一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法技术

本发明专利技术公开了一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，首先，对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信，然后，汇聚节点进行全网周期性时间同步，最后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输。本发明专利技术综合考虑了长距离线型无线传感器网络特点，采用跨层设计方法，结合通信判决门限、时隙部署方式等，使其更加适用于跨层协议，解决了周期性侦听睡眠带来的长时延问题。

【技术实现步骤摘要】
一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法
本专利技术属于无线传感器网络和电子测控领域，特别涉及了一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法。
技术介绍
随着无线传感器网络的技术发展和应用，其在工程中的应用越来越广泛，作为工业应用中常见的网络拓扑结构，长距离线型无线传感器网络具有广泛的应用前景和发展空间。长距离线型无线传感器网络是一种在工程中常见的结构，其监控区域近似于线条，如道路、车轨、矿井、河流、桥梁等都可近似为线型区域。目前对于无线传感器网络本身的研究热点主要集中在3个方面的关键技术上：网络通信协议、网络管理技术以及网络支撑技术。主要体现在：MAC协议、路由协议、节能降耗以及节点定位四个方面。由于无线传感器网络节点由电池供电，节点的生命周期决定了网络的生命周期，因而从节能降耗的角度设计传感器网络成为当今研究热点。影响无线传感器网络生命周期的一个重要因素是网络协议。目前广泛使用的网络协议有zigbee、182.15.4等基于层次结构的网络协议，但是，由于无线信道的动态变化特性、无线介质的不可靠性、广播特性、WSN的能量、存储能力、通信能力、计算能力资源受限等特点，使得此类网络协议不能良好的应用于长距离线型无线传感器网络。因此，需要研究一种适用于长距离线型无线传感器网络的网络协议，从而更好的实现网络资源分配，延长网络生命周期并提高网络性能。为了解决上述分层协议带来的问题，研究者提出了跨层设计方法，该方法打破了严格分层的规定，层与层之间可以融合成一层，也可进行数据共享，减少数据计算和信息通信，根据不同的设计需求，对各层进行优化，从而实现网络整体性能的改善和优化。跨层协议的这一设计思想使得协议依赖于不同的接口或层间融合要求，因而不可能具备分层协议的广泛适用性。虽然目前有很多基于跨层设计方法的无线传感器网络协议，但是，多数针对特定应用和较复杂的协议框架，并不适用于工业应用中的线型传感器网络。因而，需要基于跨层设计的方法设计一种充分考虑线型网络和工程应用特点的跨层协议。
技术实现思路
为了解决上述
技术介绍
存在的问题，本专利技术旨在提供一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，既克服传统分层协议的缺点，又能满足现有跨层协议无法达到的广泛的适用性要求。为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，包含以下步骤：（1）对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信；（2）汇聚节点进行全网周期性时间同步；（3）时间同步之后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输。其中，每个传感器节点通过固定路由的方式向汇聚节点传输数据，即传感器节点路由的路径是已知的。其中，每个传感器节点都将数据存储在自己的缓冲区，每个节点都设置一个缓冲区数据量最大值，若节点当前的缓冲区数据量超过该最大值，则表示出现网络拥塞，该节点停止中继其他节点的数据，并降低自身数据采集速率。其中，传感器节点在传输数据时，将具有相同汇聚节点和相同数据类型的数据融合后再上传。其中，上述步骤（2）中的时间同步采用粗粒度同步方式，由汇聚节点广播包含编号的一系列信标帧，以保证网内所有节点均至少接收到一个信标帧，传感器节点根据信标帧的编号计算唤醒时间，达到时间同步的目的。其中，上述步骤（3）中的时隙部署请求为LS-RTS请求，所述LS-RTS请求包括RTS、链编号和数据发送时间，RTS里包含数据发送所需时间，链编号用于区别是否为同一路由路径上的传感器节点，数据发送时间是该传感器节点部署的数据发送时隙。其中，侦听阶段的某一路由路径：源节点-传感器节点N1-…-传感器节点Nn-汇聚节点，n为自然数，完成时隙部署的具体过程是：a）所述源节点计算数据发送时间，广播LS-RTS信号；b）传感器节点N1接收到该LS-RTS信号，部署时隙，并计算下次数据发送时间存到其对应的LS-RTS信号中，然后传感器节点N1调节发送功率使得源节点和传感器节点N2都在其通信半径内，发送本节点的LS-RTS信号；c）当源节点收到传感器节点N1的LS-RTS信号时则认为步骤（1）请求发送成功，传感器节点N2收到传感器节点N1的LS-RTS信号时，重复步骤b），直至传感器节点Nn接收到来自传感器节点Nn-1的LS-RTS信号；d）传感器节点Nn回复CTS信号给传感器节点Nn-1，以保证建立通信。其中，传感器节点在接收LS-RTS请求后，需要通过门限判决公式来判定是否具备通信条件，若具备通信条件，则部署时隙，若不具备通信条件，则当前传感器节点根据已知的所有节点的位置，找到能够参与通信的邻居节点，调节自身发射功率，使得两者之间可以建立通信；所述通信门限判决公式：其中，是信号LS-RTS的信噪比，是该传感器节点的信噪比门限值，是该传感器节点的当前缓冲区数据量，是该传感器节点的缓冲区数据量最大值，是该传感器节点的剩余能耗；是该传感器节点的低能耗限制，d、、分别表示当前传感器节点位置、汇聚节点位置、源节点位置。采用上述技术方案带来的有益效果：本专利技术综合考虑了长距离线型无线传感器网络特点，采用跨层设计方法，结合通信判决门限、时隙部署方式等，使其更加适用于跨层协议，解决了周期性侦听睡眠带来的长时延问题。经理论分析与仿真实验对比了本专利技术和其他几种现有协议的数据时延和网络总能耗，分析结果显示，本专利技术具有较低的网络能耗和较小的数据时延，即在现有协议的基础之上达到了优化协议性能的目的。附图说明图1是本专利技术的网络通信结构图。图2是本专利技术的时间同步时序图。图3是本专利技术的LS-RTS构成示意图。图4是本专利技术的多跳时序示例图。图5是本专利技术的多数据时隙分配图。图6是本专利技术的传感器节点工作流程图。图7是本专利技术的汇聚节点工作流程图。图8是各协议的节点数据采集率与数据延时关系图。图9是各协议的节点侦听周期占空比与数据延时关系图。图10是各协议的网络节点个数与系统能耗关系图。图11是各协议网络仿真的侦听占空比与总能耗关系图。图12是各协议网络仿真的节点个数与总能耗关系图。图13是各协议网络仿真的节点个数与平均数据延时关系图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示本专利技术的通信网络结构图，长距离线性无线传感器网络将监测区域划分为若干个子区域，每个子区域的网络通信结构采用双链式优化间距的线型部署方案。本专利技术包含两类节点：传感器节点（接收数据或发送数据）和汇聚节点（仅接收数据），传感器节点中仅发送数据的节点称为源节点，传感器节点通过多跳方式向汇聚节点传输信息。汇聚节点进行全网周期性时间同步，传感器节点进行周期性侦听及睡眠。汇聚节点进行周期性时间同步：每隔周期进行一次时间同步，使得全网节点在周期T内的时间漂移不影响数据通信，为传感器节点周期性侦听及睡眠的周期，K为全网同步因子，其值取决于具体的应用场景、硬件性能等。在此引入侦听睡眠周期计数器Count，取值为0~K，当Count=K时，节点时间同步，同时计数器置0。通过周期性的时间同步能够解决时间漂移等带来的问题。传感器节点进行周期性侦听及睡本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：包含以下步骤：（1）对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信；（2）汇聚节点进行全网周期性时间同步；（3）时间同步之后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输。

