用于线状监测网络的节能mac与路由跨层方法

专利名称：：用于线状监测网络的节能mac与路由跨层方法
技术领域：
：本发明涉及用于线状监测网络的节能MAC(MediaAccessControl)和路由跨层方法，利用本方法，不仅保证传输的健壮性和可靠性，而且实现节点的低能耗，长寿命。尤其适用于物理线状监测网络及电池不易更换场合。
背景技术：
：目前低速无线组网领域各层都有大量的方法，包括MAC实现如典型的802.15.4，SMAC，TMAC等，路由实现如A0DV，DD，LEACH等。然而针对线状监测网络场合，简单采用两层结合并不能达到能耗和可靠性最优的特点，尤其对节点能量有限，不易更换电池的场合，可能造成节点早死而导致整个网络瘫痪的后果。此外，现在工业上运用比较成熟的无线组网的Zigbee协议，其主要适应于星型结构，其协调节点通过超帧结构来同步周围的节点实现通信，在线状场合，无法用一个中心来同步所有节点，从而直接用成熟的Zigbee协议也不能达到理想的效果，综上所述，我们认为在现今应用得越来越多的，线状场合如管道监测，道路监测，燃气组网抄表，该提出一种具有针对性的，适应性好的方法。
发明内容本发明的目的在于，提供一种低耗能，高可靠性的用于线状监测网络的节能MAC与路由跨层方法，专门针对现实生活中的线状网络场合，实现监测。本方法能够实现，周期性地对网络监测所有节点进行数据采集并传至汇聚节点，若网络中发生节点损坏的现象，则通过跨跳的方法实现网络的健壮传输。为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案—种用于线状监测网络的节能MAC和路由跨层方法。其特征在于，对所有节点预先按照物理位置，配置逻辑ID;通信由端节点发起，MAC协议基于睡眠唤醒机制实现，且唤醒方法为群唤，被唤醒的节点具有根据收到数据中的ID和方向信息自动判断是否睡眠或者继续侦听，节点在选择下跳节点时，路由层根据MAC层数据中上一跳节点信息自动选择下一跳；邻居节点在被呼节点无回复情况时，可跨跳应答；当前节点融合以前所有节点数据并向下一级传输，从而减少发送无用信息，提高能耗效率。上述技术方案采用以下具体步骤来实现(1)首先我们根据节点的位置对其进行逻辑ID编号，ID编号规则为按物理位置的左右顺序逐跳加一，从而节点可判断其两个方向上最近的邻居节点。我们将线状网的数据汇集的两个方向分为正向汇集和反向汇集，在进行数据汇集时，每跳节点发送的数据并不包含路由信息，汇集由最远端(最左或最右端)节点发起汇集。所有节点平时都采用睡眠唤醒的方式，节点间采用通过异步唤醒方式通信。(2)汇聚由线状网中端节点发起，汇聚发起端节点先发送足够长的唤醒序列，长度需大于节点的睡眠侦听周期，待唤醒序列发送完毕，发送一帧握手帧，然后处于侦听状态等待目的节点的应答。(3)被唤醒的节点根据发起节点的ID判断，若为其目的节点，即发起节点的一跳邻居节点，则保持侦听直至收到发起节点的握手帧，从而建立与发起节点的连接，进行数据传输。其他所有被唤醒节点则一直保持侦听状态。(4)若被唤醒节点虽然不是本跳目的节点，但却是下一跳目的节点，且在收到发送节点的唤醒信号后，并未侦听到本跳目的节点的回复，则主动应答，与发送节点建立连接，完成跨层传输。(5)前跳的目的节点在完成上一跳数据的接力传输后，成为下一跳的发起节点，作为当前跳节点，该节点融合前面所有的数据，生成新的数据包。启动传输时，当前跳节点先发一帧试探帧，若有应答，则直接建立连接，进行下一跳数据传输，否则，按照发起节点相同方法发送唤醒序列，进行下一级汇聚传输。(6)被唤醒节点根据接收到的MAC数据，唤醒序列中的ID信息和方向信息判断自身情况，判断自己是否目的节点，当为目的节点时，等待发送节点的唤醒序列发送完毕，回发应答帧，与呼叫节点建立连接并通信。如果不是目的节点，但出于数据汇聚方向上，仍然保持侦听。