專利名稱：一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法
技術領域：
無線傳感網絡系統(tǒng)的技術領域，解決在網絡低能耗情況下的節(jié)點同步機制。
背景技術：
無線傳感網絡是由很多節(jié)點通過無線射頻方式彼此通信的網絡結構。每個節(jié)點一般由傳 感單元、處理單元，以及通信單元組成，也有部分節(jié)點具有控制外部機械系統(tǒng)或電氣系統(tǒng)的 控制單元。傳感部分主要的任務是將需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過一定的模式讀入節(jié)點。通信單元是 射頻模塊，負責在各個節(jié)點間建立統(tǒng)一的通信通道并相互通信。處理單元負責處理傳感器接 收到的數(shù)據(jù)，也負責處理通信單元的數(shù)據(jù)。處理單元同時也協(xié)調節(jié)點上各個功能單元的協(xié)同。
無線傳感網絡在過去的十多年在學術界研究很深入。近年來，隨著各種標準機構的推廣 和政府部門的支持，工業(yè)方面的應用正在如火如荼的展開。盡管如此，目前無線傳感網絡仍 然沒有被市場廣泛采用。究其原因，其屮最重要的一個問題是能耗問題始終沒有有效的解決 方案。無線傳感網絡的能耗是指各個節(jié)點的能耗。 一般來說，要使無線傳感節(jié)點之間能真正 的實現(xiàn)無線連接，他們之間就不可能存在電源線，因而電池供電是根本的方式。因為電池容 量有限，節(jié)點在工作狀態(tài)的能耗就極大地影響節(jié)點的壽命。目前一般工業(yè)無線傳感產品的節(jié) 點耗能在幾十毫安量級?？紤]到電池的容量一般在幾百到幾千毫安時，無線傳感節(jié)點一般只 能處于工作狀態(tài)幾十個小時。對于無線傳感網絡要解決的多數(shù)問題，這么短的壽命是不能被 市場接受的。
解決無線傳感網絡的壽命問題常用的方法是讓傳感節(jié)點多數(shù)時間處于睡眠狀態(tài)，在需要 的時候才蘇醒。目前微電子技術的發(fā)展，使得節(jié)點在睡眠時的能耗可以控制在幾個到幾十個 微安，有時候甚至可以做到零點幾個微安。假設傳感器的節(jié)點的工作周期占整個生命周期的 千分之幾，節(jié)點的壽命就可以達到幾年。市場就可以接受這種解決方案。
讓節(jié)點在多數(shù)時間處于睡眠狀態(tài)，對無線傳感網絡來說是個理想狀態(tài)。無線傳感網絡的 連接是通過射頻無線方式。跟有線連接不同的是， 一個處于信息發(fā)送端的節(jié)點不能通過通信 媒體喚醒目的節(jié)點。目的節(jié)點必須在信息到來之前蘇醒，打開射頻收發(fā)器并使之處于接收狀 態(tài)。從而，此類無線傳感網絡的一個根本的通信問題就是目的節(jié)點和源節(jié)點的同步蘇醒。一 方面因為發(fā)送節(jié)點的事件觸發(fā)具有隨機性，另一方面由于晶振漂移的不確定性，節(jié)點之間的 同步問題就變得復雜。
為了解決同步的問題，當前比較成熟的算法是允許處于網絡終端的節(jié)點保持短工作周期、
4長時間處于睡眠狀態(tài)，而強制具有路由器作用的節(jié)點處于常醒常聽模式。這樣，終端節(jié)點每 次醒來后可以自由和網絡進行信息交換。終端節(jié)點因為可以保持很低的工作周期而維持低能 耗，長壽命。對于一些應用，比如有條件給路由器提供常電，但對終端節(jié)點的壽命要求很高， 這個算法實行起來非常有效。然而，這其中的問題是路由節(jié)點不能進入睡眠狀態(tài)省電，因而 不得不用市電或者其他無窮能量的供電方式。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的問題是，無線傳感網絡的所有節(jié)點，包括路由節(jié)點，都可以進入睡眠 狀態(tài)，保持低功耗。通過本發(fā)明所闡述的算法原則，盡管所有節(jié)點都在多數(shù)時間里處于睡眠 狀態(tài)，他們仍然可以同步地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，完成網絡功能。
一種無線傳感網絡由有限規(guī)模的網絡節(jié)點組成。這些節(jié)點可以通過功能劃分為，同步器、 路由器、和終端節(jié)點。同步器是網絡中的能夠發(fā)送起始同步幀的節(jié)點。路由器是網絡中能夠 對信息進行轉發(fā)功能的節(jié)點。終端節(jié)點是網絡中可以收發(fā)信息但是不做信息轉發(fā)的節(jié)點。因 為是通過功能劃分，同步器可以是獨立的專用節(jié)點或者由別的普通節(jié)點代理。
