[发明专利]网络快速邻居发现机制的组管理方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种组管理方法，尤其涉及一种基于多节点协作的网络快速邻居发现机制的组管理方法。

背景技术

邻居发现是无线传感器网络与无线个域网领域很重要的研究点，一般通过邻居发现用于发现通信机会。能量问题始终是无线传感器节点及无线个域网设备应用中的一个重要问题。众所周知，无线通信模块是无线设备中的最耗能的模块。因此，休眠调度机制是无线传感器节点及无线个域网设备中延长设备使用寿命最常用、最有效的机制之一。所谓休眠调度机制就是让节点交替处于“工作-休眠-工作”的节能技术。而在一些动物跟踪监测项目和军事项目中，人们不得不采用低占空比技术、甚至超低占空比技术节省能量，比如：让节点在1%的时间处于苏醒状态，其余99%的时间处于休眠状态。

低占空比的休眠调度技术是目前自组织网络节省能量的最重要技术之一，它能将系统的生命期延长数倍到数十倍。而低占空比技术却带来了一个难题——即各自按照自己的工作时间表异步地“工作-休眠-工作”的两个移动节点，它们可能在物理相遇时，根本无法相互发现。这就要求精心设计邻居发现算法，以实现高效的邻居发现。这种情形在移动场景下及超低占空比的机制下会显得尤为严重。

假设在以下的场景下，在一个较大的区域内，存在很多移动节点，这些节点可以是诸如手机之类的设备，这些节点具有短距离无线通信能力(如配备WiFi,ZigBee,BlueTooth模块等)，可以实现节点间的通信，这些节点可以随着人的移动而移动。这些节点都是采用休眠调度的方式进行工作。问题是：如何保证两个节点无论在何时出现都可以保证在同一个时槽内醒来并通信。

在休眠调度中，时间被分成连续的时隙，每个时隙是最小的调度单元。每个时隙内存在两种可能的状态：活跃状态（Active）和休眠状态(Inactive)。当处于活跃状态的时隙时，设备打开其无线模块，进行消息的发送及对信道的监听。而在休眠状态，设备无法进行任何与无线通信相关的操作，即便其他设备在此时隙内发送了消息，该设备也无法知道。这两种状态以特定的次序更替，组成了调度序列（Duty Cycle Pattern）。如图1所示，调度序列由0和1组成，其中数值1表示活跃状态，数值0表示休眠状态。移动终端设备按照以上调度序列中状态的顺序依次完成状态的转换。在一个调度周期内，每个时隙的序号成为休眠调度序列的索引。随着设备的运行，在任一时刻，设备都会处在休眠调度序列的某一个索引的位置，该位置称之为相位（Phase）。相位的数目与休眠调度序列在一个周期内的时隙的数目相同。

能量效率一般使用一个周期内活跃时隙数目占总时隙的比例来表示。例如图1，该示例的占空比为6/12，即节省了(12-6)/12比例的能量。若使用更低占空比的调度序列，则将节省更多的能量。

按照不同设备是否采用相同的休眠调度序列，可以将休眠调度协议分为两类：对称的休眠调度协议与非对称的休眠调度协议。系统中，所有设备采用相同的休眠调度序列称之为对称的休眠调度协议；反之，不同的设备可根据一定的规则独立地选取调度序列则称之为非对称休眠调度协议。在分布式系统中由于缺少全局信息，采用非对称的休眠调度协议难以协调，很难保证其最差发现时延，主要研究对称的休眠调度协议。低功耗的邻居发现即是利用了休眠调度协议的邻居发现协议。

根据系统中的设备是否需要全局同步的时钟，邻居发现协议又可分为：异步邻居发现和同步邻居发现。

异步的邻居发现协议设计目标是，无论设备在何时启动、两个设备在通信范围内的相位相差多少，总能够在可知的最坏时延范围内相互发现。以图1为例，设备S、A、B分别在全局时间1、2、3启动休眠调度，然而它们总能在最差12个时隙的时延内相互发现。异步邻居发现协议弱化了对时间同步的要求，使得协议更加简单、可靠。

当处于通信范围内的两个设备在同一全局时间维度上，同时处于活跃状态时，即被称作发现。因为活跃状态中，两个设备至少有一个处于监听状态，可以接收到另一个节点发出的消息。如图1所示，如果设备S和A在彼此的通信范围内，那么它们在全局时间的第4个时隙能够相互发现。

因为后面的工作需要用到经典的Disco协议，这里先对Disco协议作简单的介绍。Disco协议是一种异步的邻居发现协议，其通过选择两个互素的数来生成休眠调度序列：若休眠调度序列中时槽的索引值为这两个互素数中任意一个的倍数，则标记该时隙为活跃状态，否则为休眠状态。两个互素数的乘积就是休眠调度的周期T，也就是保证邻居发现的最差时延。