專利名稱：Ieee 802.15.4中gts釋放機制的改進方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種無線傳感器網絡技術領域的方法，具體是一種IEEE 802. 15. 4中GTS釋放機制的改進方法。
背景技術：
IEEE 802. 15. 4中的GTS通信技術已經得到了廣泛的研究，由于GTS資源非常 寶貴且有限，人們在如何提高GTS資源利用率等方面做了很多工作，大部分的研究工作 主要集中在如何對GTS資源進行分配這個問題上。在Anis Koubaa, Mario Alves, and Eduardo Tovar 的文獻"An implicit GTS allocation mechanism in IEEE 802. 15. 4 for time-sensitive wireless sensor networks :theory and practice ( 一禾中用于對時間 敏感的無線傳感器網絡中的IEEE 802. 15. 4GTS分配方案)”，Real-Time Systems, 2008, PP. 169-204中，根據通信數據流的具體形式，延遲要求和可用帶寬資源的綜合考慮，依據 "admission control algorithm”算法，提出了多個節(jié)點共享一個GTS時槽的通信理論，提 高了 GTS的帶寬利用率。由于在每個超幀內最多允許分配7個GTS，而且有時節(jié)點對GTS的利用并不充 分，僅僅在一個GTS時槽內的部分時間進行通信，其余的帶寬只能白白的浪費掉，針對這 禾中情況，Liang Cheng, A. G. Bourgeois, and Xin Zhang 的文獻"A new GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4networks with improved bandwidth utilization (一禾中 IEEE 802. 15.4中用于提高帶寬利用率的新型GTS分配方案)”，ISCIT，07, 2007, pp. 1143-1148， 將CFP內的標準時隙劃分成更多更小的時隙，然后再根據節(jié)點通信要求的額需要進行重新 分配，這樣既可以解決節(jié)點對每個GTS利用不充分的問題又可以增加GTS的分配名額，從而 提高了 GTS的利用率。為了解決通信的延遲和帶寬問題，GTS被單獨的分配給一個節(jié)點獨自享用。但是 根據網絡的通信狀況也要考慮節(jié)點利用GTS資源的公平性。經過對現有技術的檢索發(fā)現， 針對節(jié)點的通信要求和使用GTS的公平性方面的改進，Yu-Kai Huang, Ai-Chun Pang, and Hui-Nien Hung 的文獻"An Adaptive GTS Allocation Scheme for IEEE 802. 15. 4(— 種 IEEE 802. 15. 4 中自適應的 GTS 分配方案)”，IEEE Transactions On Parallel and Distributed Systems, 2008, pp. 641-651，提出了一種自適應的GTS分配方法，這個自適應 的過程包含兩個階段一是設備分類階段，在這個階段中，設備被賦予不同的優(yōu)先級；而在 GTS分配階段，按照優(yōu)先級的高低進行分配GTS資源，同時提出一種避免低優(yōu)先級設備始終 無法得到GTS分配的機制，因此也間接地實現了 GTS的釋放，從而達到網絡利用的公平性。在 Yong-Geun Hong, Hyoung-Jun Kim and Hee-Dong Park 的文獻"Adaptive GTS Allocation scheme to support QoS and multiple devices in 802. 15. 4 (802. 15. 4 中支 持服務質量和多設備的自適應GTS分配方案)”，Do-Hyeon Kim, ICACT，2009，pp. 1697-1702 中，通過修改超幀的結構，增加GTS的分配數量來滿足多個設備的通信服務質量，提高GTS 的利用率。
