基于不等长苏醒时隙的低占空比传感网邻居发现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线传感网技术领域，尤其涉及传感网中的邻居发现，具体是一种基 于不等长苏醒时隙的低占空比传感网邻居发现方法。 二、
【背景技术】
[0002] 无线传感网越来越广泛地得到应用。但是能耗问题一直困扰着无线传感网络技术 的发展。因为，无线传感网中的节点是由电池供电的，且由于环境的复杂性，电池不易更换 或者充电麻烦，因此节点能量十分有限。由于无线传感网络大多是自组织的，在组网前，节 点缺乏周围邻居的信息，因此邻居发现是网络构建的第一步和路由的前提，尤其在移动网 络中，由于节点间的邻居关系动态变化，邻居发现更是常规工作。因此邻居发现一直是无线 传感器网络研究中的热点问题。但是以下两个因素增加了邻居发现的挑战。一是，由于低能 耗的要求，节点一直处于苏醒状态去搜寻周围邻居是不太可行的。因此一般用低占空比技 术来降低能量消耗，低占空比技术即节点大部分时间处于休眠状态，而只有少量时间处于 苏醒状态。低占空比操作虽然降低了能耗，但是增加了邻居发现的难度。二是，无论是在静 态网络还是在移动网络中，邻居发现要求发现延迟越小越好。因此，人们对邻居发现的研 究，其核心就是要提高能效，要求能耗和延迟都越小越好。
[0003] 低占空比模式一般将时间轴划分为多个连续等长时隙，其长度为的大小由具 体硬件决定，特别取决于无线模块从睡眠状态转换到苏醒状态的转换时间，在数值上等于 多个发送或者接收一帧数据的时间8。根据不同的算法，节点决定在某些时隙苏醒（叫做苏 醒时隙），而在其他时隙休眠（叫做休眠时隙）。由t个T时隙构成一个周期，t的大小是由一个 周期内节点的苏醒时间和给定的占空比共同决定的。一般，节点只在很少的时隙苏醒，所以 增大了邻居发现难度。因为只有当节点苏醒时，它才可以发送或接收信号，而只有在两个物 理邻居节点都同时苏醒时，且苏醒时隙具有部分重叠时，它们才能实现相互发现。由于各节 点间提供额外的同步时钟需要增加硬件成本和能量消耗，所以现有低占空比传感网络中的 流行邻居发现方法都是异步的。异步的邻居发现方法分成两类，分别是概率性邻居发现算 法和确定性邻居发现算法。概率性邻居发现算法只能以一定的概率(或比例)实现两个物理 邻居节点之间的相互发现，它的主要缺点是不能给出两个物理邻居节点间的发现延时的上 限。概率性邻居发现主要包括基于生日悼论的Birthday Protocols算法(Michael，J.，and Steven，A.:"Birthday protocols for low energy deployment and flexible neighbor discovery in ad hoc wireless networks"?ACM Inti.Symp.on Mobile ad hoc networking&computing(MobiHoc)，New York,NY,USA,October 2001)及其衍生算法，和基 于素数集合的概率性算法（Liangyin Chen，Yecheng Li，Yanru Chen，Kai Liu，Jingyu Zhang,Yanhong Cheng,Hongyue You and Qian Luo:"Prime-set-based neighbour discovery algorithm for low duty-cycle dynamic WSNs "'ELECTRONICS LETTERS, 2015,51(6):534-536)等。确定性邻居发现算法能够保证节点在给定时限内一定能够发现 它的所有邻居。它们的主要优点是能够给出两个物理邻居之间的发现延时的上限。因此本 发明主要关注确定性邻居发现方法。先前的算法是基于等时隙的，即所有时隙无论是苏醒 时隙还是休眠时隙都要求等大小（比如D i s c 〇算法：P r a b a 1 D u 11 a a n d D a v i d Culler.Practical asynchronous neighbor discoveryand rendezvous for mobile sensing applications ? In ACM SenSys，2008 ?)，这一类型的算法在Non-Integer算法 (S.Chen,A.Russell,R.Jin,Y.Qin,B-Wang and S?Vasudevan"Asynchronous Neighbor Discovery on Duty-cycled Mobile Devices:Integer and Non-Integer Schedules," SMobiHoc'15Proceedings of the 16th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, pp.47_56.2015)中统称为Integer 策略。