专利名称：用于无线传感器网络的电池感知动态带宽分配方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线通信网络，并且具体涉及无线传感器网络。
背景技术：
在许多具有星形拓扑的无线传感器网络中，除了协调器之外所有 的无线传感器节点都是电池供电。这样的网络的生存时间是由无线传 感器节点的生存时间决定的。有两种可能的情形(1)当网络中最后 的无线传感器节点"死亡"时所述网络"死亡"，和(2)当网络中的第一 个无线传感器节点死亡时所述网络"死亡"。使在第一个情形中描述的网 络的平均容量最大化是无意义的工作。采用"赢者通吃"方法，协调器将 所有可用时隙分配给具有最佳信道容量的无线传感器节点。
然而，在第二个情形中考虑的网络中做同样工作是复杂的联合优 化问题。 一方面，具有良好信道容量的无线传感器节点应当被分配尽 可能多的时隙。然而，这样做将不均衡地耗尽那些节点的电池。因此， 期望在网络中的所有无线传感器节点同时"死亡"。如果不能达到该目 标，则在网络中的能量资源就没有充分利用(即，存在仍然可以发送 的节点)。
发明内容
公开了一种用于在无线传感器网络(WSN)中的无线传感器节点
当中分配带宽的方法和装置。所述方法可以包括基于至少一个信道 质量度量为多个无线传感器节点分配传输时隙，确定所述多个无线传 感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有所述多个无线传 感器节点的平均电池水平，确定在所述多个无线传感器节点中的每个 无线传感器节点的电池水平和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平之间的差，其中如果任何这样的差高于预定阈值，则增加相对 于所述多个无线传感器节点中的其他无线传感器节点具有更高的电池 水平的无线传感器节点的传输时隙分配。
为了描述可以获得本发明的上述以及其他优点和特征的方式，将 通过参考在附图中图示的本发明的特定实施例的方式提供上面简要描 述的本发明的更特定的描述。理解到，这些附图仅图示了本发明的典 型实施例，并且因此不应当认为是限制本发明的范围，将通过使用附 图用另外的特定性和细节来描述和解释本发明
图1图示了根据本发明的可能实施例的无线传感器网络的示例性
视图2图示了根据本发明的可能实施例的示例性电池敏感动态带宽 协调器/无线传感器节点的框图3是根据本发明一个可能实施例的一个可能电池敏感动态带宽 协调处理的示例性流程图；以及
图4是图示根据本发明的可能实施例的时隙分配的示例性视图。
具体实施例方式
在下面的描述中将阐述本发明的另外的特征和优点，并且部分将 从描述中显而易见或者通过本发明的实施获知。本发明的特征和优点 可以通过在权利要求中特别指出的仪器和组合来实现或获得。本发明 的这些和其他特征将从下面的描述和权利要求中变得更加完全地显而 易见，或者可以通过如这里阐述的本发明的实施来获知。
下面将详细讨论本发明的各种实施例。当讨论特定的实现时，应 当理解这仅是出于说明的目的进行的。相关领域技术人员将认识到， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其他的组件和配置。
本发明包括各种实施例，诸如方法和装置和与本发明的基本概念
7相关的其他实施例。
本发明涉及如何使平均网络容量最大化及使网络的生存时间最大化(即，所有无线传感器节点在几乎相同的时间"死亡")。特别地，本发明涉及使用信道质量度量和节点的实际电池水平来使平均网络容量最大化。
图1图示了根据本发明的可能实施例的无线传感器网络(WSN)
100的示例性视图。特别地，WSN 100可以包括电池感知动态带宽协调器110，和无线传感器节点120、 130。电池感知动态带宽协调器110也可以是在WSN IOO中的节点。然而，电池感知动态带宽协调器110用于在WSN 100中分配多种无线传感器节点120、 130的传输时间。尽管图1仅示出了两个无线传感器节点120、 130，但是该示例是为了便于讨论，因为本领域技术人员可以理解在WSN 100中可以存在不止两个无线传感器节点(或多个无线传感器节点)。
电池感知动态带宽协调器110和无线传感器节点120、 130可以表示或作为在WSN 100中的电子电池操作设备的一部分。例如，电池感知动态带宽协调器110和无线传感器节点120， 130可以表示移动通信设备。在通信设备中的移动装置可以是例如便携MP3播放器，卫星无线电接收机，AM/FM无线电接收机，卫星电视，iPod，便携式膝上型电脑，便携式计算机，无线无线电接收装置，无线电话，便携式数字录像机，蜂窝电话，移动电话，或者个人数字助理(PDA)。
