專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡中應用多信道代碼分發(fā)的重編程方法
技術領域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡應用技術領域，具體地說是一種應用多信道代碼分發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡重編程方法。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的低成本微型傳感器節(jié)點組成，并通過無線通信方式形成的一個多跳的，自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。WSNs作為一種新型的信息獲取系統(tǒng)，可以使人們在任何時間、地點和任何環(huán)境條件下獲取大量詳實而可靠的信息。WSNs重編程就是指在傳感器網(wǎng)絡首次部署完成后對其進行遠程任務再分配、節(jié)點軟件更新和網(wǎng)絡功能重配置的過程。WSNs重編程關注兩方面首先是基站如何向各節(jié)點完整無誤地傳遞更新后的代碼；另一方面是WSNs重編程協(xié)議必須要有100%的可靠性?，F(xiàn)有的WSNs重編程方法在涉及代碼分發(fā)時，為了減少消息沖突和均衡網(wǎng)絡能量， 僅是確保一定區(qū)域內(nèi)一次至多有一個發(fā)送者，其他節(jié)點休眠，或是通過動態(tài)調(diào)節(jié)轉發(fā)節(jié)點的發(fā)射功率來達到網(wǎng)絡中多個節(jié)點同時轉發(fā)代碼，因此對整個網(wǎng)絡而言，重編程的效率和能量利用率都較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述代碼分發(fā)方法的不足，提出了一種應用多信道擴散的代碼分發(fā)方法。在該方法中，網(wǎng)絡中各節(jié)點通過能量掃描，將2. 4G頻段處的 16個信道進行分類，通過特定的信道選擇機制，為轉發(fā)代碼鏡像選擇出一個最優(yōu)信道，實現(xiàn)了網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點采用多信道同時轉發(fā)代碼。此外，本發(fā)明還引入了轉發(fā)節(jié)點休眠策略用以節(jié)省網(wǎng)絡能量消耗，使得WSNs重編程效率得到提高，網(wǎng)絡能耗也得以降低；
本發(fā)明的技術方案為采用一種多信道的代碼分發(fā)方法，包含兩個步驟，分別是信道選擇和信道轉換，和一個用于節(jié)省網(wǎng)絡能量的節(jié)點休眠策略； 方案的實施過程為
(1)將要進行代碼更新的節(jié)點首先對2.4G頻段上的16個信道進行能量掃描，并根據(jù)返回的能量值，把信道分為可用信道和不可用信道；
(2)轉發(fā)節(jié)點采用最大功率廣播與新的代碼鏡像相關的信息，未知節(jié)點根據(jù)此信息來決定是否接收該段代碼鏡像；
(3)轉發(fā)節(jié)點根據(jù)未知節(jié)點的反饋信息，統(tǒng)計出在自己一定距離范圍內(nèi)的未知節(jié)點個數(shù)和其相應的節(jié)點網(wǎng)絡ID ；
(4)轉發(fā)節(jié)點統(tǒng)計出在自己的可用信道集中，每個信道可以通信的節(jié)點個數(shù)及其相應的節(jié)點網(wǎng)絡ID，形成信道質(zhì)量表，并在網(wǎng)絡中發(fā)送包含轉發(fā)信道的信息；
(5)轉發(fā)節(jié)點將臨近的其他轉發(fā)節(jié)點的信息進行統(tǒng)計后，最終確定出自己的轉發(fā)信
道；(6)轉發(fā)節(jié)點和未知節(jié)點通過各自的信道轉換方式，切換到已確定的轉發(fā)信道上，進行代碼的更新；
