專利名稱：一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同步方法
技術(shù)領(lǐng)域：
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域，解決在網(wǎng)絡(luò)低能耗情況下的節(jié)點(diǎn)同步機(jī)制。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由很多節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線射頻方式彼此通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)具有控制外部機(jī)械系統(tǒng)或電氣系統(tǒng)的控制單元。傳感部分主要的任務(wù)是將需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)一定的模式讀入節(jié)點(diǎn)。通信單元是射頻模塊，負(fù)責(zé)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)間建立統(tǒng)一的通信通道并相互通信。處理單元負(fù)責(zé)處理傳感器接收到的數(shù)據(jù)，也負(fù)責(zé)處理通信單元的數(shù)據(jù)。處理單元同時(shí)也協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)上各個(gè)功能單元的協(xié)同。
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在過(guò)去的十多年在學(xué)術(shù)界研究很深入。近年來(lái)，隨著各種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的推廣和政府部門的支持，工業(yè)方面的應(yīng)用正在如火如荼的展開(kāi)。盡管如此，目前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)仍然沒(méi)有被市場(chǎng)廣泛采用。究其原因，其中最重要的一個(gè)問(wèn)題是能耗問(wèn)題始終沒(méi)有有效的解決方案。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗是指各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗。 一般來(lái)說(shuō)，要使無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)之間能真正的實(shí)現(xiàn)無(wú)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?yàn)殡姵厝萘坑邢?，?jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)的能耗就極大地影響節(jié)點(diǎn)的壽命。目前一般工業(yè)無(wú)線傳感產(chǎn)品的節(jié)點(diǎn)耗能在幾十毫安量級(jí)。考慮到電池的容量一般在幾百到幾千毫安時(shí)，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般只能處于工作狀態(tài)幾十個(gè)小時(shí)。對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)要解決的多數(shù)問(wèn)題，這么短的壽命是不能被市場(chǎng)接受的。
解決無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命問(wèn)題常用的方法是讓傳感節(jié)點(diǎn)多數(shù)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，在需要的時(shí)候才蘇醒。目前微電子技術(shù)的發(fā)展，使得節(jié)點(diǎn)在睡眠時(shí)的能耗可以控制在幾個(gè)到幾十個(gè)微安，有時(shí)候甚至可以做到零點(diǎn)幾個(gè)微安。假設(shè)傳感器的節(jié)點(diǎn)的工作周期占整個(gè)生命周期的千分之幾，節(jié)點(diǎn)的壽命就可以達(dá)到幾年。市場(chǎng)就可以接受這種解決方案。
讓節(jié)點(diǎn)在多數(shù)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是個(gè)理想狀態(tài)。無(wú)線傳感網(wǎng)纟客的連接是通過(guò)射頻無(wú)線方式。跟有線連接不同的是， 一個(gè)處于信息發(fā)送端的節(jié)點(diǎn)不能通過(guò)通信媒體喚醒目的節(jié)點(diǎn)。目的節(jié)點(diǎn)必須在信息到來(lái)之前蘇醒，打開(kāi)射頻收發(fā)器并使之處于接收狀態(tài)。從而，此類無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)根本的通信問(wèn)題就是目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)的同步蘇醒。一方面因?yàn)榘l(fā)送節(jié)點(diǎn)的事件觸發(fā)具有隨機(jī)性，另一方面由于晶振漂移的不確定性，節(jié)點(diǎn)之間的同步問(wèn)題就變得復(fù)雜。
為了解決同步的問(wèn)題，當(dāng)前比較成熟的算法是允許處于網(wǎng)絡(luò)終端的節(jié)點(diǎn)保持短工作周期、
3長(zhǎng)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，而強(qiáng)制具有路由器作用的節(jié)點(diǎn)處于常醒常聽(tīng)模式。這樣，終端節(jié)點(diǎn)每次醒來(lái)后可以自由和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。終端節(jié)點(diǎn)因?yàn)榭梢员３趾艿偷墓ぷ髦芷诙S持低能耗，長(zhǎng)壽命。對(duì)于一些應(yīng)用，比如有條件給路由器提供常電，但對(duì)終端節(jié)點(diǎn)的壽命要求很高，這個(gè)算法實(shí)行起來(lái)非常有效。然而，這其中的問(wèn)題是路由節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)入睡眠狀態(tài)省電，因而不得不用市電或者其他無(wú)窮能量的供電方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是，無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)，包括路由節(jié)點(diǎn)，都可以進(jìn)入睡眠狀態(tài)，保持低功耗。通過(guò)本發(fā)明所闡述的方法，盡管所有節(jié)點(diǎn)都在多數(shù)時(shí)間里處于睡眠狀態(tài)，他們?nèi)匀豢梢酝降匕l(fā)送和接收數(shù)據(jù)，完成網(wǎng)絡(luò)功能。
