專利名稱：適用于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，涉及一種數(shù)據(jù)收集方法，可用于突發(fā)事件的監(jiān)測(cè)和信 息報(bào)告等無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)以及低功耗無(wú)線通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)具備 感應(yīng)、無(wú)線通信以及信息處理能力的微型無(wú)線傳感器已成為可能。由這些廉價(jià)、低功率 的傳感器節(jié)點(diǎn)組織成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)作地監(jiān)測(cè)、感應(yīng)其網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的多種環(huán)境信
息，并傳送到遠(yuǎn)處的基站進(jìn)行處理。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks ，以下 簡(jiǎn)稱WSNs)能夠在惡劣的環(huán)境條件下，獲取大量詳實(shí)而可靠的信息，可以廣泛應(yīng)用于 國(guó)防軍事、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理等領(lǐng)域。由于其巨大的應(yīng)用價(jià)值，WSNs網(wǎng) 絡(luò)已經(jīng)引起了各國(guó)軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注，并紛紛展開了該領(lǐng)域的研究 工作。
WSNs網(wǎng)絡(luò)的主要目的是收集節(jié)點(diǎn)感知的環(huán)境信息，并通過(guò)眾多節(jié)點(diǎn)的協(xié)作把它發(fā)送 到面向用戶的匯聚節(jié)點(diǎn)SINK進(jìn)行處理。因此向匯聚節(jié)點(diǎn)SINK節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)信 息是WSNs網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本功能。WSNs網(wǎng)絡(luò)是與應(yīng)用高度相關(guān)的，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和 應(yīng)用目的，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)具有不同的特征，數(shù)據(jù)發(fā)送的方式各異?；趹?yīng)用的要求和網(wǎng)絡(luò) 的業(yè)務(wù)特征，WSNs網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用通常可分為五類1)突發(fā)事件的監(jiān)測(cè)和信息報(bào)告；2)入 侵目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和跟蹤；3)事件的持續(xù)監(jiān)測(cè)和周期性的信息報(bào)告；4)由匯聚節(jié)點(diǎn)SINK 發(fā)起的信息收集；5)所述4種結(jié)合的混合應(yīng)用。本發(fā)明主要關(guān)注第一類應(yīng)用，如軍事目 標(biāo)的監(jiān)測(cè)、突發(fā)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)等都屬這類應(yīng)用。對(duì)這類應(yīng)用，WSNs網(wǎng)絡(luò)通常工作于兩 種不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳遞狀態(tài)。由于目標(biāo)事件，如軍事目標(biāo)的異常、森林火 災(zāi)的發(fā)生都是隨機(jī)和偶然的，大部分時(shí)間，WSNs網(wǎng)絡(luò)僅對(duì)覆蓋的區(qū)域進(jìn)行感知，把網(wǎng)絡(luò) 的這種狀態(tài)稱為監(jiān)測(cè)狀態(tài)； 一旦網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到目標(biāo)事件發(fā)生的有用信息，信息數(shù) 據(jù)就需要盡快地通過(guò)多跳的路徑轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚集節(jié)點(diǎn)SINK，這時(shí)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)稱為數(shù)據(jù)傳遞 狀態(tài)。在這類應(yīng)用中，由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常被部署在敵后或者惡劣環(huán)境的區(qū)域，節(jié)點(diǎn)的 能量無(wú)法得到補(bǔ)充，并且要求在報(bào)告事件發(fā)生的數(shù)據(jù)信息中，具有反映事件發(fā)生位置的信息。另一方面，與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不同，WSNs網(wǎng)絡(luò)一般具有較大的節(jié)點(diǎn)密度以及較弱
的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性，節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存和處理能力有限，信息的傳輸具有多到一的特征。所以網(wǎng)絡(luò)
協(xié)議的設(shè)計(jì)必須滿足信息傳遞的延遲和位置信息提取的應(yīng)用要求，同時(shí)盡可能減少節(jié)點(diǎn)
能量的消耗和內(nèi)存等資源的占用，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
顯然傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)和ADHOC網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，由于協(xié)議的復(fù)雜性和高的能量代價(jià)，.
并不能直接應(yīng)用到上述WSNs網(wǎng)絡(luò)中。針對(duì)WSNs網(wǎng)絡(luò)信息提取的能效性要求，現(xiàn)階段研
究者提出的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的路由機(jī)制，由于采用分層的協(xié)議模型，需要各層協(xié)議的相互
協(xié)作，并且在對(duì)上述事件發(fā)生位置信息有要求的應(yīng)用中，為了識(shí)別數(shù)據(jù)信息發(fā)生的源節(jié)
點(diǎn)，需要有效地分配節(jié)點(diǎn)的路由和媒體接入控制的識(shí)別地址，并確定節(jié)點(diǎn)的位置信息。
在大規(guī)模WSNs網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)地址分配問(wèn)題的代價(jià)是非常昂貴的，因?yàn)椴粌H需要較大的地
址開銷，而且這些地址需要在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的不同協(xié)議棧進(jìn)行交換和分配，增加了協(xié)議棧的
開銷和節(jié)點(diǎn)資源的占用。
多跳通信是面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效應(yīng)用的一種有效方式。多跳通信在局部范圍
需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)其間的無(wú)線信道分配，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)需要路由協(xié)議選擇通信路
徑。從WSNs網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用過(guò)程來(lái)看，隨著時(shí)間的變化，由于節(jié)點(diǎn)的故障或能量耗盡以及
環(huán)境的影響，WSNs網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洳粩喟l(fā)生變化。目前，研究者提出的實(shí)現(xiàn)多跳數(shù)據(jù)收集
的方法可以歸結(jié)為基于狀態(tài)的路由和無(wú)狀態(tài)的隱式路由協(xié)議兩類。在動(dòng)態(tài)的拓?fù)湎?，?br> 統(tǒng)的基于狀態(tài)的路由協(xié)議，采用分層的協(xié)議棧，基于功能化的模塊方法實(shí)現(xiàn)路由的優(yōu)化，
其功能的實(shí)現(xiàn)需要同MAC和拓?fù)涔芾淼鹊拿芮信浜?，信息的發(fā)送從路由看可能具有確
定的時(shí)延界，以及具有良好的能效性，但沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)整體數(shù)據(jù)收集性能的優(yōu)化，由于
將大量的能量和帶寬資源浪費(fèi)在頻繁地更新鄰居表和重構(gòu)路由表上,增加了協(xié)議的復(fù)雜
性和開銷，對(duì)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存和處理能力要求較高，不利于提高網(wǎng)絡(luò)的能效性。與傳統(tǒng)基于
狀態(tài)的路由協(xié)議不同，隱式路由協(xié)議是一種無(wú)狀態(tài)的路由協(xié)議，即協(xié)議的正常運(yùn)作不依
賴于節(jié)點(diǎn)的鄰居信息以及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?。隱式路由協(xié)議依賴于位置信息引導(dǎo)路由方向，
要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)已知SINK節(jié)點(diǎn)和自身的位置信息，協(xié)議采用網(wǎng)絡(luò)層/MAC層集成設(shè)計(jì)方
案，同時(shí)具有尋路和協(xié)調(diào)共享信道訪問(wèn)的能力，使協(xié)議大大簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)節(jié)點(diǎn)的
處理和內(nèi)存要求較低。但隱式路由協(xié)議沒(méi)有利用WSNs網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點(diǎn)協(xié)作能力和節(jié)點(diǎn)的
局部拓?fù)湫畔?，?jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換具有隨機(jī)性，不具有自適應(yīng)能力、空閑偵聽(tīng)時(shí)間長(zhǎng)、接入
控制開銷大，從而增加了 MAC層接入時(shí)延的不確定性，可靠性又依賴于高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)
密度，并容易發(fā)生偽空洞問(wèn)題，因此網(wǎng)絡(luò)的能量有效性和時(shí)延等性能具有重大的不確定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有無(wú)狀態(tài)的隱式路山數(shù)據(jù)收集方法對(duì)節(jié)點(diǎn)的布置密度 要求高、空閑偵聽(tīng)時(shí)間長(zhǎng)、接入控制丌銷大、適應(yīng)性差的缺陷，利用網(wǎng)絡(luò)同歩技術(shù)和基 于狀態(tài)的路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提供一種適用于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，簡(jiǎn)稱 REEGF,以提髙網(wǎng)絡(luò)能量的有效性和時(shí)延性能。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的
一.技術(shù)術(shù)語(yǔ)
WSNs 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
SINK 匯聚節(jié)點(diǎn)
MAC 媒體接入?yún)f(xié)議 AD HOC 自組織網(wǎng)絡(luò)
REEGF 多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法
DATA 數(shù)據(jù)消息
ACK 正確接收數(shù)據(jù)的確認(rèn)消息
GeRaF 基于位置信息的隱式數(shù)據(jù)收集方法
X 節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)發(fā)生率
RTS 請(qǐng)求發(fā)送
CTS 空閑應(yīng)答
S-RTR 短偵中繼請(qǐng)求
S-CTR 短偵中繼應(yīng)答
L-RTR 長(zhǎng)偵中繼請(qǐng)求
L-CTR 長(zhǎng)偵中繼應(yīng)答
RSD 消息發(fā)送節(jié)點(diǎn)隨機(jī)識(shí)別號(hào)
RRD 消息應(yīng)答節(jié)點(diǎn)隨機(jī)識(shí)別號(hào)
OSI 狀態(tài)信息
CONTINUE 消息重復(fù)發(fā)送 COLLISION 消息碰撞 NORMAL 消息正常ANORMAL 消息異常
SPI 消息發(fā)送節(jié)點(diǎn)位置信息
RPI 消息接收節(jié)點(diǎn)位S信息
NAV 數(shù)據(jù)傳遞占用信道的時(shí)間
二. 技術(shù)思路
本發(fā)明針對(duì)目標(biāo)監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件報(bào)告等一大類WSNs網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的要求和網(wǎng)絡(luò)的特 征，在提出的網(wǎng)絡(luò)基本假設(shè)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能有效利用節(jié)點(diǎn)的雙信道的協(xié)作通信 特征減少節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)狀態(tài)能量消耗的方法，同時(shí)能確保節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳遞狀態(tài)局部連通度 的一致；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的位置信息，利用節(jié)點(diǎn)發(fā)送或偵聽(tīng)忙音， 一旦節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè) 到事件或有數(shù)據(jù)信息需要發(fā)送，就利用節(jié)點(diǎn)發(fā)送忙音同歩喚醒其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)；然后采 用基于候選接收節(jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)的方法，在其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)中選取朝著收集數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn) SINK方向傳遞的下一跳中繼節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)SINK能效、及時(shí)的收集數(shù)據(jù)。
