专利名称：移动汇聚节点、具有移动汇聚节点的无线传感器网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及移动汇聚节点、具有移动汇聚节点的无线传感器网络，特别涉及使用定向天线的移动汇聚节点、和具有移动汇聚节点的无线传感器网络。
背景技术：
无线传感器网络具有广泛的应用，通过在事件发生地附近密集地部署以无线方式连接的传感器节点，可以收集感兴趣的信息。
在传感器网络中，设置有具有收集来自其他传感器节点的信息的功能的节点，将这样的节点称为汇聚节点(sink node)。在多个传感器节点相互连接形成的传感器网络中，由于通信集中在与汇聚节点相邻的节点，所以这些相邻的节点的电力消耗巨大，成为通信的瓶颈。
为了解决上述问题，提出了一种使汇聚节点移动来有效收集数据的方法。将具有这种功能的节点称为移动汇聚节点(mobile sink)。作为这种移动汇聚节点的例子，例如有配备了计算装置和通信装置的急救车。
通过使移动汇聚节点移动，可以具有如下优点。
通过移动到数据收集对象的节点附近，可以以数跳(hop)实现所有的传感器节点和移动汇聚节点间的通信。
并且，由于在传感器网络中移动，数据中继的成本由整个网络分摊，而不是集中在这个汇聚节点的附近，所以不会如固定汇聚节点那样产生通信集中的节点。
但是，对于现有的移动汇聚节点，存在的问题是，因为移动汇聚节点位置的变化，引起大量的数据包丢失和传输延迟。在数据汇聚节点以较高的速度移动的时候，这些问题特别严重。
图19表示现有的移动汇聚节点存在的问题的模式图。在图19中，随着移动汇聚节点的移动，移动汇聚节点可以接收数据的区域也随之移动。当移动汇聚节点位于A点时，向圆圈内的各个节点发出发送数据的请求。各个节点响应该请求发送数据，但由于移动汇聚节点移动到B点，所以会出现位于阴影内的节点无法直接发送数据给移动汇聚节点，从而产生数据包丢失、及阴影内的节点白白浪费了能量的情况。
发明目的 本发明的目的是提供一种使用定向天线的移动汇聚节点、具有移动汇聚节点的传感器网络，解决现有的移动汇聚节点中存在的当汇聚节点移动时产生的因移动汇聚节点收不到传感器节点的信息造成的数据包丢包、传送效率低下及传感器节点的能量使用效率低的问题。
本发明利用速度信息，汇聚节点利用定向天线沿着其运动方向广播需求数据包，预先安排按需路由。当这个移动数据汇聚节点沿着它原来的方向继续行进的时候，收集从附近传感器节点回来的数据。如果将预先安排的按需路由预先仔细地调整到适当的程度，返回的数据将在到达数据集中点的时候遇到这个移动汇聚节点，从而提高数据包投递率，降低能量消耗。
图1是本发明的移动汇聚节点具体的结构 图2是本发明的移动汇聚节点位置和波束模式图 图3表示本发明的作为移动汇聚节点速度v的函数的最佳波束宽度 图4表示本发明的功率感知IDDA的按需扩散区域 图5表示本发明的数据汇聚节点周期性地发送查询请求并接收数据的过程图 图6表示总跳数K＝4时的需求扩散和数据报告过程 图7说明图6的需求扩散和数据报告过程的时序图。
图8表示移动汇聚节点穿过方形传感器区域时的模拟过程 图9表示参数a对网络性能的影响。
图10表示优化参数a与最大PDA的关系。
图11和12表示具有不同节点密度的包传输率和目标检测率。
图13表示每个数据报告的能量消耗的比较 图14表示成功数据包投递率的比较 图15表示目标检测率的比较 图16表示本发明实施例2的行人手持PDA或移动电话，利用定向天线向前进的方向定向发送数据需求请求的示意图。
图17表示PDA或移动电话中的定向天线的安装方法。
图18表示内置了加速度传感器的PDA或移动电话。
图19时现有的移动汇聚节点产生通信失败的示意图