WSN 100可以允许无线传感器节点120, 130与其他无线传感器节点120、 130以及电池感知动态带宽协调器U0通信。
图2图示了根据本发明的可能实施例的示例性电池感知动态带宽协调器110/示例性无线传感器节点120、 130的框图。由于电池感知动态带宽协调器110也是在WSN100中的无线传感器节点，所以图2所示的示例性结构既可应用于示例性电池感知动态带宽协调器110也可
应用于示例性无线传感器节点120、 130。为了便于讨论，我们将参考 图2所示的示例性结构作为电池感知动态带宽协调器110。
电池感知动态带宽协调器0可以包括总线210、控制器220、存 储器230、天线240、收发器250、通信接口 260、传感器270和电源 280。总线210可以允许在电池感知动态带宽协调器IIO的组件之间进 行通信。
控制器220可以包括解释和执行指令的至少一个常规处理器或微 处理器。存储器230可以是存储用于由控制器220执行的信息和指令 的随机存取存储器(RAM)或另一类型的动态存储设备。存储器230 也可以包括只读存储器(ROM),它可以包括存储用于控制器220的 静态信息和指令的常规ROM设备或另一类型的静态存储设备。
收发器250可以包括一个或更多发送机和接收机。收发器250可 以包括足够的功能性以与任何网络或通信站对接，并且可以通过硬件 或软件以本领域技术人员知晓的任何方式来定义。控制器220与收发 器250协调操作以支持在WSN 100中的操作。收发器250以本领域技 术人员已知的那些方式经由天线240发送和接收传输。
通信接口 260可以包括便于经由WSN 100通信的任何机制。例如， 通信接口 260可以包括调制解调器。替代地，通信接口 260可以包括 用于辅助收发器250经由无线连接与其他设备和/或系统通信的其他机 制。
传感器270可以包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器 用于例如检测、读取、感测温度、压力、湿度、运动、振动、声音等。 可以将从传感器270生成的信息存储在存储器230中和/或通过收发器 250发送给另一无线传感器节点120、 130、另一个网络设备或电池感知动态带宽协调器U0(如果传感器270驻留在无线传感器节点而不是 电池感知动态带宽协调器IIO上)。
在电池感知动态带宽协调器110的情况下，电源280可以表示DC (例如，电池)或者AC电源，因为电池感知动态带宽协调器IIO可以 被DC或者AC供电。然而，相对于无线传感器节点120、 130，电源 280可以表示DC电源，诸如电池。
响应于控制器220执行包含在例如存储器230的计算机可读介质 中的指令序列，电池感知动态带宽协调器no可以执行这样的功能。 这样的指令可以从诸如存储设备的另一个计算机可读介质或者经由通 信接口 260从分离设备读入存储器230中。
图1-2所示的WSN IOO和电池感知动态带宽协调器110以及相关
的讨论意在提供对可以实现本发明的适当计算环境的简短、通用的描
述。尽管不需要，但是本发明将至少部分地在由电池感知动态带宽协
调器110执行的诸如程序模块的计算机可执行指令的一般背景中来描
述。通常，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例
程程序、对象、组件、数据结构等。此外，本领域技术人员将理解， 本发明的其他实施例可以在具有以电池为动力的许多类型的通信设备
和计算机系统配置的通信网络环境中实施，包括蜂窝设备、移动通信
设备、便携式计算机、手持设备、便携式多处理器系统、基于微处理
器或可编程的消费电子品等等。
为了说明的目的，下面将针对图l和2所示的框图来描述电池感 知动态带宽协调处理。
图3是图示根据本发明的可能实施例的与电池感知动态带宽协调 处理相关联的一些基本步骤的示例性流程图。该处理开始于步骤3100 并继续到步骤3200，其中电池感知动态带宽协调器IIO基于至少一个信道质量度量为多个无线传感器节点120、 130分配传输时隙。许多现 代的低功率无线电装置，例如，提供对通信信道质量的测量。信道质 量测量的两个示例是相对信号强度指示符(RSSI)和链路质量指示符 (LQI)。若干研究已经显示LQI与分组错误率(PER)高度相关。因 此，为了避免获取信道质量值的另外开销，可以将LQI用作信道质量 度量。
在步骤3300，电池感知动态带宽协调器IIO确定多个无线传感器 节点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有多个无线传感器节点 的平均电池水平。实际电池水平(或者容量)可以被定义为在给定负 载和温度状况下电池释放的电量。本发明与电池类型和/或型号无关。 所有多个无线传感器节点的平均电池水平是所有无线传感器节点的电 池水平的总额除以在WSN 100中节点的总数目。