【技术特征摘要】
1.一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)对无线传感器网络采用双链式拓扑结构，每个汇聚节点仅与两个传感器节点进行通信；(2)汇聚节点进行全网周期性时间同步；(3)时间同步之后，各传感器节点均同步进行周期性侦听及睡眠，所述周期性侦听及睡眠依次包含侦听阶段和睡眠阶段，在侦听阶段，传感器节点通过发送时隙部署请求完成全网传感器节点的时隙部署，在睡眠阶段，传感器节点根据自身的时隙部署进行数据传输；所述时隙部署请求为LS-RTS请求，所述LS-RTS请求包括RTS、链编号和数据发送时间，RTS里包含数据发送所需时间，链编号用于区别是否为同一路由路径上的传感器节点，数据发送时间是该传感器节点部署的数据发送时隙；所述侦听阶段某一路由路径：源节点-传感器节点N1-…-传感器节点Nn-汇聚节点，n为自然数，完成时隙部署的具体过程是：a)所述源节点计算数据发送时间，广播LS-RTS信号；b)传感器节点N1接收到该LS-RTS信号，部署时隙，并计算下次数据发送时间存到其对应的LS-RTS信号中，然后传感器节点N1调节发送功率使得源节点和传感器节点N2都在其通信半径内，发送本节点的LS-RTS信号；c)当源节点收到传感器节点N1的LS-RTS信号时则认为步骤(3)的时隙部署请求发送成功，传感器节点N2收到传感器节点N1的LS-RTS信号时，重复步骤b)，直至传感器节点Nn接收到来自传感器节点Nn-1的LS-RTS信号；d)传感器节点Nn回复CTS信号给传感器节点Nn-1，以保证建立通信。2.根据权利要求1所述一种长距离线型无线传感器网络跨层通信方法，其特征在于：每个传感器节点通过固定路由的方式向汇聚节点传输数据，即传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：严锡君，严妍，王艺瑶，孙桐，王玲玲，卜旸，郁麟玉，赵光辰，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32