該無線傳感網絡的同步器負責周期性的發(fā)送網絡同步幀到網絡中；該同步幀通過路由器 的逐級轉發(fā)，逐漸被網絡中的所有節(jié)點接收到；網絡中的節(jié)點通過同步幀的接收時間和幀內 包含的信息計算網絡時鐘，達到與全網絡的時鐘同步。
網絡中的路由器不僅通過同步幀與網絡達到時鐘同步，而且需要將同步幀轉發(fā)到其周圍 的節(jié)點。路由器的工作流程包括如下步驟路由器睡眠蘇醒，打開射頻接收器等待同步幀； 收到同步幀后，如果是新的同步幀，就更新同步幀，并轉發(fā)，如果不是新的同步幀，就拋棄； 然后路由器校準自身時鐘，開始正常網絡任務；完成通信后計算睡眠時間，設定喚醒時鐘， 開始睡眠。路由器在轉發(fā)同步幀時使用CSMA算法訪問信道，以避免與鄰近路由器發(fā)生信息碰 撞。
網絡中的同步幀包括如下內容幀在所有節(jié)點中的滯留時間、幀經過的路由器數(shù)目、幀
在所有路由器節(jié)點中傳送時的CSMA避讓時間片數(shù)目以及同步幀序列號。
網絡中的節(jié)點總是處于周期性的睡眠狀態(tài)。在絕大多數(shù)的時間里，他們總是處于睡眠狀 態(tài)。盡管網絡中的節(jié)點進入睡眠的時間可能有所不同，他們總是同時蘇醒，完成工作。網絡 在蘇醒狀態(tài)的工作流程如下-
步驟一節(jié)點睡眠周期結束而蘇醒，除同步器外，所有節(jié)點進入射頻接收狀態(tài)；
步驟二網絡中的同步器構造并發(fā)送同步幀到全網絡；
步驟三處于同步器周圍的節(jié)點在收到同步幀后，記錄接收時間；其中路由器更新同步幀內容并轉發(fā)新幀到網絡中；同步幀在網絡中以這種方式逐級擴散，直到到達每個節(jié)點； 步驟四網絡中的所有節(jié)點收到同步幀，開始正常通信；
步驟五各個節(jié)點完成通信并等待一定時間段后，確認通信結束，準備進入睡眠；節(jié)點 利用同步幀的信息計算此次睡眠時間，設置睡眠時鐘，進入睡眠； 步驟六網絡處于睡眠狀態(tài)，等待下次蘇醒。
節(jié)點在每次蘇醒后試圖接收同步幀，在沒有收到同步幀之前不做數(shù)據(jù)通信。如果節(jié)點在 設定等待時間內沒有收到同步幀，節(jié)點將縮短睡眠時間，睡眠時間的縮短幅度與節(jié)點丟失同 步幀的周期數(shù)成正比，直到同步幀被再次接收到。


圖1是本發(fā)明所描述的無線傳感網絡的節(jié)點示意圖 圖2是本發(fā)明中同步器的工作流程示意圖 圖3是本發(fā)明中路由器的工作流程示意圖 圖4是本發(fā)明中終端節(jié)點的工作流程示意圖 圖5是本發(fā)明中無線傳感網絡的同步幀結構示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
一個無線網絡中存在多個節(jié)點。如圖1所示。這些節(jié)點可以通過功能劃分為，同步器， 路由器，和終端節(jié)點。同步器是網絡中的能夠發(fā)送起始同步幀的節(jié)點。路由器是網絡中能夠 對信息進行轉發(fā)功能的節(jié)點。終端節(jié)點是網絡中可以收發(fā)信息但是不做信息轉發(fā)的節(jié)點。因 為是通過功能劃分，同步器可以是獨立的專用節(jié)點或者由別的普通節(jié)點代理。
因為當前晶振的生產技術非常成熟，我們可以假定在一個無線傳感網絡中，各個節(jié)點的 晶振漂移可以被控制在有限范圍，是有限值，比如40ppm。對于網絡中任意兩個節(jié)點，他們 在睡眠周期結束的時候，時鐘的差別可以據(jù)此被評估并確定在特定的范圍內。這個誤差值在 計算節(jié)點的睡眠時間時被扣除，因而可以確保兩個節(jié)點不會因此丟失同步狀態(tài)。
同一網絡中的節(jié)點可能分組，各組間分別使用不同的睡眠周期。為簡化起見，我們先考 慮一個網絡中的所有節(jié)點都按照同一固定周期工作，即節(jié)點總是處于工作狀態(tài)或者睡眠狀態(tài)， 工作時間和睡眠時間之和是一個固定值。為了各個節(jié)點能夠達到同步，所有節(jié)點都將網絡中 同步器的時鐘當作參考時鐘。在每次從睡眠狀態(tài)轉為工作狀態(tài)后，每個節(jié)點需要獲取同步器 的時鐘，下次睡眠時間是基于同步器的時鐘而不是自身的時鐘。這樣，網絡節(jié)點可以基本實現(xiàn)同時工作同時睡眠的理想狀態(tài)。
