專利名稱：基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，這一方法主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞植紴榫€形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，可以提供在干擾環(huán)境中切換信道的保障通信。
背景技術(shù)：
隨著物聯(lián)網(wǎng)“智慧地球”的不斷推廣和應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)今的工業(yè)生活中具有非常重要的作用?，F(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要以星狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為主，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)選擇不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于實(shí)施的特點(diǎn)令其在傳輸距離近、傳輸功率小的范圍內(nèi)容易收到良好的應(yīng)用效果；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于其各個(gè)節(jié)點(diǎn)皆可通信，路由建立、維護(hù)及修復(fù)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在傳感器節(jié)點(diǎn)分布密度較小的情況下應(yīng)用較廣。
現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)因其各自特點(diǎn)在一些特殊環(huán)境的使用中受到相應(yīng)的限制， 比如橋梁、公路和石油天然氣管道等無(wú)人值守的線形環(huán)境。這些環(huán)境既需要遠(yuǎn)距離傳輸基站與傳感器節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)，會(huì)達(dá)到幾十甚至上百公里；又需要較低的傳感器節(jié)點(diǎn)密度和相對(duì)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)線形排列，密度較小，普通節(jié)點(diǎn)能耗較低，數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)能耗較大，由其無(wú)人值守的特點(diǎn)需要減小網(wǎng)絡(luò)能耗，降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，縮減網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)處理的開銷。此時(shí)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無(wú)法完全滿足這些特殊環(huán)境的應(yīng)用需求，基于此我們提出了線形長(zhǎng)距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，基于線形長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)的特征給出了通信協(xié)議方法的具體設(shè)計(jì)方案、調(diào)頻算法以及結(jié)點(diǎn)能耗的分析。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，包含以下步驟 1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的地理布局為線形(直線或曲線，沒(méi)有交叉或重疊)，結(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地理長(zhǎng)度進(jìn)行拓展，滿足長(zhǎng)距離的需求。網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)結(jié)點(diǎn)組成(N為自然數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所處環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)本身特點(diǎn)選擇)，由起始結(jié)點(diǎn)到末尾結(jié)點(diǎn)的物理地址(ADDR)編號(hào)依次為1，2，3…N，其中1號(hào)結(jié)點(diǎn)為Sink結(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)接入點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱為Sink結(jié)點(diǎn))，其他結(jié)點(diǎn)為ED結(jié)點(diǎn)(終端結(jié)點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱為ED結(jié)點(diǎn))。
2)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)使用自行設(shè)計(jì)的滿足線形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的“端口號(hào)映射法”協(xié)議方式，以實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)之間多跳接力式的通信?！岸丝谔?hào)映射法”協(xié)議架構(gòu)從底層到上層依次為物理射頻層，媒體接入(MAC :Media Access Control)層(以下簡(jiǎn)稱為MAC 層)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)封裝物理射頻層和MAC層的功能，形成供應(yīng)用層調(diào)用的 API (Application Programme Interface)功能函數(shù)(以下簡(jiǎn)稱為API函數(shù))，應(yīng)用層通過(guò)端口號(hào)(PORT)映射功能選擇調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)點(diǎn)之間多跳接力通信的邏輯和
4時(shí)序的控制。
3)本發(fā)明給出的是一種基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋的距離較長(zhǎng)，信道環(huán)境復(fù)雜，干擾影響大?；谶@樣的特性設(shè)計(jì)了適用于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跳頻算法 a)主動(dòng)跳頻網(wǎng)絡(luò)中共有M(0 <M<⑴，M e N，這里N為自然數(shù)集)個(gè)信道，在 Sink結(jié)點(diǎn)處判斷網(wǎng)絡(luò)丟包率是否大于臨界值Ρ(0<Ρ< 1)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)丟包率大于臨界值P 時(shí)，Sink結(jié)點(diǎn)通過(guò)特定端口號(hào)(PORT)發(fā)起跳頻請(qǐng)求，通過(guò)當(dāng)前所處的i(l彡i彡Μ)信道以多跳接力的方式給所有結(jié)點(diǎn)發(fā)送跳頻信息，在收到所有結(jié)點(diǎn)的跳頻請(qǐng)求確認(rèn)(ACKnowledge Character,以下簡(jiǎn)稱為ACK)信息后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成跳頻。
b)被動(dòng)跳頻當(dāng)線形網(wǎng)絡(luò)中任意ED結(jié)點(diǎn)與Sink結(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系后，ED結(jié)點(diǎn)通過(guò)M 個(gè)信道分別請(qǐng)求Sink結(jié)點(diǎn)的頻率信息，若在第j (1彡j彡M)個(gè)信道收到Sink結(jié)點(diǎn)的信道返回信息，則加入第j個(gè)信道回到網(wǎng)絡(luò)中。
4)本發(fā)明中結(jié)點(diǎn)的能量消耗呈現(xiàn)離散不對(duì)稱性，使用頻率較大的節(jié)點(diǎn)能耗較大， 使用頻率較小的節(jié)點(diǎn)能耗較小。假設(shè)相鄰結(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)的耗能為，線形網(wǎng)絡(luò)中共有
N-I (設(shè)N為網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù))個(gè)ED結(jié)點(diǎn)，每個(gè)ED結(jié)點(diǎn)被訪問(wèn)的概率為
權(quán)利要求
