一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法和系统，包括：步骤S1、构建广域网，广域网包括通信节点和网关，通信节点以单跳的方式接入网关，接入时网关为通信节点授时并分配通信时隙；步骤S2、通信节点在通信时隙内主动向网关传输通信数据和通信数据的生成时间；步骤S3、网关根据生成时间与通信时隙，更新通信节点的通信时隙；步骤S4、循环步骤S2和步骤S3，以实现广域网的传输调度。由此面向低功耗广域网，本发明专利技术可在应用层实现的高信道利用率、低延迟和低功耗传输调度。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法和系统
本专利技术涉及无线通信领域，并特别涉及一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法和系统。
技术介绍
无线传感器网络是由大量密集部署在监控区域的自治节点组成，通过无线通信方式形成的一种自组织网络应用系统，被广泛应用于军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域，是国内外公认的具有广阔发展前景的高技术产业。功耗、成本和部署难度是无线传感器网络所面临的三大难题，目前的无线传感器网络一般采用低成本、具有成熟协议栈的Zigbee节点，其中Zigbee为一种标准的低功耗局域网协议，Zigbee节点以自组织方式将节点连接起来建立网络。但受限于节点信号传输距离，Zigbee网络中节点需要通过其它节点中继转发以多跳的方式将数据传输至网关，节点需要侦听和转发网络中其它节点的数据包，侦听带来的能量开销较大，阻碍了无线传感器网络应用的推广。近年来，随着通信技术的进步，以低功耗、低速率、长距离通讯为特征的低功耗广域网成为传感网与物联网的发展方向之一。低功耗广域网信号传输距离远的优点允许节点单跳将数据传输至网关，节点不需要进行侦听和转发数据，允许节点完成与网关数据传输后关闭射频模块，从而降低了节点功耗，低功耗的优点让低功耗广域网逐渐成为无线传感器网络重要发展方向。然而，针对其通讯速率较低，相同数据量占用信道时间长；传输距离远，相同节点部署密度，网关负载节点多。通信速度低和传输距离远的特点造成网络信道资源紧张，需要新型传输调度算法来有效提升无线信道的利用率，从而满足数据传输速率的要求。无线传感器网络协议栈中的传输调度方法负责为节点分配无线通信资源，是关系到无线网络的信道利用率、延迟等关键性能指标的重要技术。其中，现有技术采用的方法包括，节点立即传输待发送数据的方式来竞争信道，若数据传输失败，随机延迟后重新发送，信道利用率上限为18.6％。改进方法将信道在时间上分段，每个节点只能在一个分段的开始处进行数据发送，信道利用率的上限增加至36.8％。低功耗广域网波特率低和信号传输距离远的特点，造成数据传输需要占用较长时间的信道和网络负载节点数目多，要求高信道利用率的传输调度方法，随机争用信道的Aloha及其改进方法信道利用率低，难以应用于低功耗广域网。由此可采用检测信道状态的方式降低数据碰撞的概率，提高信道利用率，但检测信道状态要求节点侦听信道，无法应用于节点不进行持续侦听的低功耗广域网。基于调度的传输调度方法为每个节点分配通信时隙，避免节点之间的相互干扰，此方法集中于针对多跳网路，以网络吞吐量、数据延迟等指标为优化目标，如将网络建模为图模型，利用高斯域原理求解，多跳的特点增加了传输调度方法的复杂性，降低了在集中式的低功耗广域网网络性能。综上，已有传输调度方法难以应用于低功耗广域网，需要面向低功耗广域网研究新型传输调度方法。
技术实现思路
本专利技术目的是针对低功耗广域网中信道资源紧张的缺点，在网络应用层提供一种面向低功耗网络的高信道利用率的传输调度方法，同时有效提高网络数据延迟、功耗和负载能力关键性能。需要注意的是，本专利技术也可以应用于普通广域网，但是在低功耗广域网中，信道资源紧张的特点更加突出，而普通广域网目前在信道资源方面不紧张，不太需要这种方法，同时二者的数据类型不一样，用到的信道分配方法也有区别，本专利技术中的数据预测与信道分配方法更加适合在低功耗广域网中使用，即本专利技术最佳使用环境是低功耗网，但用在正常功耗的普通广域网中也是可以的，也可以提高普通广域网的传输性能，只不过没有低功耗网提升的明显。具体地说，本专利技术公开了一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其中包括：步骤S1、构建广域网，该广域网包括通信节点和网关，该通信节点以单跳的方式接入该网关，接入时该网关为该通信节点授时并分配通信时隙；步骤S2、该通信节点在该通信时隙内主动向该网关传输通信数据和该通信数据的生成时间；步骤S3、该网关根据该生成时间与该通信时隙，更新该通信节点的通信时隙；步骤S4、循环该步骤S2和该步骤S3，以实现该广域网的传输调度。