复节点的数目和身份信息；要实现信号叠加之后的能量预测 模型，查询节点需要知道每个邻居节点的路径损耗和时钟漂移系数；而且信号叠加之后的 能量不能超过查询节点接收能量的上限；整个过程包含下列步骤： 1) 邻居节点路径损耗估计； 2) 邻居节点时钟漂移系数估计； 3) 建立信号能量叠加模型； 4) 估计邻居节点中满足某一条件的节点数目或者节点身份信息； 上述步骤中1)-3)需要在离线阶段完成，且一次完成之后不需要再执行步骤第4)则是 查询节点在任何时候想要查询邻居状态信息时在线完成的； 第1)阶段：估计邻居节点的路径损耗 考虑一个由查询节点s和邻居节点集合N所组成的静态无线网络。用L(s，i)来表示 节点i (i e N)到s的路径损耗；其中的L(s，i)表示的是i到s的实际路径损耗，不仅包含 自由空间损耗还包括遮蔽和多径效应等； 在静态网络中，我们假定L(s，i)的变化很小，能当做一个常数来对待；用ρα，ι〇来表 示当单个节点i以发送能量h回复ACK信号时查询节点的接收能。，有P(i, h ;) = a^+bi， 这里&1和b i是待估系数；注意，a i是发送能量h i的放缩系数，b i与背景噪音n以及路径损 耗L(s, i)有关也=n-L(s, i)对于某个特定的节点，a ;，bdP η都是常数； 要在给定h的情况下预测P (i，h i)，查询节点首先需要对链路（i，s)上的&1和b i这两 个系数进行估计。这需要至少两个像（ρα,ιο,ιο这样的元组样本；为了降低估计误差，在 实验中使用用更多的这样的元组样本，然后用最小均方差来估计&1和b 1;知道a jp b i后就 能计算路径损耗L，以及给定某邻居节点的发送能量预测其接收能量； 第2)阶段：估计邻居节点时钟漂移系数 1) 信号传播时延：是指信号在空中从查询节点到接收节点，再从接收节点到查询节点 这两趟的飞行时间； 2) 软件时延：包括a).接收节点的通信芯片监测到信号到达之后将其SFD引脚置低电 平到MCU监测到SFD引脚上的低电平所产生的时延；b)MCU需要判断接收包的谓语条件以 及向通信芯片发出回复ACK命令；这些上层逻辑的所对应的底层指令的执行所产生的时延 以及c)通信芯片监测到的MCU所发出的回复ACK命令的时延； 3) 硬件时延：通信芯片在回复ACK之前需要调整其内部的压控振荡器以及从接包状态 转移到发包状态所需要的时延； 查询节点的数据发送时延与所有节点的数据接收时延都是相同的，由此估计每一个接 收节点相对查询节点的时钟漂移系数；在获得每一个节点的时钟漂移系数后，查询节点给 每个邻居节点分配一定数目的空指令，所有邻居节点的信号最后都同时到达查询节点。邻 居节点需要执行的空指令数目由查询节点在离线阶段计算并发给每个节点； 第3)阶段、建立信号能量叠加模型 考虑多个无线信号在查询节点处叠加的情况。假设表示η个无线信号叠 加之后的混合信号，τι，ηι分别表示第i个信号的幅值、相位和信号噪声，我们有:经过相干解调，查询节点以周期1微秒对基带信号进行 采样；sjt)的幅值4表示成其中2Τε为采样周期lus。那 么sr(t)的能量值Pr表示成：通过估计邻居节点的时钟漂移系数，τ i可以取平均值0. 25us ;如果知道每个邻居节点 接收能量值通过公式（1)就能估计所有邻居节点叠加信号的接收能量值； 第4)阶段、估计邻居节点中满足某一条件的节点数目或者节点身份信息 本阶段分为两个功能模块处理，即节点数目估计和节点身份识别；两个功能模块处理 时是针对不同的应用场景而提出的功能互补的两种协议，两个协议都需要在离线阶段给所 有邻居节点分配一个发送能量；然而这两个协议采用了截然不同的发送能量分配方案；具 体来说，节点数目估计协议给每个节点分配的发送能量非常分散，从而使得任意一个邻居 节点子集所发送的信号叠加之后产生的接收能量都不一样；相反，节点身份识别协议给所 有邻居节点分配的发送能量比较相似，从而使得任意单个节点发送的信号在查询节点处的 接收能量都相同；这样，计数协议就能通过判断混合信号的接收能量与单个信号的接收能 量之间的关系来估算发送节点的数目；节点数目估计协议即计数协议采用了概率估计方法 以确保其可以应用在任意大小的无线传感器网络中；而节点身份识别协议仅适合邻居节点 数目比较少的稀疏网络中。3. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是查询节点在进行查询前，需要在离 线阶段与每个邻居节点通信，根据发送数据包和接收数据包的能量值来确定每个邻居节点 到查询节点的信号传播路径损耗；求出路径损耗后，查询节点即可对任意邻居节点在给定 发送能量大小时，估算邻居节点接收发送信号的能量。4. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是查询节点在进行查询前，需要在离 线阶段与每个邻居节点通信，根据发送数据和接收数据的不同时刻来估算每个邻居节点 相对查询节点的时钟偏移量；算出时钟偏移量后，之后邻居节点在每次回复ACK或NAK之 前都执行一定数目的空指令，使得所有信号都同时到达查询节点处，产生Constructive Interference。5. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是查询节点给每个邻居节点分配相似 的发送能量，来估计满足某一条件的邻居节点数；或者给每个邻居节点分配非常分散的发 送能量，来估计满足某一条件的邻居节点的身份信息。6. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是设置节点时钟补偿方法以降低无线 信号之间的相位差即时序错位值，将多个无线信号的相位差降到了 0. 28微秒之内。7. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是节点计数协议发送能量分配方案： 计数要求所有单个节点发送ACK信号的接收能量都大致相同，因而在分配发送能量时，查 询节点寻找一个特定的接收能量ξ使得所有的邻居节点都能相应地调整自己的发送能 量，这样信号到达节点之后的接收能量恰好都是ξ ;查询节点根据每个节点的路径损耗， 计算其发送能量的大小；查询节点选择能使所有节点能量调整距离最小的ξ。8. 根据权利要求2所述的状态查询方法，其特征是节点计数协议工作流程：计数协议 的目的是估计邻居节点中满足一个谓语条件Q的节点的数目；与以往采用轮询或TDMA的 实现方式相比，本协议允许满足Q的多个邻居节点同时回复ACK信号，并根据混合ACK信号 接收能量的大小来判断回复节点的数目；本协议在实际应用中查询节点所能接收的能量值 有一个上限，这是普通传感器节点的硬件限制所造成的；在密集网络中，邻居节点中满足条 件Q的节点数目可能很多，如果它们同时回复ACK的话，将很有可能超过查询节点的接收能 量上限；为了应对，通过概率估计方法；另外，本协议在工作之前还根据邻居节点的路径损 耗，给所有的邻居节点分配一个发送能量；这使得所有邻居节点的ACK信号到达查询节点 后的接收能量都相似。9. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是节点身份识别协议发送能量分配方 案：在身份识别中，节点的发送能量非常分散；任意一个邻居节点子集所回复的信号叠加 之后都会在查询节点处产生截然不同的能量；用一个原则给每个节点分配一个发送能量： 路径损耗越大的节点分配的发送能量越低。10. 根据权利要求1所述的状态查询方法，其特征是节点身份识别协议工作流程：（1) 给每个邻居节点分配一个发送能量；（2)广播Q并测量回复信号的能量；(3)在获得接收能 量之后，查询节点将映射到一个特定的节点集合上；映射过程：找到一个节点子集I，使得I 中的节点所发送的能量与接收到的能量差距最小；其中第（1)步在离线阶段完成，第（2)、 (3)二步和第三步在常数时间复杂度内完成。
【专利摘要】高能效的传感器网络中邻居状态查询方法，步骤如下：1)根据传感器网络监控区域，布置一定数目的传感器节点；2)查询节点在离线阶段和每个邻居节点通信；3)查询节点在离线阶段广播一个时钟校准消息，收到时钟校准消息时，邻居节点记录收到消息的时间，并将该时间依次回传给查询节点；4)查询节点根据每个邻居节点的相对时钟偏移量发送一定数目的空指令给邻居节点；5)查询节点根据每个邻居节点的路径损耗，给每个邻居节点分配一个发送能量，邻居节点收到分配的发送能量消息后，在查询阶段每次回复消息时都以指定发送能量发送；6)查询节点通过给每个邻居节点分配一个发送能量使每个邻居节点的回复信号到达查询节点时能量大小都相同。
【IPC分类】H04W84/18, H04W24/02
【公开号】CN105282771
【申请号】CN201510460335
【发明人】陈贵海, 武鼎名, 董超, 吴小兵, 戴海鹏
【申请人】南京大学
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年7月30日