴中心微系统所分中心