其中，上述轉發(fā)節(jié)點為網(wǎng)絡中成功接收代碼鏡像的節(jié)點，而未知節(jié)點為網(wǎng)絡中還未接收到代碼鏡像的節(jié)點；
本發(fā)明具有重編程效率高，能量消耗少和可靠性高等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明所使用的重編程方法示意圖。圖2為本發(fā)明中信道質(zhì)量表的示意圖。其中，CH1 CHn (0< η彡16)代表信道編號，CHf初始值為CHl In是根據(jù)每個未知節(jié)點的可用信道集kt{CHa}統(tǒng)計出來的表示在信道CH1 CHn上可以通信的節(jié)點數(shù)量，其中&彡N2 Nn;U-nodeIDS則是記錄著每個信道對應的可通信節(jié)點的網(wǎng)絡地址ID號。圖3為未知節(jié)點通信流程圖。其中，CHm為主信道，CHf為轉發(fā)信道，Timerl為定時
ο圖4為轉發(fā)節(jié)點通信流程圖。其中，CHm為通信主信道，CHf為轉發(fā)信道，Timer2為定時，。Np為信道CHf上的未知節(jié)點個數(shù)。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的，技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將做進一步詳細的描述。本發(fā)明是一種應用多信道代碼分發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡重編程方法，其技術方案主要分為兩個步驟信道選擇和信道轉換，另外還有特定的節(jié)點休眠策略，下面將對其分別做闡述。1.信道選擇。本步驟進一步的詳細步驟如下
1) WSNs重編程開始時，首先由基站節(jié)點向網(wǎng)絡不間斷廣播一定數(shù)量的代表重編程過程將要開始的“Pr印are”消息。該消息告知網(wǎng)絡中節(jié)點進入重編程模式，并約定通信時所用的主信道(main channel)為CHm。網(wǎng)絡中節(jié)點接收到“Pr印are”消息后將依次廣播，以通知其他節(jié)點做好重編程準備。2)隨后，基站節(jié)點向網(wǎng)絡中廣播將要更新的代碼鏡像，此時成功接收到代碼鏡像的節(jié)點升級成為轉發(fā)節(jié)點。3)網(wǎng)絡中的節(jié)點在收到〃ft 印are〃消息后，首先對2. 4GHz ISM頻段的16信道進行能量掃描，具體方法為在一定時間內(nèi)對信道進行能量積分和門限判別。根據(jù)返回的能量值，對信道進行分類。設掃描后得到的能量值為E。m，預先設定的信道能量閾值Ea，具體的分類方法為 節(jié)點將16個信道分為可用信道和不可用信道若E。m ^ Ea，該信道就被歸到可用信道集 Set{CHa}；否則該信道被歸到不可用信道集Set {CHu}，表明此時某些信道干擾較大，不適合轉發(fā)代碼。4)轉發(fā)節(jié)點采用最大功率Pmax廣播“Choose”消息，該消息包含以下重要信息將要更新的應用程序版本號ProgramID ；代碼段標號kctionID ；自己的網(wǎng)絡ID號Pan-ID。5)當未知節(jié)點接收到“Choose”消息后，根據(jù)ProgramID和kctionID來決定是否接收該段代碼鏡像。若要接收，則將發(fā)送包含自己的網(wǎng)絡ID，該“Choose”消息中Pan-ID， 接收功率Po，以及自己的可用信道集^^{0^}的ACK信號給對應的轉發(fā)節(jié)點；若不接收，則保持“沉默"。6)轉發(fā)節(jié)點接收未知節(jié)點的ACK信號后，做兩個工作
i.根據(jù)無線傳輸模型中，發(fā)送數(shù)據(jù)所消耗的能量Ε( /)與距離i/的關系及功率和能量的關系，計算出自己與未知節(jié)點間的距離后，與預先設定的距離閾值式作比較，統(tǒng)計出滿足J < d0的節(jié)點個數(shù)Nu和其網(wǎng)絡ID ；
