无线传感器网络簇内自适应通信方法技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络簇内自适应通信方法，包括请求阶段、同步阶段和睡眠阶段。首先簇内普通节点根据当前缓冲区数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约包ITS给簇头节点，簇头节点收到ITS后回复预约确认包ATS给簇内普通节点以进行确认。在同步阶段簇头节点发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息。然后竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，而其它节点则进入睡眠以降低能耗。这种方法使得数据负荷大的节点能够有更大优先权发送数据，从而有效缓解节点数据包堆积问题，提高传输吞吐率并降低能耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线网络领域，特别涉及无线传感器网络协议设计领域，具体给出一种无线传感器网络簇内自适应通信方法，尽管可将给出的特征应用于其他网络设计中。
技术介绍
无线传感器网络通常是由许多资源受限的节点组成的多跳自组织网络，在环境监测、军事管理、工业控制、医疗系统等诸多领域有着广泛的应用。由于无线传感器网络单个节点的能量和处理能力比较有限，节点通常需要通过协作的方式感知、采集和处理信息并发送给汇聚节点，故此类网络对能耗、延迟、可靠性等方面性能有较高的要求。在无线传感器网络的具体应用场景中，很多情况下节点的数量比较大，分布范围比较广，大范围的网络结构使得采用平面自组织的方式构建网络难以满足要求。而分簇机制能够较好地增强网络规模增大时候数据通信、网络可扩展性等方面性能，并能增强能耗管理并能较好融入拓扑控制方法。节点采用分簇的方式组成网络时，通常先将数据从簇内的普通节点传输到簇头节点，簇头节点缓存相应的数据并通过适当的方式传输到汇聚节点。在簇内数据通信过程中，当监测到事件后簇内普通节点需要将相关信息汇报给簇头节点。由于簇内每个普通节点需要发送的数据量有差异，节点数据缓冲区中数据包数目多的节点更需要及时将数据发送给簇头节点，采用均匀的信道接入概率则无法使数据包数目多的节点能享有优先发送权。此外当数据包在普通节点的缓冲区中堆积时，节点需要快速将数据发送出去，避免长时间堆积引起网络性能下降。
技术实现思路
技术问题：本专利技术为解决上述现有技术中存在的问题，提供无线传感器网络簇内自适应通信方法。技术方案：本专利技术的无线传感器网络簇内自适应通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，具体包括以下步骤：①簇内普通节点根据当前缓冲区中的数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约请求包ITS给簇头节点；簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点进行通信确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗；②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息；③竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠状态以降低能耗。所述步骤①中计算本次竞争窗口大小的方法具体为：令汇报阶段的最大竞争窗口大小为W，节点本次竞争窗口大小为Wi，节点缓冲区中的数据包最大容量为Cmax，节点当前缓-->冲区中数据包数目为Fxi，则本次竞争窗口大小为Wi＝W(Cmax-Fxi)/Cmax。所述步骤①的预约请求包和预约确认包中均包含本次通信过程需要发送的数据包数目。簇内节点进入睡眠持续的时间为收到预约确认包到同步期的开始之间的时间。所述步骤②的定期发送同步包的方法具体为：根据数据传输速度计算传输1bit数据需要的时间为T1，根据时钟漂移速率计算引起T1时间偏差时节点需要运行的时间Tc，则离上次同步包发送时间超过3Tc/4时簇头再次发送同步包。所述步骤③的连续发送多个数据包的方法为：根据预约好的数据包发送数目，簇头节点在每个数据包后进行确认，即通信过程采用DATA1/ACK1/DATA2/ACK2…的方式进行。有益效果：本专利技术中无线传感器网络簇内自适应通信方法，能够根据簇内普通节点当前数据缓冲区的数据包数目设置当前竞争窗口大小，当数据包数目比较大的时候采用较小的竞争窗口发送预约请求包，当数据包数目比较小的时候采用较大的竞争窗口发送预约请求包，使得数据发送优先级能够发映当前簇内普通节点的数据负荷程度，从而能够均衡网络数据流量，提高传输效率。此外采用一次预约发送多个数据包的形式，能够很好缓解数据包堆积问题，较大程度降低能耗和数据包传输的平均延迟。附图说明图1是簇内通信过程。