綜上所述，以前的GTS改進工作主要集中在對GTS資源如何進行分配的問題上，進 而對GTS的利用率來實現提高和優(yōu)化。然而，它們在評估系統性能的時候，忽略了因GTS釋 放延遲多占用的超幀所消耗的帶寬資源和能量。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術存在的上述不足，提供一種IEEE 802. 15. 4中GTS釋放機制 的改進方法，從GTS釋放對系統性能的影響的角度來進行改進設計。GTS及時有效地釋放對 GTS的利用率和能量消耗等性能有著直接的影響，因此本發(fā)明通過對GTS釋放機制的改進， 改善和提高了系統性能。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的，本發(fā)明包括以下步驟第一步、網絡中任一節(jié)點對其最近兩次的通信時間間隔作為通信周期，進行下一 次通信時間的預測，具體步驟為1. 1)節(jié)點記錄初始兩次GTS數據通信的起始時間、和tb，從而計算出兩次通信的 時間間隔為Ki = tb-ta ；1. 2)對于在S時刻開始進行的周期性數據傳輸的通信周期是超幀長度的整數倍， 則Ki = mXtminX2B°，其中tmin為最短超幀持續(xù)時間，BO為信標階數，m的取值由兩次通信 時間所間隔的實際超幀數目決定，當突發(fā)數據傳輸，即非周期性數據傳輸時m設置為1 ；1.3)下一次通信時間的預測值為S+nXKi;n = 1，2，3…。第二步、節(jié)點在達到通信預測時間時對其緩存進行GTS資源使用檢測，當GTS資源 的數據緩存為空，則該節(jié)點在當前的GTS時隙內立即主動申請GTS釋放。本發(fā)明能有效提高GTS資源的使用并降低能量消耗，實現簡單方便，有著很好的 經濟效益和應用前景。


圖1為確定節(jié)點的通信時刻，即檢測緩存的時刻示意圖。圖2為本發(fā)明的釋放機制與802. 15. 4被動釋放機制比較示意圖。圖3為本發(fā)明在突發(fā)數據通信場景下GTS利用率比較圖。圖4為本發(fā)明在突發(fā)數據通信場景下平均傳輸能耗比較圖。圖5為本發(fā)明在周期性數據通信場景下GTS利用率比較圖。圖6為本發(fā)明在周期性數據通信場景下平均傳輸能耗比較圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施 例。實施例1)對數據緩存檢測時間的確定階段若想對GTS進行及時的釋放，必須明確GTS 通信在何時結束。本實施例中通過主動檢測緩存中是否有數據來驗證GTS通信是否停止。 而在不同應用場景下，節(jié)點的通信時間是有差異的。在周期性數據通信場景中，節(jié)點并非在
4每個超幀的GTS內進行通信，而是以固定的周期進行通信，周期可以通過記錄相鄰兩次通 信的間隔確定。如圖1所示，假設一個節(jié)點的通信周期為Ki,它在S時刻開始進行周期性的數據傳 輸，因此后面的通信時刻即為S+n·!^，!！ = 1，2，3…。節(jié)點只要在這些時刻對緩存進行檢測 即可，不必每個超幀都進行檢測。而對于突發(fā)數據傳輸，由于瞬時的數據量較大，且對延遲 要求較高，所以通常會在幾個連續(xù)的超幀內進行發(fā)送，因此需要對緩存進行連續(xù)的檢測，此 時附圖1中的Ki應該設置為1個超幀時長。2)GTS通信是否結束的確定階段確定了檢測時刻之后，節(jié)點便可以按照預測的 通信時間對緩存進行檢測。通常，申請GTS通信的節(jié)點一旦停止了 GTS通信，在隨后的短時 間內不會再次申請GTS進行數據傳輸。因此通過節(jié)點對緩存的檢測，一旦發(fā)現緩存中無數 據發(fā)送，則認為GTS通信已經停止對于周期性通信，說明節(jié)點不再產生有用的數據；對于 突發(fā)數據傳輸，說明大量的突發(fā)數據已經傳輸完畢。3) GTS的釋放階段當節(jié)點確定停止使用GTS后，本方法使節(jié)點在發(fā)現通信停止的 當前GTS內便向網絡協調器發(fā)出釋放申請。在當前的GTS內申請釋放，能夠避免其它干擾 或者由于CSMA/CA競爭失敗而延誤申請，從而能夠提前有效地釋放GTS。通過性能分析和仿真，本實施例在GTS實際利用率和平均傳輸能耗等性能方面有