.在滿足上述J <式的節(jié)點中，轉發(fā)節(jié)點根據(jù)每個未知節(jié)點的可用信道集％t{CHa}， 計算出在自己的可用信道集中，每個信道可以通信的節(jié)點數(shù)量及所對應的節(jié)點網(wǎng)絡ID，形成信道質(zhì)量表(如圖1所示)，然后準備廣播表明轉發(fā)信道CHf的“Decision”消息。7)此時，若轉發(fā)節(jié)點未收到鄰近轉發(fā)節(jié)點發(fā)送的“Decision”消息，就從信道質(zhì)量表中選出CH1,即可通信節(jié)點數(shù)量最多的信道作為轉發(fā)代碼鏡像的信道。反之，將“Decision”消息中的CHf提取出來，形成轉發(fā)信道集Set {CHf}，并將自己的CH1與之作比對若CH1 # Set {CHf}，即表示自己選擇的轉發(fā)信道沒有和鄰近轉發(fā)節(jié)點所選擇的相沖突，此時該節(jié)點就確定自己的轉發(fā)信道為CH1 ；若CH1 e %t{CHf}，即轉發(fā)節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中有選擇與自己的轉發(fā)信道相同的節(jié)點，那么此時該轉發(fā)節(jié)點采取退避措施在信道質(zhì)量表中拋開當前轉發(fā)信道和kt{CHf}中的其他信道，并在剩余的信道中選擇出可通信節(jié)點數(shù)量最多的信道作為轉發(fā)信道。8)轉發(fā)節(jié)點完成上述兩項工作后，廣播“Decision”信號，此信號中包含自己的網(wǎng)絡ID號Pan-ID ；轉發(fā)信道CHf ；主通信信道CHm ；目標節(jié)點地址，即將要采用信道CHf接收代碼鏡像的節(jié)點ID。9)未知節(jié)點收到“Decision”信號后，根據(jù)目標節(jié)點ID來判斷自己是否將在CHf 上接收代碼鏡像。若要接收，則發(fā)送包含自己網(wǎng)絡ID的ACK信號給轉發(fā)節(jié)點，同時不再響應其他轉發(fā)節(jié)點的“Decision”信號；若不接收，未知節(jié)點則等待與其他轉發(fā)節(jié)點的建立轉發(fā)關系。2.信道轉換。在該步驟中，轉發(fā)節(jié)點與自己通信區(qū)域內(nèi)的未知節(jié)點建立了轉發(fā)關系，準備切換到頻率CHf，發(fā)送代碼鏡像。1)未知節(jié)點的通信流程
未知節(jié)點選擇好接收代碼的信道后，通信流程如圖2所示。切換到CHf信道上后，未知節(jié)點發(fā)送包含轉發(fā)節(jié)點網(wǎng)絡地址Pan-ID的消息，同時開啟定時器Timerl。在接收到轉發(fā)節(jié)點的ACK信號后停止Timerl，此時未知節(jié)點正式與轉發(fā)節(jié)點建立代碼鏡像的收發(fā)關系，并準備好接收代碼鏡像。當未知節(jié)點成功接收到代碼鏡像后，將升級成為轉發(fā)節(jié)點并跳回到主通信信道CHm，進行下一輪代碼鏡像的轉發(fā)工作。如果Timerl溢出，就說明這次信息的發(fā)送沒有收到轉發(fā)節(jié)點的ACK，該信道上存在干擾。如果連續(xù)4次沒有收到轉發(fā)節(jié)點的ACK，說明信道上的干擾比較嚴重，于是該未知節(jié)點又把信道切換到CHm上，等待下一個信道轉換命令。2)轉發(fā)節(jié)點的通信流程
轉發(fā)節(jié)點在主通信信道上接到未知節(jié)點的ACK信號后，將信道切換到CHf，通信流程如圖3所示。