具体实施例方式 第1实施例 本发明的传感器网络，其中有N个节点随机地分布在一个传感区域内。移动汇聚节点用于收集它附近的信息。移动汇聚节点例如可以是装载了汇聚节点的移动的车辆，在区域内随机分布了大量传感器节点。车辆以预定的速度通过这个地方。车辆收集以自己为中心，例如1000米为半径的圆形区域内的信息。由于这些传感器的无线电通信距离远小于这一半径，因此必须以一种多跳方式将数据发射给移动汇聚节点。
关于这一传感器网络体系结构，作出如下假设 (A)所有传感器节点都是固定的。每个传感器节点都有一个唯一的标识符，并且通过例如GPS接收机或者其它定位技术知道它自己的位置。用全向天线来发射/接收数据包。接收信号强度是可测量的。假设所有节点都具有相同的通信半径R。
(B)移动数据汇聚节点知道自己的运动情况，也就是说它能够自己测量它的当前速度和运动方向。因为汇聚节点总是在车上，并且有其它装置，例如GPS。但是移动汇聚节点不必知道其它传感器节点的位置。
(C)移动数据汇聚节点使用定向天线来发射数据包，采用波束形成技术来动态地控制它的发射增益和最大辐射方向。它的接收天线是可以是全向的，也可以是定向的。并且与其它节点一样具有相同的参数。
移动汇聚节点具体的结构例如如图1所示，具有数模转换器1302；时钟发生器1303，发生时钟信号；存储器，例如包括RAM1305、ROM1306；中央处理器1304；无线发送机1307，发送无线信号给天线；相位调节器1308，对上述无线发送机发送的无线信号进行相位调节，天线1309。
移动汇聚节点除具有定向天线外，还具有控制单元，控制单元进行控制，使该定向天线沿移动方向向所述传感器节点发送信息需求请求。此外，还具有移动速度和方向检测单元，检测移动汇聚节点的移动速度和方向；判断单元，根据移动的方向和速度，判断移动汇聚节点在移动过程中能够接收到来自传感器节点的信息的区域，控制单元根据上述判断单元判断的结果，通过定向天线发送信息需求请求。
这些控制单元、判断单元等通过中央处理器运行存储在存储器的相应的程序来实现。
定向天线1309例如是多个并排设置的天线，通过将所述多个天线的相位错开进行供电，来实现具有方向性的天线。
此外，移动汇聚节点还可以具有加速度传感器1301，通过对加速度传感器1301的各个轴的检测值进行积分，得到移动汇聚节点在各个轴的速度，由此检测所述天线的方向性。该加速度传感器例如是MEMS3轴加速度传感器。
以下描述如何利用天线的方向性来有效地处理数据汇聚节点的移动性。
汇聚节点通过网络传送需求，以蛙跳方式建立一个梯度场。从而，想要获得的数据沿着相反的路径向下流向汇聚节点的一跳近邻，最终流向这个数据汇聚节点。但是，在发出需求广播以后，汇聚节点在不断地移动，因此当数据回来的时候，建立的梯度场可能已经过时。这会导致严重的数据包丢失，特别是在数据汇聚节点高速运动的时候。
本发明的基本思想是在移动汇聚节点到达之前建立好路径。本发明利用定向天线来发出需求信息。如果移动汇聚节点的运动是可预知的，就可以利用定向天线和自适应波束形成技术，让最大辐射方向朝向移动汇聚节点的下一个位置，沿着其路线广播需求。与使用全向天线进行广播相比较，能够明显地节省能量。因为在移动汇聚节点的位置改变了以后，全向天线覆盖的大多数节点不能与这个移动汇聚节点通信。
(1)移动汇聚节点的移动距离S 设v表示移动汇聚节点的速度。假设向最远K跳以内的传感器请求获得数据。将K跳数据收集的往返时间(RTT)表示为TRTT。这样，在数据回来之前，移动汇聚节点将已经行驶了以下距离 因此，移动汇聚节点的天线波束至少必须覆盖距离S。利用TRTT和v，移动汇聚节点能够动态地控制它的波束方向图，以确保数据回来的时候它仍然在它的一跳近邻通信范围之内。
(2)最佳波束宽度和最佳功率结构 以下说明发射天线的最佳波束宽度和最佳功率结构 假设移动汇聚节点的发射天线具有波长1、增益Gt和功率Pt。传感器节点使用全向天线来接收，这种全向天线的增益是Gr，并且接收机功率门限是Pr，min。对于自由空间衰减，天线波束覆盖的最大距离为 其中Pt和Gt是能够加以控制以实现最佳能量效率的参数。
