专利名称：基于无线多媒体传感器网络edca机制的动态bi设计方法
技术领域：
本发明涉及无线多媒体传感器网络的技术领域，具体涉及一种运作在无线多媒体传感器网络中给予EDCA机制的动态BI设计方法。
背景技术：
无线多媒体传感器网络(WirelessMultimedia Sensor Networks,WMSNs)作为一种新型的衍生网络，逐渐成为了现代社会中一种重要的新技术。最近几年，很多科学家加大了对无线多媒体传感器网络的关注和研究力度。随着硬件技术的飞速发展及其微型化趋势，无线多媒体传感器网络的传感器节点可以装备COMS摄像机，麦克风和其它许多种类的传感器。这使得无线多媒体传感器网络可以在一个更综合、复杂的监控环境中获得各个方面的精细、准确的信息数据。它们可以获取周围环境的各种媒介信息，同时在多媒体信息获取和处理中表现出优异的性能。例如，单个传感器设备可以装备音频采集设备和视频采集设备。这不仅可以加强现有传感器网络的应用，同时可以获得多种新型的应用，例如多媒体监控传感器网络，高级健康护理，工业工序控制等等。然而，无线多媒体传感器网络是对能量敏感的网络，这是因为在无线多媒体传感器网络中，各种传感器节点都是采用电池供电。同时，由于无线多媒体传感器网络很多时候传输的是视频和音频数据，这对能量的消耗比较大。因此，降低无线多媒体传感器网络的功耗迫在眉睫。但是，使用一般的无线传感器网络降低功耗的方案并不适合无线多媒体传感器网络，这有可能会导致网络时延的增大，使得网络吞吐率严重下降，因为多媒体数据是对时延敏感的数据。这就提出了在降低网络系统功耗的同时，保障网络传输能力的要求，即在提供QoS保障的情况下，降低系统功耗。在IEEE 802. Ile标准中提出了支持QoS保障的EDCA和HCCA机制，这使得在无线多媒体传感器网络使用IEEE 802. Ile协议可以有效的保障音频、视频等多媒体数据流的传输。同时，考虑到系统能耗的问题，IEEE 802. Ile标准中提出了基于两种不同机制的节能方法。一种是基于EDCA机制的U-APSD方案和S-APSD方案，另一种是基于HCCA的S-APSD 方案。同时IEEE802. 11无线网络有两种不同的组网模式，其中一种是Ad-hoc模式的无线局域网络(Ad-hoc WLAN),另一种为基础设施模式的无线局域网络(Infrastructure WLAN)。 在Ad-hoc网络中，节点间可以直接进行通信，而无需通过AP转发。因为这种类型的网络不是事先规划好的，而是只有在需要的时候才安排的。图I为在Ad-hoc模式的无线局域网中U-APSD模式的运行示意图。其中，每个节点会在同一时周期性的唤醒，并保持一段时间的处于唤醒状态，这段时间我们称之为ATIM 窗口。为了保持各个节点之间同步工作，在每一个ATIM窗口中开始时刻，每个节点都会和其它发送节点竞争发送信标帧(Beacon Frame)，其中第一个成功传输了信标帧的节点将会抑制其它节点发送信标帧。在发送完信标帧之后，如果有节点需要发送数据，则节点必须在 ATIM窗口期间内成功发送一个Α Μ帧给目的节点，并接收到目的节点应答的ACK巾贞。在成功完成了两次握手之后，源节点和目的节点在剩下的信标间隔中必须保持唤醒状态，直到接收完所有缓存的数据帧，或者直到信标间隔(BI)到期。其中，发送节点和接收节点的信标间隔(BI)相等。在ATIM窗口结束后，发送节点将使用EDCA机制传输数据。U-APSD机制之所以能降低功耗，是因为它使得当节点没有数据需要收发时，它会使这些节点进入休眠模式。然而，没有数据收发的节点仍然需要在ATIM窗口的保持活跃状态，这依旧是能量的浪费。如果增大BI，而Α Μ窗口大小不变，则整个BI中Α Μ窗口比重降低，因此将会降低系统功耗。但是，如果为了降低功耗而单独增大BI，会造成以下两个问题I)时延增大，每个数据包在一个BI期间只能进行一跳操作，因此一味增大BI，将会使得需要多跳的数据包时延成倍数增长。从而，有可能使得网络时延过大。2)吞吐量降低，当Α Μ窗口过大则发送数据的时间则会很短，这会降低网络吞吐量，若Α Μ窗口过小则接收Α Μ帧的时间过短，同样会降低网络吞吐量。当Α Μ窗口长度约为BI长度的1/4时，网络的吞吐量较大。较大或较小的BI都会降低网络吞吐量。综上所述，U-APSD固定长度BI机制使得要降低功耗，就必须牺牲吞吐量和时延的性能。也就是说，此方案未能考虑到不同类型通信流的不同特点，使用不同的BI区别对待达到更有效的节能。例如，视频流的数据量大，对时间敏感，对时延和吞吐量要求较高，消耗能量较多。