一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法技术

本发明专利技术公开了一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，包含以下步骤：S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；S2.sink节点生成由

【技术实现步骤摘要】
一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法
本专利技术涉及无线传感器网络中的媒体访问控制协议，特别涉及一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法。
技术介绍
随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)作为重要的物联网技术变得越来越关键，基于其强大的数据传感和收集能力，在将物联网变为现实方面发挥着重要作用。WSN可以应用于许多事件监测领域，例如基础设施环境的监测。当监测具有线性拓扑的区域时(例如石油/天然气管道和铁路)，由于受监测区域的线性特征影响，传感器节点自然以具有薄或厚的线性覆盖范围的方式部署，从而形成了线性传感器网络(LinearSensorNetwork,LSN)。数据收集是LSN可以提供的最重要的服务之一，其中汇聚节点(sink)通过多跳无线转发方式收集传感器节点感知到的数据。因此，在监测线性区域的应用中，线性传感器网络引起了研究人员的广泛关注。为了提高能量使用效率以延长网络寿命，具有占空比调度的媒体访问控制协议和路由协议在无线传感器网络中引起了广泛重视。在占空比协议中，传感器节点会在睡眠和唤醒模式之间周期性地改变其无线电发射机的状态，以减少空闲和无意监听行为，从而节省能量。由于节点在睡眠状态下休眠，只有在唤醒状态时才能进行工作，因此会导致睡眠延迟的问题。在多跳传输中，因为延迟逐跳累积，此问题会变得更加严重，因而无法满足对延迟敏感的应用中的实时传递要求。仅考虑单个数据包的发送路径，现有的基于占空比调度的流水线式数据转发协议(Duty-CyclingandPipelined-Forwarding,DCPF)中的流水线转发功能能够保证工作时实现较低的端到端的延迟。但是当有多个数据包转发路径时，情况并非如此，特别是当网络承受高流量负载时。由于在现有的DCPF协议中，与sink节点具有相同通信跳距的那些紧邻的节点将保持相同的“睡眠-唤醒”调度时间表，因此，它们会在发送数据时相互竞争，而在接收数据时彼此干扰。这样的争用和干扰将导致能量使用效率降低和数据包等待时间延长。当节点数量增多时，这种情况会变得更加严重,因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的针对现有DCPF协议的不足，提出一种改进的基于占空比调度的流水线式数据收集方法，该方法可以解决那些具有相同“睡眠-唤醒”调度时间表的邻近节点之间的争用和干扰问题。为了实现这个目的，本专利技术提出了一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，包含以下步骤：S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；S2.sink节点生成由表示的数据包，并将该包逐个单播给在其一跳范围内的各个节点；S3.在sink节点一跳范围内的每个节点根据接收的单播包设置所在级别为1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新并广播；S4.尚未加入网络或者已加入网络但是级别需要更新的节点，将根据接收的广播包设置其所在级别为包的级别域的值加1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新并广播；S5.节点加入网络后即可将感知数据逐跳转发给sink节点。进一步，前述S1中，sink节点向邻居节点广播探针信息，接收到探针信息的节点会给sink节点发送回复消息。根据回复信息的数量，sink节点确定在其一跳范围内的N个邻居节点的地址信息，并根据回复信息的顺序，对邻居节点进行从1到N的排序，节点的地址将作为数据转发路径的ID。进一步，前述S2中，每个节点维护五个属性，包括：(1)节点的级别，按照距离sink节点的通信跳数进行分级，初始值为-1；(2)节点的当前状态。R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态。状态R和T的时长为一个时隙，用τ表示，S的时长为ξ·τ(ξ为自然数)。考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求ξ≥2；(3)节点在当前状态的持续时间；(4)节点所在的报文转发路径的ID；(5)当前节点转发数据包的下一跳节点的地址。由sink节点生成数据包开启初始化过程，该数据包包含以下四个域：(1)grade:发送节点所在的级别；(2)stateDur:发送节点在发送此信息之前，节点在发送状态T的持续时间；(3)source:发送节点的地址；(4)path:数据转发路径的ID。sink节点设置grade＝0、stateDur＝0、source＝sink节点的地址、path＝在sink节点一跳范围内的第n(n∈[1,N])个邻居节点的地址，然后每隔σ·τ(σ为自然数，考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求σ≥4)个时隙，将发送给第n个邻居节点，直至所有N个邻居节点都收到sink发送给自己的数据包。进一步，前述S3中，当N个邻居节点中的第n个邻居节点收到sink发给自己的数据包后，根据包中信息进行如下操作：(1)grade+1；(2)path；(3)source；(4)令其中，为的传播时延，tcycle为一个“睡眠-唤醒”周期的时长。如果δ<ξ·τ,设置否则，如果δ<(ξ+1)·τ,设置否则，设置(5)更新包中的域，包括grade+1、stateDur设置为到广播为止节点处在T状态的持续时间、source设置为该节点的地址、path保持不变。完成更新后广播包。进一步，前述S4中，节点已加入网络但是级别设置需要更新的情形包括：(1)节点当前级别大于或等于所接收广播包中级别域的值；(2)节点当前级别等于所接收广播包中级别域的值加1，并且所接收广播包的接收信号强度高于上一次所接收广播包的接收信号强度。尚未加入网络或者已加入网络但是级别设置需要更新的节点，根据所接收广播包的信息，按照步骤4中(1)-(5)方式进行同样的操作。最后，前述S5中，已经加入网络的节点，将开始感知环境、产生数据包，同时将包的下一跳地址设置为然后发送出去。该数据包经过多跳转发后将最终被sink节点接收。相对于现有技术，本专利技术的优点如下：本专利技术提出的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，相比较于现有同类协议，通过使用信息将同一级别内的任何两个节点的“睡眠-唤醒”调度时间表错开，解决位于彼此干扰范围内并且具有相同的“睡眠-唤醒”调度时间表的节点之间存在的争用和干扰问题，可以更好的适用于节点密度和网络流量很大的情况，有效提升了数据包传输率、网络吞吐量、能量效率，降低了数据包传输延迟(在具体实施方式中将展示上述指标的评测结果)。附图说明图1是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法的流程图。图2是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集示意图。图3是现有DCPF协议基于争用窗口和握手机制的数据收发示意图。图4是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集中数据包收发示意图。图5是基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，包含以下步骤：/nS1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；/nS2.sink节点生成由