该低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其中该步骤S1包括：构建包括N个时隙的时间帧，该时间帧的第一个时隙为公共时隙，用于当该通信节点在被分配的通信时隙内未能与该网关成功进行数据传输时，该通信节点在下一个时间帧中该公共时隙内重新与网关进行数据传输。该低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其中步骤S1中该通信节点接入网关的具体过程包括：步骤S11、置零Retry_times和Reconnect_times变量，Retry_times为记录通信节点通过随机退避方法加入网络的次数，Reconnect_times为节点通过公共时隙与网关进行数据传输的次数；步骤S12、检查Retry_times是否超过阈值，若是则执行步骤S13，否则执行步骤S14；步骤S13、该通信节点退出处理流程；步骤S14、该通信节点进行随机退避延迟后，开启射频发送广播数据，增加Retry_times计数；步骤S15、该通信节点在最长等待网关回复时间阈值内收到网关回包，则通信节点加入网络成功，执行步骤S17，否则执行步骤S16；步骤S16、关闭射频，执行步骤S12；步骤S17、关闭射频，清零Retry_times参数；步骤S18：通过解析该网关回包，更新通信节点的本地时间，获得该通信时隙。该低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其中该步骤S2具体包括：步骤S21、该通信节点检查该通信时隙对应的时刻是否来临，若是则执行步骤S22，否则继续等待时隙开始；步骤S22、检查该通信节点的数据队列中是否有待传输的通信数据，若有则执行步骤S23，否则继续等待数据生成并执行步骤S21；步骤S23、该通信节点向该网关发送通信数据；步骤S24、通信节点在预设时间阈值内收到网关回包，则通信数据传输成功，执行步骤S25，否则执行步骤S27；步骤S25、将传输成功的通信数据从数据队列中删除；步骤S26、通过解析网关回包，更新节点本地时间，更新节点的通信时隙；步骤S27、检查当前通信时隙是否结束，若是则关闭射频，否则执行步骤S28；步骤S28：检查数据队列中是否还存在待传输的通信数据，若存在则执行步骤S23，否则关闭射频。该低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其中该步骤S3包括：步骤S31、该网关始终保持无线射频开启并侦听信道；步骤S32、该网关当收到该通信数据，且该通信数据为广播数据或该通信数据中网关编号字段与该网关自身编号相同时，执行步骤S33，否则继续等待下一通信数据，执行步骤S32；步骤S33、依据该通信数据的格式定义解析该通信数据，提取传输该通信数据的通信节点的编号、该通信数据的生成时间；步骤S34、根据该编号，检查该网关是否已对应通信节点的访问记录，若有则执行步骤S38，否则执行步骤S35；步骤S35、为该编号对应的通信节点分配存储空间，使用字典结构存储通信节点信息，将通信节点的键值插入字典中，其中键为该编号，值为通信节点对应存储空间的存储位置；步骤S36、置零通信节点存储空间中变量；步骤S37、该网关首次接收到节点数据包，此时为节点分配的通信时隙为该公共时隙；步骤S38、判断是否已建立节点流量模型，若是则执行步骤S310，否则执行步骤S3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其特征在于，包括：步骤S1、构建广域网，该广域网包括通信节点和网关，该通信节点以单跳的方式接入该网关，接入时该网关为该通信节点授时并分配通信时隙；步骤S2、该通信节点在该通信时隙内主动向该网关传输通信数据和该通信数据的生成时间；步骤S3、该网关根据该生成时间与该通信时隙，更新该通信节点的通信时隙；步骤S4、循环该步骤S2和该步骤S3，以实现该广域网的传输调度。

【技术特征摘要】