本發(fā)明主要關(guān)注MAC層和路由層的集成，提出的REEGF數(shù)據(jù)收集方法按輪運(yùn)行，每 輪REEGF的運(yùn)行又分為三個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)、監(jiān)測(cè)工作和數(shù)據(jù)收集。其中網(wǎng)絡(luò)的自維 護(hù)階段，主要用于使本地的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同歩，以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)維持大致相同的時(shí)鐘，并 更新節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)信息；網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)階段，主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的有效監(jiān)測(cè)和及時(shí) 數(shù)據(jù)傳遞，在這個(gè)階段根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞的及時(shí)性要求，把網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)階段時(shí)間劃分為若干 個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期，節(jié)點(diǎn)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期根據(jù)偵聽(tīng)信道概率進(jìn)行信道偵聽(tīng)；數(shù)據(jù)收集 階段，主要是為了收集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)或偵聽(tīng)到忙音時(shí)，從監(jiān)測(cè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到數(shù) 據(jù)傳遞狀態(tài)，以競(jìng)爭(zhēng)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)，仍然根據(jù)偵聽(tīng)信道 概率進(jìn)行信道偵聽(tīng)。
三. 技術(shù)步驟
依據(jù)上述技術(shù)思路本發(fā)明的數(shù)據(jù)收集方法，包括
網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)步驟對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同歩，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)信息 進(jìn)行更新；
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)步驟將網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期；利用更新后的局部 網(wǎng)絡(luò)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概率；根據(jù)偵聽(tīng)信道概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)；
數(shù)據(jù)收集步驟根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送；根據(jù)偵聽(tīng)到忙音 競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收；經(jīng)多跳將數(shù)據(jù)傳遞給收集數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)SINK。
上述網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)歩驟中所述的對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同歩，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行更新，按如下步驟進(jìn)行-
(2a)利用現(xiàn)有的WSNs同步算法，通過(guò)執(zhí)行發(fā)送者與-接收者的成對(duì)節(jié)點(diǎn)同歩通信， 在發(fā)送和接收的同歩報(bào)文中附帶上節(jié)點(diǎn)的位置信息，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步；
(2b)利用同歩報(bào)文中的節(jié)點(diǎn)位置信息，識(shí)別不同的鄰居節(jié)點(diǎn)，以獲取節(jié)點(diǎn)的一跳鄰 居節(jié)點(diǎn)密度AW,實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部網(wǎng)絡(luò)信息的更新。
上述網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)歩驟中所述的將監(jiān)測(cè)階段網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周 期，按如下步驟進(jìn)行
(3a)利用節(jié)點(diǎn)最初獲得的一次監(jiān)測(cè)工作時(shí)間、數(shù)據(jù)每跳平均時(shí)延，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周 期為數(shù)據(jù)每跳平均時(shí)延；
(3b)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期，把一次監(jiān)測(cè)工作時(shí)間分割為網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的整數(shù)倍，以滿 足數(shù)據(jù)收集的多跳平均時(shí)延要求。
上述網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)歩驟中所述的利用更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概率， 按如下歩驟進(jìn)行
(4a)利用下式計(jì)算監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗:^ :
式中，附邊監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間是網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的整數(shù)倍數(shù)，/^是節(jié)點(diǎn)v,前一監(jiān)測(cè)階
段的偵聽(tīng)信道概率，/^,在網(wǎng)絡(luò)初次執(zhí)行監(jiān)測(cè)工作時(shí)為1， A,是節(jié)點(diǎn)w處于偵聽(tīng)狀態(tài)的功
率消耗L是偵聽(tīng)時(shí)間；
(4b)利用下式計(jì)算節(jié)點(diǎn)w的能量消耗A^:
式中，五。是節(jié)點(diǎn)上一次開始監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)的初始能量，^是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量，
在初次啟動(dòng)工作時(shí)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)的能量消耗A&,為監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗^v ;
(4c)利用下式計(jì)算能量調(diào)節(jié)系數(shù)a:
a =
1
五、'，S厶A,
(4d)利用下式計(jì)算偵聽(tīng)信道概率^
^廢
肌式中，XMV是節(jié)點(diǎn)v,在每網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期激活偵聽(tīng)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，W仏是節(jié)點(diǎn)V,局 部網(wǎng)絡(luò)更新信息。
上述網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)歩驟中所述的根據(jù)偵聽(tīng)信道概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)，按如 下步驟進(jìn)行
(5a)對(duì)于沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期r".',.的開始，節(jié)點(diǎn)根據(jù)偵
聽(tīng)信道概率;^發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，若發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，且在偵聽(tīng)時(shí)間rw結(jié) 束時(shí)偵聽(tīng)到忙音信號(hào),則節(jié)點(diǎn)立即喚醒其主信道；若發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，且在偵聽(tīng)時(shí)
間7W結(jié)束時(shí)沒(méi)有偵聽(tīng)到忙音信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若沒(méi)有發(fā)生對(duì)信道的忙音.
偵聽(tīng)，則節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)；
(5b)對(duì)于節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，則節(jié)點(diǎn)立即開始對(duì)主信道和喚醒信道進(jìn)行偵聽(tīng)； (5c)對(duì)于睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期結(jié)束時(shí)，重復(fù)執(zhí)行歩驟(5a)或
步驟(5b)，直至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間結(jié)束時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均處于激活狀態(tài)，并開始執(zhí)行
自維護(hù)。
上述數(shù)據(jù)收集歩驟中所述的根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送，按如 下步驟進(jìn)行-
(6a)當(dāng)有數(shù)據(jù)露要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即偵聽(tīng)主信道和喚醒信道，并根據(jù)偵聽(tīng)結(jié)果執(zhí)行 不同的操作若節(jié)點(diǎn)在主信道和喚醒信道的偵聽(tīng)都沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，則節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送忙 音信號(hào)；若節(jié)點(diǎn)的主信道偵聽(tīng)到消息，無(wú)論節(jié)點(diǎn)的喚醒信道是否偵聽(tīng)到忙音，則節(jié)點(diǎn)立 即睡眠；若節(jié)點(diǎn)的主信道沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，而喚醒信道偵聽(tīng)到忙音，則節(jié)點(diǎn)主信道喚醒；
(6b)當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送忙音直至當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的偵聽(tīng)時(shí)間rw結(jié)束后，競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)；
若競(jìng)爭(zhēng)成功，就發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，就進(jìn)入睡眠狀態(tài)；
(6c)對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送數(shù)據(jù)成功的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)所在的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域位置，采用 競(jìng)爭(zhēng)選取朝著SINK前進(jìn)距離最大的節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)；
(6d)對(duì)于成功選取接收節(jié)點(diǎn)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)消息，偵聽(tīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)接收的ACK 消息，并重發(fā)數(shù)據(jù)或進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
上述數(shù)據(jù)收集歩驟中所述的根據(jù)偵聽(tīng)到忙音競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收，按如下. 步驟進(jìn)行
(9a)喚醒信道偵聽(tīng)到忙音的節(jié)點(diǎn)，立即喚醒其主信道，根據(jù)主信道的偵聽(tīng)結(jié)果， 采用短偵的控制消息交互，競(jìng)爭(zhēng)后選接收節(jié)點(diǎn)；(9b)競(jìng)爭(zhēng)候選接收成功的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置，確定屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的
節(jié)點(diǎn)，并確定出所在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的分級(jí)數(shù)；
(9c)屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，采用長(zhǎng)偵的控制消息交互，競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)； (9d)競(jìng)爭(zhēng)接收成功的節(jié)點(diǎn)，開始接收數(shù)據(jù)DATA消息，若接收數(shù)據(jù)消息正確，則
發(fā)送確認(rèn)的ACK消息，否則發(fā)送數(shù)據(jù)異常消息，請(qǐng)求重發(fā)數(shù)據(jù)，并重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直至
達(dá)到設(shè)定的最大重傳次數(shù)，對(duì)于達(dá)到最大重傳次數(shù)而仍沒(méi)有接收到正確的數(shù)據(jù)消息，則
節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；
(9e)接收到正確數(shù)據(jù)消息的節(jié)點(diǎn)，在發(fā)送確認(rèn)消息之后，就成為新的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié) 點(diǎn)，按照前述競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的同樣過(guò)程繼續(xù)朝著匯聚節(jié)點(diǎn)SINK傳遞所要發(fā)送的數(shù)據(jù)消 息，直至匯聚節(jié)點(diǎn)SINK在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接把數(shù)據(jù)傳遞給匯 聚節(jié)點(diǎn)SINK,完成數(shù)據(jù)的多跳傳遞，實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)SINK的數(shù)據(jù)收集。 本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1) 本發(fā)明由于利用自維護(hù)同歩本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘，更新局部網(wǎng)絡(luò)信息，因而減少了 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的冗余偵聽(tīng)，使節(jié)點(diǎn)具有自適應(yīng)調(diào)整工作參數(shù)的能力；