(7)若被唤醒节点虽然不是本跳目的节点，但却是下一跳目的节点，且在收到发送节点的唤醒信号后，并未侦听到本跳目的节点的回复，则主动应答，与发送节点建立连接，完成跨层传输。(8)回到第(5)步，并重复步骤(5)-(8)，直至线状数据链路汇聚完成。数据传输至另一端汇聚节点。根据以上技术方案实现步骤，我们在具体无线节点上进行了软件实现，采用的硬件节点为TI的MSP430F123低功耗单片机和TI射频CC1100芯片，经过我们的软件方案，节点具有ID和节点功能可配置特点，根据网络实施特点，节点分为发起节点，中继几点，汇聚节点，我们通过软件予以配置。从而实现发起节点定时产生数据，经过中继节点的接力和融合，最后将数据传入汇聚节点。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点本方法专门针对现实生活中的线状网络场合，实现监测，周期性地对网络监测所有节点进行数据采集传至汇聚节点，若网络中发生节点损坏现象，则通过跨跳方法实现网络的健壮传输。本方法可用于管道检测、道路监测、燃气无线网络采集系统等场合，具有节约监测节点能量，延长节点生命期，提高工作效率等优点。附图1线状监测网络工作流程图附图2网络监控应用示意图附图3基于无线唤醒MAC协议示意图附图4基于群体唤醒的方案示意图附图5基于逻辑ID的逐跳传输路由方案示意图具体实施例方式本发明的优选实施例子结合附图详述如下实施例一本用于于线状监测网络的节能MAC和路由，首先需对所有节点预先按照物理位置，配置逻辑ID;通信由端节点发起，MAC协议基于睡眠唤醒机制实现，且唤醒方法为群唤，被唤醒的节点具有根据收到数据中的ID和方向信息自动判断是否睡眠或者继续侦听，节点在选择下跳节点时，路由层根据MAC层数据中上一跳节点信息自动选择下一跳；邻居节点在被呼节点无回复情况时，可跨跳应答；当前节点融合以前所有节点数据并向下一级传输，从而减少发送无用信息。实施例二本实施例与实施例二相同，特别之处是具体操作步骤如下1)首先，按照网络中节点的物理位置配置其逻辑ID，并在通信中使用逻辑ID进行标识，根据线状网中的位置，其逻辑ID依次递增。处在网络最末端的节点也即ID号最小节点在逻辑功能上同时担当发起节点的作用，定时的发起数据采集信号，处在网络中间的节点在发挥数据采集功能时同时充当路由节点功能，所有采集的数据经过线状网络中逐条汇聚，达到另一个末端(ID号最大)汇聚节点处，即此末端节点同时充当数据采集和汇集所有节点数据功能，也经由它将数据传输至后台PC。网络初始化时，配置节点ID的配置命令帧如下<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由于，为了使网络按物理位置自动路由从而使传输可靠，网络中的ID号采用逻辑ID，其为根据物理中的实际位置而分配的ID号，如图4。另一方面，在我们的网络中物理传感节点充当的角色不同，可以分为唤醒发起节点，中继节点，汇集节点，因此我们需要首先对网络的中的节点进行如上所述的配置，配置帧格式如上图。其中指令码不同标识来标识不同的的逻辑功能(唤醒发起节点，中继节点，汇集节点)。地址区为物理节点的实际ID号，而数据区则为需要将该节点配置成为的逻辑ID号。2)布放节点于线状监测网络中，周期性地进行监控。当定时到，由网中末端节点发起数据采集命令，其通过连续重复发送唤醒帧序列唤醒接收节点，唤醒帧序列长度须大于接收节点的一个睡眠侦听周期，唤醒序列发送完毕，再发送数据帧，然后进入等待应答状态。其中用到的唤醒帧、命令帧以及数据传输帧定义如下。