一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统。方法包括获取水下无线传感器网络拓扑结构；根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；获取第i个子节点的发送时刻；根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；判断出所述第i个子节点和第i+1个子节点是否为并行传输的子节点。本发明专利技术所提供的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法解决现有技术中能耗高和网络性能低的问题。

An energy efficient concurrent scheduling method and system for Underwater Wireless Sensor Networks

【技术实现步骤摘要】
一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统
本专利技术涉及传感器通信
，特别是涉及一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统。
技术介绍
随着无线通信和传感技术的飞速发展，无线传感器网络已经被广泛应用。近年来，随着水下通信的迅速发展，水下无线传感器网络(UnderwaterWirelessSensorNetworks，UWSNs)已成为研究的热点。UWSNs在海洋资源开发、环境监测、军事监视和安全监控等方面都具有广泛的应用前景。UWSNs属于无线传感器网络的一种，但是它与地面无线节点依靠无线电信号相互通信不同。UWSNs节点采用声波作为通信介质，速度为1500m/s，比无线电信号低5个数量级。水声信道具有传播延迟长、误码率高、带宽低等特点。并且UWSNs中的声学传感器节点通常是利用电池供电，蓄电或更换电池难度较大，为了长期的传感、数据收集和通信提供必要的电力，尽量减少UWSNs的能耗，提高UWSNs的高效节能和寿命。为了提高UWSNs的高效节能和寿命，将基于休眠和并发传输的介质访问控制协议(mediumaccesscontrol,MAC)应用在水下无线传感器网络中。MAC协议设计中存在时空不确定性问题。时空不确定性问题是由于空间的不确定性(不同的传播延迟)和时间的不确定性(不同的发送时间)，这种空间的不确定性使得接收时间也不确定性，因此可能会导致数据包在接收方引起碰撞。因此，为了避免冲突，应该考虑发送和接收的合理调度。将MAC协议设计为有竞争性的MAC协议和无竞争性的MAC协议。竞争性的MAC协议有随机接入的方式和基于握手预约的方式。在随机访问方法中，节点只要准备好数据就可以开始传输。当数据包到达接收器时，如果接收器没有接收到任何其他节点的包并且在该期间没有其他包到达，则接收器就可以成功地接收该包，反之，则会产生冲突。因此，在随机接入MAC协议中，多个节点在不受任何控制的情况下随机共享传输介质。这种随机接入的思想很简单，只要节点有数据要发送，就可以发送。当然，这样很容易造成冲突，尤其在水下无线传感器网络中，由于较低的传输速率，使得数据发送的持续时间较长，冲突发生的可能性更高。基于握手的预约方法中，当节点有数据要发送时，首先要预约信道。即当多个节点竞争信道时，节点要通过发送控制报文预约信道。目前，竞争性的基于握手的MAC协议中，基于冲突避免多址接入MACA的MAC协议和基于数据流多址接入FAMA的MAC协议，两种MAC协议是两种经典的竞争性的基于握手的MAC协议。MACA协议作为一种基于RTS/CTS的握手机制，避免多跳网络中的冲突问题，有效地减少碰撞。然而，它是针对无线电波网络设计的，较长的握手时间加长了节点获取信道的平均等待的时间，从而增加了端到端的时延，并不能很好地适用于水下无线传感器网络。FAMA协议通过使用延长RTS/CTS控制包的传输时延的方法，结合了载波侦听和握手机制来避免冲突，针对水声网络的长传播时延的特性，FAMA协议要求所有的数据包(包括控制包)只能在时隙开始时进行发送，并且为了保证数据的正确传输，它要求在数据传输完成后发送ACK，使得原本不适用于水下环境的MACA协议可以工作于具有传播延迟长特点的水下无线传感器网络。然而，这种加长的控制包在水下传感器网络中是以消耗大量的能耗为代价的。尽管竞争性的MAC协议都期望提高网络的性能，但是由于传播延迟长,带宽狭窄和误码率高的特性，使得竞争性的MAC协议在水下环境中很难实现最优。而作为无竞争的MAC协议中TDMA协议引起了人们的广泛关注。在TDMA协议，根据全局或局部网络拓扑信息建立一张冲突表，然后根据节点的流量负载利用冲突表进行调度，利用本地同步来确定每个传感器节点的时间线，它通过广播SYNC包来完成与邻居节点的同步及确定节点的传输周期；使得所有节点都使用已经分配好的时隙进行工作，提高了能效。同时为了考虑节能，它引入了睡眠模式，因为在这种模式下消耗的能量更少。但是，水声信道的存在时空不确定性，TDMA协议没有考虑水下传感器网络的时刻不确定性，从而忽略了接收节点和发送节点之间时延差异性，增加接收端的接收包的空闲等待时间，从而会降低网络的流量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法及系统，解决现有技术中能耗高和网络性能低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，包括：获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；获取第i个子节点的发送时刻；根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。可选的，所述获取第i个子节点的发送时刻，之前还包括：获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点；根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式确定所述第1个子节点的发送时刻；tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水声的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。可选的，所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻，具体包括：利用公式确定所述第i个子节点的开始接收时刻；利用公式确定所述第i个子节点的完全接收时刻；t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，包括：/n获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；/n根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；/n获取第i个子节点的发送时刻；/n根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；/n以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；/n判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；/n当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；/n当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。/n...