(2) 本發(fā)明由于將網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，確保了 數(shù)據(jù)收集的及時(shí)性；
(3) 本發(fā)明由于利用更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，調(diào)整節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)信道概率，根據(jù)偵聽(tīng)信道 概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)局部連通度的自適應(yīng)> 確保了數(shù)據(jù)傳遞 的可靠性，減少了冗余節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)，提高了節(jié)點(diǎn)的能效性，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命，且 隨網(wǎng)絡(luò)密度的增大網(wǎng)絡(luò)的壽命近似成線性增加，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的可擴(kuò)展性；
(4) 本發(fā)明由于根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送，有效地解決了數(shù)據(jù) 傳遞中的隱藏和暴漏終端問(wèn)題，從而減少了因重傳造成的能量消耗；
(5) 本發(fā)明由于根據(jù)偵聽(tīng)到忙音競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可靠傳遞, 使數(shù)據(jù)收集具有更強(qiáng)的健壯性和穩(wěn)定性，井減少了數(shù)據(jù)傳遞的跳數(shù)和多跳傳遞時(shí)延，提 高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量利用效率；
(6) 本發(fā)明由于對(duì)突發(fā)事件的監(jiān)測(cè)和信息報(bào)告這些WSNs網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用具有通用性，且 具有簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易和方便應(yīng)用的特點(diǎn)，故對(duì)其它WSNs網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也具有借鑒性。


圖1是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布模型和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程的示意圖；圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)收集流程圖3是本發(fā)明中WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用雙無(wú)線模塊的節(jié)點(diǎn)工作方式示意圖； 圖4是本發(fā)明中使用的消息格式的組成示意圖5是本發(fā)明中數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)SiV,的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域KS,和非轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域AK,的示意圖6是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)歸一化能量消耗隨節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)發(fā)生率X變化的理論和仿真實(shí)驗(yàn)
結(jié)果與GeRaF的比較圖； 圖7是本發(fā)明數(shù)據(jù)傳遞時(shí)延隨X變化的理論和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GeRaF的比較圖； 圖8是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)歸一化能量消耗隨入變化的理論和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GeRaF的
比較圖9是本發(fā)明數(shù)據(jù)傳遞時(shí)延隨X變化的理論和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GeRaF的比較圖； 圖10是本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果與GeRaF的比較圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一歩詳細(xì)描述-
參照?qǐng)D1，本發(fā)明是基于監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件報(bào)告類應(yīng)用的WSNs網(wǎng)絡(luò)而提出的高能效 數(shù)據(jù)收集方法。針對(duì)該類應(yīng)用的特點(diǎn)，本發(fā)明建立了如下的網(wǎng)絡(luò)模型，并以該網(wǎng)絡(luò)模型 為基準(zhǔn)，研究了本發(fā)明的性能效果。
WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按泊松過(guò)程以強(qiáng)度p隨機(jī)分布在一個(gè)丄x丄的正方形區(qū)域A內(nèi)，并且
該WSNs網(wǎng)絡(luò)具有如下性質(zhì) U)節(jié)點(diǎn)部署后不再移動(dòng)；
(2) 基站SINK節(jié)點(diǎn)部署在區(qū)域A的一個(gè)邊上的固定位置(x,y)，節(jié)點(diǎn)的等效通信半 徑及遠(yuǎn)小于網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的等效半徑，所以節(jié)點(diǎn)必須以多跳的方式向SINK節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù) 據(jù)，并且SINK是唯一的；
(3) 除SINK節(jié)點(diǎn)外，其它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有相似的能力，并且地位相等；
(4) 節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置服務(wù)模塊獲取自身的位置信息，并己知SINK節(jié)點(diǎn)的位置；
(5) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均具有兩個(gè)無(wú)線通信信道，一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)和控制信息，另--個(gè)僅能 發(fā)送和偵聽(tīng)忙音信號(hào)，并且通過(guò)調(diào)整使節(jié)點(diǎn)兩個(gè)無(wú)線信道具有相同的通信覆蓋范圍。
WSNs網(wǎng)絡(luò)的前三項(xiàng)屬性是--般網(wǎng)絡(luò)的典型設(shè)置。第四項(xiàng)屬性表明本發(fā)明需要利用 節(jié)點(diǎn)的位置信息。由于WSNs網(wǎng)絡(luò)在布置后節(jié)點(diǎn)的位置通常是固定的，而收集數(shù)據(jù)信息 時(shí)需要提取信息發(fā)生的位置信息，所以能在網(wǎng)絡(luò)布置后使每個(gè)節(jié)點(diǎn)借助于SINK節(jié)點(diǎn)確定自身的位置;第五項(xiàng)屬性主要考慮網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，由于在目標(biāo)監(jiān)測(cè)、突發(fā)事件報(bào)告等WSNS 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)大部分時(shí)間處于無(wú)數(shù)據(jù)傳遞的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，所以利用一個(gè)忙音信道可以. 以極低的占空比周期睡眠，從而顯著地節(jié)省能量，同時(shí)又能很快地把網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)傳 遞狀態(tài)，減少數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)延。
參照?qǐng)D2，本發(fā)明收集方法根據(jù)圖1建立的模型設(shè)為三個(gè)部分網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān) 測(cè)和數(shù)據(jù)收集，具體歩驟如下
步驟一，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)獲取網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)和啟動(dòng)信息。
網(wǎng)絡(luò)在初次啟動(dòng)激活時(shí)，首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求和布置的節(jié)點(diǎn)情況，確定其應(yīng)用 的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)每跳平均時(shí)延7^.、每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期平均喚醒偵聽(tīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)JAW、
網(wǎng)絡(luò)的周期自維護(hù)時(shí)間r。,.、，、監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間7;,—、轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域鄰居節(jié)點(diǎn)的劃分級(jí)數(shù)
W尸；然后由匯聚節(jié)點(diǎn)SINK通過(guò)直接的廣播或多跳的洪泛把這些信息以及SINK的位置-信息、節(jié)點(diǎn)的工作啟動(dòng)信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)獲取的啟動(dòng)信息被激活。
步驟二，網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)。
利用現(xiàn)有的WSNs同歩算法，通過(guò)執(zhí)行發(fā)送者與-接收者的成對(duì)節(jié)點(diǎn)同步通信，并在 發(fā)送和接收的同步報(bào)文中附帶上節(jié)點(diǎn)的位置信息，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步，并利 用同步報(bào)文中的節(jié)點(diǎn)位置信息，識(shí)別不同的鄰居節(jié)點(diǎn)，以獲取節(jié)點(diǎn)的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)密度 AW,實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部網(wǎng)絡(luò)信息的更新。
步驟三，將網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若千個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期。
參照?qǐng)D3，將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無(wú)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)的工作時(shí)間分兩個(gè)階段網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)7^，和
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)r"^。針對(duì)事件報(bào)告和監(jiān)測(cè)這類應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)主要與監(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境條件、.
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘特性以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的故障率因素有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)大部分時(shí)間處于監(jiān)測(cè)階段， 通常環(huán)境條件的變化比較緩慢，在節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘特性較好的情況下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局部信息
不會(huì)發(fā)生劇烈地變化，不需要頻繁地更新，即通常r，遠(yuǎn)大于r^., 71，遠(yuǎn)小于r胃，網(wǎng)絡(luò) 較長(zhǎng)時(shí)間才執(zhí)行維護(hù)一次，所以節(jié)點(diǎn)局部信息的更新周期7^.,通?；诠?jié)點(diǎn)的故障率、
時(shí)鐘的性能以及應(yīng)用的要求而定；而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最小偵聽(tīng)時(shí)間間隔需要根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞的
及時(shí)性要求確定，它直接決定了數(shù)據(jù)傳遞的單跳時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)的最小能量消耗。因此為了 節(jié)省網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量，并滿足在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生時(shí)能及時(shí)收集數(shù)據(jù)，定義網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期為
喚醒信道的最小偵聽(tīng)時(shí)間間隔，設(shè)置最小偵聽(tīng)時(shí)間間隔為網(wǎng)絡(luò)平均每跳時(shí)延7; ,，把網(wǎng)絡(luò)-監(jiān)測(cè)的時(shí)間分割為網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的倍數(shù)w ，有
步驟四，利用更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概率。
為了減少局部節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)，平衡節(jié)點(diǎn)的能量消耗不一致對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命的影響，并 維持?jǐn)?shù)據(jù)傳遞每跳的節(jié)點(diǎn)連通度的穩(wěn)定，在減少數(shù)據(jù)傳遞時(shí)延的同時(shí)，提高數(shù)據(jù)多跳傳 遞的可靠性，利用監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)階段的能量消耗，定義 了調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的能量調(diào)節(jié)系數(shù)，根據(jù)更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)周期按照概率執(zhí)行偵聽(tīng)，以調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概 率，實(shí)現(xiàn)局部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通度的穩(wěn)定。具體計(jì)算歩驟如下