在多数情况下，天线的归一化功率方向图Pn(θ)随着角度而改变，从而使得波束方向图的形状不规则。为了方便分析，我们将天线近似为具有均匀辐射增益的方向图，以获得如图2所示的扇形波束。假设在垂直方向上与全向天线一样具有相同的方向图，那么波束宽度θp由下式给出 其中Gt＞＝1。在θp内，天线增益取恒定值Gt。当Gt＝1，θp＝2p的时候，它表示全向天线。
图2是移动汇聚节点位置和波束方向图。
在图2中，当移动汇聚节点沿着x轴移动的时候，我们将天线波束覆盖的区域表示为Dbeam，它的半径由公式(2)给出。Dbeam的面积为 因此，覆盖的面积正比于发射功率，而与天线增益(波束宽度)无关。
由公式(1)可知，当数据回到扩散器的时候，移动汇聚节点已经行进了距离s。为了使数据包因为通信距离有限而导致的丢失最少，希望这些扩散器集中在移动汇聚节点的新位置附近。因此，我们考虑将以下目标函数作为优化波束宽度 其中E[d2toSINK]是从扩散器到移动汇聚节点的平均距离的平方。E[d2toSINK]的偏差反映了扩散器相对于移动汇聚节点位置的集中程度。
计算数学期望，我们有 合并公式(2)和(3)，得到 其中h是一个常数。将它代入公式(6)得到 计算E[d2toSINK]的导数，由以下方程给出最佳Rmax 最后，我们从公式(3)获得发射天线的最佳参数结构 (3)速度v与波束宽度θp的关系 下面我们来看以上公式对于给定功率Pt的限制。
当移动汇聚节点处于静止状态的时候，v＝0，由公式(1)可知s＝0。于是公式(8)退化为 很明显，当Rmax取最小值的时候，能量成本最低。由公式(7)可知，当Gt＝1的时候，Rmax达到最小值xxx。与此同时，θp＝2p，这表示它是一个全向天线。
当v增大的时候，θp单调下降，如图3所示。
图3给出作为移动汇聚节点速度v的函数，最佳波束宽度θp(opt)的数值计算结果。
当速度v趋于无穷大的时候，θp趋于0，这一点表明只将需求数据包广播给移动汇聚节点的运动方向上。
总之，我们发现了最佳波束宽度中的以下特性当v的绝对值增大的时候，θp变小，并且 (4)传感器节点扩散需求的条件 以下说明移动汇聚节点发送需求请求后，传感器节点是否向相邻的节点发送该需求请求，即是否扩散需求。根据自由空间衰减，较强的信号功率意味着接收器和发送器之间较短的距离。因此可以考虑利用接收信号强度来决定是否转发需求数据包。传感器节点检查收到的需求数据包的信号强度如果功率电平超过某个预设门限，就不扩散需求信息。但是，由于需求数据包的发射功率取决于移动汇聚节点的速度。因此，代替直接使用信号功率，我们使用等效接收功率，也就是信号功率与接收机门限之比，来控制需求扩散。
令 并且将Pr(eq)的门限设置为a。将按需路由策略表示为 a)不扩散，如果Pr(eq)＞1/a； b)扩散，如果Pr(eq)＜＝1/a。
将等效接收功率与这个门限进行比较，为节点提供一种简单规则来确定是否传播收到的需求数据包。事实上，以上策略将需求扩散器限制在Rmin＜＝R＜＝Rmax这个范围之内，如图4(a)所示，其中Rmin可以表示为 因此，通过这种能量感知扩散，等价于产生只覆盖距离发射天线较远的远区的波束方向图。参数a给出了能量消耗和数据采集质量之间的一个折衷。a越小，需求扩散器就越多，它们消耗越多的能量，提供越好的数据采集服务。如果不采用功率感知算法，那么它就等效于a＝0这种情况。
图4表示功率感知和本发明的按需扩散区域的关系。