在步骤3400，电池感知动态带宽协调器110确定在WSN 100中无 线传感器节点120、 130的电池水平和所有多个无线传感器节点的平均 电池水平之间的任何差是否超过阈值。所述阈值可以基于由根据环境 状况的处理确定的查找表等来预定。
例如，假定无线传感器节点N,和N2的电池水平BL分别是BL, 和BL2。如果L8L-^8i:jSe，则无线传感器节点将处于"平衡"状态并
且电池感知动态带宽协调器110将与节点的信道质量成比例地动态分 配时隙。
如果电池感知动态带宽协调器110确定在无线传感器节点120、 130的电池水平和所有多个无线传感器节点的平均电池水平之间的任 何电池水平差超过所述阈值，则在步骤3500，电池感知动态带宽协调 器IIO增加具有更高电池水平的无线传感器节点120、 130的传输时隙 分配。然后，例如，该处理立即或者在一段延时时段后返回到步骤3300。因此，使用上面的两节点示例，如果l^^-^RL卜e，则电池感知 动态带宽协调器110将分配更多传输时隙给具有更高电池水平的无线 传感器节点120、 130。将采用该优先的对待直到两个无线传感器节点 120、 130的电池水平相互之间的差再次在e之内。
换句话说，该时隙调整将在接近对于两个节点的类似平均信道质 量的时间段完成。结果，两个节点将平均具有几乎具有分配到每一个 的相同数目的时隙，并且因此它们将大约同时耗尽电池。
数学上，分配给每个节点的时隙数目NSi可以被表示为下面的等 式(1.0):
敬
如果"丄,^二
如果5Z^S丄乂
u.o)
me人
其中，NTS是在超帧中时隙的总数，并且a是基于^i^-^j"l值 调整的参数。如果&L-^Zj^，则《=0。
在我们的电池敏感动态带宽分配中存在N个节点的一般情况下， 将每个节点的电池水平与N个节点的平均电池水平相比较(即 ^Z呻-丄fs丄，)。向电池水平差大于阈值e的节点Nk，分配固定数
目的时隙^。然后，根据等式l.l将剩余时隙分配给节点，如下:
感=
<formula>formula see original document page 12</formula>
如果在步骤3400，电池感知动态带宽协调器UO确定电池水平差 没有超过所述阈值，则电池感知动态带宽协调器IIO前进到步骤3600，其中电池感知动态带宽协调器110确定在WSN 100中对于所有无线传 感器节点的电池水平是否是零。
如果电池感知动态带宽协调器110确定并非所有无线传感器节点 的电池水平为零(或"实际上"不为零)，则该处理返回到步骤3200， 其中电池感知动态带宽协调器110基于信道质量度量为多个无线传感 器节点分配传输时隙。
如果在步骤3600电池感知动态带宽协调器110确定在WSN 100 中的所有传感器节点120、 130的电池水平为零(或"实际上"为零)， 则该处理前进到步骤3700，并且结束。注意到，当节点的电池无法支 持它的正常操作时，该节点"死亡"。因此，如上面指出的，尽管所述电 池水平可能不是精确为零，但是当它的电池不再能支持所述节点的正 常操作时它可能实际上为零。
图4图示了根据针对图3的上述示例性处理的时隙分配处理。从 时间To到时间Td-1，电池感知动态带宽协调器110为两个无线传感器 节点120、 130与它们的LQI值成比例地分配时隙(在上面等式中参数 a为零)。由于节点N,具有更好的信道质量，所以电池感知动态带宽 协调器IIO向N,分配更多的传输时隙。结果，它的电池水平比节点N2 的电池水平下降的更快。
在时间Td，电池感知动态带宽协调器UO估计两个无线传感器节 点120、 130的电池水平。由于&L-3丄,|>。所以对于下一个超帧，
无线传感器节点N2将被保证固定数目的时隙(图4中2*)，除了电池
感知动态带宽协调器110分配给N2的与它的信道质量动态的成比例的
时隙之外。
在另一个Td时段之后，电池感知动态带宽协调器IIO再次估计无 线传感器节点120、 130的电池水平，并且由于相互的电池水平差在e之内，所以电池感知动态带宽协调器IIO再次向无线传感器节点120、 130与它们的LQI值成正比地分配时隙。
该处理可以动态调整用于调整电池水平的时段。这意味着电池估 计模式的开销分摊在动态可变数目(通常较大)的超帧上。
在本发明的范围内的实施例也可以包括计算机可读介质，用于承 载或具有存储在上面的计算机可执行指令或数据结构。这样的计算机 可读介质可以是可以由通用或专用计算机接入的任何可用的介质。通 过示例并且没有限制的方式，这样的计算机可读介质可以包括RAM, ROM, EEPROM， CD-ROM或其他光盘存储，磁盘存储或其他磁存储 设备，或可以用于以计算机可执行指令或数据结构的形式承载或存储 需要的程序代码方法的任何其他介质。当通过网络或另一个通信连接 (硬连线、无线，或其组合)将信息传送或提供给计算机时，所述计算 机完全把这一连接看作是计算机可读介质。因此，任何这样的连接完 全被称作计算机可读介质。以上组合也应当包括在所述计算机可读介 质的范围内。