2012 年发表的 Searchlight(M?Bakht and R?Kravets,"SearchLight:asynchronous neighbor discovery using systematic probing,''ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Re view, vo 1.14, no .4, pp.31-3 3,2011)中的 Striped Searchlight (Searchl ight算法分为Nos triped Search light和Striped Searchl ight 两种）米用 了苏醒 时隙向临近休眠时隙"溢出" 一小部分的策略从而获得了比当时最好的U-connect (A.Kandhalu,K.Lakshmanan and R.Rajkumar,"Neighbor discovery in mobile sensor networks/'Technical report，Carnegie Mellon University.2010)大约 50% 的能效提 升。受到Striped Search light的启发，Non-Integer算法提出将任何Integer策略转化为 Non-Integer 的方法。Non-Integer 算法由于可将 Nos triped Searchl ight 算法（Nos triped Sear chi ight算法仍属于Integer策略）转化为Non-Integer策略，从而比以往最好的 Striped Searchlight提升性能大约40? 5%。
[0004] 虽然现有方法大幅地提升了邻居发现能效，但是目前所有的方法中，苏醒时隙的 大小都是等长的，我们的研究发现利用等长苏醒时隙的策略阻碍了邻居发现效能的进一步 提升。之所以使用等长苏醒时隙策略是因为苏醒时隙的长度主要取决于从睡眠状态到苏醒 状态的转换时间。但是最近的研究表明，RF模块除了苏醒和休眠两个状态，还包含一个空闲 状态。这里的空闲状态与传统的空闲侦听状态不同。在这种空闲状态下，节点既不能发送信 息也不能接收信息，但节点需要非常少的能量(约正常的10%)维持CPU的晶体振荡器工作， 使节点可以快速切换到工作状态。从空闲状态转换到苏醒状态的时间远小于从休眠状态转 换到苏醒状态的时间，并且在空闲状态消耗的能量远小于苏醒状态。结合苏醒，休眠和空闲 状态使得在邻居发现中使用不等长的苏醒时隙可能带来更好的收益。除此之外，现有的所 有方法都在一次苏醒时隙的重叠中保证双向发现，但是，由于节点无线信号的不规则性，对 于部分邻居节点对，不存在双向链接，在这种情况下在一次苏醒时隙重叠中实现双向发现 是没有必要的。因此可以考虑在一次苏醒时隙的重叠中只保证单向发现，这样可以将长度 较小的苏醒时隙减小到只发送一帧数据的大小。在单向发现之后再实施双向发现，这样双 向发现也很容易获得，因为当一个节点收到一帧数据时，它可以在发送节点的下一个苏醒 时隙主动苏醒并发送一帧数据。这样的方法能够获得能效的提升。因此采用不等长的苏醒 时隙和单向邻居发现的方法能够最大幅提升能量效率。 三、
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于解决现有异步邻居发现方法发现延迟大，能量消耗高，即能效 不够高的问题。针对现有技术均采用等长苏醒时隙和保证在一次苏醒时隙的重叠中保证双 向发现方法所遇到的难以继续提升能效的技术瓶颈，首次采用全新的长度不等长苏醒时隙 和单向邻居发现方法，最大幅度地提高邻居发现能效。
[0006] 本发明的目的是这样达到的：
[0007] 采用长度不等长苏醒时隙和单向邻居发现方法，在每一个周期中构建两种苏醒时 隙，A时隙和C时隙，C时隙分为IP和BP两部分，只有BP处于苏醒状态，IP处于空闲状态，且BP 的苏醒持续时间只够发送一帧数据，其值为S，A时隙和C时隙的末端都具有时隙溢出，溢出 的长度为发送一帧数据的时间S;
[0008]具体做法是：
[0009] 预先将时间轴划分为多个等长连续时隙，其长度为I，由t个连续时隙构成一个周 期，用时隙的大小作为基本单位，每个周期内时隙从〇到t_l编号，用n个周期构成一个n行t 列的矩阵M，其大小用T表示，则T = nt。
[0010] 每个周期内有一个A时隙，位于这个周期内的第0个时隙位置，有一个或者多个C时 隙，其余时隙都为休眠时隙。
[0011] 在一个矩阵内总共设置有t/2个C时隙，将这t/2个C时隙平均分配到n行;C时隙如 果不能平均分配，即t/2不能被n整除时，则把余下的C时隙分配到最后一个周期，同时保证 把每行