注意，图4(a)是在简化天线模型的情况下获得的，其中将天线增益假设为波束宽度内的常数。实际上，在实际应用中，天线常常具有不均匀的天线增益和不规则的波束形状。在角度0它达到最大值，随着角度增大，它逐渐地减小到0。这样，这种扩散策略将会得到图4(b)所示的按需扩散区域。从这个图我们发现，数据移动汇聚节点附近的一些节点也位于阴影区域以内，并且成为需求扩散器。当移动汇聚节点移动的时候它们将超出通信范围，无法送出它们的数据。这一点会将数据包投递率中的增益补偿到某种程度；但是，与功率感知IDDA能够节省的能量相比较，它比较小。
当然，由于衰落和遮蔽效应，实际上需求区域不可能具有平滑的边界，甚至不可能是一个连续区域。但是，从统计意义上讲，需求扩散器区域将比没有门限机制更加集中。
(5)数据传输过程 在本发明中，数据传输由三个阶段组成初始需求广播，需求扩散和数据报告。在这些阶段中分别使用三种数据包RESERVATION、INTEREST和DATA。将移动汇聚节点一维运动的特殊情形作为一个例子来说明通信过程。
(5-1)传输需求请求 在图5中，移动汇聚节点在A1这个点广播一个RESERVATION数据包，预期在B1这个点收到返回数据。当这个移动汇聚节点移动到A2这个点的时候，它又一次广播。这一需求周期是按照需要的数据刷新速率来预先确定的。
初始需求广播(路由预约) 移动汇聚节点通过延时累加和低通滤波来估计数据收集过程中的往返延迟RTT。然后移动汇聚节点利用公式(10)来设定发射功率和天线增益，并且周期性地广播需求数据包。与其它节点转发的数据包不同，这一数据包类型是RESERVATION。这一数据包还包括往返延迟时间、跳数、总跳数和会聚节点需要的数据类型。对于来自移动汇聚节点的RESERVATION数据包，跳数是1。将需求转发了一跳以后，跳数加1。当跳数等于K的时候，扩散将停止，数据开始往回流向移动汇聚节点。因此，K决定了数据收集的范围。
图5表示本发明的通信处理过程，数据汇聚节点周期性地发送查询请求并且接收数据。
(5-2)需求扩散过程 传感器节点被收到的RESERVERVATION数据包唤醒，决定是否广播数据包。数据包类型变成INTEREST，跳数加1。达到K跳的时候，节点停止这一扩散处理，回到数据报告阶段。在需求扩散期间，每一节点都保持一个需求缓存和梯度清单。这两个结构为 (a)需求缓存。将不同的需求储存在需求缓存中。如果数据类型不同，或者序列号不同，那么两个需求就是不同的需求。在需求缓存中聚集重复的需求数据包，以避免网络中不必要的扩散。
(b)梯度清单。梯度清单中的每一项都对应于一个需求序列号。它包括源节点ID和跳数。每个传感器都储存从中收到需求的节点ID。还将收到的数据包中的条数记录下来。这种方法建立了一条路径，用于以后将数据流导向移动汇聚节点。要注意，当数据报告还没有结束的时候，这些节点可能从移动汇聚节点收到其它需求。因此需要为不同的需求保存不同的路径。
因为移动汇聚节点收集数据，然后离开现场，因此相同数据的查询到达相同节点的可能性较小。因此，在IDDA算法中不配备数据缓存。同样，因为数据汇聚节点的移动性，在IDDA中不使用路径增强。但是，在移动汇聚节点绕圆圈走的时候，例如执行巡逻或者侦察任务的时候，可以引入数据缓存来响应重复的数据查询，进一步节省能量。
收到INTEREST数据包的时候，节点首先将它与需求缓存里的信息进行比较。如果没有找到以前的记录，就将一条新的记录添加到需求缓存和梯度清单里去。如果存在同样的需求记录，就不转发收到的数据包。如果它具有比梯度清单里小的跳数的时候，就更新对应的源ID和跳数。如果收到多个需求，将选择具有最小跳数的数据包。存在相同跳数的情况下，优选具有最强信号的数据包。
