一种适用于占空比无线传感器网络的自适应成组唤醒的机会路由策略的制作方法

本发明涉及无线传感器网络中的机会路由以及占空比控制机制，尤其涉及一种减小时延的传感器节点成组唤醒的控制机制。

背景技术：

无线传感器网络被广泛应用于各个领域，例如：农业监测、森林火灾监测、海洋环境监测等等，除此之外，它还逐渐走入了我们的生活，例如智能家居。无线传感器网络是由若干无线传感器节点组成的网络，这些传感器节点可以采集周围环境的相关数据，在简单处理后将数据通过其他传感器节点作为中继发送到控制端。控制端负责接收所有传感器节点发来的数据，并通过对这些数据的分析，掌控网络中的变化，并及时对网络中的特殊情况做出处理。

由于采用无线传输，无线传感器网络中的数据传输过程是不可靠的。研究表明，单跳传输的可靠性往往低于0.9，而在多跳的情况下，随着跳数的增加，可靠性的值减小地非常明显。在机会路由中，传感器节点通过将一个数据包发送给多个接收者，达到了提高接收率的效果。这是因为，只有在所有接收者都接收失败的时候，这一跳传输才是失败的，否则，就是成功的。

除了接收率以外，能量消耗也是无线传感器网络中的一个重要议题。由于传感器节点由电池供电，且一般布置在人迹罕至的地方，频繁地更换电池是不可能的，所以，尽可能地减小传感器节点的能量消耗是非常必要的。占空比控制作为节省能量消耗的有效方式，被广泛地应用在多个无线传感器网络中。在占空比控制机制下，传感器节点只会在某一段时间里保持唤醒，在其他时间里都处于睡眠状态。我们把传感器节点处于唤醒状态的时间除以传感器处于唤醒和睡眠状态的时间的和称为传感器节点的占空比，它表示一个传感器节点在一个时钟周期中保持唤醒的比例。研究表明，当传感器节点处于睡眠状态时，消耗的能量是唤醒状态的1％甚至1‰，传感器节点的占空比越小，处于唤醒状态的时间越短，消耗的能量越小。

为了同时达到增加接收率和减小能量消耗的目的，可以将机会路由与占空比控制机制结合起来。事实表明，上述做法的确达到了目的，却是以增加传感器节点的时延为代价的。传感器节点的时延主要来自于占空比控制，在该机制下，当发送者醒来的时候，接收者可能处于睡眠状态。此时，数据传输过程被迫中断，只有在接收者唤醒之后，才能继续数据传输过程，从而造成了时延。在加上机会路由之后，接收者由一个变为多个，且每一个接收者的唤醒时间都是随机的，等到他们全部唤醒，需要更多的时间，也就进一步增大了时延。

因此，适当调整传感器节点的唤醒时间，使得发送者能够尽快地等到所有的接收者醒来，尽可能地减小时延，是十分有必要的。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种适用于占空比无线传感器网络的自适应成组唤醒的机会路由策略，该策略减小了机会路由中占空比控制机制下传感器节点的时延，同时还减小了节点的能量消耗。

为了达到上述的目的，本发明采用以下的技术方案：

一种适用于占空比无线传感器网络的自适应成组唤醒的机会路由策略，对接收者进行分组，组内节点占空比同步，组间占空比均匀分布。

在第一轮数据传输的过程中，每当接收者醒来的时候，就会发送一个消息来告知发送者自己已经醒来。发送者按照消息到达的顺序给相应的接收者进行编号，分别为0,1,…,n-2,n-1。我们假设发送者每次将数据发送给n个接收者，那么n个节点可以被分为组，编号为i的节点所在的组号为

假如即，最后一组中接收者只有m(0<m<n)个，将会依次取第0，1，…，n-m-1个节点加入最后一组。这也就是说，可能有一部分节点需要在一个时钟周期中唤醒两次。为了使所有的节点唤醒两次的概率相同，在每次数据传输的最后，节点按照下述方法自动调整自己的编号：首先假设节点当前的编号为i，在数据传输完成之后，节点进入睡眠之前，它会将自己的编号加上某一个规定的常数j(0<j<n-1)，一般推荐取j＝m，当然其他符合要求的值也可以。将得到的值对n取模，最终得到的就是下一轮数据传输过程中该节点的编号。

设每轮数据传输分为τ个时隙，一共有个分组，这些分组唤醒的间隔是相同的，即，每隔个时隙，就会有一组节点醒来，分组x唤醒的时隙可以表示为于是，所有的传感器节点都可以先按照自身的编号找到自己所在的分组，属于同一个分组的节点将按照组号在相应的时隙中唤醒。

发送者需要发送数据包的时候，首先是监听当前是否有节点处于唤醒状态。如果有，那么一定是n个，发送者通过广播将数据一次性发送给这些接收者；否者，发送者需要等待一段时间，直到有节点醒来。由于一旦有节点醒来，一定是n个，所以发送者可以直接广播数据给这些接收者。发送者等待的时间最少为0，至多为个时隙，减小了发送者等待的时间，从而减小了时延。