【技术特征摘要】
1.一种基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1.sink节点与在其一跳范围内的节点通信，并获知相关信息；
S2.sink节点生成由表示的数据包，并将该包逐个单播给在其一跳范围内的各个节点；
S3.在sink节点一跳范围内的每个节点根据接收的单播包设置所在级别为1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新并广播；
S4.尚未加入网络或者已加入网络但是级别需要更新的节点，将根据接收的广播包设置其所在级别为包的级别域的值加1、建立“睡眠-唤醒”调度时间表以加入网络，然后更新并广播；
S5.节点加入网络后即可将感知数据逐跳转发给sink节点。


2.根据权利要求1所述的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S1中，sink节点向邻居节点广播探针信息，接收到探针信息的节点会给sink节点发送回复消息,根据回复信息的数量，sink节点确定在其一跳范围内的N(N≥1)个邻居节点的地址信息，并根据回复信息的顺序，对邻居节点进行从1到N的排序，节点的地址将作为数据转发路径的ID。


3.根据权利要求1所述的基于占空比调度的无干扰流水线式数据收集方法，其特征在于，所述S2中，每个节点维护五个属性，包括：
(1)节点的级别，按照距离sink节点的通信跳数进行分级，初始值为-1；
(2)节点的当前状态，R表示接收状态，T表示发送状态，S表示休眠状态，状态R和T的时长为一个时隙，用τ表示，S的时长为ξ·τ(ξ为自然数),考虑干扰范围是数据传输范围的两倍左右，要求ξ≥2；
(3)节点在当前状态的持续时间；
(4)节点所在的报文转发路径的ID；
(5)当前节点转发数据包的下一跳节点的地址；
由sink节点生成数据包开启初始化过程，该数据包包含以下四个域：
(1)grade:发送节点所在的级别；
(2)stateDur:发送节点在发送此信息之前，节点在发送状态T的持续时间；
(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：童飞，张玉健，隋儒聪，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32