基于数据命名为中心的无线传感器网络异步休眠调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线网络的应用技术领域，具体涉及一种新的以命名数据为中心的网 络架构及在该构架下实现的异步休眠调度方法，能够更好的改进现有无线传感网中休眠调 度算法的不足，该方法应用于无线传感网去解决其休眠调度问题。
【背景技术】
[0002] 近年来，传感器技术、无线通信技术与嵌入式计算技术的不断进步，推动了低功 耗、多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信 等多种功能。由这种微型传感器组成的无线传感器网络由部署在监测区域内的大量廉价微 型传感器节点组成。通过无线通信的方式形成一种多跳自组织的网络系统，能够通过协作 实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行 处理，从而获取详细而准确的信息，这种传感器网络综合了微电子、计算机和网络通信等多 个学科的知识，是当前国际上备受关注的、知识高度集成的一个新兴研究热点。
[0003] 由于无线传感器网络多应用于进行环境监控，自然灾害的预警等。节点通常部署 的目标监测区域环境恶劣，再加上节点电池电量有限、长期工作的硬件自身可能出现故障 等情况，如何减少节点空闲侦听、有效利用电池能源、降低能耗以及延长网络生存期等一系 列问题越来越受到人们的关注。较有效的也是最常用的解决办法之一是节点根据一定的调 度周期，在休眠状态和工作状态之间相互转换，通过合理关闭部分节点的通信模块，降低部 分节点的空闲侦听来节省能量。近几年，国内外的研究人员对休眠调度技术进行了不同的 探索，取得了一定的成果，但仍有欠缺，特别是在对于降低能耗方面需要新的技术或者网络 框架来进行有效的支持。
[0004] 命名数据网络这种新型网络架构的提出，对于无线传感器网络降低能耗方面提供 了新的技术和解决思路。近年来，以美国为代表的研究下一代互联网架构的项目组越来越 多的出现，其中以命名数据网络发展最为快速，而且其以数据为中心的特点受到了广泛的 共识。命名数据网络以interest请求包和data数据包为其基本的通信方式，使用转发信 息表（Forwarding Information Base，FIB)，等待请求表（Pending Interest Table，PIT) 和内容仓库（Content Store，CS)为其框架的三大组件，构成了一种新颖的网络架构。而且 其基于数据请求者（Consumer-Driver)的请求方式颠覆了传统无线传感器网络中的基于 数据产生者（Product-Driver)的发送方式。这种传输方式在异构传感器网络中具有相当 重要的作用。
[0005] 目前，根据无线传感器网络中传感器监测、采集以及数据传输方式的不同，可以分 为两种传感器网络。一种周期性监测和采集数据的传感器网络，主要针对于长期环境的监 测，例如：空气温湿度传感器网络。另一种为爆发式数据采集的传感器网络，主要针对于突 发性时间的监测，例如：震动传感器网络、火山监测传感器网络。针对不同的传感器网络，所 需的数据传输的速率不同，如何有效的自适应的解决传输速率变化的问题也是目前无线传 感器网络的研究方向之一。
[0006] 在无线传感器网络中，执行休眠调度策略是降低电池能耗的主要办法之一。目前， 休眠调度策略分为两种：第一种为同步休眠调度，即假设网络中的所有节点有相同的时钟， 使得其可以时钟同步，然后采用休眠调度策略。这种休眠调度策略，假设性质太强，不能达 到大规模或者野外部署的要求。第二种为异步休眠调度，即网络中的所有节点都会出现时 钟漂移的现象，使得时钟无法同步，解决方案为利用算法来保证某一时间点相邻节点间达 到时钟协调，以达到数据传输的目的。对于第二种策略虽然能够达到真实环境的部署但是 其不断的进行探测包的发送，会消耗大量的电池电量来进行无意义的伪同步的算法操作， 效果也不能达到最优。
【发明内容】