唤醒帧格式如下<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>由于发起唤醒端采用连续发送唤醒帧的方法来唤醒目的节点，如图2所示，其实现通信基本原理即发送端发送唤醒序列时间lw皿足够长(大于接收端的睡眠侦听周期TCTaE)，同时接收端每次醒来后的侦听时间TKX必须大于发送唤醒序列的间隔TINTEKV『从而保证接收端的能够至少收到一个发送端的唤醒序列.在节点处于睡眠侦听状态下，其睡眠侦听周期TwfflE和每次醒来侦听的时间TKX决定了单位时间能耗。为了保证能被唤醒，TKX的长度必须大于发送唤醒序列的间隔TINTEKm，因此在设计时应当尽量减少TINTEKm长度，如上图，在我们的唤醒帧，考虑了精简帧结构，一方面采用无线芯片定长的模式，省掉一个字节的长度标识，另一方面从而去掉了两字节的CRC校验，从而有效减少T皿^i，这些精简也并不影响实际唤醒效果。网络数据传输帧格式如下前导码特征字数据区长度指令码地址区数据区讚離甜CRC校验4bytes2byteslbytelbyte4bytes变长lbyte2bytes1010......1010D3H+91H+CRC16其中数据区为节点ID1节点数据节点ID2节点数据节点ID3节点数据2bytes5bytes2bytes5bytes2bytes5bytes我们主要的应用为线状监测场合，这些场合往往数据具有相同的属性，在网络数据传输的过程中，我们考虑在逐跳传输中进行数据融合，如上图，其大大减少了空中的数据量，明显减少能耗。另一方面，在网络数据传输帧的设计中，地址区为当前两字节逻辑ID和下一跳逻辑ID，并没有网络传输的路由信息，下跳节点收到后，根据逐级传输方向和自己的逻辑ID来确定下一跳ID，不仅减少了传输数据量，而且提高了大大可靠性。另一方面，当一帧数据量过大，传输时，易发生错误概率增大，因此，根据芯片特点，我们网络数据传输时，每包最大不超过50bytes，若到达某节点时，数据量过大，则采用分包传输。3)在通信范围内节点被唤醒序列唤醒后，都保持侦听，直至节点唤醒序列发送完毕，根据序列中的信息判断，若为目的节点，则回发应答建立连接，完成第一跳数据汇聚。如图3所示，被唤醒且收到数据后，最近的邻居2号节点，回发一应答信号，与发起节点建立连接，进行通信，从而完成第一跳数据传送。其他被唤醒的节点，如图3中的3号节点被一号节点即发起节点唤醒后，也将保持侦听。其应答类帧格式如下<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>应答类命令帧设计相对较简单，只要实现可靠将应答信号传给目的节点即可，其设计如上图。4)当前跳节点融合前面所有数据，进行下一跳传输，如网络数据帧格式所示，当数据量过大时，采用分割为多包的机制；传输时，当前节点先发一帧试探帧，若有应答，则建立连接，进行下一级传输，否则，按照发起节点相同方法发送唤醒序列，进行下一级汇聚传输。如图3所示，在2号节点向3号节点传输数据时，2号节点将首先发送一试探帧即图中RTS帧来测试目的节点是否已被唤醒，若已被唤醒，则建立连接，传送数据。但若2号尚未被唤醒则其将连续发送唤醒帧以唤醒目的3号节点，其步骤同一号节点向二号节点传输。分割多包机制即，即发送节点在收到目的节点的应答后，连续发送多包数据，在采取分包传输时，每包数据将打上标志当前为第几包数据。此时，若某包数据被干扰导致收端节点没收到，收端将采取异常应答。详细操作为，发送方将多包数据依次编号并发出，目的节点根据收包的序号，判断是否收到所有的数据包，若由于干扰导致中间缺包，则该节点将发送一帧异常应答并在数据区中表明未收到的包号，发送节点收到此应答后，重新发送该包，从而实现有效容错。5)在通信范围内节点被唤醒序列唤醒后，通过唤醒序列中的ID信息和方向信息判断自身情况，判断是否是传输方向上的节点，是则保持侦听等待，否则睡眠。如图3中的3号节点在侦听到1号节点向2号发送时保持侦听，因为它判断自己为传输方向上的节点。