1.一种低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其特征在于，包括：步骤S1、构建广域网，该广域网包括通信节点和网关，该通信节点以单跳的方式接入该网关，接入时该网关为该通信节点授时并分配通信时隙；步骤S2、该通信节点在该通信时隙内主动向该网关传输通信数据和该通信数据的生成时间；步骤S3、该网关根据该生成时间与该通信时隙，更新该通信节点的通信时隙；步骤S4、循环该步骤S2和该步骤S3，以实现该广域网的传输调度。2.如权利要求1所述的低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其特征在于，该步骤S1包括：构建包括N个时隙的时间帧，该时间帧的第一个时隙为公共时隙，用于当该通信节点在被分配的通信时隙内未能与该网关成功进行数据传输时，该通信节点在下一个时间帧中该公共时隙内重新与网关进行数据传输。3.如权利要求2所述的低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其特征在于，步骤S1中该通信节点接入网关的具体过程包括：步骤S11、置零Retry_times和Reconnect_times变量，Retry_times为记录通信节点通过随机退避方法加入网络的次数，Reconnect_times为节点通过公共时隙与网关进行数据传输的次数；步骤S12、检查Retry_times是否超过阈值，若是则执行步骤S13，否则执行步骤S14；步骤S13、该通信节点退出处理流程；步骤S14、该通信节点进行随机退避延迟后，开启射频发送广播数据，增加Retry_times计数；步骤S15、该通信节点在最长等待网关回复时间阈值内收到网关回包，则通信节点加入网络成功，执行步骤S17，否则执行步骤S16；步骤S16、关闭射频，执行步骤S12；步骤S17、关闭射频，清零Retry_times参数；步骤S18：通过解析该网关回包，更新通信节点的本地时间，获得该通信时隙。4.如权利要求1或2所述的低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其特征在于，该步骤S2具体包括：步骤S21、该通信节点检查该通信时隙对应的时刻是否来临，若是则执行步骤S22，否则继续等待时隙开始；步骤S22、检查该通信节点的数据队列中是否有待传输的通信数据，若有则执行步骤S23，否则继续等待数据生成并执行步骤S21；步骤S23、该通信节点向该网关发送通信数据；步骤S24、通信节点在预设时间阈值内收到网关回包，则通信数据传输成功，执行步骤S25，否则执行步骤S27；步骤S25、将传输成功的通信数据从数据队列中删除；步骤S26、通过解析网关回包，更新节点本地时间，更新节点的通信时隙；步骤S27、检查当前通信时隙是否结束，若是则关闭射频，否则执行步骤S28；步骤S28：检查数据队列中是否还存在待传输的通信数据，若存在则执行步骤S23，否则关闭射频。5.如权利要求2所述的低功耗广域网内通信数据的传输调度方法，其特征在于，该步骤S3包括：步骤S31、该网关始终保持无线射频开启并侦听信道；步骤S32、该网关当收到该通信数据，且该通信数据为广播数据或该通信数据中网关编号字段与该网关自身编号相同时，执行步骤S33，否则继续等待下一通信数据，执行步骤S32；步骤S33、依据该通信数据的格式定义解析该通信数据，提取传输该通信数据的通信节点的编号、该通信数据的生成时间；步骤S34、根据该编号，检查该网关是否已对应通信节点的访问记录，若有则执行步骤S38，否则执行步骤S35；步骤S35、为该编号对应的通信节点分配存储空间，使用字典结构存储通信节点信息，将通信节点的键值插入字典中，其中键为该编号，值为通信节点对应存储空间的存储位置；步骤S36、置零通信节点存储空间中变量；步骤S37、该网关首次接收到节点数据包，此时为节点分配的通信时隙为该公共时隙；步骤S38、判断是否已建立节点流量模型，若是则执行步骤S310，否则执行步骤S39；步骤S39、该网关获取该通信节点两次通信数据后，初始化该通信节点的流量模型，将该通信节点的当前状态s＝(Data_time-last_flow_time)/Tslot插入状态空间，其中Tslot为通信时隙的长度，last_flow_time为该通信节点上次通信数据生成时间，Data_time为该通信节点当前通信数据生成时间；步骤S310、根据通信节点当前通信数据占用的通信时隙，更新时隙占用概率表；步骤S311、根据当前节点状态更新节点的流量模型并进行状态转移；步骤S312：通过马尔科夫链预测该通信节点下次通信数据生成时间和对应的概率，根据预测得到的通信数据生成时间和对应的概率，得到分配时间帧中每一个通信时隙对应的通信节点的延迟期望和通信数据碰撞概率，选择该延迟期望和该冲突期望加权和最小的通信时隙，作为最优时隙，通信节点下一次占用该最优时隙传输通信数据。6.一种低功耗广域网内通信数据的传输调度系统，其特征在于，包括：广域网构建模块，用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：江涛，黄希，崔莉，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11