计算机可执行指令包括例如使得通用计算机、专用计算机、或者 专用处理设备执行某个功能或某组功能的指令和数据。计算机可执行 指令还包括在单机或网络环境下由计算机执行的程序模块。通常，程 序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对 象、组件和数据结构等。计算机可执行指令、相关联数据结构和程序 模块表示用于执行这里公开的方法步骤的程序代码方法的示例。这样 的可执行指令或相关联数据结构的特定序列表示用于执行在这样的步 骤中描述的功能的相应动作的示例。
尽管上面的描述可以包括具体细节，但是它们不应当被解释为以 任何方式限制本发明。本发明所描述的实施例的其他配置是本发明范 围内的部分。例如，本发明的原理可以应用于每个独立的用户，其中每个用户可以单独部署这样的系统。这使得每个用户能够利用本发明 的益处，即使许多可能的应用中的任何一个不需要这里描述的功能性。 换句话说，在图1和2中可能存在电池感知动态带宽协调器110的多 个实例，每个都以各种可能的方式处理内容。并不一定需要是由所有 终端用户使用的一个系统。因此，仅仅应当是权利要求和它们的合法 等同物来限定本发明，而不是给出的任何具体示例。
权利要求
1.一种用于在无线传感器网络(WSN)中的无线传感器节点当中分配带宽的方法，包括基于至少一个信道质量度量为多个无线传感器节点分配传输时隙；确定所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平；确定在所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平之间的差，其中如果任何这样的差高于预定阈值，则相对于所述多个无线传感器节点中的其他无线传感器节点增加具有更高电池水平的无线传感器节点的传输时隙分配。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中，如果电池水平的任何差不 高于预定阈值，则基于至少一个信道质量度量为多个无线传感器节点分配传输时隙。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述至少一个信道质量度 量是链路质量指示符和相对信号强度指示符中的至少一个。
4. 根据权利要求l所述的方法，其中，在所述多个无线传感器节 点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有所述多个无线传感器节 点的平均电池水平之间的所述差在预定时间确定。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个无线传感器节点 中的一个用作电池感知动态带宽协调器，并且向所述无线传感器网络 中的其他无线传感器节点分配传输时隙。
6. 根据权利要求l所述的方法，其中，所述多个无线传感器节点 中的每个发送传感器信息，所述传感器信息是温度、压力、湿度、运 动、振动、和声音中的至少一个。
7. 根据权利要求l所述的方法，其中，每个多个无线传感器节点 是移动通信设备的一部分，所述移动通信设备是便携式MP3播放器、 卫星无线电接收机、AM/FM无线电接收机、卫星电视、iPod、便携式 膝上型电脑、便携式计算机、无线电台、无线电话、便携式数字录像 机、蜂窝电话、移动电话和个人数字助理(PDA)中的一个。
8. —种用于在无线传感器网络(WSN)中的无线传感器节点当中 分配带宽的装置，包括一个或多个传感器，用于感测环境状况；收发器，用于使用传输时隙来发送与所感测的环境状况相关的传 感器信息；以及 '控制器，用于基于至少一个信道质量度量为多个无线传感器节点 分配传输时隙，确定所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节 点的电池水平和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平，以及 确定在所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平 和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平之间的差，其中如果 任何这样的差高于预定阈值，则所述控制器增加相对于所述多个无线 传感器节点中的其他无线传感器节点具有更高电池水平的无线传感器 节点的传输时隙分配。