若当第n号节点在向n+l号节点发送唤醒及数据时，若n-l被唤醒将判断自己并非传输方向上的节点，从而立即进入睡眠。6)判断自己为目的节点的接收节点收到后，若是收到唤醒帧则侦听至唤醒序列结束，并接收数据帧，回复应答帧，若为RTS帧，则立即回发应答帧，从而建立连接，进行数据传输。7)非目的节点的侦听节点，若已收到邻居两跳的唤醒信号，但未收到应答，则主动应答给邻居两跳，建立连接，完成数据接力传输。在逐级传输中，数据的传输需要依靠中间每跳中继节点，若数据传输到某中继节点时，下一跳中继损坏，而收不到唤醒信号，不采取措施将无法完成数据汇集。因此在这种情况下，我们采取主要采取跨跳的通信方式解决。在图5中，若n-2号节点发起一次唤醒下一跳n-l号节点后，若下一跳n-l号节点无回复，则判定该下跳n-l号节点损坏，此时，若跨跳邻居节点n号侦听到n-l号的唤醒信号，但并未收到n-l号节点的回复，其认定n-l号节点损坏，并将主动回复n-2号节点，建立连接，以确保数据逐级续传。8)重复步骤4)7)，完成整个线状网络的数据汇聚传输。权利要求一种用于线状监测网络的节能MAC和路由跨层方法，其特征在于对所有节点预先按照物理位置，配置逻辑ID；通信由端节点发起，MAC协议基于睡眠唤醒机制实现，且唤醒方法为群唤，被唤醒的节点具有根据收到数据中的ID和方向信息自动判断是否睡眠或者继续侦听，节点在选择下跳节点时，路由层根据MAC层数据中上一跳节点信息自动选择下一跳；邻居节点在被呼节点无回复情况时，可跨跳应答；当前节点融合以前所有节点数据并向下一级传输，从而减少发送无用信息，提高能耗效率。2.根据权利要求1所述的线状监测网络的节能MAC和路由跨层方法，其特征在于实现的具体步骤为1)首先，按照网络中节点的物理位置配置其逻辑ID，并在通信中使用逻辑ID进行标识，根据线状网中的位置，其逻辑ID依次递增；2)汇聚由线状网中端节点发起，发起节点连续重复发送唤醒序列，唤醒序列长度大于接收节点的一个睡眠侦听周期，唤醒序列发送完毕，则发送一握手帧；3)在通信范围内节点被唤醒序列唤醒后，都保持侦听，直至节点唤醒序列发送完毕，根据序列中的信息判断，若为目的节点，则回发应答建立连接，完成第一跳数据汇聚；4)当前跳节点融合前面所有数据，进行下一跳传输，当数据量过大时，采用分割为多包的机制；传输时，当前节点先发一帧试探帧，若有应答，则建立连接，进行下一级传输，否则，按照发起节点相同方法发送唤醒序列，进行下一级汇聚传输；5)在通信范围内节点被唤醒序列唤醒后，通过唤醒序列中的ID信息和方向信息判断自身情况，判断是否是传输方向上的节点，是则保持侦听等待，否则睡眠；6)判断自己为目的节点的接收节点收到后，侦听至唤醒序列结束，回复应答帧，从而建立连接，进行数据传输；7)非目的节点的侦听节点，若已收到邻居两跳的唤醒信号，但未收到应答，则主动应答给邻居两跳，建立连接，完成数据接力传输；8)重复步骤4)7)，完成整个线状网络的数据汇聚传输。全文摘要本发明涉及用于线状监测网络的节能MAC和路由跨层方法。它是对所有节点预先按照物理位置，配置逻辑ID；通信由端节点发起，MAC协议基于睡眠唤醒机制实现，且唤醒方法为群唤，被唤醒的节点具有根据收到数据中的ID和方向信息自动判断是否睡眠或者继续侦听，节点在选择下跳节点时，路由层根据MAC层数据中上一跳节点信息自动选择下一跳；邻居节点在被呼节点无回复情况时，可跨跳应答；当前节点融合以前所有节点数据并向下一级传输，从而减少发送无用信息，提高能耗效率。本发明可广泛应用于管道监测、道路监测、燃气无线网络采集系统等场合，本方法具有节约监测节点能量，延长节点生命期，有效提高了工作效率。文档编号H04W24/04GK101742544SQ200910199548公开日2010年6月16日申请日期2009年11月26日优先权日2009年11月26日发明者严军,张雪凡,朱渝林,沈明华申请人:上海大学