[0007] 针对上述现有的无线传感器网络方法存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，利 用一种新型的命名数据网络来改进无线传感器网络中出现的异步休眠调度问题。该网络结 构可以统一多种不同速率的传感器网络，并且能够提供对应的异步休眠调度策略，以达到 能够大规模、野外部署，和减少电池能量消耗的目的。
[0008] 为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
[0009] -种基于数据命名为中心的无线传感器网络异步休眠调度方法，其特征在于，所 述的网络中所有节点随机分布于一个三维空间中，汇聚节点位于中间位置且只有一个；该 网络在节点中构建数据仓库、转发信息仓库和等待数据返回路径表，节点之间传递的数据 包包括请求包和信息包，所述的调度方法包括以下步骤：
[0010] 步骤一，路由建立及请求数据阶段：
[0011] 步骤S10,汇聚节点发出请求包；
[0012] 步骤S11，节点1判断是否收到请求包，如果收到则执行步骤S12 ;
[0013] 步骤S12,在节点1的数据仓库中查询，查看请求包是否在其中已经存在，如果查 询成功则执行步骤S13,否则执行步骤S14 ;
[0014] 步骤S13,节点1直接回传给汇聚节点数据，执行步骤S30 ;
[0015] 步骤S14,节点1在等待数据返回路径表中查询，查看请求包是否在其中已经存 在，如果查询成功，则执行步骤S15,否则执行步骤S16 ;
[0016] 步骤S15,节点1将收到的请求包中存储的上一跳节点号存入等待数据返回路径 表中，路由建立结束；
[0017] 步骤S16,节点1在转发信息仓库中查询，查看请求包是否在其中已经存在，如果 查询成功，则执行步骤S17,否则执行步骤S18 ;
[0018] 步骤S17,节点1根据请求包在转发信息仓库中对应的节点号，对该请求包进行转 发，路由建立结束；
[0019] 步骤S18,将请求包添加到转发信息仓库中，执行步骤S19 ;
[0020] 步骤S19,节点1广播发送请求包，等待任意一个确认包的返回；
[0021 ] 步骤S110，若有任何一个节点返回确认包，则将返回的确认包中的节点号存入转 发信息仓库中，路由建立结束；否则执行步骤S111 ;
[0022] 步骤S111，若没有节点返回确认包，则进行重传；节点1等待Is后，执行步骤S18 ;
[0023] 步骤二，休眠调度阶段
[0024] 步骤S20,节点1唤醒状态持续3s，若接收到请求包则执行步骤S21，若接收到信息 包，则执行步骤S23,若未接收到任何包，进行随机的一段时间等待后进入休眠状态，并执行 步骤S25 ;
[0025] 步骤S21，步骤S21，节点1收到请求包后，若在节点1中完成请求包的处理，则处 理完成后，进行随机一段时间的等待，如在等待过程中没有收到任何包，则节点1进入休眠 状态，执行步骤S25 ;若节点1未完成请求包的处理，则执行步骤S22 ;
[0026] 步骤S22,节点1等待自己发出的请求包后的确认包返回，若接收到确认包，则将 确认包中的信息存储在转发信息仓库中；若没有收到确认包，则执行步骤S23 ;处理完成 后，进行一段时间的等待，若没收收到任何包，则进入休眠状态，执行步骤S25 ;
[0027] 步骤S23,如节点1没有收到确认包，则进行重传处理，重传每Is进行1次，共进 行3次；若在3次重传中任何一次有确认包的返回，则完成处理，进入休眠状态，执行步骤 S25 ；
[0028] 步骤S24,节点1收到其下一跳节点2发来的信息包，在等待数据返回路径表中查 询该信息包对应的请求包，若查询到，则将信息包进行回传并存储在节点1的数据仓库中， 若未查询到则丢弃信息包，整个过程完成；处理完成后，进行随机的一段时间等待，若未收 到任何包，则进入休眠状态，执行步骤S25 ;
[0029] 步骤S25,节点处于通信模块关闭状态，休眠3s ;休眠结束后，执行步骤S20,进入 下一个休眠周期；
[0030] 步骤三，信息包回传阶段
[0031] 节点进行信息包回传的具体步骤如下：
[0032] 步骤S30,节点1将接收到的请求包与数据仓库中的每一项进行匹配查询，如查询 到则执行步骤S31，否则执行S37 ;
[0033] 步骤S31，节点1将查询到与请求包对应的数据进行打包处理，生成信息包并回传 给节点1的下一跳节点2,且等待确认包的返回；执行步骤S32 ;