一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)功能劃分為，同步器，路由器，和終端節(jié)點(diǎn)。同步器負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)中提供同步功能。路由器是網(wǎng)絡(luò)中能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)功能的節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中可以收發(fā)信息但是不做信息轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)。因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)功能劃分，同步器可以是獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)或者由別的節(jié)點(diǎn)代理。
同步器的射頻覆蓋范圍很大，可以覆蓋到網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。路由器和終端節(jié)點(diǎn)的射頻覆蓋范圍較小。為了各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠達(dá)到同步，所有節(jié)點(diǎn)都將網(wǎng)絡(luò)中同步器的時(shí)鐘當(dāng)作參考時(shí)鐘。在每次從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要獲取同步器的時(shí)鐘。下次睡眠時(shí)間是基于同步器的時(shí)鐘而不是自身的時(shí)鐘。這樣，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作同時(shí)睡眠的理想狀態(tài)。
同步器在每次蘇醒后使用大發(fā)射功率廣播同步幀到全網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一全網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘信息。該同步幀可以直接到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)。同步幀中包含下次蘇醒的時(shí)間信息。
網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)蘇醒后，先進(jìn)入接收狀態(tài)接收同步幀。節(jié)點(diǎn)記錄收到同步幀的時(shí)間。然后開(kāi)始正常的通信。在信息收發(fā)完成后，節(jié)點(diǎn)根據(jù)同步幀的下次蘇醒時(shí)間計(jì)算新的睡眠時(shí)間，確?？梢允盏较乱粋€(gè)同步幀。
網(wǎng)絡(luò)中所有由電池供電的節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這些節(jié)點(diǎn)總是睡眠一段時(shí)間后蘇醒，工作一段時(shí)間后進(jìn)入下次睡眠，然后再蘇醒，再睡眠，周而復(fù)始。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的工作步驟包含下邊的內(nèi)容
步驟一節(jié)點(diǎn)睡眠周期結(jié)束而蘇醒，除同步器外，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入射頻接收狀態(tài)；
步驟二網(wǎng)絡(luò)中的同步器發(fā)送同步幀到全網(wǎng)絡(luò)；
步驟三除同步器外的所有節(jié)點(diǎn)收到同步幀，記錄同步幀的接收時(shí)刻，開(kāi)始正常的網(wǎng)絡(luò)通信；步驟四各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成通信并等待一定時(shí)間后，確認(rèn)通信結(jié)束，準(zhǔn)備進(jìn)入睡眠；節(jié)點(diǎn)利用同歩幀的接收時(shí)刻和下次蘇醒時(shí)刻計(jì)算此次睡眠時(shí)間，設(shè)置睡眠時(shí)鐘，進(jìn)入睡眠；步驟五網(wǎng)絡(luò)處于睡眠狀態(tài)，等待下次蘇醒。
節(jié)點(diǎn)在預(yù)定時(shí)刻蘇醒等待同步幀，在收到同步幀之前不做信息傳輸。如果在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)未能收到同步幀，節(jié)點(diǎn)將假定接收失敗，同步狀態(tài)丟失。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)的下次睡眠時(shí)間將縮短為本次睡眠時(shí)間的一半，并轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；此一過(guò)程持續(xù)直到新的網(wǎng)絡(luò)同步幀被接收到。


圖1是本發(fā)明給出的小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的示意2是本發(fā)明給出的同步器的處理流程示意3是本發(fā)明給出的網(wǎng)絡(luò)中除同步器外的節(jié)點(diǎn)處理流程示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
如圖1所示的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由有限規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。網(wǎng)絡(luò)中存在同步器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。如圖所示，網(wǎng)絡(luò)中的同步器的射頻覆蓋范圍很大，可以達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。同步器發(fā)送的同步幀可以被網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)直接接收到。而網(wǎng)路中的節(jié)點(diǎn)發(fā)往同步器的信息可以直接到達(dá)同步器，也可以通過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)同步器。
圖1所示的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總是處于周期性的睡眠狀態(tài)。在大多數(shù)的時(shí)間里，他們總是處于睡眠狀態(tài)。盡管網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠的時(shí)間可能有所不同，他們總是同時(shí)蘇醒，
完成工作。網(wǎng)絡(luò)在蘇醒狀態(tài)的工作流程如下
步驟一節(jié)點(diǎn)睡眠周期結(jié)束而蘇醒。除同步器外，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入射頻接收狀態(tài)。
步驟二網(wǎng)絡(luò)中的同步器發(fā)送同步幀到全網(wǎng)絡(luò)。同步幀內(nèi)存儲(chǔ)下次發(fā)送同步幀的時(shí)間。如果此時(shí)間為空或者此域?yàn)榭?，假定保持上次時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)中的同步器工作流程如圖2所示。同步器在同步幀發(fā)送時(shí)刻發(fā)送同步幀；之后如果有別的通信任務(wù)，比如有作為普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸功能，就完成相應(yīng)任務(wù)；之后準(zhǔn)備下次同步幀的發(fā)送。
步驟三除同步器外的所有節(jié)點(diǎn)收到同步幀，記錄同步幀的接收時(shí)刻，開(kāi)始正常的網(wǎng)絡(luò)通信。