而E-mail数据流数据量小，对时间不敏感，消耗能量较小。因此，此方案未能根据不同通信流的特点进行针对性的传输，故而未能进行更有效的节能。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于无线多媒体传感器网络EDCA机制的动态BI设计方法，其可根据无线多媒体传感器网络中的不同通信流类型动态修改相应的BI，从而达到缩短网络时延、降低网络系统功耗的目的。为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是一种基于无线多媒体传感器网络EDCA机制的动态BI设计方法，所述无线多媒体传感器网络包括若干个传感器节点，所述的BI包括四种类型，所述的四种类型的BI分别与 EDCA的四种AC相对应，所述的传感器节点均在唤醒状态与睡眠状态间切换，唤醒状态下的传感器节点包括发送节点、接收节点以及空闲节点，发送节点根据所发送数据帧的AC类型动态修改自身BI类型并修改相应的BI类型标志位，接收节点根据所接收数据帧的AC类型动态修改相应的BI类型标志位。对于上述技术方案，我们具有进一步的优化措施，所述空闲节点在进入休眠状态前，所述空闲节点根据基于Bernoulli分布的动态判决机制决定是否修改自身BI类型优先级，如需修改，所述空闲节点根据修改过的优先级动态修改自身的BI类型直到节点自身优先级为最低优先级，此时节点将不再自减优先级。作为优化，当节点唤醒后发现有数据帧需要接收时，当接收节点的BI类型和接收到的数据类型为一一对应关系，则接收节点无需改变其BI，当接收节点的BI类型和接收到的数据类型不对应，则接收节点将修改BI类型标志位且修改后的BI类型与接收到的数据类型一致，并在下一个BI期间时所述接收节点使用该节点修改后的BI类型。进一步，所述四种类型的AC分别为AC_BK、AC_BE、AC_VI、AC_VO，与所述AC相对应的BI根据用户优先级从低到高分别为BK_BI、BE_BI、VI_BI、V0_BI。进一步，所述VI_BI的长度是V0_BI的长度的两倍，所述BE_BI的长度是V0_BI的长度的三倍，所述BK_BI的长度是V0_BI的长度的四倍。更进一步,所述传感器节点在初始化时，自动建立相应的优先级机制并初始化其功能，初始化后的节点拥有最低优先级且对应节点的BI类型均为最低优先级的BI类型。作为优化，发送节点发送数据时，发送节点利用TXOP连续传输数据给目的节点， 其中，设置AC_VI类型TXOP长度最长，AC_V0类型TXOP长度小于AC_VI类型TXOP长度，而 AC_BE和AC_BK类型的TXOP长度按需求设置，且AC_BE和AC_BK类型的TXOP长度在O到 AC_VI类型TXOP长度之间。进一步，所述节点都具有四种可选的BI类型，并且可以根据规则动态改变自身的优先级，将自身优先级自动加减成相应值。进一步,所述基于Bernoulli分布的动态判决机制首先在各个节点根据该节点在每个BI期间的状态建立该节点的状态信息数据表，根据状态信息数据表建立空闲状态计数器，所述空闲状态计数器用来记录各个节点连续空闲的次数，当连续空闲结束时，则空闲状态计数器重新清零，同时运用Bernoulli分布计算统计结果的置信区间，根据置信区间的结果判决是否需要修改对应节点BI类型的优先级。基于Bernoulli分布的动态判决机制(Bernoulli Dynamic Judgment Mechanism, BDJM)。有数据收发状态的值为1，而空闲状态，即无数据收发状态的值为0。每个节点建立存储最近状态信息表(Recent Status List，RSL)，它是一个二维表，从节点的连续空闲状态开始记录，直到第一个非空闲状态为止(包括第一个非空闲状态)，它一共记录最近100 次的节点空闲状态信息。例如，A节点初始化后每个BI期间的状态为非空闲、空闲、空闲、 空闲、非空闲、非空闲、空闲、非空闲、空闲、空闲、非空闲。则其记录的状态信息为
序列号\状态I000I20INULLNULL300INULL并在每个节点中建立空闲状态计数器(Idle Status Counter, ISC),它用来记录一个节点连续空闲的次数，当连续空闲结束时，则ISC重新清零。同时运用Bernoulli分布计算统计结果的置信区间，根据置信区间的结果判别是否需要修BI类型改优先级。Bernoulli分布的总体X，X的分布律为f (x ；p) = px (1-p)1-x, X = O, I.其中p为从RSL中获得的统计信息首先查询本节点ISC的值NUMIS。，根据NUMise 的值查询RSF表中第NUMIse+l列的所有状态信息(其中值为NULL时，将其统计值记为I)， 从而计算出相应的P值为