(5-3)传感器节点传送数据的过程 需求传播继续下去，直到覆盖了全部K跳范围。如果K跳节点的数据与移动汇聚节点的需求相同，它就将DATA数据包发送给梯度场中记录的它的父节点。另一方面，在每一节点传播INTEREST数据包以后，它要等待一段时间以后才向它的前一节点报告它的数据。将往返延迟均匀地分配给K跳。具体地说，对于具有跳数k的节点，等待时间为 因此，给每个节点都分配一个时隙来报告它的父节点。节点越靠近移动汇聚节点，它等待的时间越长。在第4.4节里进一步解释公式(15)。在计数器时间期间，父节点将缓存从上游节点成功收到的DATA数据包。当公式(15)确定的计数器时间过去了以后，进行数据积聚处理，将缓存的数据与本地数据合并，产生代表性的DATA数据包发送出去。通过这种方式，通过多跳路径积聚和中继数据，直到到达需求扩散器，这个需求扩散器不断地发送积聚的DATA数据包，直到收到移动汇聚节点的应答或者达到特定的重复次数时停止这一操作。如果一段固定长度的时间过去以后仍然没有收到INTEREST或者RESERVERTION，传感器节点就进入睡眠模式。注意，与定向扩散不同，上述策略不需要网络中节点之间精确的时间同步，因为没有使用任何时间标记，所有计数器都是以本地时间进行计算的。
下面用一个简单的例子来说明需求扩散和数据报告过程，其中总跳数K为4。如图6所示，按需扩散导致例如传感器节点中的树状结构拓扑。注意，其中的根指的是需求扩散器，每棵树都对应于一个扩散器。
图7说明图6的需求扩散和数据报告过程的时序图。在时间间隔T1里，从节点1通过所有其它节点三次发出需求数据包。当k达到4的时候，节点7、8和9立即向它们的父节点报告数据。这一过程在时间间隔T2末尾结束。节点4、5、6并不立即报告数据，而是等待公式(15)给出的它们的计数器在时刻t＝T/2停止计数。一停止计数，就将来自上游节点的缓存的数据包合起来。例如，节点2将来自节点4和5的数据与它自己的本地数据合并起来，并且将合并以后得到的数据发送给节点1。这一发射在时刻T3完成。类似地，在时间段T4中，将数据发送给节点1，也就是需求扩散器。最后当节点1的计数器在时刻t＝T停止计数的时候，它开始发射合并的数据包给移动汇聚接点。从移动汇聚节点收到ACK的时候，或者达到某一个特定的重试极限的时候，发射就停止，这一轮通信结束。
图6总跳数K＝4的一种简单情况 图7说明图6所示网络拓扑中IDDA操作的时间分布 将往返延迟的值选择得足够大，从而使上游节点能够依次将数据报告给它们的父节点。但是，如果往返时间过大，数据收集质量肯定会打折扣，移动汇聚节点会消耗更多的发射功率来覆盖一个大区域。从图7中发现，在时间线上有几个空闲周期。如果我们能够记录这些空闲间隔的累积长度，并且将它从当前RTT中减去，就会得到一个较小的RTT，同时仍然能够成功地报告数据。另一方面，如果TRTT太小，就有可能所分配的时隙不足以允许每个节点成功地报告数据。在这种情况下，应该增大TRTT以保证下一轮数据投递。因此，我们可以在数据包中增加另一个字段来记录空闲的周期。对于每个非叶片节点，如果在计数器时间期间收到来自字节点的DATA，它就计算从子节点收到数据报告的时间与它的计数器开始计数的时间之间的时间差，然后将它加到积累的长度上。在存在几个子节点的情况下，使用最后收到的数据包的时间。但是，如果收到了遭到破坏的数据包，或者检测到投递失败，就减去一个双倍间隔，也就是加上一个-xxxx给积累的空闲周期以迫使下一轮的TRTT增大。最后，移动汇聚节点从当前TRTT中减去积累的空闲周期获得TRTT*。
(6)本发明的能耗效果评估 为了简单起见，假设采用一阶无线电模型来计算通信过程中的能量消耗。在仿真中，电台消耗Eelec＝50纳焦耳每比特来支持收发信机电路工作，同时消耗100皮焦耳每比特每平方米来让放大器实现可接受的信噪比。因此，发射和接收1比特数据包到距离d处所需要的能量成本为 数据包电平仿真是在以下设置的情况下进行的(见图8)移动数据移动汇聚节点穿过600米乘以600米的传感区域，在这个传感区域内，随机地部署传感器节点。中间的虚线表示移动数据移动汇聚节点的运行轨迹和方向。数据移动汇聚节点从(0，300)处的点开始，沿着+x方向行进。每个传感器节点都具有20米的通信半径R和10米的探测半径。部署了3600个传感器节点的时候，节点密度是n＝3600/(600mx600m)＝0.001/m2，这就意味着一个目标同时被3.14个传感器节点探测。这对于可靠的目标检测应用来说是合理的。这样，我们将在探测区域内部署3600个传感器节点。100个目标随机地散布在外面的两条虚线划定的矩形区域内，这个区域具有600米的长度，320米的宽度。移动汇聚节点请求在K＝10跳内将数据报告给它，或者这个距离等效为10R＝200m。