轉發(fā)節(jié)點切換信道到CHf后，開啟計時器Timer2。在Timer2計時內(nèi)，轉發(fā)節(jié)點處于接收態(tài)，并對未知節(jié)點發(fā)送的消息進行ACK回復。當Timer2為零時，轉發(fā)節(jié)點考察在自己通信區(qū)域內(nèi)，信道CHf上的未知節(jié)點個數(shù)Np。若Np > 0，表明在信道CHf上有節(jié)點正準備接收代碼鏡像，則轉發(fā)節(jié)點開始轉發(fā)代碼鏡像；否則，說明此時信道CHf上干擾很嚴重，轉發(fā)節(jié)點切到主通信信道CHm，重新開始新一輪的轉發(fā)工作。3.節(jié)點休眠策略
在轉發(fā)節(jié)點選擇轉發(fā)信道的過程中，出現(xiàn)下列兩種情況時，轉發(fā)節(jié)點將進入休眠狀態(tài)， 不參與代碼鏡像的轉發(fā)工作，以節(jié)省能量。a)若已知該WSNs網(wǎng)絡中節(jié)點密度為ρ個/m2，覆蓋面積M m2，節(jié)點用最大功率通訊時的覆蓋半徑為R m，則可以得到轉發(fā)節(jié)點通信區(qū)域內(nèi)的節(jié)點總數(shù)為ρ π R2個，和滿足J < d0的節(jié)點個數(shù)的比例
權利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡中應用多信道代碼分發(fā)的重編程方法，其特征是網(wǎng)絡中各節(jié)點通過特定的信道選擇機制，為轉發(fā)代碼鏡像選擇出一個最優(yōu)信道，然后通過信道轉換機制與節(jié)點休眠策略實現(xiàn)了網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點采用多信道同時轉發(fā)代碼。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡中應用多信道代碼分發(fā)的重編程方法，其特征在于信道選擇機制是通過網(wǎng)絡節(jié)點對2. 4G頻段上的16個信道進行能量掃描，根據(jù)返回的能量值，把信道分為可用信道和不可用信道；隨后，轉發(fā)節(jié)點與未知節(jié)點間通過相互通信，轉發(fā)節(jié)點通過信息統(tǒng)計，形成信道質(zhì)量表，最終確定出轉發(fā)信道，并在網(wǎng)絡中廣播包含轉發(fā)信道的消息。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡中應用多信道代碼分發(fā)的重編程方法，其特征在于信道轉換機制轉發(fā)節(jié)點和未知節(jié)點通過各自的信道轉換方式，切換到已確定的轉發(fā)信道上進行代碼的更新。
4.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡中應用多信道代碼分發(fā)的重編程方法，其特征在于節(jié)點休眠策略起作用是根據(jù)以下兩種情況(1)轉發(fā)節(jié)點周圍的未知節(jié)點數(shù)目少于設定的閾值；(2)轉發(fā)節(jié)點發(fā)現(xiàn)鄰近的轉發(fā)節(jié)點占用了自己全部的可用信道；當上述兩種情況出現(xiàn)時，轉發(fā)節(jié)點將放棄該輪代碼轉發(fā)，以節(jié)省能量。
全文摘要
一種無線傳感器網(wǎng)絡中應用多信道代碼分發(fā)的重編程方法是針對目前無線傳感器網(wǎng)絡重編程效率低和能耗大的缺陷而提出的。在該發(fā)明中，網(wǎng)絡中各節(jié)點通過特定的信道選擇機制，為轉發(fā)代碼鏡像選擇出一個最優(yōu)信道，實現(xiàn)了網(wǎng)絡中相鄰節(jié)點采用多信道同時轉發(fā)代碼。此外，從節(jié)省能量的角度考慮，該協(xié)議還引入了轉發(fā)節(jié)點休眠策略。本發(fā)明確實能提高無線傳感器網(wǎng)絡重編程效率，降低網(wǎng)絡的能量消耗。
文檔編號H04W72/04GK102202383SQ20111015869
公開日2011年9月28日 申請日期2011年6月14日 優(yōu)先權日2011年6月14日
發(fā)明者周然, 文婷, 李智 申請人:四川大學