具体实施方式无线传感器网络簇内自适应通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，通信包括以下步骤：①簇内普通节点根据当前缓冲区数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送请求预约包ITS给簇头节点。簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点以进行确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗。②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息。③竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠以降低能耗。优先地，步骤①中计算本次竞争窗口大小的方法具体为：令汇报阶段的最大竞争窗口大小为W，节点本次竞争窗口大小为Wi，节点缓冲区中的数据包最大容量为Cmax，节点当前缓冲区中数据包数目为Fxi，则本次竞争窗口大小为Wi＝W(Cmax-Fxi)/Cmax。优先地，步骤①的预约请求包和预约确认包中均包含本次通信过程需要发送的数据包数目。簇内节点进入睡眠持续的时间为收到预约确认包到同步期的开始之间的时间。优选地，步骤②的定期发送同步包的方法具体为：根据数据传输速度计算传输1bit数据需要的时间为T1，根据时钟漂移速率计算引起T1时间偏差时节点需要运行的时间Tc，则离上次同步包发送时间超过3Tc/4时簇头再次发送同步包。优选地，步骤③的连续发送多个数据包的方法为：根据预约好的数据包发送数目，簇头节点在接收到每个数据包后进行确认，即通信过程采用DATA1/ACK1/DATA2/ACK2…的-->方式进行。下面将结合附图和具体实施实例对本专利技术的技术方案进行进一步说明。当簇内普通节点需要发送数据给簇头时候，首先根据当前缓冲区数据包数目计算本次竞争窗口大小。由于每个节点检测到事件后产生的数据包数目不相同，故簇内节点的当前缓冲区内的数据量也不同，为公平反映簇内节点的当前数据流量强度情况，在节点竞争信道时采用了非均匀的接入概率来进行信道竞争，使得数据量较大的节点有更大的优先竞争发送权。假设簇内有N个节点，分别为X0，X1，X2，...，XN-1，而当前希望发送数据包的节点数目为M，令这些节点分别为X0，X1，X2，，...，XM-1，且M≤N，故此时当这M个节点想发送数据时通过竞争方式发送数据面临冲突的可能。为减小冲突，每个节点按照节点当前的数据流量选择一个合适的发送概率进行请求包发送，即高数据流量的节点采用大的竞争接入概率而低数据流量的节点则采用较小的数据发送概率。具体方法为检测节点当前的数据缓冲区中数据量，假设当前节点缓冲区中的数据量为Fxi{0≤i≤M本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络簇内自适应通信方法，其特征在于该通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，具体包括以下步骤：①簇内普通节点根据当前缓冲区中的数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约请求包ITS给簇头节点；簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点进行通信确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗；②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息；③竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠状态以降低能耗。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络簇内自适应通信方法，其特征在于该通信方法分为请求、同步和睡眠三个阶段，具体包括以下步骤：①簇内普通节点根据当前缓冲区中的数据包数目计算本次竞争窗口大小，然后通过载波侦听方式竞争信道并发送预约请求包ITS给簇头节点；簇头节点收到预约请求包后回复预约确认包ATS给簇内普通节点进行通信确认，完成本次通信预约，簇内其它节点则进入睡眠以降低能耗；②在同步阶段簇头节点定期发送同步包给簇内普通节点，通告本次需要发送的数据包数目以及簇头自身的时间信息；③竞争成功的普通节点在睡眠阶段连续发送多个数据包给簇头节点，发送完数据进入睡眠，而其它节点则在睡眠阶段开始进入睡眠状态以降低能耗。2.根据权利要求1所述的无线传感器网络簇内自适应通信方法，其特征在于所述步骤①中计算本次竞争窗口大小的方法具体为：令汇报阶段的最大竞争窗口大小为W，节点本次竞争窗口大小为Wi，节点缓冲区中的数据包最大容量为Cmax，节点当前缓冲区中数...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚国良，刘昊，吴建辉，徐平平，时龙兴，张萌，蒋富龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32