这里提出三种性能指标用来测量网络的工作效率总能量消耗、数据包投递率和目标检测率。如果对应的需求扩散器位于移动汇聚节点的通信范围以内，就成功地将数据包投递到移动汇聚节点。如果包括其信息的数据包被投递到数据移动汇聚节点，目标就被检测到。
下面将v固定为40米每秒，并且让a从0变化到1，我们通过仿真来分析参数a对网络性能的影响。图9表示参数a对网络性能的影响。在图9中，实线表示用a＝0处的最大能量成本归一化的功率感知IDDA的总能量消耗。虚线表示目标检测率，而点划线则表示所有投递尝试中投递成功的百分比。在每一点对30次仿真结果进行平均。我们发现，当a增大的时候，能量消耗和检测率都减小。还值得注意有一个最大的PDR对应于a的最佳值。在这个aopt周围，检测率也会达到它的峰值(高达90％)。由于波束方向图的边缘效应，当Rmin处于t-R和s之间的时候，PDR达到最大值，这个值是 对于我们的仿真，s＝80m，R＝20m，因此我们假设最佳a为0.36＜＝aopt＜＝0.64，这一结果与图10所示的仿真结果完全吻合。
图10所示优化参数a与最大PDA的关系。
(8)节点密度的影响 在实际传感器网络中，节点密度变化非常大。一般而言，节点越少，网络性能越差。这是因为减少节点会破坏网络的连接性。对于网络中的多跳数据路由，移动汇聚节点收集所需数据更加困难。因此数据包投递率会下降。检测同一目标的节点的数量也会下降，因而降低检测概率。因此在这种情况下目标检测率会下降。
性能比较 下面从每一数据报告的能量消耗、PDR和TDR的角度对IDDA、功率感知IDDA和经典定向扩散进行比较。移动汇聚节点的速度在10米每秒到50米每秒的范围内变化。
图13表示每个数据报告的能量消耗的比较 图14表示成功数据包投递率的比较 图15表示目标检测率的比较 在图13中可以看到本发明明显节省能量。具体而言，在50米每秒的速度的情况下，定向扩散的能量成本是IDDA能量成本的1.8倍。功率感知IDDA在IDDA的基础之上又有1.3倍的改进。定向扩散中每一数据报告的能量成本随着速度的增大迅速增大。这是因为随着速度增大，必须根据速度平方来增大全向天线的发射功率，以便确保数据报告。而对于定向天线，数据移动汇聚节点则可以将它的功率集中在它的运动方向上，以提高能量效率。要注意，当速度很低的时候，三种方案里网络消耗的能量几乎相同。
图14和图15也说明在数据包投递率和目标检测率方面，IDDA和功率感知IDDA的性能超过了定向扩散的性能。尽管定向扩散情况中的检测率则随着速度的增大而迅速下降，但是，本发明在速度变化的情况下维持一个稳定的检测质量。有意思的是，功率感知IDDA中数据包传递的成功率甚至随着速度的提高而提高。这是因为随着速度的提高，波束宽度变得更窄。因此不在移动汇聚节点接收范围之内的区域更少，更多的需求扩散器将它们收集的数据包传递给移动汇聚节点。比较图13和图14我们会发现，功率感知IDDA相对于IDDA的能量增益与PDR中的不一样多。例如，在50米每秒的时候，功率感知IDDA的PDR增加2.2倍，但是能量消耗仅增加到1.3倍。这一现象可以这样来解释功率感知IDDA通过在需求扩散的早期消除不必要的需求扩散器来节省更多的能量。但是，虽然在功率感知IDDA中减少了扩散器的数量，在需求扩散了许多跳以后，它覆盖了几乎与IDDA中一样大小的区域。这样就会在某种程度上降低能量增益。
