[发明专利]一种角度随机中继协议实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字信息传输，尤其是涉及以通路配置为特征的一种角度随机中继协议实现方法。

背景技术

无线传感器网络是由一组分布在设定位置的多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，用于传感器节点协作地感知、采集和处理该网络覆盖的地理区域中感测对象的信息。它的应用范围较Ad Hoc网络有了更大的扩展，数量和分布密度远远超过后者中的节点数，而且大部分节点不像Ad Hoc节点一样快速移动，其拓扑结构的改变原因大多由节点的休眠、故障或失效引起的。传感器节点发送收集的感知信息到汇聚节点。在距离汇聚节点预定范围内的传感器节点能直接发送数据，在汇聚节点预定范围外的传感器节点通过邻近汇聚节点的传感器节点作为中继间接发送信息。

传感器网络的结构将在图1简要描述。参考图1，常规的传感器网络包含汇聚节点和多个传感器节点。虽然图1仅描绘了一个汇聚节点，传感器网络也可以包括两个及其以上汇聚节点，取决于网络的应用场景。

由于传感器节点的计算能力、存储能力、通信能量以及携带的能量都十分有限，每个节点只能获取局部网络拓扑信息，其上运行的网络协议不能太复杂。同时，传感器拓扑结构由于休眠和移动而动态变化，网络资源也在不断变化，这些都对网络协议提出更高要求。传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络，目前的研究重点时网络层协议和数据链路层协议。网络层协议决定感知信息的传输路径；数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构，控制传感器节点的通信过程和工作模式。传感器网络协议栈在图2简要描述，包括早期协议栈和改进协议栈。改进协议栈说明跨层协议设计在无线传感器网络中的重要性。

传感器网络的数据链路层协议决定了无线信道的使用方式，着重考虑的内容是节省能量、可扩展性和网络效率(公平性、实时性、网络吞吐量和带宽利用率)，重要性依次递减。网络能量浪费的主要原因为：数据链路层协议采用竞争使得数据碰撞而重传，节点接收处理不必要的数据，节点不发送数据时空闲侦听无线信道，控制消息过多。现有数据链路层协议分类为：给每个节点分配固定的无线信道使用时段(时分多址)，随机竞争和其他协议(如采用频分多址或码分多址)。基于时分多址的数据链路层协议，由于没有碰撞、没有太多控制信息、能及时进入睡眠状态，非常适合传感器网络节省能量的需求。但是时分多址需要节点间严格的时间同步，且可扩展方面存在不足，需要改进。

传感器网络的网络层协议要求是能量高效，具有可扩展性、鲁棒性和快速收敛性。一般路由协议的过程将在图3简要描述，建立路由，选取备用路由和重新找寻路由造成洪泛广播和需要占用大量存储能力、计算能力、通信能量。现有路由协议分类是：能量感知路由协议、基于查询的路由协议、地理位置路由协议、可靠的路由协议。地理位置路由假设节点知道自己的地理位置信息，以及目的节点的地理位置，利用这些位置信息作为路由选择的依据，避免洪泛传播从而减少路由建立的开销，优于其他路由协议，但节点需要知道自身精确位置。位置信息如果通过信标节点迭代取得，通信开销很大，且节点位置精度计算与迭代次数相关。

发明内容

为了解决上面传感器网络数据链路层与网络层现有协议的缺点，并融入定位与时间同步，本发明的目的在于提供一种角度随机中继协议实现方法，使得原来节点存储空间与处理能力都优先的传感器网络系统能够适应网络拓扑的动态变化，减少控制消息与洪泛广播，并且，感知消息能以最少跳数转发到汇聚节点，显著提高网络工作效率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

该通信系统包括预定范围内多个传感器节点和采用无线方式与传感器节点进行通信交互的单个汇聚节点，其特征在于：

传感器节点有休眠模式和活动模式，节点仅在活动模式收集感知信息、发送感知消息、中继其他节点的感知消息，节点在休眠模式休眠固定时间后自动转入活动模式，节点分布式决定自身处于何种模式；

传感器节点和汇聚节点能判定邻居节点的角度区间，分布式计算出自身相对于汇聚节点的倾斜角；

活动节点侦听到发送节点的请求消息后，根据自身倾斜角和发送节点倾斜角间差值是否最小分布式判定本节点是否是最优中继；

所有传感器节点在两个频率上工作，数据频率与忙音频率：数据频率用于数据消息与控制消息的发送接收；忙音频率仅在节点接收消息时工作，用于避免暴露和隐藏终端问题。

本发明包含以下步骤：

步骤1：传感器节点收集到感知信息后，成为发送节点，广播发送请求消息来寻求潜在的中继节点；