節(jié)點每次從睡眠中醒來后通過下面的方法獲取同步器的時鐘。同步器在發(fā)送同步幀的時 刻直接構造并發(fā)送同步幀。其工作流程如圖2所示。網絡中的其它節(jié)點每次睡眠結束蘇醒后 打開接收器等待同步幀。同步器的鄰近節(jié)點可以直接拿到同步器的同步幀，可以據(jù)此計算同 步器的時鐘信息。如果同步器的鄰近節(jié)點是路由器，它還需要轉發(fā)同步幀。在轉發(fā)之前，路 由器根據(jù)它自身的處理延時更新同步幀的內容。與它鄰近的節(jié)點可以收到更新后的同步幀。 路由器的工作流程如圖3所示。同步幀經由同樣的原則逐漸外延，到達網絡中的所有節(jié)點。 網絡的終端節(jié)點在收到同步幀后，和路由器一樣需要計算同步器的時鐘，不同的是，終端節(jié) 點并不需要轉發(fā)同步幀。終端節(jié)點處理流程如圖4所示。圖3和圖4中Twork是網絡中的節(jié) 點一次睡眠蘇醒后的預定工作時間，Tsle印是睡眠周期，Tadj是節(jié)點晶振漂移和本次蘇醒總 工作時間之和。
路由器在轉發(fā)同步幀時要使用CSMA算法。如果信道不空，路由器隨機避讓幾個時間片 (slots)，然后進行下一次偵聽。在每次避讓的時間片確定后，節(jié)點要對同步幀的特定域進 行更新，從而確保同步幀的信息域準確。如果信道為空就發(fā)送幀到信道里。
如果節(jié)點在等待了 3倍Twork時間仍然沒有接收到同步幀，節(jié)點將縮短睡眠周期，準備 下次睡眠。其睡眠縮短值為3倍的Twork再乘以沒有收到同步幀的總失敗周期數(shù)。此一過程 繼續(xù)直到同步幀被收到為止。
同步幀的信息域由以下幾個部分組成。如圖5所示，同步幀序列號，幀在節(jié)點中的滯留 時間，幀經過的路由器數(shù)目，以及幀在所有路由器節(jié)點中傳送時的CSMA避讓時間片數(shù)目。同 步幀的序列號是由同步器決定的。同步器內部儲存一個序列號計數(shù)器，每次發(fā)送同步幀之前， 同步器將計數(shù)器增l。如果計數(shù)器達到最大值，下次置它為0。同步幀的序列號在幀轉發(fā)過程 中一律保持不變。網絡中的節(jié)點通過同步幀的序列號確定是否首次收到此幀。如果單一同步 幀被某個節(jié)點多次收到，只有第一次收到的幀被執(zhí)行預定的操作，其余被遺棄。這樣就避免 了網絡中同步幀被反復轉發(fā)。
幀的滯留時間域用來記錄同步幀在每個節(jié)點中因為各種原因滯留的時間。比如同步器的 處理時間，射頻單元傳送延時，接收節(jié)點的射頻單元接收延時，接收節(jié)點的處理時間等。
幀的路由器數(shù)目域在每個路由器中被增1。節(jié)點在收到一個同步幀后，可以通過這個域判 別此幀在信道中被傳送的次數(shù)，即此域中的數(shù)字加一。在我們的算法中，同步幀具有固定格 式。網絡中的通信速率是固定的，因而一個幀在空中的傳輸時間就可以用幀長度和通信速率 計算出來。幀的CSMA避讓時間片數(shù)由路由器根據(jù)每次發(fā)送的實際情況更新。接收節(jié)點通過這個數(shù)據(jù) 和時間片的長度計算因為信道繁忙造成的幀延時。
接收節(jié)點在收到同步幀之后，利用幀中提供的數(shù)據(jù)對同步幀經歷的延時進行計算。因為 各個節(jié)點按照固定周期工作，接收節(jié)點通過幀的延時以及接收時刻準確計算出同步器下次發(fā) 送同步幀的時刻。在網絡中的節(jié)點完成正常的網絡任務后，節(jié)點重新回到睡眠狀態(tài)。睡眠的 時間長度由同步器下次發(fā)送同步幀時刻來計算。
對于那些各個節(jié)點按照不同睡眠周期工作的無線網絡，我們可以通過節(jié)點的睡眠周期把 網絡分割為若干組。因為組之間要相互通信，有些節(jié)點可以遵循多個組的睡眠周期，為組間 做數(shù)據(jù)轉發(fā)。特別是同步器，需要服務每個組。每個組分別適用我們的算法。
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權利要求
1、一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于該無線傳感網絡中存在一個稱為同步器的節(jié)點，負責周期性的發(fā)送網絡同步幀到網絡中；該同步幀通過路由器的逐級轉發(fā)，逐漸被網絡中的所有節(jié)點收到；網絡中的節(jié)點通過同步幀的接收時間和幀內包含的信息計算網絡時鐘，達到與全網絡的時鐘同步。