实施例2 本发明的移动汇聚节点也可以是携带PDA或移动电话的行人。图16表示行人手持PDA或移动电话，利用定向天线向前进的方向定向发送数据需求请求。图中，1001表示PDA或移动电话，1002表示电波到达的范围，1003表示电波到达范围内的传感器节点，1004表示电波到达范围外的传感器节点。
图17表示PDA或移动电话中的定向天线的安装方法。在图17中，1101是PDA或移动电话。在PDA或移动电话的例如上部，设有天线收容部1102。该天线收容部1102中，例如收容了定向天线1103、和导波器1104。1106表示最强的辐射方向。
作为定向天线的种类，例如有八木天线、矩形开口天线、阵列天线等。
这里为了方便说明，假定PDA或移动电话具有的定向天线指向的方向与行人前进的方向相同。当定向天线指向的方向与行人前进的方向不相同时，可以通过设置加速度传感器，根据加速度传感器检测的结果来调节使其一致。
图18表示内置了加速度传感器的PDA或移动电话。在图18中，1101表示PDA或移动电话本体，1202表示加速度传感器收容部，其中内置有加速度传感器。
本实施例的PDA或移动电话作为移动汇聚节点工作的构成，与实施例1中的移动汇聚节点的结构相同。故在此省略说明。
权利要求
1.一种移动汇聚节点，在设置了多个传感器节点的传感器网络中移动，与传感器节点进行通信，其特征在于，所述移动汇聚节点具有
定向天线，向所述传感器节点发送信息需求请求；
控制单元，所述控制单元进行控制，使该定向天线沿移动方向向发送信息需求请求，使得发送请求信息只发送给下述传感器节点，这些传感器节点是，移动汇聚节点在移动过程中能够接收到由该传感器节点对所述发送信息请求进行响应而发送的信息。
2.根据权利要求1所述的移动汇聚节点，其特征在于，还具有
移动速度和方向检测单元，检测移动汇聚节点的移动速度和方向；
判断单元，根据移动的方向和速度，判断所述移动汇聚节点在移动过程中能够接收到来自传感器节点的信息的区域，
所述控制单元根据上述判断单元判断的结果，通过所述定向天线发送信息需求请求。
3.根据权利要求1或2所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点使用定向天线或全向天线来接收来自所述传感器节点的信息。
4.根据权利要求1或2所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述定向天线发送的波束的波形是近似扇形，且移动速度越大，波束宽度越窄。
5.根据权利要求1或2所述的移动汇聚节点，其特征在于，当移动汇聚节点的速度大到波束接近直线形状时，只接收来自位于波束顶端的传感器节点的信息。
6.根据权利要求1或2所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点还具有数模转换器；时钟发生器，发生时钟信号；存储器；中央处理器；无线发送机，发送无线信号给天线；相位调节器，对上述无线发送机发送的无线信号进行相位调节。
7.根据权利要求6所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点具有的定向天线是多个并排设置的天线，通过将所述多个天线的相位错开进行供电，由此实现具有方向性的天线。
8.根据权利要求7所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点还具有加速度传感器，通过对加速度传感器的各个轴的检测值进行积分，得到移动汇聚节点在各个轴的速度，由此检测所述天线的方向性。
9.根据权利要求8所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点是装载汇聚节点的车。