著顯著的改善。如圖3和圖4所示，給出了在突發(fā)數據通信場景下，本實施例的改進GTS釋放機 制和802. 15. 4被動釋放機制在GTS利用率及平均傳輸能耗兩方面性能的比較圖(由于 802. 15. 4主動釋放機制尚未在通信結束時刻和申請釋放時刻上的判定方面給出具體的規(guī) 定，實際中很難應用，因此沒有將其放在對比之中)。由仿真圖可知，本實施例的釋放機制有 更高的GTS利用率和較低的通信能耗；如圖5和圖6所示，則給出了在周期性數據通信情況下，本實施例設計和802. 15. 4 被動釋放機制的性能比較示意圖，同樣可以看出本實施例在GTS利用率和通信的平均能耗 方面表現地更為優(yōu)越。綜上可以看出，無論在突發(fā)數據通信還是在周期性數據通信應用中， 本實施例的GTS釋放機制都會提高GTS利用率，降低通信的平均能耗，能很好的提高GTS資 源的使用，降低能量消耗，同時本實施例建立在原802. 15. 4協議基礎之上，實現簡單方便， 有著很好的經濟效益和應用前景。圖1為本實施例檢測緩存的時刻示意圖。圖2為本實施例的釋放機制與802. 15. 4 被動釋放機制比較示意圖。在突發(fā)數據傳輸的網絡中，仿真參數設置如下每次突發(fā)數據傳 輸的數據總量均勻分布于[10，20]lAitS，最大允許延遲在[2，4] s服從均勻分布，數據傳輸 速率為2501ibpS，節(jié)點的數據收發(fā)功率為40mW，節(jié)點空閑時消耗的功率為0. 8mW。圖3為本 實施例在突發(fā)數據通信場景下GTS利用率比較圖。圖4為本實施例在突發(fā)數據通信場景下 平均傳輸能耗比較圖。在周期性數據通信場景下，仿真參數設置如下每個節(jié)點的周期性通 信發(fā)送數據的次數均勻分布于[10，20]次，數據產生速率在[l，7]lApS均勻分布，節(jié)點的數 據收發(fā)功率為40mW，節(jié)點空閑時消耗的功率為0. 8mW。圖5為本實施例在周期性數據通信場 景下GTS利用率比較圖。圖6為本實施例在周期性數據通信場景下平均傳輸能耗比較圖。
權利要求
1.一種IEEE 802. 15. 4中GTS釋放機制的改進方法，其特征在于，包括以下步驟 第一步、網絡中任一節(jié)點對其最近兩次的通信時間間隔作為通信周期，進行下一次通信時間的預測；第二步、節(jié)點在達到通信預測時間時對其緩存進行GTS資源使用檢測，當GTS資源的數 據緩存為空，則該節(jié)點在當前的GTS時隙內立即主動申請GTS釋放。
2.根據權利要求1所述的IEEE802. 15. 4中GTS釋放機制的改進方法，其特征是，所述 的第一步具體步驟為，1. 1)節(jié)點記錄初始兩次GTS數據通信的起始時間1和tb，從而計算出兩次通信的時間 間隔為Ki = tb-ta ；，1. 2)對于在S時刻開始進行的周期性數據傳輸的通信周期是超幀長度的整數倍，則Ki =HIXtminX 2B°，其中tmin為最短超幀持續(xù)時間，BO為信標階數，m的取值由兩次通信時間所 間隔的實際超幀數目決定，當突發(fā)數據傳輸，即非周期性數據傳輸時m設置為1 ； 1.3)下一次通信時間的預測值為S+nXKi;n = 1，2，3…。
全文摘要
一種無線傳感器網絡技術領域的IEEE 802.15.4中GTS釋放機制的改進方法，通過網絡中任一節(jié)點對其最近兩次的通信時間間隔作為通信周期，進行下一次通信時間的預測；節(jié)點在達到通信預測時間時對其緩存進行GTS資源使用檢測，當GTS資源的數據緩存為空，則該節(jié)點在當前的GTS時隙內立即主動申請GTS釋放。本發(fā)明從GTS釋放對系統性能的影響的角度來進行改進設計。GTS及時有效地釋放對GTS的利用率和能量消耗等性能有著直接的影響，因此本發(fā)明通過對GTS釋放機制的改進，改善和提高了系統性能。
文檔編號H04W76/06GK102123519SQ20111006525
公開日2011年7月13日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者何晨, 呂超, 吳呈瑜, 周桂寅, 田軍 申請人:上海交通大學, 富士通株式會社