【技术特征摘要】
1.一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，包括：
获取水下无线传感器网络拓扑结构；所述水下无线传感器网络拓扑结构为树形无线网络拓扑结构；一个父节点对应多个子节点；一个子节点对应多个叶子节点；
根据所述水下无线传感器网络拓扑结构，获取每个节点的信息；所述节点的信息包括节点的位置、节点的类型、节点的层级和节点的剩余能量；所述节点的类型包括父节点、子节点和叶子节点；
获取第i个子节点的发送时刻；
根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻；
以所述第i个子节点的发送时刻作为第i+1个子节点的发送时刻，确定所述第i+1个子节点的开始接收时刻和所述第i+1个子节点的完全接收时刻；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的位置不同；所述第i个子节点和所述第i+1个子节点的父节点相同；
判断所述第i+1个子节点的开始接收时刻是否小于所述第i个子节点的完全接收时刻；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述第i个子节点的发送时刻确定为所述第i+1个子节点的发送时刻；将第i个子节点替换为第i+1个子节点，返回所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻步骤。


2.根据权利要求1所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述获取第i个子节点的发送时刻，之前还包括：
获取第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻；所述第1个子节点为所述父节点对应的所有子节点中，距离所述父节点最近的子节点；
根据所述父节点开始接收数据的时刻，利用公式确定所述第1个子节点的发送时刻；
tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，T为节点周期，tf(1r-first)为第1个子节点的父节点开始接收数据的时刻，D1r为所述第1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。


3.根据权利要求2所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述根据所述第i个子节点的发送时刻，确定所述第i个子节点的开始接收时刻和所述第i个子节点的完全接收时刻，具体包括：
利用公式确定所述第i个子节点的开始接收时刻；
利用公式确定所述第i个子节点的完全接收时刻；
tc(ir-first)为第i个子节点的开始接收时刻，tc(is-first)为第i个子节点的发送时刻，tc(1s-first)为第1个子节点的发送时刻，D1r第1个子节点到所述父节点的距离，Dir为第i子节点到所述父节点的距离，ls-max为子节点的最大数据传输量，C(i)为当前父节点的所有子节点的个数，Rbit为节点传输速率。


4.根据权利要求1所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻，具体包括：
利用公式确定第i+1个子节点的发送时刻；tc((i+1)s-first)为第i+1个子节点的发送时刻，tf(ir-last)为第i个子节点的完全接收时刻，T为节点周期，D(i+1)r为所述第i+1个子节点到所述父节点的距离，ΔD为节点移动的最大距离偏移量，vwater为在水中的传播速度，modT为负值结果规格化为正值。


5.根据权利要求1所述的一种能量有效的水下无线传感器网络并发调度方法，其特征在于，所述当所述第i+1个子节点的开始接收时刻小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，根据所述第i个子节点的完全接收时刻，确定第i+1个子节点的发送时刻确定所述父节点的所有子节点的发送时刻，之后还包括：
将所有子节点的发送时刻发送至对应的子节点完成通信；
当所述第i+1个子节点的开始接收时刻不小于所述第i个子节点的完全接收时刻时，将所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜秀娟，刘昕，王丽娟，李冲，
申请(专利权)人：青海师范大学，青海民族大学，
类型：发明
国别省市：青海;63