(4a)利用下式計(jì)算監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗^v,:
= (2) 式(2)中，m是監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間是網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的整數(shù)倍數(shù)，；^,是節(jié)點(diǎn)v,前一 監(jiān)測(cè)階段的偵聽(tīng)信道概率，；^,在網(wǎng)絡(luò)初次執(zhí)行監(jiān)測(cè)工作時(shí)為1, A,是節(jié)點(diǎn)v,處于偵聽(tīng)狀 態(tài)的功率消耗；Tw是偵聽(tīng)時(shí)間；
(4b)根據(jù)監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗iw利用下式計(jì)算節(jié)點(diǎn)w的能量消耗A￡w :
AjE,',=五o (3) 式(3)中，五。是節(jié)點(diǎn)上一次開始監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)的初始能量，^是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩 余能量，在初次啟動(dòng)工作時(shí)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)的能量消耗A&,為監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗 五w ;
(4c)根據(jù)節(jié)點(diǎn)w的能量消耗A&，利用下式計(jì)算能量調(diào)節(jié)系數(shù)a-
— (4)
1 ￡n > A￡v
(4d)根據(jù)能量調(diào)節(jié)系數(shù)a，利用下式計(jì)算偵聽(tīng)信道概率; w
爿AW
肌 (5)
式(5)中，^W是節(jié)點(diǎn)v,在每網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期激活偵聽(tīng)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，iVA^是節(jié)
點(diǎn)Vi局部網(wǎng)絡(luò)更新信息。
步驟五，根據(jù)偵聽(tīng)信道概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)。
17參照?qǐng)D3，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期7;,. .，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)利用偵聽(tīng)忙音確保數(shù)據(jù)傳遞的局部網(wǎng)
絡(luò)連通性，由于偵聽(tīng)忙音的時(shí)間遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方法偵聽(tīng)控制消息的時(shí)間，極大地降低了偵 聽(tīng)控制消息時(shí)的時(shí)間開銷，從而減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期開始時(shí)，對(duì)于沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況，節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的
偵聽(tīng)信道概率/^,發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)；若發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，且在偵聽(tīng)時(shí)間rw結(jié)
束時(shí)偵聽(tīng)到忙音信號(hào),則節(jié)點(diǎn)立即喚醒其主信道；若發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，且在偵聽(tīng)時(shí)
間7;,結(jié)束時(shí)沒(méi)有偵聽(tīng)到忙音信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若沒(méi)有發(fā)生對(duì)信道的忙音
偵聽(tīng)，則節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)；對(duì)于節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，無(wú)論節(jié)點(diǎn)是在睡眠狀態(tài)，還 是在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的開始和偵聽(tīng)過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)都立即丌始對(duì)兩個(gè)信道進(jìn)行偵聽(tīng)；對(duì) 于睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期結(jié)束時(shí)，根據(jù)是否發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送按照上述步驟 重復(fù)執(zhí)行，直至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間結(jié)束時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均處于激活狀態(tài)，并開始執(zhí)行 自維護(hù)。
步驟六，根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，選取后選接收節(jié)點(diǎn)，以執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送。 參考圖4 ，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于發(fā)送或偵聽(tīng)忙音的方式，喚醒參與數(shù)據(jù)發(fā)送的一跳鄰居節(jié) 點(diǎn)，為了解決節(jié)點(diǎn)喚醒過(guò)程中發(fā)送節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)和候選接收節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)，釆用了類似 RTS/CTS的信息交換特征，以時(shí)隙方式執(zhí)行控制信息的交換、建立數(shù)據(jù)鏈路。圖4 (a) 表示在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)期間執(zhí)行類似RTS/CTS信息交換的消息格式，為了區(qū)別分別用 S-RTR (ShortRequest-To-Relay )、 S-CTR (Short Clear-To-Relay)表示，稱為短控制幀； 圖4 (b)表示在數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)期間的控制消息格式，并分別用L-RTR (Long Request-To-Relay)、 L-CTR (longClear-To-Relay)表示，稱為長(zhǎng)控制幀；圖4 (c)是傳 遞的數(shù)據(jù)報(bào)文和確認(rèn)報(bào)文的格式，分別用DATA、 ACK表示。 圖4消息中各字段的作用和意義如下
各消息中的第一個(gè)字段均為消息的類型，用于節(jié)點(diǎn)區(qū)別不同的消息； 消息中的RSD、 RRD分別表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)和應(yīng)答節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)識(shí)別號(hào)，用于區(qū)別不同的 節(jié)點(diǎn)；
OSI字段包含各種狀態(tài)信息，有CONTINUE、 COLLISION、 NORMAL和ANORMAL 分別表示繼續(xù)、碰揸、正常和異常，根據(jù)消息的交互過(guò)程這些狀態(tài)信息不斷發(fā)生變化； SPI、 RPI分別表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)和候選接收節(jié)點(diǎn)的位置信息； NAV表示數(shù)據(jù)傳遞需要的時(shí)間；DATA表示傳遞的數(shù)據(jù)信息； ACK為數(shù)據(jù)傳遞成功的確認(rèn)信息。
需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn),首先對(duì)主信道和喚醒信道偵聽(tīng)的時(shí)間；當(dāng)在Ar時(shí)間內(nèi)， 節(jié)點(diǎn)^S7V,的主信道和喚醒信道都沒(méi)有偵聽(tīng)到消息,則節(jié)點(diǎn)SV,的喚醒信道就丌始發(fā)送忙音 信號(hào)，這時(shí)節(jié)點(diǎn)SV,的主信道轉(zhuǎn)為睡眠狀態(tài)；當(dāng)任一個(gè)信道偵聽(tīng)到消息，則節(jié)點(diǎn)SW,在當(dāng)前' 網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期不能發(fā)送忙音信號(hào)，從而不能參與數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)以發(fā)送數(shù)據(jù)，并根 據(jù)主信道和喚醒信道偵聽(tīng)的消息不同，分別執(zhí)行如下不同的操作-
若節(jié)點(diǎn)SW,的主信道偵聽(tīng)到消息，則不論節(jié)點(diǎn)喚醒信道是否偵聽(tīng)到忙音信號(hào)，節(jié)點(diǎn) SW,的所述主信道和喚醒信道都轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，并在隨機(jī)等待一定時(shí)間后再重新嘗試對(duì)信 道偵聽(tīng)Ar的時(shí)問(wèn)，直至節(jié)點(diǎn)SV,的喚醒信道能夠丌始發(fā)送忙音信號(hào)；若節(jié)點(diǎn)S7V,的主信 道沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，而喚醒信道偵聽(tīng)到忙音信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)SW,只能作為其它發(fā)送忙音信號(hào) 的節(jié)點(diǎn)SW,的喚醒節(jié)點(diǎn)，競(jìng)爭(zhēng)后選接收節(jié)點(diǎn)，這里，
偵聽(tīng)信道空閑的節(jié)點(diǎn)發(fā)送忙音信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為從偵聽(tīng)Ar時(shí)間信道空閑結(jié)束開
始，直至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期 ^,的偵聽(tīng)活動(dòng)時(shí)間7;.,結(jié)束；節(jié)點(diǎn)av,結(jié)束發(fā)送忙.
音信號(hào)后，立即激活其主信道，而且由于節(jié)點(diǎn)^V,發(fā)送的忙音信號(hào)能被執(zhí)行協(xié)作偵聽(tīng)的一 跳鄰居節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到，所以節(jié)點(diǎn)SM—跳鄰居節(jié)點(diǎn)的主信道立即被喚醒，并開始執(zhí)行偵聽(tīng)活
動(dòng)；但在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期r，中，多個(gè)發(fā)送忙音信號(hào)的SV,節(jié)點(diǎn)可能位于兩跳范圍以
內(nèi)，從而易造成多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)在SM發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的碰撞,所以為了有效地發(fā)送數(shù)據(jù)信息， 必須首先解決數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)SM間的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。
需要發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)SiVi利用S-RTR和S-CTR的控制消息交互過(guò)程，競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送
節(jié)點(diǎn)，并選取后選接收節(jié)點(diǎn)，并按下列步驟進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)-
①各節(jié)點(diǎn)SW,在第一個(gè)控制時(shí)隙發(fā)送請(qǐng)求中繼數(shù)據(jù)的短幀S-RTR消息根據(jù)偵聽(tīng)的 S-RTR消息是否發(fā)生碰撞， 一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)做出下列應(yīng)答如偵聽(tīng)到正確的S-RTR消息，則 節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，不發(fā)送應(yīng)答消息;如偵聽(tīng)的S-RTR消息碰撞,則節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)偵聽(tīng)信道' 空閑后以清除中繼的短幀S-CTR消息執(zhí)行應(yīng)答，其它需要應(yīng)答的節(jié)點(diǎn)在隨機(jī)偵聽(tīng)信道期 間由于偵聽(tīng)到最先發(fā)送的S-CTR，就不再發(fā)送S-CTR應(yīng)答信息，避免了S-CTR的碰撞， 但這時(shí)在應(yīng)答的S-CTR消息中代表狀態(tài)的控制字段0SI包含有表示偵聽(tīng)S-RTR消息發(fā)生 碰撞的COLLISION標(biāo)志信息。由于僅處于不同節(jié)點(diǎn)SW,的共同覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，在偵 聽(tīng)S-RTR消息時(shí)才會(huì)發(fā)生消息碰撞，而在監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中這種情況發(fā)生的概率較低，所以不 會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的S-CTR消息碰撞問(wèn)題，且通過(guò)采用隨機(jī)偵聽(tīng)信道忙閑之后才發(fā)送，就能避免碰撞。
② 各節(jié)點(diǎn)SV,在發(fā)出S-RTR消息后，根據(jù)在第一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)隙偵聽(tīng)到的消息不同，在其 后的一個(gè)控制時(shí)隙按下列過(guò)程執(zhí)行
若沒(méi)有偵聽(tīng)到任何消息,節(jié)點(diǎn)就開始發(fā)送包含節(jié)點(diǎn)本身位置信息的長(zhǎng)幀L-RTR消息， 即發(fā)起執(zhí)行數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)選?。?br> 若偵聽(tīng)到的0SI字段中包含COLLISION標(biāo)志的S-CTR消息，則各SM節(jié)點(diǎn)就以1/2 ' 的概率決定是否繼續(xù)執(zhí)行發(fā)送S-RTR消息；
一旦執(zhí)行發(fā)送，在S-RTR消息的0SI字段中應(yīng)包含表示繼續(xù)的CONTINUE標(biāo)志信息。
