[发明专利]一种无线传感网络的节点同步方法

说明书

技术领域

无线传感网络系统的技术领域，解决在网络低能耗情况下的节点同步机制。

背景技术

无线传感网络是由很多节点通过无线射频方式彼此通信的网络结构。每个节点一般由传感单元、处理单元，以及通信单元组成，也有部分节点具有控制外部机械系统或电气系统的控制单元。传感部分主要的任务是将需要监测的数据通过一定的模式读入节点。通信单元是射频模块，负责在各个节点间建立统一的通信通道并相互通信。处理单元负责处理传感器接收到的数据，也负责处理通信单元的数据。处理单元同时也协调节点上各个功能单元的协同。

无线传感网络在过去的十多年在学术界研究很深入。近年来，随着各种标准机构的推广和政府部门的支持，工业方面的应用正在如火如荼的展开。尽管如此，目前无线传感网络仍然没有被市场广泛采用。究其原因，其中最重要的一个问题是能耗问题始终没有有效的解决方案。无线传感网络的能耗是指各个节点的能耗。一般来说，要使无线传感节点之间能真正的实现无线连接，他们之间就不可能存在电源线，因而电池供电是根本的方式。因为电池容量有限，节点在工作状态的能耗就极大地影响节点的寿命。目前一般工业无线传感产品的节点耗能在几十毫安量级。考虑到电池的容量一般在几百到几千毫安时，无线传感节点一般只能处于工作状态几十个小时。对于无线传感网络要解决的多数问题，这么短的寿命是不能被市场接受的。

解决无线传感网络的寿命问题常用的方法是让传感节点多数时间处于睡眠状态，在需要的时候才苏醒。目前微电子技术的发展，使得节点在睡眠时的能耗可以控制在几个到几十个微安，有时候甚至可以做到零点几个微安。假设传感器的节点的工作周期占整个生命周期的千分之几，节点的寿命就可以达到几年。市场就可以接受这种解决方案。

让节点在多数时间处于睡眠状态，对无线传感网络来说是个理想状态。无线传感网络的连接是通过射频无线方式。跟有线连接不同的是，一个处于信息发送端的节点不能通过通信媒体唤醒目的节点。目的节点必须在信息到来之前苏醒，打开射频收发器并使之处于接收状态。从而，此类无线传感网络的一个根本的通信问题就是目的节点和源节点的同步苏醒。一方面因为发送节点的事件触发具有随机性，另一方面由于晶振漂移的不确定性，节点之间的同步问题就变得复杂。

为了解决同步的问题，当前比较成熟的算法是允许处于网络终端的节点保持短工作周期、长时间处于睡眠状态，而强制具有路由器作用的节点处于常醒常听模式。这样，终端节点每次醒来后可以自由和网络进行信息交换。终端节点因为可以保持很低的工作周期而维持低能耗，长寿命。对于一些应用，比如有条件给路由器提供常电，但对终端节点的寿命要求很高，这个算法实行起来非常有效。然而，这其中的问题是路由节点不能进入睡眠状态省电，因而不得不用市电或者其他无穷能量的供电方式。

发明内容

本发明所要解决的问题是，无线传感网络的所有节点，包括路由节点，都可以进入睡眠状态，保持低功耗。通过本发明所阐述的算法原则，尽管所有节点都在多数时间里处于睡眠状态，他们仍然可以同步地发送和接收数据，完成网络功能。

一种无线传感网络由有限规模的网络节点组成。这些节点可以通过功能划分为，同步器、路由器、和终端节点。同步器是网络中的能够发送起始同步帧的节点。路由器是网络中能够对信息进行转发功能的节点。终端节点是网络中可以收发信息但是不做信息转发的节点。因为是通过功能划分，同步器可以是独立的专用节点或者由别的普通节点代理。

该无线传感网络的同步器负责周期性的发送网络同步帧到网络中；该同步帧通过路由器的逐级转发，逐渐被网络中的所有节点接收到；网络中的节点通过同步帧的接收时间和帧内包含的信息计算网络时钟，达到与全网络的时钟同步。

网络中的路由器不仅通过同步帧与网络达到时钟同步，而且需要将同步帧转发到其周围的节点。路由器的工作流程包括如下步骤：路由器睡眠苏醒，打开射频接收器等待同步帧；收到同步帧后，如果是新的同步帧，就更新同步帧，并转发，如果不是新的同步帧，就抛弃；然后路由器校准自身时钟，开始正常网络任务；完成通信后计算睡眠时间，设定唤醒时钟，开始睡眠。路由器在转发同步帧时使用CSMA算法访问信道，以避免与邻近路由器发生信息碰撞。

网络中的同步帧包括如下内容：帧在所有节点中的滞留时间、帧经过的路由器数目、帧在所有路由器节点中传送时的CSMA避让时间片数目以及同步帧序列号。

网络中的节点总是处于周期性的睡眠状态。在绝大多数的时间里，他们总是处于睡眠状态。尽管网络中的节点进入睡眠的时间可能有所不同，他们总是同时苏醒，完成工作。网络在苏醒状态的工作流程如下：