異步低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于相長(zhǎng)干擾的高效泛洪方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及異步低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種基于相長(zhǎng)干擾的高效泛洪方 法，它能顯著地減少泛洪時(shí)延，降低能量消耗，并提高數(shù)據(jù)包接收率。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 所謂泛洪，是指把消息從一個(gè)源節(jié)點(diǎn)（通常為匯聚節(jié)點(diǎn)）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié) 點(diǎn)。泛洪機(jī)制在低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中具有重要意義，它可以用于拓?fù)湫纬伞⒙酚山?立、目標(biāo)探測(cè)、數(shù)據(jù)查詢等。
[0003] 在低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的睡眠調(diào)度方式可以分為兩類，即同步方法 和異步方法。同步方法包括S-MAC、T-MAC、RMAC、DW-MAC等，異步方法包括B-MAC、X-MAC、 WiseMAC、RI-MAC等。同步MAC方法假設(shè)相鄰節(jié)點(diǎn)之間具有同步的工作調(diào)度表，要求節(jié)點(diǎn) 之間保持精確同步，具有較大的復(fù)雜度和開(kāi)銷。我們的方法中考慮使用RI-MAC協(xié)議，一方 面避免了同步MAC方法中由于時(shí)鐘同步所帶來(lái)的開(kāi)銷，另一方面能夠提高無(wú)線信道的利用 率。
[0004] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，具有硬件 資源有限、能量有限、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)。因此，在泛洪協(xié)議的設(shè)計(jì)中，能量 有效性、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)傳輸可靠性等是需要考慮的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是：提出一種基于相長(zhǎng)干擾的占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)泛洪方法，它 能顯著地減少泛洪時(shí)延，降低能量消耗，并提高數(shù)據(jù)包接收率。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：異步低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于相 長(zhǎng)干擾的高效泛洪方法，包括以下步驟：
[0007] (1)將傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒播在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地執(zhí)行鄰居發(fā)現(xiàn)算 法，向外廣播消息，并接收鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息。其中包含兩次廣播消息，第一次為普通的 hello消息，第二次為包含前幀長(zhǎng)度Μ和其中各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)順序的消息。
[0008] (2)每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列表，列表中鄰居信息用三元組（ID，M，k)存儲(chǔ)， 分別表示鄰居的ID、鄰居的前幀長(zhǎng)度和自己在該鄰居前幀中的順序。
[0009] (3)所有節(jié)點(diǎn)采用RI-MAC機(jī)制，根據(jù)自己的工作調(diào)度表交替在睡眠狀態(tài)和工作狀 態(tài)之間切換。
[0010] (4)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息開(kāi)始泛洪過(guò)程。傳感器節(jié)點(diǎn)按照工作調(diào)度表醒來(lái)之后，如果 沒(méi)有收到泛洪消息，則進(jìn)入睡眠狀態(tài)；如果收到泛洪消息，則判斷哪些鄰居節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到此 消息，如果存在沒(méi)有收到此消息的鄰居節(jié)點(diǎn)，則繼續(xù)等待它們醒來(lái)。
[0011] (5)當(dāng)節(jié)點(diǎn)所等待的鄰居節(jié)點(diǎn)醒來(lái)時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)在前幀時(shí)間段中自己對(duì)應(yīng)的那個(gè)時(shí) 隙發(fā)送ACK，并在前幀結(jié)束時(shí)立即發(fā)送泛洪消息。
[0012] (6)當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)知道所有的鄰居節(jié)點(diǎn)都已經(jīng)收到泛洪消息后，就馬上進(jìn)入睡眠 狀態(tài)。
[0013] (7)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都收到泛洪消息時(shí)，表明一輪泛洪結(jié)束。
[0014] 進(jìn)一步，節(jié)點(diǎn)周期性地執(zhí)行鄰居發(fā)現(xiàn)算法，向外廣播消息，并接收鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的 消息，找到自己的所有鄰居節(jié)點(diǎn)并維持一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)列表。鄰居信息用三元組（ID，M，k)存 儲(chǔ)，分別表示鄰居的ID、鄰居的前幀長(zhǎng)度和自己在該鄰居前幀中的順序。