③ 正確偵聽(tīng)到S-RTR消息的OSI字段中包含CONTINUE標(biāo)志信息的節(jié)點(diǎn),若其在第一 個(gè)偵聽(tīng)時(shí)隙接收到正確的S-RTR消息，那么在隨后的一個(gè)控制時(shí)隙該節(jié)點(diǎn)就處于空閑狀 態(tài);若其在第一個(gè)控制時(shí)隙偵聽(tīng)的S-RTR消息碰撞，則在隨后的一個(gè)控制時(shí)隙該節(jié)點(diǎn)就發(fā) 送OSI中包含NORMAL信息，表示正常，即節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到正確的S-RTR標(biāo)志的S-CTR應(yīng)答消 息，同樣在發(fā)送前要先隨機(jī)偵聽(tīng)信道一定時(shí)間，只有信道空閑，才能發(fā)送；而之后偵聽(tīng) S-RTR消息又發(fā)生碰撞的節(jié)點(diǎn)，在其后的一個(gè)控制吋隙繼續(xù)通過(guò)偵聽(tīng)信道用OSI中包含 COLLISION標(biāo)志信息的S-CTR消息應(yīng)答；然后偵聽(tīng)到OSI中包含COLLISION標(biāo)志信息的-S-CTR消息的源節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)以1/2的概率決定是否執(zhí)行發(fā)送OSI中包含CONTIUNE標(biāo)志信 息的S-RTR消息,重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直至最后在兩跳范圍內(nèi)各SV,中僅有其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收 到OSI中包含NORMAL標(biāo)志信息的S-CTR消息，表明該節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功。
在上述過(guò)程中按1/2概率、沒(méi)有發(fā)送OSI中包含CONTINUE標(biāo)志信息的S-RTR消息的 節(jié)點(diǎn)，若在其后的一個(gè)控制時(shí)隙偵聽(tīng)到OSI中包含NORMAL或COLLISION標(biāo)志信息的S-CTR 消息,該節(jié)點(diǎn)就立即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài);若偵聽(tīng)到OSI中包含ANORMAL標(biāo)志信息的S-CTR消息， 該節(jié)點(diǎn)就繼續(xù)按1/2的概率決定是否執(zhí)行發(fā)送OSI中包含CONTINUE標(biāo)志信息的S-RTR消 息。
上述執(zhí)行過(guò)程中節(jié)點(diǎn)在發(fā)送消息前都要先隨機(jī)偵聽(tīng)信道一定時(shí)間，只有信道空閑， 才能發(fā)送信息，否則當(dāng)前時(shí)隙節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送信息。
數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)解決了數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中可能的隱藏終端問(wèn)題，其執(zhí)行過(guò)程受到 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的影響。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期7^,發(fā)生業(yè)務(wù)量的概率增大時(shí)， 為解決數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)時(shí)間就增加。但在監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，通常在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周
期r，節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)發(fā)生概率很低，這個(gè)階段的執(zhí)行時(shí)間很短。
步驟七，確定屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，并確定出所在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的分級(jí)數(shù)。參考圖5，基于選取朝著匯聚節(jié)點(diǎn)SINK方向前進(jìn)距離最大的節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)，減
少數(shù)據(jù)傳遞的跳數(shù)，從而減少時(shí)延。為此，首先作了如下定義
定義1，節(jié)點(diǎn)SV,的無(wú)線通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，稱為節(jié)點(diǎn)SV,的鄰居節(jié)點(diǎn)集合，用W,表示。
定義2，定義節(jié)點(diǎn)SM的任意一跳鄰居節(jié)點(diǎn)餅;朝著匯聚節(jié)點(diǎn)S/AK前進(jìn)的距離等
于匯聚節(jié)點(diǎn)57A^分別與節(jié)點(diǎn)SV,、 /2A^之間的歐氏距離//、 /)的標(biāo)量差，即-
定義3，在發(fā)送節(jié)點(diǎn)SV,的通信覆蓋范圍內(nèi)，朝著匯聚節(jié)點(diǎn)S/A^:前進(jìn)距離/;《大于0 的所有節(jié)點(diǎn)，稱為節(jié)點(diǎn)SV,轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)集合，用F&表示；節(jié)點(diǎn)SV,的鄰居集合^中 不屬于FS的節(jié)點(diǎn)，稱為節(jié)點(diǎn)^^非轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)集合，用AW,表示。
根據(jù)上述定義，偵聽(tīng)到L-RTR消息的節(jié)點(diǎn)，就能判斷節(jié)點(diǎn)是否屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā) 區(qū)域，首先計(jì)算其與發(fā)送節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離；若該節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的 歐氏距離大于同匯聚節(jié)點(diǎn)SINK之間的歐氏距離，則該節(jié)點(diǎn)在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域；相 反，節(jié)點(diǎn)屬于非轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而確定出屬于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。
圖5中以iVP-4為例給出了發(fā)送節(jié)點(diǎn)SA^轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的分級(jí)方法，圖5中，/^么、 /jA、 /^i分別表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)SV,四個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域4、 4、 4、 4朝著匯聚節(jié)點(diǎn)
sink前進(jìn)的最大距離，&、 &、 /么、/i分別是對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)sv,的四個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域4、 4、 ^、 ^距離匯聚節(jié)點(diǎn)SINK的歐氏距離最大值。在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的分級(jí)數(shù)為NP時(shí)，采用類似 的符號(hào)表示各區(qū)域及距離值。
為了確定節(jié)點(diǎn)所屬的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，根據(jù)圖5，節(jié)點(diǎn)S7^轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域覆蓋的面積fFF&為 『尸S, -2〖w flarccos((a2 +(/:)2 —i 2)/2a/;)cfe (6)
為了確保每級(jí)競(jìng)爭(zhēng)的公平性，假設(shè)節(jié)點(diǎn)SW,的每個(gè)分級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的平均節(jié)點(diǎn)數(shù)相同， 例如均為A，即l4'卜i^卜…H^^-A,由于WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布置滿足泊松分布，意味
著節(jié)點(diǎn)每個(gè)分級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域覆蓋的平均面積相同，所以從幾何關(guān)系上分析滿足下式<formula>formula see original document page 22</formula>
式(7)的積分按下列公式計(jì)算，從而確定各分級(jí)區(qū)域的/;大小。
2 f,arccos((a2 + /2 一 / 2)/2"卞。=arccos(: 廠)+ , arccos(,'卞^,-■"
(8)
D7 . ,/2+i 2-/"2、
利用式(8)得到的&、 /;、 ...、 將滿足/乂^/)</;,的分級(jí)區(qū)域與會(huì)
聚節(jié)點(diǎn)SINK的歐氏距離/j，確定為節(jié)點(diǎn)分級(jí)區(qū)域的第缺e[l,W尸])級(jí)。
步驟八，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，釆用長(zhǎng)偵的控制消息l-rtr和l-ctr交互過(guò)程，
競(jìng)爭(zhēng)選取朝著SINK前進(jìn)距離最大的節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)。參照?qǐng)D5，按照下列規(guī)則采用競(jìng)爭(zhēng)的方法選取接收節(jié)點(diǎn)-
規(guī)則I，只有屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)6W,的/^中的節(jié)點(diǎn)抓;,才能參與接收節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)，其它不屬于/^但屬于7^,的節(jié)點(diǎn),在開始選取接收節(jié)點(diǎn)時(shí)，立即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。
規(guī)則2 ,根據(jù)節(jié)點(diǎn)凡W前進(jìn)的距離/^、節(jié)點(diǎn)^^.同目標(biāo)節(jié)點(diǎn)57W《之間的距離/;,把中的所有節(jié)點(diǎn)分為iV尸個(gè)不同等級(jí)的節(jié)點(diǎn)集合4 、 4、 ...， ^w,,且
MH4卜…-K'I '則&《> m; >…> m;。這里>
k^,hw^,w-l,2,…，A^指的是4中的節(jié)點(diǎn)iW;朝著目標(biāo)S7MC節(jié)點(diǎn)前進(jìn)的距離W;比4中的節(jié)點(diǎn)iW;朝著目標(biāo)S/AW節(jié)點(diǎn)前進(jìn)的距離A《大，且與匯聚節(jié)點(diǎn)57WK之間
的距離更短，即區(qū)域4中的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最高，最早參與競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，^^中的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)最低,最后參與競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)。只有當(dāng)^中不存在節(jié)點(diǎn)時(shí)，^中的節(jié)點(diǎn)才參與競(jìng)爭(zhēng)。依
此類推,直至當(dāng)^、 <、 ...， 4^M區(qū)域中均沒(méi)有節(jié)點(diǎn)參與競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，^4,中的節(jié)點(diǎn)才參與競(jìng)爭(zhēng)。
根據(jù)上述規(guī)則，按下列方法采用長(zhǎng)幀l-rtr和l-ctr的控制信息交互方式，選取接
22收節(jié)點(diǎn)-
(1)若在4中存在節(jié)點(diǎn)，則^'中的所有節(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)到L-RTR之后，用包含自身位置信息RPI的L-CTR消息進(jìn)行應(yīng)答。
節(jié)點(diǎn)SW,根據(jù)偵聽(tīng)到的L-CTR消息是否發(fā)生碰撞,按下列過(guò)程執(zhí)行若偵聽(tīng)的L-CTR消息發(fā)生碰撞,節(jié)點(diǎn)SW,就發(fā)送在OSI字段中包含COLLISION標(biāo)志信息的L-RTR消息；
若偵聽(tīng)到正確的L-CTR消息,則接收節(jié)點(diǎn)選舉結(jié)束，節(jié)點(diǎn)SV,準(zhǔn)備在下一個(gè)時(shí)隙丌始發(fā)送數(shù)據(jù)。
(2) 若^中沒(méi)有節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)將偵聽(tīng)不到任何消息，則下一個(gè)時(shí)隙就發(fā)送在OSI字段中包含CONTINUE標(biāo)志信息的L-RTR消息，屬于^的節(jié)點(diǎn)就會(huì)偵聽(tīng)到該消息；^中偵聽(tīng)到在OSI字段中包含CONTINUE標(biāo)志信息L-RTR消息的節(jié)點(diǎn)，就以L-CTR應(yīng)答；接著節(jié)點(diǎn)SV,根據(jù)是否偵聽(tīng)到L-CTR消息,以及消息是否碰揸，按照^中存在節(jié)點(diǎn)情況下的操作過(guò)程執(zhí)行同樣的操作，直至節(jié)點(diǎn)SV,在最大個(gè)偵聽(tīng)時(shí)隙中都沒(méi)有偵聽(tīng)到任何消息，就放棄本次的數(shù)據(jù)傳輸。
(3) 若節(jié)點(diǎn)SV,在發(fā)送L-RTR之后,偵聽(tīng)到的L-CTR消息發(fā)生碰揸，則發(fā)送在OSI字段中包含COLLISION標(biāo)志信息的L-RTR消息;而對(duì)應(yīng)應(yīng)答L-CTR消息的節(jié)點(diǎn),偵聽(tīng)到在OSI中包含COLLISION標(biāo)志信息的L-RTR消息后,分別執(zhí)行二元碰撞分解算法,直至最后只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)答L-CTR消息,競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程結(jié)束。在同一個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成功的概率相等。
步驟九，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)多跳將數(shù)據(jù)傳遞給收集數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)^S腿。
數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)SM.在偵聽(tīng)到正確的L-CTR消息后,候選接收節(jié)點(diǎn)就確定了，ffl^就開始發(fā)送包含DATA的數(shù)據(jù)消息，并在數(shù)據(jù)消息的開始部分對(duì)接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答。在接收DATA期間，通過(guò)利用接收節(jié)點(diǎn)在喚醒信道發(fā)送忙音信號(hào)，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐鲎矄?wèn)題。數(shù)據(jù)傳輸完成后,接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK消息,確認(rèn)接收正確。