由于节点唤醒的时间是可以计算和预测的，因而在后面的传输轮次中，不需要像第一轮次中那样发送消息来进行节点之间的通信，减小了传输的数据量，从而减小了一部分的能量消耗。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提出了一种适用于占空比无线传感器网络的自适应成组唤醒的机会路由策略，该策略通过对接受者进行分组，并调整它们的占空比，使得同一组中的接受者的唤醒时间同步，不同组中的接收者的唤醒时间均匀分布。于是，无论发送者在何时醒来，最多等待个时隙，就能够等到n个处于唤醒状态的接收者，从而减小了时延。发送的数据由n个接收者负责接收，只要它们中的任何一个成功接收到数据，这一跳数据传输就是成功的。此外，由于减小了节点之间的通信，从而减少了节点传输的数据量，达到了减小能量消耗的目的。

附图说明

图1为传感器节点按分组均匀唤醒的示意图。

图2为传感器节点随机唤醒和按分组均匀唤醒的情况下的单跳时延的示意图。

图3为传感器节点随机唤醒和按分组均匀唤醒的情况下的端到端时延的示意图。

图4为传感器节点随机唤醒和按分组均匀唤醒的情况下的由于传输数据包消耗能量的示意图。

图5为传感器节点随机唤醒和按分组均匀唤醒的情况下的消耗的总能量的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1给出了接收者分组和自适应调整占空比的具体过程。首先是在第一轮数据传输的过程中，所有的接收者都是随机唤醒的，见图1(a)。我们按照这些接收者唤醒的顺序对它们进行编号，从0到n-1。假设发送者每次将数据广播给n个接收者，我们将接收者的编号除以n，并对得到的值向下进行取整，就能够得到该接收者所在的组号。特别的，假如即，最后一组中接收者只有m(0<m<n)个，我们依次取第0，1,…,n-m-1个节点加入最后一组。这也就是说，可能有一部分节点需要在一个时钟周期中唤醒两次。为了使所有的节点唤醒两次的概率相同，在每次数据传输的最后，节点按照下述方法自动调整自己的编号：首先假设节点当前的编号为i，在数据传输完成之后，节点进入睡眠之前，它会将自己的编号加上某一个规定的常数j(0<j<n-1)，一般推荐取j＝m，当然其他符合要求的值也可以。将得到的值对n取模，最终得到的就是下一轮数据传输过程中该节点的编号。

从第二轮数据传输开始，接收者将会按照自身编号在规定的时隙唤醒。具体来说，假设整个数据传输过程被分为τ个时隙，n个接收者被分为个分组，这些分组中的节点需要在该轮数据传输过程中均匀地唤醒，即每隔个时隙，就会有一组节点醒来，分组x唤醒的时隙可以表示为于是，所有的传感器节点都可以先按照自身的编号找到自己所在的分组，属于同一个分组节点将按照组号在相应的时隙中唤醒，如图1(b)所示。

发送者需要发送数据包的时候，首先是监听当前是否有节点处于唤醒状态。如果有，那么一定是n个，发送者通过广播将数据一次性发送给这些接收者；否者，发送者需要等待一段时间，直到有节点醒来。由于一旦有节点醒来，一定是n个，所以发送者可以直接广播数据给这些接收者。发送者等待的时间最少为0，至多为个时隙，减小了发送者等待的时间，从而减小了时延。图2中给出了接收者随机唤醒和按照本策略在数据传输过程中按照分组均匀唤醒的情况下单跳的时延，从中可以看出，通过使用本策略中的方法，使得发送者单跳时延从16.96个时隙下降到了13.71个时隙，下降率为19.16％。

将单跳的时延累加起来，就能够得到对应的端到端的时延，它反映的是该发送者发送的数据被控制端接收所需的时间。由于距离控制端最远，数据传输经历的跳数最大，所以，这一部分的发送者的端到端时延最大。图3中给出了接收者随机唤醒和按照本策略在数据传输过程中按照分组均匀唤醒的情况下端到端的时延，从中可以看出，通过使用本策略中的方法，使得发送者中最大的端到端时延从266.26个时隙下降到了217.42个时隙，下降率为18.34％。

由于节点唤醒的时间是可以计算和预测的，因而在后面的传输轮次中，不需要像第一轮次中那样发送消息来进行节点之间的通信，减小了传输的数据量，从而减小了一部分的能量消耗。图4给出了距离控制端不同距离的节点在第一轮数据传输和在之后轮次的数据传输过程中由于传输数据而消耗的能量。

节点除了由于传输数据而消耗能量以外，还会因为监听而消耗能量。我们将上述的两部分能量消耗加起来，就能够得到节点在一轮数据传输过程中消耗的总能量，如图5所示。从中可以看出，距离控制端一跳距离的节点消耗的能量最多，且一旦这些节点能量耗尽进入死亡状态，数据将不能被转发到控制端。所以，我们重点关注那些与控制端一跳距离的节点。从这点来看，通过本策略，将节点的能量消耗从0.00735焦耳减小为0.00698焦耳，下降率为5.03％。

综合上述对传感器节点的时延和能量消耗的分析，可以得出的结论是：通过将接收者唤醒的方式从随机改为按照分组均匀地唤醒，发送者等待n个接收者唤醒的时间减小，达到了减小时延的目的。同时，因为接收者唤醒的时间可以直接计算，省掉了一些用于节点间通信的数据传输，从而达到了减小能量消耗的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。