[0034] 步骤S32,若节点2收到信息包，则查询节点2的等待数据返回路径表中是否存在 此信息包对应的部分，如果存在，则执行步骤S33,否则执行步骤S37 ;
[0035] 步骤S33,节点2回传给节点1确认包，执行步骤S34,否则执行步骤S36 ;
[0036] 步骤S34,节点2将接收到的信息包存入其数据仓库中，执行步骤S35 ;
[0037] 步骤S35,节点2将接收到的信息包回传给此节点的下一跳节点，重复步骤S32至 S35,直至下一跳节点为汇聚节点位置，此时执行步骤S37 ;
[0038] 步骤S36,若下一跳节点在重传时间Is内未返回确认包，则信息包发送节点执行 步骤S21 ;
[0039] 步骤S37,信息包回传结束。
[0040] 进一步地，所述的请求包和信息包的结构均包括命名，命名包括请求的目的节点 ID、需要请求的数据类型、数据包的批次号；请求包中还包括数据包类型、上一跳节点ID、 随机数；信息包中还包括数据包类型、一批数据包的总个数、目前属于第几个数据包、数据。
[0041] 进一步地，所述的数据仓库中每一个表项都包括：命名、一批数据包的总个数、目 前属于第几个数据包、对应的一个数据、这个数据已经在数据仓库中被使用的次数。
[0042] 进一步地，所述的转发信息仓库中每一个表项都包括：命名、每一个条目的发送到 哪个节点、每一个条编号已经使用的空间、每一个条目已经存在的时间、每一个条相似匹配 后使用的次数。
[0043] 进一步地，所述的等待数据返回路径表中每一个表项都包括：命名、每一个条目的 分别来自哪些节点、每一个条目的已经使用的空间、每一个条目已经存在的时间。
[0044] 进一步地，所述的节点1在请求包发送时，在节点1和节点2之间执行确认和重传 机制。
[0045] 本发明的技术优势在于，利用一种新的命名数据网络来改进传感器网络中的异步 休眠调度问题，该网络结构能够提供能耗更少的异步休眠调度策略，以达到能够大规模、野 外部署，和减少电池能量消耗的目的。其中优势主要体现在：
[0046] 1.命名数据网络利用基于数据请求者（Consumer-Driver)的请求方式颠覆了传 统无线传感器网络中的基于数据产生者（Product-Driver)的发送方式，形成了内容请求 驱动式的通信模式；
[0047] 2.休眠调度唤醒后，不需要进行探测包的发送，大大减少了探测包对于信道利用 率的占用；
[0048] 3.如果出现了丢包重传的情况，由于每一个节点中有Content Store的存在，使 得再次返回的data包的跳步数大大减少、重传概率降低，增大了信道的吞吐率。
[0049] 4?不需要对时钟偏移进行校正；
[0050] 5.能够适应于有路由空洞、具有移动性的无线传感器网络。
【附图说明】
[0051] 图1是interest请求包的结构；
[0052] 图2是Data信息包的结构；
[0053] 图3是Content Store中每一个表项的结构；
[0054] 图 4 是 Forwarding Information Base 中每一个表项的结构；
[0055] 图5是Pending Interest Table中每一个表项的结构；
[0056] 图6是节点1发送interest至节点2的Content Store中，情况1 ;
[0057] 图7是节点1发送interest至节点2的Content Store中，情况2 ;
[0058] 图 8 是节点 2 将 interest 在 Content Store 至 Pending Interest Table 中传送， 情况1 ;
[0059] 图 9 是节点 2 将 interest 在 Content Store 至 Pending Interest Table 中传送， 情况2 ;
[0060] 图 10 是节点 2 将 interest 在 Pending Interest Table 至 Forwarding Information Base 中传送，情况 1 ;
[0061] 图 11 是节点 2 将 interest 在 Pending Interest Table 至 Forwarding