步驟四各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成通信并等待一定時(shí)間段后，確認(rèn)通信結(jié)束，準(zhǔn)備進(jìn)入睡眠。節(jié)點(diǎn)利用同步幀的接收時(shí)刻和下次蘇醒時(shí)刻計(jì)算此次睡眠時(shí)間，設(shè)置睡眠時(shí)鐘，進(jìn)入睡眠。 歩驟五網(wǎng)絡(luò)處于睡眠狀態(tài)，等待下次蘇醒。
網(wǎng)絡(luò)中除同步器外的其他節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示。這些節(jié)點(diǎn)存在一定的可能不能在假 定的時(shí)間內(nèi)接收到同步幀，其處理流程為假定保持上次睡眠周期但減少為一半時(shí)間，開(kāi)始睡 眠。此一過(guò)程一直保持到再次接收到網(wǎng)絡(luò)同歩幀為止。
權(quán)利要求
1、一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同步方法，其特征在于該無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)即同步器，其射頻范圍覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)周期性的廣播網(wǎng)絡(luò)同步幀，網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都可以直接接收到同步器發(fā)出的同步幀，節(jié)點(diǎn)用同步幀的接收時(shí)間達(dá)到與全網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l中所說(shuō)的一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同歩方法，其特征在于所有由電池供電的節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)入睡眠狀態(tài)；所說(shuō)的節(jié)點(diǎn)根據(jù)下述的方式工作睡眠一段時(shí)間后蘇醒，工作一段時(shí)間后進(jìn)入下次睡眠，然后再蘇醒，再睡眠，周而復(fù)始。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l中所說(shuō)的一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同歩方法，其特征在于同步幀內(nèi)包含有下次發(fā)送同步幀的時(shí)間信息，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)接收同步幀的時(shí)刻以及下次同歩幀的發(fā)送時(shí)間計(jì)算節(jié)點(diǎn)本次睡眠的時(shí)間；如果同步幀中下次發(fā)送同歩幀的時(shí)間信息域缺失或內(nèi)容為空，節(jié)點(diǎn)假定此值與上次相同。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l中所說(shuō)的一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同步方法，其特征在于同步器有能力在每次發(fā)送同步幀的時(shí)刻廣播同步幀直接覆蓋全網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)；同歩器在廣播完同步幀后，可以作為普通節(jié)點(diǎn)完成其他網(wǎng)絡(luò)功能。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l中所說(shuō)的一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同步方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)下述的步驟完成網(wǎng)絡(luò)功能歩驟一節(jié)點(diǎn)睡眠周期結(jié)束而蘇醒，除同步器外，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入射頻接收狀態(tài)；步驟二網(wǎng)絡(luò)中的同步器發(fā)送同步幀到全網(wǎng)絡(luò)；步驟三除同步器外的所有節(jié)點(diǎn)收到同步幀，記錄同步幀的接收時(shí)刻，開(kāi)始正常的網(wǎng)絡(luò)通信；步驟四各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成通信并等待一定時(shí)間后，確認(rèn)通信結(jié)束，準(zhǔn)備進(jìn)入睡眠；節(jié)點(diǎn)利用同步幀的接收時(shí)刻和下次蘇醒時(shí)刻計(jì)算此次睡眠時(shí)間，設(shè)置睡眠時(shí)鐘，進(jìn)入睡眠；歩驟五網(wǎng)絡(luò)處于睡眠狀態(tài)，等待下次蘇醒。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l中所說(shuō)的一種小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)同步方法，其特征在于節(jié)點(diǎn)通過(guò)如下的方法處理丟失同步幀的意外情況節(jié)點(diǎn)在預(yù)定時(shí)刻蘇醒但是未能收到同步幀，節(jié)點(diǎn)將假定下次睡眠時(shí)間是本次睡眠時(shí)間的一半，并轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)；此一過(guò)程持續(xù)直到新的網(wǎng)絡(luò)同步幀被接收到。
全文摘要
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由很多節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線射頻方式彼此通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點(diǎn)由電池提供電源。節(jié)點(diǎn)的功耗管理是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題。一個(gè)根本的解決辦法是節(jié)點(diǎn)在多數(shù)時(shí)間內(nèi)處于低功耗睡眠狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)下必須能夠同步蘇醒才能完成網(wǎng)絡(luò)功能。對(duì)于小范圍無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，本算法提出一種同步機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中存在同步器，負(fù)責(zé)周期性的發(fā)送同步幀，它的射頻發(fā)送范圍可以覆蓋到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)利用同步幀與同步器取得一致時(shí)鐘。通過(guò)本算法描述的機(jī)制，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中幾乎所有節(jié)點(diǎn)都可以由電池供電并周期性的睡眠。
文檔編號(hào)H04W56/00GK101466141SQ20091002868
公開(kāi)日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者鑫 吳, 孫雷霸, 輝 王, 永 馬 申請(qǐng)人:吳 鑫;馬 永;王 輝;孫雷霸