[发明专利]分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法

摘要

本发明公开了一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，开启分簇结构无线传感器网络中簇头和汇聚节点无线通信设备，使其处于发送或侦听状态，而簇内普通节点没有数据帧需要收发时可关闭无线通信设备进入休眠状态，簇头与普通节点之间采用带冲突避免的载波侦听多路访问方式。它提出了节点随休眠次数基于二进制指数自适应改变休眠时间的机制，并且通过联合簇头周期性发送簇头传输指示图管理帧的机制，使得分簇结构无线传感器网络能异步工作在单信道条件下，可缓解了同步模式中节点碰撞重传和同步控制信令过多的问题，有效地提高了网络的节能效率。

主权项

1、一种分簇结构无线传感器网络数据链路层的自适应休眠方法，其特征在于开启分簇结构无线传感器网络中簇头和汇聚节点无线通信设备，使其处于发送或侦听状态，而簇内普通节点没有数据帧需要收发时可关闭无线通信设备进入休眠状态，簇头与普通节点之间采用带冲突避免的载波侦听多路访问方式，该带冲突避免的载波侦听多路访问方式为：1)帧与帧之间在物理媒介上必须有帧间间隔，由物理层属性决定；使用IEEE 802.11中SIFS(最短帧间间隔)的帧优先级最高，用于需要立即响应的服务，如ACK(应答)帧、CTS(允许发送)帧和数据(DATA)帧等；使用IEEE 802.11中DIFS(分布式帧间间隔)用以发送RTS(请求发送)帧、DAS(Data Allowing to Send，数据允许发送)帧和首次发送CTIM(簇头传输指示图)帧等；TCTIM用于第2个及其后连续的CTIM帧，其值为物理层时隙时间的整数倍。上述CTIM帧在IEEE 802.11标准中管理帧传输指示图单元基础上提出，用以指示普通节点是否有数据帧在簇头处，帧长为7至47个字节，包括管理帧的MAC头部、帧实体和帧检验序列(FCS)域，帧实体中包含位图控制和部分虚拟位图，位图控制用于区分单播帧和广播帧，若要向某节点传输数据帧，则部分虚拟位图中对应该节点关联识别码的比特设置为1，根据所需传送的数据帧个数，部分虚拟位图最多由31个字节组成。上述DAS控制帧在IEEE 802.11标准中控制帧的基础上提出，帧长为14字节，包括帧控制、持续时间、发送地址域(本节点的MAC地址)和FCS四个域，DAS帧用于节点向簇头发送，通过发送地址域表明自己身份，以取回在簇头的数据帧；2)当簇头要向簇内普通节点传输数据帧时，簇头需要周期性地发送CTIM帧，间隔时间为TCTIM，直到收到其它节点发送的帧后停止发送；当簇头没有数据帧需要传输时，转入侦听信道；3)当普通节点侦听信道的侦听时间超过TD时没有数据帧需要收发，可进入休眠状态；每个节点都维持一个节点休眠计数器(SSC)，其初始值都为0，当节点需要进入休眠，SSC值递增1，一旦SSC达到门限值aSSCmax后保持该值，当节点成功交互后由于网络局部范围内存在相关性，节点有存在后续业务的可能性，则SSC置0，当节点接收到CTIM帧后，通过分析发现自己的关联识别码在部分虚拟位图中，则SSC也置0；基于二进制指数的休眠时间SleepTime可用下式来表示： SleepTime＝min(2^(SSC-1)*Tsleep，Tmax_sleep)-Random*Tbasic 其中min表示取小，^表示取指数；当节点准备进入休眠状态时它的节点休眠计数器(SSC)值递增1，若SSC达到门限值aSSCmax，SSC将保持该值直至成功完成一次帧交互后复位归0；Tsleep为基本休眠周期，Tmax_sleep为最长休眠周期，由无线传感器网络所能容忍的最大时延与到汇聚节点的最大跳数来设定；Random表示为均匀分布在[0，CWSleep]范围内的随机整数，CWSleep的数值集合为2的整数幂减1，根据簇内节点平均个数来设定；Tbasic为物理层的时隙时间；普通节点的侦听时间TD需大于两倍的CTIM帧的发送时间与TCTIM之和，可保证当簇头周期性发送CTIM帧时节点处于接收状态可接收到一个CTIM帧；4)普通节点在接收状态时侦听到簇头发送的CTIM帧后，对收到的CTIM帧进行分析，根据关联识别码确定自己有数据帧在簇头处后，则它的休眠计数器归0，与簇头的通信方式采用DAS-DATA-ACK三握手传输过程；5)普通节点在非休眠状态有数据帧发送到簇头时，它的休眠计数器归0，普通节点与簇头的通信方式可采用常规的RTS-CTS-DATA-ACK四握手传输过程；6)帧格式、退避规程、恢复规程、鉴权服务、关联机制和加密服务等技术规范都可采用IEEE 802.11标准。