為了使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程盡可能保持連續(xù),在開始數(shù)據(jù)傳輸后,使競(jìng)爭(zhēng)成功的接收節(jié)點(diǎn)的喚醒信道始終發(fā)送忙音信號(hào)，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完成。
以上步驟三至步驟五完成網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)，步驟六至步驟九完成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集。
在執(zhí)行完上述所有步驟之后，接收數(shù)據(jù)的中繼節(jié)點(diǎn)成為新的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，按照上述步驟繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，直至把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給SINK匯聚節(jié)點(diǎn)。按照這種方式，
23REEGF實(shí)現(xiàn)了路由和MAC的有機(jī)結(jié)合，減少了控制丌銷和對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)存的要求。
本發(fā)明的效果通過(guò)以下仿真進(jìn)步說(shuō)明
1. 仿真內(nèi)容
為了驗(yàn)證本發(fā)明的性能，從以下三個(gè)方面進(jìn)行了仿真比較
一是在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的能效性和時(shí)延性隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)發(fā)生率的變化；
二是在不同網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期時(shí)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的能效性和時(shí)延性隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)發(fā)生率的變化；
三是對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗均衡性的仿真，其中網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的能效性是指隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的變化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的歸一化能量消耗；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的時(shí)延性是指隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)量的變化數(shù)據(jù)的多跳傳遞時(shí)延；能量消耗均衡性是指在一定時(shí)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗變化的一致性。
2. 仿真結(jié)果
本發(fā)明的仿真結(jié)果如圖6至圖10。
參照?qǐng)D6，在假定網(wǎng)絡(luò)布置節(jié)點(diǎn)密度為AW-5的情況下，給出了 7U，分別為5ms、10ms和20ms三種取值情況下，本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)歸一化能量消耗隨節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)發(fā)生率;i變化的理論和仿真結(jié)果，以及GeRaF的結(jié)來(lái)。圖6中TC為GeRaF的節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)周期，實(shí)線表示本發(fā)明和GeRaF在不同參數(shù)取值時(shí)的理論分析結(jié)果，虛線表示仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，且每種仿真結(jié)果都是在十種不同拓?fù)洳贾们闆r下得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均，其它仿真結(jié)果與此相同。由于這時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布置密度較低，設(shè)置^W-5，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期完全激活，確保局部的節(jié)點(diǎn)連通度和數(shù)據(jù)傳遞的可靠性。不難看出，本發(fā)明與GeRaF相比，在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載低時(shí)，兩者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)果比較吻合，而且本發(fā)明顯著地減少了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，且隨著義的增大，GeRaF的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)歸- -化能量消耗變化
很小，而本發(fā)明的能量消耗卻隨著;i的增大近似成線性增加；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載比較大時(shí)，本發(fā)明和GeRaF的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)歸一化能量消耗仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與理論分析的結(jié)果出現(xiàn)偏差，且隨;i的增大兩者間的能量消耗差別逐漸增大，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)飽和時(shí)節(jié)點(diǎn)的能量消耗趨于穩(wěn)
定。原因是理論分析假定網(wǎng)絡(luò)為輕負(fù)載，GeRaF中節(jié)點(diǎn)的周期睡眠/喚醒是隨機(jī)的，本
發(fā)明中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按概率同步偵聽(tīng)，以維持網(wǎng)絡(luò)局部節(jié)點(diǎn)的密度穩(wěn)定，所以隨著;i的進(jìn)一
步增大，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸趨于飽和和擁塞，GeRaF和本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗都趨于穩(wěn)定，且GeRaF比本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)能量消耗較早趨于穩(wěn)定。參照?qǐng)D7，在假定網(wǎng)絡(luò)布置節(jié)點(diǎn)密度為JViV-5的情況下，與圖6相對(duì)應(yīng)，給出了本發(fā)明的報(bào)文傳遞多跳時(shí)延隨;t變化的理論和仿真結(jié)果，以及GeRaF的結(jié)果。這里，報(bào)文傳遞多跳時(shí)延是指由位于網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域坐標(biāo)范圍(O,O)、 (0,10)、 (10,10)、 (10，0)所覆蓋區(qū)域
內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在不同參數(shù)情況下，隨;i的變化作為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)時(shí)，把數(shù)據(jù)傳遞到匯聚
節(jié)點(diǎn)SINK所使用的時(shí)問(wèn)，其它關(guān)亍多跳時(shí)延的仿真所使用的數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)和這里的相同。
不難看出，本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)多跳時(shí)延性能主要山7^決定，在;i較低時(shí)，理論分析與仿真結(jié)果基本一致，在A增大到使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí),仿真的結(jié)果比理論分析的逐漸增大，原
因與圖6中關(guān)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗的變化討論相同。
參照?qǐng)D8，在假定網(wǎng)絡(luò)布置節(jié)點(diǎn)密度AW-50的情況下，給出了本發(fā)明在7^分別為5ms、 10ms和20ms三種取值情況下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的歸一化能量消耗隨義變化的理論和仿真結(jié)'果，以及GeRaF的理論和仿真結(jié)果。不難看出，與GeRaF相比，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的情況下，本發(fā)明顯著地節(jié)省了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，而且與理論結(jié)果相吻合。這是由于本發(fā)明中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)釆用喚醒信道進(jìn)行周期偵聽(tīng)，大大減小了 GeRaF因采用主信道周期偵聽(tīng)時(shí)的占空比，同時(shí)減少了冗余節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)。而且隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，與網(wǎng)絡(luò)低密度布置時(shí)情況相同，理論和仿真結(jié)果也出現(xiàn)偏差，且節(jié)點(diǎn)能量消耗比網(wǎng)絡(luò)布置為低密度時(shí)的偏差變化的要顯著，除了上述原因之外，高密度時(shí)GeRaF引起碰撞增加，使得節(jié)點(diǎn)的能量消耗顯著地增大了。
參照?qǐng)D9，在假定網(wǎng)絡(luò)布置節(jié)點(diǎn)密度為iW-50的情況下，與圖8相對(duì)應(yīng)，給出了本發(fā)明的報(bào)文傳遞多跳時(shí)延隨義變化的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果，以及GeRaF的結(jié)果。由于這時(shí).網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的密度足夠大，在每個(gè)圖中分別給出了r卿三種取值情況下，JAW分別為20、50的數(shù)據(jù)傳遞多跳時(shí)延隨;i的變化關(guān)系。不難看出，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞多跳時(shí)延具有與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)歸一化能量消耗隨義的變化相類似的結(jié)果，在幾較低時(shí)，理論分析同仿真結(jié)果基本一致，在A增大到使網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí),仿真的結(jié)果比理論分析的顯著增大，原因與前面分析的相同。本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞多跳時(shí)延由于受網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期2^的影響，即使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度較低，但能確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本地連通度時(shí)，也可以通過(guò)控制"滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性的要求；在網(wǎng)絡(luò)布置密度足夠大時(shí)，本發(fā)明采用基于多跳能量消耗最小所確定的ANN與采用鄰節(jié)點(diǎn)完全喚醒偵聽(tīng)即ANN-NN相比，數(shù)據(jù)傳遞的多跳時(shí)延并沒(méi)有顯著變化。而對(duì)GeRaF,其數(shù)據(jù)傳遞的多跳時(shí)延受網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布置密度影響較大，為了保證時(shí)延，要求網(wǎng)絡(luò)的布置密度必須足夠大。
參照?qǐng)DIO，本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依賴于其剩余能量和鄰居節(jié)點(diǎn)的密度，確定節(jié)點(diǎn)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的信道偵聽(tīng)概率，能夠有效地平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而顯著地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。該圖是在本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置密度NN=50、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)周期j;,w為10ms,且每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期激活偵聽(tīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)平均數(shù)ANN-20、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的;i為0.0001時(shí)，從仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果中隨機(jī)抽取100個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的歸一化剩余能量分布情況，同時(shí)也給出了GeRaF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。不難看出，本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗更均衡。這主要是由于本發(fā)明中利用喚醒信道執(zhí)行偵聽(tīng)，節(jié)點(diǎn)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期以一定的概率發(fā)生偵聽(tīng)，且偵聽(tīng)信道概率的大小由節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)NN、期望的每周期激活偵聽(tīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)ANN、以及節(jié)點(diǎn)前一監(jiān)測(cè)階段的能量消耗所決定，從而能確保網(wǎng)絡(luò)的局部連通性，調(diào)整節(jié)點(diǎn)的能量消耗；而GeRaF是利用主信道周期偵聽(tīng)，節(jié)點(diǎn)周期偵聽(tīng)/睡眠的占空比大小受到數(shù)據(jù)傳遞時(shí)延、節(jié)點(diǎn)布置密度的約束，與本發(fā)明相比周期偵聽(tīng)/睡眠的占空比往往很大，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)空閑偵聽(tīng)消耗了大量的能量；另外，GeRaF對(duì)節(jié)點(diǎn)的周期偵聽(tīng)活動(dòng)不具有自調(diào)整的能力，節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)活動(dòng)并不依賴于節(jié)點(diǎn)的能量消耗和本地的鄰居節(jié)點(diǎn)密度，這樣就存在某些熱點(diǎn)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)能量很快耗盡的情況，從而使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)分割，大大縮短網(wǎng)絡(luò)的壽命。