2、 根據(jù)權利要求1中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于該網絡所有 由電池供電的節(jié)點周期性的進入睡眠狀態(tài)，所說的節(jié)點根據(jù)下述的方式工作睡眠一段時間 后蘇醒，工作一段時間后進入下次睡眠，然后再蘇醒，再睡眠，周而復始。
3、 根據(jù)權利要求]中所說的1中無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于網絡中的節(jié) 點按照一定的周期同時丌始工作，網絡工作流程包含如下步驟步驟一節(jié)點睡眠周期結束而蘇醒，除同步器外，所有節(jié)點進入射頻接收狀態(tài)；歩驟二網絡中的同步器構造并發(fā)送同步幀到全M絡；步驟三處于同歩器周圍的節(jié)點在收到同步幀后，記錄接收時間；其中路由器更新同歩 幀內容并轉發(fā)新幀到網絡中；同歩幀在網絡中以這種方式逐級擴散，直到到達每個節(jié)點；步驟四M絡中的所有節(jié)點收到同步幀，開始正常通信；步驟五各個節(jié)點完成通信并等待一定時間段后，確認通信結束，準備進入睡眠；節(jié)點 利用同步幀的信息計算此次睡眠時間，設置睡眠時鐘，進入睡眠； 歩驟六網絡處于睡眠狀態(tài)，等待下次蘇醒。
4、 根據(jù)權利要求l中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于同步幀包括 如下內容幀在所有節(jié)點中的滯留時間、幀經過的路由器數(shù)目、幀在所有路由器節(jié)點中傳送時的CSMA避讓時間片數(shù)目以及同步幀序列號。
5、 根據(jù)權利要求l中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于網絡中的路 由器不僅通過同步幀與網絡達到時鐘同步，而且需要將同歩幀轉發(fā)到其周圍的節(jié)點；路由器 的工作流程包括如下歩驟路由器睡眠蘇醒，打開射頻接收器等待同步幀收到同步幀后， 如果是新的同步幀，就更新同步幀，并轉發(fā)，如果不是新的同步幀，就拋棄；然后路由器校 準自身時鐘，丌始正常網絡任務；完成通信后計算睡眠時間，設定喚醒時鐘，開始睡眠。
6、 根據(jù)權利要求l中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于路由器通過 下述步驟判斷收到的同歩幀是否是第一次到達本節(jié)點路由器比較本次收到的同歩幀的序列號和存儲的序列號，如果前者大于后者，或者前者為o而后者為序列號可能的最大值，本幀被保留，存儲的序列號被新值代替；否則，幀被遺棄。
7、 根據(jù)權利要求l中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同歩方法，其特征在于所說的路由 器需使用CSMA算法對信道進行訪問。
8、 根據(jù)權利要求l中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于節(jié)點在收到 同步幀之前不做數(shù)據(jù)通信。
9、 根據(jù)權利要求l中所說的一種無線傳感網絡的節(jié)點同步方法，其特征在于如果節(jié)點在 蘇醒后指定的等待時間內沒有收到同步幀，節(jié)點將縮短睡眠時間，睡眠時間的縮短幅度與節(jié) 點丟失同歩幀的周期數(shù)成正比，直到同步幀被再次接收到。
全文摘要
無線傳感網絡是由很多節(jié)點通過無線射頻方式彼此通信的網絡結構。無線傳感網絡中大多數(shù)節(jié)點由電池提供電源。節(jié)點的功耗管理是無線傳感網絡設計中的重要問題。一個根本的解決辦法是節(jié)點在多數(shù)時間內處于低功耗睡眠狀態(tài)。節(jié)點在睡眠狀態(tài)下必須能夠同步蘇醒才能完成網絡功能。本算法提出一種同步機制。網絡中存在同步器，負責周期性的發(fā)送同步幀；同步幀在網絡中通過路由器逐步轉發(fā)到達所有節(jié)點；網絡中的節(jié)點利用同步幀與同步器取得一致時鐘。通過本算法描述的機制，無線傳感網絡中幾乎所有節(jié)點都可以由電池供電并周期性的睡眠。
文檔編號H04W56/00GK101494900SQ20091002868
公開日2009年7月29日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權日2009年1月9日
發(fā)明者鑫 吳, 輝 王, 永 馬 申請人:吳 鑫;馬 永;王 輝