权利要求
1.一种基于无线多媒体传感器网络EDCA机制的动态BI设计方法，所述无线多媒体传感器网络包括若干个传感器节点，其特征在于，所述的BI包括四种类型，所述的四种类型的BI分别与EDCA的四种AC相对应，所述的传感器节点均在唤醒状态与睡眠状态间切换， 唤醒状态下的传感器节点包括发送节点、接收节点以及空闲节点，发送节点根据所发送数据帧的AC类型动态修改自身BI类型并修改相应的BI类型标志位，接收节点根据所接收数据帧的AC类型动态修改相应的BI类型标志位。
2.根据权利要求I所述的动态BI设计方法，其特征在于，所述空闲节点在进入休眠状态前，所述空闲节点根据基于Bernoulli分布的动态判决机制决定是都修改自身BI类型优先级，如需修改，所述空闲节点根据修改过的优先级动态修改自身的BI类型直到节点自身优先级为最低优先级，此时节点将不再自减优先级。
3.根据权利要求I所述的动态BI设计方法，其特征在于，当节点唤醒后发现有数据帧需要接收时，当接收节点的BI类型和接收到的数据类型为一一对应关系，则接收节点无需改变其BI类型标志位，当接收节点的BI类型和接收到的数据类型不对应，则接收节点将修改BI类型标志位且修改后的BI类型与接收到的数据类型一致，并在下一个BI期间时所述接收节点使用该节点修改后的BI类型。
4.根据权利要求I所述的动态BI设计方法，其特征在于，所述四种类型的AC分别为 AC_BK、AC_BE、AC_VI、AC_V0,与所述AC相对应的BI根据用户优先级从低到高分别为BK_ BI、BE_BI、VI_BI、VO_BI。
5.根据权利要求3所述的动态BI设计方法，其特征在于，所述VI_BI的长度是V0_BI 的长度的两倍，所述BE_BI的长度是V0_BI的长度的三倍，所述BK_BI的长度是V0_BI的长度的四倍。
6.根据权利要求I或4或5所述的动态BI设计方法，其特征在于，所述传感器节点在初始化时，自动建立相应的优先级机制并初始化其功能，初始化后的节点拥有最低优先级且对应节点的BI类型均为最低优先级的BI类型。
7.根据权利要求I所述的动态BI设计方法，其特征在于，发送节点发送数据时，发送节点利用TXOP连续传输数据给目的节点，其中，设置AC_VI类型TXOP长度最长，AC_V0类型TXOP长度小于AC_VI类型TXOP长度，而AC_BE和AC_BK类型的TXOP长度按需求设置， 且AC_BE和AC_BK类型的TXOP长度在O到AC_VI类型TXOP长度之间。
8.根据权利要求I所述的动态BI设计方法，其特征在于，所述节点都具有四种可选的 BI类型，并且可以根据规则动态改变自身的优先级，将自身优先级自动加减成相应值。
9.根据权利要求2所述的动态BI设计方法,其特征在于,所述基于Bernoulli分布的动态判决机制首先在各个节点根据该节点在每个BI期间的状态建立该节点的状态信息数据表，根据状态信息数据表建立空闲状态计数器，所述空闲状态计数器用来记录各个节点连续空闲的次数，当连续空闲结束时，则ISC重新清零，同时运用Bernoulli分布计算统计结果的置信区间，根据置信区间的结果判决是否需要修改对应节点BI类型的优先级。
全文摘要
本发明提供了一种基于无线多媒体传感器网络EDCA机制的动态BI设计方法，它运用于无线多媒体传感器网络，充分利用不同数据通信流的特性，针对不同类型数据设计相应的BI，一方面使得高优先级通信流，如音频、视频流等对时间敏感的通信流，可以减少和低优先级通信流竞争信道时的碰撞，并获得较多的接入信道的机会，从而有效减少因碰撞而损失的能量，降低了网络功耗，同时在进入信道后使用TXOP机制进行数据的连续传输，从而较大的提高了网络吞吐率，并有效降低了网络时延，另一方面使得低优先级通信流，例如E-mail等对时间不敏感的通信流，通过增大传输这些通信流节点的休眠时间，可以有效降低网络功耗，同时又不会影响用户体验度。而且，低优先级通信流本身的数据量不大，因此对网络吞吐率和时延影响不大。
文档编号H04L1/00GK102594495SQ20121000839
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者刘昊, 徐平平, 顾晓洁 申请人:东南大学苏州研究院, 苏州博联科技有限公司