9. 根据权利要求8所述的装置，其中，如果电池水平的任何差不 高于预定阈值，则所述控制器基于至少一个信道质量度量为多个无线 传感器节点分配传输时隙。
10. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述至少一个信道质量 度量是链路质量指示符和相对信号强度指示符中的至少一个。
11. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器在预定时间确定在所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平 和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平之间的所述差。
12. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置用作电池感知 动态带宽协调器，该电池感知动态带宽协调器向所述无线传感器网络 中的其他无线传感器节点分配传输时隙。
13. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述发送的传感器信息 与温度、压力、湿度、运动、振动、和声音中的至少一个有关。
14. 根据权利要求8所述的装置，其中，所述装置是移动通信设 备的一部分，所述移动通信设备是便携式MP3播放器、卫星无线电接 收机、AM/FM无线电接收机、卫星电视、iPod、便携式膝上型电脑、 便携式计算机、无线电台、无线电话、便携式数字录像机、蜂窝电话、 移动电话和个人数字助理(PDA)中的一个。
15. —种移动通信设备，包括 一个或多个传感器，用于感测环境状况；收发器，用于使用传输时隙来发送与所感测的环境状况相关的传 感器信息；以及控制器，用于基于至少一个信道质量度量为多个无线传感器节点 分配传输时隙，确定所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节 点的电池水平和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平，以及 确定所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平和 所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平之间的差，其中如果任 何这样的差高于预定阈值，则所述控制器增加相对于所述多个无线传 感器节点中的其他无线传感器节点具有更高电池水平的无线传感器节 点的传输时隙分配。
16. 根据权利要求15所述的移动通信设备，其中，如果电池水平 的任何差不高于预定阈值，则所述控制器基于至少一个信道质量度量 为多个无线传感器节点分配传输时隙。
17. 根据权利要求15所述的移动通信设备，其中，所述至少一个 信道质量度量是链路质量指示符和相对信号强度指示符中的至少一 个。
18. 根据权利要求15所述的移动通信设备，其中，所述控制器在 预定时间确定所述多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电 池水平和所有所述多个无线传感器节点的平均电池水平之间的所述 差。
19. 根据权利要求15所述的移动通信设备，其中，所述发送的传 感器信息与温度、压力、湿度、运动、振动和声音中的至少一个有关。
20. 根据权利要求15所述的移动通信设备，其中，所述移动通信 设备是便携式MP3播放器、卫星无线电接收机、AM/FM无线电接收 机、卫星电视、iPod、便携式膝上型电脑、便携式计算机、无线电台、 无线电话、便携式数字录像机、蜂窝电话、移动电话和个人数字助理(PDA)中的一个。
全文摘要
一种用于在无线传感器网络(WSN)中的无线传感器节点当中分配带宽的方法和装置，可以包括基于至少一个信道质量度量为多个无线传感器节点分配传输时隙(3200)，确定多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有多个无线传感器节点的平均电池水平(3300)，确定在多个无线传感器节点中的每个无线传感器节点的电池水平和所有多个无线传感器节点的平均电池水平之间的差，其中如果任何这样的差高于预定阈值(3400)，则增加相对于多个无线传感器节点中的其他无线传感器节点具备更高电池水平的无线传感器节点的传输时隙分配(3500)。
文档编号H04W84/18GK101653035SQ200880006778
公开日2010年2月17日 申请日期2008年2月19日 优先权日2007年3月2日
发明者西尔维乌·基里切斯库, 阿利·赛义迪 申请人:摩托罗拉公司