權(quán)利要求
1. 一種適用于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，包括網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)步驟對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行更新；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)步驟將網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期；利用更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概率；根據(jù)偵聽(tīng)信道概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)；數(shù)據(jù)收集步驟根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送；根據(jù)偵聽(tīng)到忙音競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收；經(jīng)多跳將數(shù)據(jù)傳遞給收集數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)SINK。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中網(wǎng)絡(luò)自維護(hù)步驟所述的對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行更新，按 如下步驟進(jìn)行(2a)利用現(xiàn)有的WSNs同步算法，通過(guò)執(zhí)行發(fā)送者與-接收者的成對(duì)節(jié)點(diǎn)同歩通信， 在發(fā)送和接收的同歩報(bào)文中附帶上節(jié)點(diǎn)的位覽信息，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步；(2b)利用同歩報(bào)文中的節(jié)點(diǎn)位置信息，識(shí)別不同的鄰居節(jié)點(diǎn)，以獲取節(jié)點(diǎn)的一跳鄰 居節(jié)點(diǎn)密度AW，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)局部網(wǎng)絡(luò)信息的更新。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)步驟 所述的將監(jiān)測(cè)階段網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期，按如下歩驟進(jìn)行(3a)利用節(jié)點(diǎn)最初獲得的一次監(jiān)測(cè)工作時(shí)間、數(shù)據(jù)每跳平均時(shí)延，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周 期為數(shù)據(jù)每跳平均時(shí)延；(3b)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期，把一次監(jiān)測(cè)工作時(shí)間分割為網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的整數(shù)倍，以滿足 數(shù)據(jù)收集的多跳平均時(shí)延要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)步驟 所述的利用更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概率，按如下歩驟進(jìn)行(4a)利用下式計(jì)算監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗￡ :<formula>formula see original document page 2</formula>式中，歷;f監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間是網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的整數(shù)倍數(shù)，p"是節(jié)點(diǎn)w前一監(jiān)測(cè)階 段的偵聽(tīng)信道概率，p",在網(wǎng)絡(luò)初次執(zhí)行監(jiān)測(cè)工作時(shí)為1, A,是節(jié)點(diǎn)v,處于偵聽(tīng)狀態(tài)的功 率消耗；Tw是偵聽(tīng)時(shí)間；(4b)利用下式計(jì)算節(jié)點(diǎn)v,的能量消耗A&:A￡v, = ￡"?！鍁,式中，五o是節(jié)點(diǎn)上一次開始監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)的初始能量，是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在初次啟動(dòng)工作時(shí)，設(shè)置節(jié)點(diǎn)的能量消耗A&,為監(jiān)測(cè)階段的最小平均能量消耗^,;(4c)利用下式計(jì)算能量調(diào)節(jié)系數(shù)a:^ L瑪，式中，力AW是節(jié)點(diǎn)W在每網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期激活偵聽(tīng)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，iV隊(duì)是v,節(jié)點(diǎn)局 部網(wǎng)絡(luò)更新信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)步驟所述的根據(jù)偵聽(tīng)信道概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)，按如下歩驟進(jìn)行-(5a)對(duì)于沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期TU.的開始，節(jié)點(diǎn)根據(jù)偵聽(tīng)信道概率i^,發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，若發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，且在偵聽(tīng)時(shí)間:nw結(jié)束時(shí)偵聽(tīng)到忙音信號(hào),則節(jié)點(diǎn)立即喚醒其主信道；若發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，且在偵聽(tīng)時(shí)間7;,結(jié)束時(shí)沒(méi)有偵聽(tīng)到忙音信號(hào)，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若沒(méi)有發(fā)生對(duì)信道的忙音偵聽(tīng)，則節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)；(5b)對(duì)于節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，則節(jié)點(diǎn)立即開始對(duì)兩個(gè)信道進(jìn)行偵聽(tīng)；(5c)對(duì)于睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期結(jié)束時(shí)，重復(fù)執(zhí)行歩驟(5a)或步驟(5b),直至網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)階段工作時(shí)間結(jié)束時(shí)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均處于激活狀態(tài)，并開始執(zhí)行自維護(hù)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中數(shù)據(jù)收集歩驟所述的根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送，按如下歩驟進(jìn)行-(6a)當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)立即偵聽(tīng)主信道和喚醒信道，并根據(jù)偵聽(tīng)結(jié)果執(zhí)行不同的操作若節(jié)點(diǎn)在主信道和喚醒信道的偵聽(tīng)都沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，則節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送忙音信號(hào)；若節(jié)點(diǎn)的主信道偵聽(tīng)到消息，無(wú)論節(jié)點(diǎn)的喚醒信道是否偵聽(tīng)到忙音，則節(jié)點(diǎn)立(4d)利用下式計(jì)算偵聽(tīng)信道概率戶爿層 肌即睡眠；若節(jié)點(diǎn)的主信道沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，而喚醒信道偵聽(tīng)到忙音，則節(jié)點(diǎn)主信道喚醒；(6b)當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送忙音直至當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期的偵聽(tīng)時(shí)間7;,結(jié)束后，競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)；.若競(jìng)爭(zhēng)成功，就發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，就進(jìn)入睡眠狀態(tài)；(6c)對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送數(shù)據(jù)成功的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)一跳鄰居節(jié)點(diǎn)所在的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域位置，采用 競(jìng)爭(zhēng)選取朝著SINK前進(jìn)距離最大的節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)；(6d)對(duì)于成功選取接收節(jié)點(diǎn)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)消息，偵聽(tīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)接收的ACK消息，并重發(fā)數(shù)據(jù)或進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中歩驟(6b)所述的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，按如下歩驟進(jìn)行-(7a)節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期偵聽(tīng)時(shí)間Z;v結(jié)束后，節(jié)點(diǎn)主信道在第一個(gè)控制時(shí)隙發(fā)送請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)的短偵S-RTR消息，在之后的一個(gè)時(shí)隙里，節(jié)點(diǎn)主信道先偵聽(tīng)消息，再根據(jù)偵聽(tīng)的結(jié)果在下一個(gè)時(shí)隙按照是否有偵聽(tīng)到消息而執(zhí)行節(jié)點(diǎn)發(fā)送若節(jié)點(diǎn)主信道'沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，則競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)；若節(jié)點(diǎn)主信道偵聽(tīng)到S-CTR消息，則節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙以0.5的概率執(zhí)行發(fā)送S-RTR消息；(7b)若節(jié)點(diǎn)按0.5的概率發(fā)送了 S-RTR消息，則節(jié)點(diǎn)在其后一個(gè)時(shí)隙執(zhí)行主信道 偵聽(tīng)，若偵聽(tīng)到的S-CTR消息中包含有表示碰撞標(biāo)志的COLLISION信息，則節(jié)點(diǎn)在下 一個(gè)時(shí)隙繼續(xù)以0.5的概率去執(zhí)行發(fā)送S-RTR消息的操作，并重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至節(jié)點(diǎn)偵 聽(tīng)到的S-CTR消息中包含表示正常標(biāo)志的NORMAL信息，表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功；(7c)若節(jié)點(diǎn)按0.5的概率沒(méi)有發(fā)送S-RTR消息，若偵聽(tīng)到的S-CTR消息中包含有 NORMAL信息或COLLISION信息，則節(jié)點(diǎn)立即退出競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)；若 偵聽(tīng)的S-CTR消息中包含有表示異常標(biāo)志的ANORMAL信息，則節(jié)點(diǎn)繼續(xù)按0.5的概率 去執(zhí)行發(fā)送S-RTR消息的操作，并按照步驟(7b)和步驟(7c)的重復(fù)執(zhí)行，直至節(jié)點(diǎn) 競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功或進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中歩驟(6c)所述的采用競(jìng)爭(zhēng)選取朝著SINK前進(jìn)距離最大的節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)，按如下步驟進(jìn)行 (8a)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送成功的節(jié)點(diǎn)發(fā)送長(zhǎng)偵消息L-RTR;(8b)節(jié)點(diǎn)主信道在下一個(gè)時(shí)隙偵聽(tīng)信道，若沒(méi)有偵聽(tīng)到消息，則節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙 繼續(xù)發(fā)送長(zhǎng)偵消息L-RTR;若偵聽(tīng)到L-CTR消息，則選取發(fā)送該消息的節(jié)點(diǎn)為接收節(jié)點(diǎn)； 若偵聽(tīng)到的消息發(fā)生L-CTR碰撞，則在下一個(gè)時(shí)隙節(jié)點(diǎn)繼續(xù)發(fā)送L-RTR消息；(8c)根據(jù)偵聽(tīng)的結(jié)果，重復(fù)歩驟(8b)的過(guò)程，直至連續(xù)最大NP個(gè)偵聽(tīng)時(shí)隙節(jié)點(diǎn).