1.一種基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，其特征包含以下方面1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的地理布局為線形，結(jié)點(diǎn)數(shù)量可以滿足網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溟L(zhǎng)度的需要；2)使用滿足線形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端口號(hào)映射法的協(xié)議構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)之間多跳傳遞式的通信；3)使用適應(yīng)線形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跳頻通信算法，結(jié)點(diǎn)之間能夠在信道有干擾的條件下通信；4)線形網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)的能量消耗呈現(xiàn)離散不對(duì)稱性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滿足地理布局為線形的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其特征在于結(jié)點(diǎn)的分布呈現(xiàn)為線形(直線或曲線，沒(méi)有交叉或重疊)，結(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的地理長(zhǎng)度進(jìn)行拓展，滿足長(zhǎng)距離的需求；每一個(gè)結(jié)點(diǎn)可以且僅可以和前后兩個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，有N個(gè)結(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，各結(jié)點(diǎn)的物理地址編號(hào)由起始結(jié)點(diǎn)到末尾結(jié)點(diǎn)依次為1，2，3… N ；其中1號(hào)結(jié)點(diǎn)為Sink結(jié)點(diǎn)(數(shù)據(jù)接入點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱為Sink結(jié)點(diǎn))，其他結(jié)點(diǎn)為ED (終端結(jié)點(diǎn)，以下簡(jiǎn)稱為ED結(jié)點(diǎn))。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，其特征在于通信協(xié)議由物理射頻層，MAC (Media Access Control媒體接入控制)層(以下簡(jiǎn)稱為MAC層)，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成；其中，物理射頻層完成協(xié)議棧與射頻硬件的交互，完成數(shù)據(jù)的封裝與收發(fā)，集成了每個(gè)結(jié)點(diǎn)的物理地址(ADDR)，并為MAC層提供射頻控制的接口 ；其中，MAC層為物理射頻層提供控制信息，封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)，使用CSMA-CA算法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)發(fā)送和接收的多路訪問(wèn)的監(jiān)聽，沖突避免；其中，網(wǎng)絡(luò)層封裝了協(xié)議棧初始化， 發(fā)送接收，頻率管理，安全加密，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等API (Application Programme hterface)功能函數(shù)(以下簡(jiǎn)稱為API函數(shù))，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的端口號(hào)(PORT)供應(yīng)用層調(diào)用，以此來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，控制跳頻和安全加密等功能；其中，應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層端口號(hào)映射的API函數(shù)完成協(xié)議棧時(shí)序和邏輯的控制在網(wǎng)絡(luò)中任意ED結(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，先查看目的地址是否與自己的物理地址(ADDR) —致，若一致則查看端口號(hào)映射的功能并調(diào)用對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)層API函數(shù)執(zhí)行，若不一致則轉(zhuǎn)發(fā)到下一結(jié)點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適應(yīng)線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跳頻算法，線形網(wǎng)絡(luò)的跳頻只能通過(guò)S ink結(jié)點(diǎn)發(fā)起，其特征在于1)線形網(wǎng)絡(luò)采取主動(dòng)跳頻的方式網(wǎng)絡(luò)中共有M(0<M<⑴，M e N，這里N為自然數(shù)集)個(gè)信道，在Sink結(jié)點(diǎn)判斷網(wǎng)絡(luò)丟包率大于臨界值Ρ(0<Ρ< 1)時(shí)，Sink結(jié)點(diǎn)通過(guò)特定端口號(hào)(PORT)發(fā)起跳頻請(qǐng)求，通過(guò)當(dāng)前所處的i(l ^M)信道發(fā)送跳頻信息，再收到所有結(jié)點(diǎn)的跳頻請(qǐng)求確認(rèn)(ACKnowledge Character)信息后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)完成跳頻。2)線形網(wǎng)絡(luò)采取被動(dòng)跳頻方式當(dāng)任意ED結(jié)點(diǎn)失去與Sink結(jié)點(diǎn)的聯(lián)系后，ED結(jié)點(diǎn)通過(guò)M個(gè)信道分別請(qǐng)求Sink結(jié)點(diǎn)的頻率信息，在第j (1彡j彡M)信道收到Sink的信道返回信息，則加入j信道回到網(wǎng)絡(luò)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量消耗的離散不對(duì)稱性，其特征在于相鄰結(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)的耗能為，線形網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)ED結(jié)點(diǎn)被訪問(wèn)的概率為
(被訪問(wèn)的結(jié)點(diǎn)為2，3，4…N)，則網(wǎng)絡(luò)中編號(hào)為x(2≤x≤N)的ED結(jié)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均能耗為
；能量消耗隨網(wǎng)絡(luò)編號(hào)的增加而減小，為離散不對(duì)稱形，適用于長(zhǎng)距離的 線形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于線形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞植紴榫€形長(zhǎng)距離的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的保障通信。其將網(wǎng)絡(luò)起始結(jié)點(diǎn)設(shè)為數(shù)據(jù)接入結(jié)點(diǎn)，將其余結(jié)點(diǎn)設(shè)為終端結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)結(jié)點(diǎn)使用自行設(shè)計(jì)的滿足線形無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的“端口號(hào)映射法”協(xié)議方式，以實(shí)現(xiàn)結(jié)點(diǎn)之間多跳接力式的通信。由于設(shè)計(jì)所描述網(wǎng)絡(luò)覆蓋的距離較長(zhǎng)，信道環(huán)境復(fù)雜，干擾影響大，基于該特性設(shè)計(jì)了適用于線形長(zhǎng)距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的跳頻算法，以提供在干擾環(huán)境中切換信道的保障通信。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102186258SQ20111011182
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者趙同剛, 吳國(guó)華, 蔡巍, 趙娜 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)