10.根据权利要求8所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点是携带PDA或移动电话的行人。
11.一种传感器网络，具有多个设置在网络中的传感器节点，和在网络中移动、与传感器节点进行通信的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点具有定向天线，该定向天线沿移动方向向所述传感器节点发送信息需求请求，使得发送请求信息只发送给下述传感器节点，这些传感器节点是，移动汇聚节点在移动过程中能够接收到由该传感器节点对所述发送信息请求进行响应而发送的信息。
12.根据权利要求11所述的传感器网络，其特征在于，根据移动的方向和速度，判断所述移动汇聚节点在移动过程中能够接收到来自传感器节点的信息的区域，所述定向天线根据上述判断的结果发送信息需求请求。
13.根据权利要求11或12所述的传感器网络，其特征在于，所述移动汇聚节点使用定向天线或全向天线来接收来自所述传感器节点的信息。
14.根据权利要求11或12所述的传感器网络，其特征在于，所述移动汇聚节点还具有数模转换器；时钟发生器，发生时钟信号；存储器；中央处理器；无线发送机，发送无线信号给天线；相位调节器，对上述无线发送机发送的无线信号进行相位调节。
15.根据权利要求14所述的传感器网络，其特征在于，所述移动汇聚节点具有的定向天线是多个并排设置的天线，通过将所述多个天线的相位错开来进行供电，由此实现具有方向性的天线。
16.根据权利要求15所述的传感器网络，其特征在于，所述移动汇聚节点还具有加速度传感器，通过对加速度传感器的各个轴的检测值进行积分，得到移动汇聚节点在各个轴的速度，由此检测所述天线的方向性。
17.根据权利要求16所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点是装载汇聚节点的车。
18.根据权利要求16所述的移动汇聚节点，其特征在于，所述移动汇聚节点是携带PDA或移动电话的行人。
19.根据权利要求11所述的传感器网络，其特征在于，
所述传感器节点根据从所述移动汇聚节点发出的信号强度，来决定是否向相邻的传感器节点扩散所述信息需求请求。
20.根据权利要求11所述的传感器网络，其特征在于，所述传感器节点向子节点扩散从所述移动汇聚节点发出的信息需求请求后，将从该子节点收到的符合所述需求的数据缓存一定的时间，再与本地数据合并，然后向父节点传送合并后的数据。
21.根据权利要求11所述的传感器网络，其特征在于，所述传感器节点计算从收到来自子节点的数据的时间与开始向父节点发送数据的时间即其计数器开始计时的时间之间的时间差，累计该时间差，并从K跳数据收集的往返时间TRTT中减去该累计时间差，以减少空闲周期。
22.根据权利要求11所述的传感器网络，其特征在于，所述传感器节点在经过一段预定的时间后，仍没有收到信息需求请求时，就进入睡眠状态。
全文摘要
提供一种使用定向天线的移动汇聚节点、具有移动汇聚节点的传感器网络，解决现有的移动汇聚节点中存在的数据包丢包、传送效率低下及传感器节点的能量使用效率低的问题。移动汇聚节点具有定向天线，向所述传感器节点发送信息需求请求；控制单元，所述控制单元进行控制，使该定向天线沿移动方向向发送信息需求请求，使得发送请求信息只发送给下述传感器节点，这些传感器节点是，移动汇聚节点在移动过程中能够接收到由该传感器节点对所述发送信息请求进行响应而发送的信息。
文档编号H04W36/32GK101202680SQ20061014321
公开日2008年6月18日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者牛志升, 吴艺群, 林 张, 吴毅弘, 铃木敬, 吉内英也 申请人:清华大学, 株式会社日立制作所