都沒(méi)有偵聽(tīng)到任何消息，則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中數(shù)據(jù)收集歩驟所述的根據(jù)偵聽(tīng)到忙音競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收，按如下歩驟進(jìn)行(9a)喚醒信道偵聽(tīng)到忙音的節(jié)點(diǎn)，立即喚醒其主信道，根據(jù)主信道的偵聽(tīng)結(jié)果，采用短偵的控制消息交互，競(jìng)爭(zhēng)后選接收節(jié)點(diǎn)；(9b)競(jìng)爭(zhēng)候選接收成功的節(jié)點(diǎn)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置，確定屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，并確定出所在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的分級(jí)數(shù)；(9c)屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，釆用長(zhǎng)偵的控制消息交互，競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)； (9d)競(jìng)爭(zhēng)接收成功的節(jié)點(diǎn)，丌始接收數(shù)據(jù)DATA消息，若接收數(shù)據(jù)消息正確，則 發(fā)送確認(rèn)的ACK消息，否則發(fā)送數(shù)據(jù)異常消息，請(qǐng)求重發(fā)數(shù)據(jù)，并重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直至 達(dá)到設(shè)定的最大重傳次數(shù)，對(duì)于達(dá)到最大重傳次數(shù)而仍沒(méi)有接收到正確的數(shù)據(jù)消息，則 節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；(9e)接收到正確數(shù)據(jù)消息的節(jié)點(diǎn)，在發(fā)送確認(rèn)消息之后，就成為新的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié) 點(diǎn)，按照前述競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的同樣過(guò)程繼續(xù)朝著匯聚節(jié)點(diǎn)SINK傳遞所要發(fā)送的數(shù)據(jù)消 息，直至匯聚節(jié)點(diǎn)SINK在數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域內(nèi)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接把數(shù)據(jù)傳遞給匯 聚節(jié)點(diǎn)SINK,完成數(shù)據(jù)的多跳傳遞，實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)SINK的數(shù)據(jù)收集。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中步驟(9a)所述的采用短偵的控制消息交互，競(jìng)爭(zhēng)后選接收節(jié)點(diǎn)，按如下歩驟進(jìn)行--(10a)喚醒信道偵聽(tīng)到忙音的節(jié)點(diǎn)，若節(jié)點(diǎn)主信道在第一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)隙偵聽(tīng)到短偵S-RTR消息，則在下一個(gè)時(shí)隙空閑，并準(zhǔn)備競(jìng)爭(zhēng)后選接收節(jié)點(diǎn)；若節(jié)點(diǎn)主信道在第一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)隙偵聽(tīng)的消息發(fā)生S-RTR消息碰撞，則節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送短偵S-CTR消息；(10b)在隨后的主信道偵聽(tīng)時(shí)隙，若偵聽(tīng)的消息發(fā)生S-RTR消息碰撞，則繼續(xù)在 下一個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送S-CTR消息；若偵聽(tīng)到S-RTR消息，且節(jié)點(diǎn)在前一個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送 了S-CTR消息，則節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)發(fā)送時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送短偵S-CTR消息；若節(jié)點(diǎn)連續(xù)兩個(gè)偵 聽(tīng)時(shí)隙都沒(méi)有偵聽(tīng)到任何消息，則節(jié)點(diǎn)立即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，否則繼續(xù)空閑偵聽(tīng)；UOc)節(jié)點(diǎn)在隨后的時(shí)隙根據(jù)偵聽(tīng)的消息繼續(xù)按歩驟(10b)執(zhí)行，直至節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng) 后選接收節(jié)點(diǎn)成功，否則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中歩驟(％)所述的確定屬于發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，并確定出所在轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的分級(jí)數(shù)，按如下步 驟進(jìn)行(lla)偵聽(tīng)到L-RTR消息的節(jié)點(diǎn)，首先計(jì)算其與發(fā)送節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距 離；若該節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離大于同匯聚節(jié)點(diǎn)之間的歐氏距離，則該節(jié)點(diǎn)在 發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域；相反，節(jié)點(diǎn)屬于非轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)；(lib)屬于轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，利用下式計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的面積『尸&:= 2f' aarccos((。2 + -i 2)/24,)da J/"-/' vv 〃 /式中，^,是發(fā)送節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)SINK間的歐氏距離，i 是節(jié)點(diǎn)的通信半徑，a是積分變量；Ulc)用/二,、、…、/二_、 /;分別表示發(fā)送節(jié)點(diǎn)W,的W尸個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域4'、 4、…、4-,、 4與匯聚節(jié)點(diǎn)SINK之間的的歐氏距離最大值，并令/; 按照發(fā)送節(jié)點(diǎn)每個(gè)分級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域的平均節(jié)點(diǎn)數(shù)相同原則，用下式計(jì)算每個(gè)分級(jí)區(qū)域與匯聚節(jié)點(diǎn)SINK之間的歐氏距離最大值2f1,cos(("2 +(/;,)2 —"/2《)cfo'/W"—K \、 〃 /=2 f12 aarccos((。2 + )2 — W)/2《、，)由=…=2〖翁carccos ((W + (/;,, )2 — )/2《、 )必(lld)將滿足/二 ^/).</^的分級(jí)區(qū)域與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)SINK的歐氏距離/j,確定為節(jié)點(diǎn)分級(jí)區(qū)域的第維e[l,7V尸])級(jí)。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，其中歩驟(9c)所 述的發(fā)送節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域節(jié)點(diǎn)，采用長(zhǎng)偵的控制消息交互，競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn),按如下歩驟進(jìn) 行(12a)偵聽(tīng)到L-RTR消息的節(jié)點(diǎn)，若屬于最高級(jí)數(shù)^區(qū)域，則在隨后的時(shí)隙發(fā)送長(zhǎng)偵L-CTR消息；若不屬于4'區(qū)域，則在隨后的時(shí)隙節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)；所有屬于轉(zhuǎn)發(fā) 區(qū)域的節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙處于偵聽(tīng)狀態(tài)；(12b)若偵聽(tīng)到L-RTR消息，且節(jié)點(diǎn)屬于^區(qū)域，則該節(jié)點(diǎn)為接收節(jié)點(diǎn)；若節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)的L-RTR消息中包含有表示碰撞的COLLISION信息，且屬于力(區(qū)域，則節(jié)點(diǎn)以0.5 的概率發(fā)送L-CTR消息；若節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)的L-RTR消息中包含有表示繼續(xù)的CONTINUE信息，表示^區(qū)域中不存在節(jié)點(diǎn)，則^區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙發(fā)送L-CTR消息，而其它更低級(jí)別區(qū)域^直到中的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài)；若不屬于4'區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)，偵聽(tīng)到L-RTR消息或包含有表示碰撞COLLISION信息的L-RTR消息，則立即進(jìn)入睡眠 狀態(tài)；(12c)在隨后的偵聽(tīng)時(shí)隙，若4'中的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)偵聽(tīng)到L-RTR消息中包含有表示碰 撞的COLLISION信息，則在之后的時(shí)隙節(jié)點(diǎn)繼續(xù)以0.5的概率發(fā)送L-CTR消息；若4'中的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)偵聽(tīng)的L-RTR消息中不包含COLLISION信息，且包含有其節(jié)點(diǎn)的位置信息， 則節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)成功，而其它偵聽(tīng)到該消息的節(jié)點(diǎn)立即轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；(12d)若節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到包含CONTINUE標(biāo)志信息的L-RTR，則屬于^區(qū)域且偵聽(tīng)到L-RTR消息的節(jié)點(diǎn)，為接收節(jié)點(diǎn)；若屬于^區(qū)域，且偵聽(tīng)的L-RTR消息中包含有表示碰 撞COLLISION信息的節(jié)點(diǎn)，將以0.5的概率在下一個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送L-CTR消息，并繼 續(xù)偵聽(tīng)信道；若節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)的L-RTR消息中包含有表示繼續(xù)的CONTINUE信息，則屬于^區(qū)域的節(jié)點(diǎn)下一個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送C-RTR消息，而其它更低級(jí)別區(qū)域從4i直到A,中的節(jié)點(diǎn)則繼續(xù)處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài)；若不屬于4區(qū)域中的節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到L-RTR消息或包含有表示碰撞COLLISION信息的L-RTR消息，則節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)；U2e)按照步驟(12d)的過(guò)程重復(fù)執(zhí)行，直至最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)成為接收節(jié)點(diǎn)， 如果在發(fā)送節(jié)點(diǎn)連續(xù)NP個(gè)發(fā)送時(shí)隙發(fā)送L-RTR消息后都沒(méi)有節(jié)點(diǎn)應(yīng)答，則轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)域沒(méi) 有接收節(jié)點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集方法，它屬于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，主要解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的能效性低、時(shí)延性大和網(wǎng)絡(luò)壽命短的問(wèn)題。其數(shù)據(jù)收集步驟為對(duì)本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)鐘同步，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的局部網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行更新；將網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間劃分為若干個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期；利用更新后的局部網(wǎng)絡(luò)信息，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)信道概率；根據(jù)偵聽(tīng)信道概率在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)偵聽(tīng)周期執(zhí)行偵聽(tīng)；根據(jù)發(fā)生數(shù)據(jù)發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送；根據(jù)偵聽(tīng)到忙音競(jìng)爭(zhēng)接收節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行數(shù)據(jù)接收；經(jīng)多跳將數(shù)據(jù)傳遞給收集數(shù)據(jù)的匯聚節(jié)點(diǎn)SINK。本發(fā)明具有數(shù)據(jù)收集及時(shí)、節(jié)點(diǎn)能效性高和擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)突發(fā)事件大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息收集。
文檔編號(hào)H04W84/18GK101466161SQ200910020849
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月8日
發(fā)明者周志立, 李建東, 李紅艷, 媛 賈, 鄭國(guó)強(qiáng) 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)