[0015] 進(jìn)一步，在傳統(tǒng)的RI-MAC傳輸過(guò)程中，加入了前幀時(shí)間段。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)接收節(jié) 點(diǎn)醒來(lái)并且發(fā)送beacon之后，它的那些醒著的鄰居節(jié)點(diǎn)分別在前幀中對(duì)應(yīng)的時(shí)隙發(fā)送 beacon，并且在前幀結(jié)束時(shí)馬上發(fā)送數(shù)據(jù)包。當(dāng)存在多個(gè)醒著的鄰居節(jié)點(diǎn)同時(shí)向其發(fā)送數(shù) 據(jù)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相長(zhǎng)干擾。利用相長(zhǎng)干擾能夠有效地提高接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包接收率。
[0016] 本發(fā)明的有益效果：充分利用了 RI-MAC機(jī)制中接收者周期性主動(dòng)發(fā)送beacon包 的這一固有特性，在無(wú)需額外開(kāi)銷的情況下通過(guò)接收者發(fā)送的beacon包觸發(fā)多個(gè)發(fā)送者 的并發(fā)傳輸以產(chǎn)生相長(zhǎng)干擾，使得接收者能夠從中解碼信號(hào)得到完整的數(shù)據(jù)，從而極大地 提高了泛洪的傳輸效率和可靠性。 四、
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為RI-MAC原理圖；
[0018] 圖2為相長(zhǎng)干擾示例圖；
[0019] 圖3為前幀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4為PRR與節(jié)點(diǎn)數(shù)目之間的關(guān)系；
[0021 ] 圖5為泛洪過(guò)程示例圖。 五、
【具體實(shí)施方式】
[0022] (1)網(wǎng)絡(luò)模型
[0023] 考慮一個(gè)低占空比無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的工作調(diào)度表交替 地在睡眠狀態(tài)和工作狀態(tài)之間切換。具體來(lái)說(shuō)，一個(gè)工作周期T由η個(gè)時(shí)隙組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn) 把其中一個(gè)或者多個(gè)時(shí)隙作為工作時(shí)間段，而在其余時(shí)間進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
[0024] 為了有效地提高無(wú)線信道的利用率，我們采用了接收端啟動(dòng)的異步MAC協(xié)議 RI-MAC。其工作過(guò)程如圖1 RI-MAC原理所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自的工作調(diào)度表醒來(lái)。節(jié)點(diǎn) R醒來(lái)之后偵聽(tīng)信道，如果信道空閑，就馬上廣播一個(gè)beacon消息，然后保持工作狀態(tài)準(zhǔn)備 接收數(shù)據(jù)。如果節(jié)點(diǎn)S需要向節(jié)點(diǎn)R發(fā)送數(shù)據(jù)，S將一直偵聽(tīng)信道直到收到R的beacon消 息。在收到R的beacon消息后，S立刻向R發(fā)送數(shù)據(jù)。R接收完數(shù)據(jù)后，返回另一個(gè)beacon 消息，一方面告訴R數(shù)據(jù)接收完畢，另一方面詢問(wèn)其余節(jié)點(diǎn)是否需要向其傳輸數(shù)據(jù)。若等待 一段時(shí)間之后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)，則R就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
[0025] 在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中可能遇到路徑損耗、多徑效應(yīng)、噪聲干 擾、鄰居節(jié)點(diǎn)干擾等情況，從而造成數(shù)據(jù)包丟失。為了有效地評(píng)估鏈路質(zhì)量，我們采用數(shù)據(jù) 包接收率（Packet Rec印tion Ratio, PRR)來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路狀況，并且假設(shè)MAC 層提供相應(yīng)的鏈路質(zhì)量評(píng)估服務(wù)。同時(shí)，為了保證單次數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，需要采用自?dòng)請(qǐng) 求重傳機(jī)制ARQ(Automatic Repeat reQuest)。而RI-MAC機(jī)制中接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的第二個(gè) beacon消息正好完成了這個(gè)功能。
[0026] 由于無(wú)線通信的廣播特性，網(wǎng)絡(luò)中相鄰節(jié)點(diǎn)并發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)常常引起干擾。盡 管如此，如果多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)同時(shí)向某個(gè)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)包，則會(huì)產(chǎn)生相長(zhǎng)干擾 (Constructive Interference)。相長(zhǎng)干擾源于物理層對(duì)于多徑信號(hào)的容忍，它能夠幫助接 收節(jié)點(diǎn)解碼信號(hào)得到完整的數(shù)據(jù)，因此能夠有效地提高接收節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包接收率。
[0027] 圖2是相長(zhǎng)干擾的一個(gè)例子。節(jié)點(diǎn)S1和S2是節(jié)點(diǎn)R的鄰居節(jié)點(diǎn)。當(dāng)S1 (或者 S2)單獨(dú)向R發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，R的數(shù)據(jù)包接收率是0. 5。但是，當(dāng)Sl、S2同時(shí)向R發(fā)送相同 的數(shù)據(jù)