專利名稱：移動匯聚節(jié)點、具有移動匯聚節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及移動匯聚節(jié)點、具有移動匯聚節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別涉及使用定向天線的移動匯聚節(jié)點、和具有移動匯聚節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用，通過在事件發(fā)生地附近密集地部署以無線方式連接的傳感器節(jié)點，可以收集感興趣的信息。
在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置有具有收集來自其他傳感器節(jié)點的信息的功能的節(jié)點，將這樣的節(jié)點稱為匯聚節(jié)點(sink node)。在多個傳感器節(jié)點相互連接形成的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于通信集中在與匯聚節(jié)點相鄰的節(jié)點，所以這些相鄰的節(jié)點的電力消耗巨大，成為通信的瓶頸。
為了解決上述問題，提出了一種使匯聚節(jié)點移動來有效收集數(shù)據(jù)的方法。將具有這種功能的節(jié)點稱為移動匯聚節(jié)點(mobile sink)。作為這種移動匯聚節(jié)點的例子，例如有配備了計算裝置和通信裝置的急救車。
通過使移動匯聚節(jié)點移動，可以具有如下優(yōu)點。
通過移動到數(shù)據(jù)收集對象的節(jié)點附近，可以以數(shù)跳(hop)實現(xiàn)所有的傳感器節(jié)點和移動匯聚節(jié)點間的通信。
并且，由于在傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動，數(shù)據(jù)中繼的成本由整個網(wǎng)絡(luò)分攤，而不是集中在這個匯聚節(jié)點的附近，所以不會如固定匯聚節(jié)點那樣產(chǎn)生通信集中的節(jié)點。
但是，對于現(xiàn)有的移動匯聚節(jié)點，存在的問題是，因為移動匯聚節(jié)點位置的變化，引起大量的數(shù)據(jù)包丟失和傳輸延遲。在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點以較高的速度移動的時候，這些問題特別嚴重。
圖19表示現(xiàn)有的移動匯聚節(jié)點存在的問題的模式圖。在圖19中，隨著移動匯聚節(jié)點的移動，移動匯聚節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)的區(qū)域也隨之移動。當移動匯聚節(jié)點位于A點時，向圓圈內(nèi)的各個節(jié)點發(fā)出發(fā)送數(shù)據(jù)的請求。各個節(jié)點響應(yīng)該請求發(fā)送數(shù)據(jù)，但由于移動匯聚節(jié)點移動到B點，所以會出現(xiàn)位于陰影內(nèi)的節(jié)點無法直接發(fā)送數(shù)據(jù)給移動匯聚節(jié)點，從而產(chǎn)生數(shù)據(jù)包丟失、及陰影內(nèi)的節(jié)點白白浪費了能量的情況。
發(fā)明目的 本發(fā)明的目的是提供一種使用定向天線的移動匯聚節(jié)點、具有移動匯聚節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決現(xiàn)有的移動匯聚節(jié)點中存在的當匯聚節(jié)點移動時產(chǎn)生的因移動匯聚節(jié)點收不到傳感器節(jié)點的信息造成的數(shù)據(jù)包丟包、傳送效率低下及傳感器節(jié)點的能量使用效率低的問題。
本發(fā)明利用速度信息，匯聚節(jié)點利用定向天線沿著其運動方向廣播需求數(shù)據(jù)包，預(yù)先安排按需路由。當這個移動數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點沿著它原來的方向繼續(xù)行進的時候，收集從附近傳感器節(jié)點回來的數(shù)據(jù)。如果將預(yù)先安排的按需路由預(yù)先仔細地調(diào)整到適當?shù)某潭?，返回的?shù)據(jù)將在到達數(shù)據(jù)集中點的時候遇到這個移動匯聚節(jié)點，從而提高數(shù)據(jù)包投遞率，降低能量消耗。
圖1是本發(fā)明的移動匯聚節(jié)點具體的結(jié)構(gòu) 圖2是本發(fā)明的移動匯聚節(jié)點位置和波束模式圖 圖3表示本發(fā)明的作為移動匯聚節(jié)點速度v的函數(shù)的最佳波束寬度 圖4表示本發(fā)明的功率感知IDDA的按需擴散區(qū)域 圖5表示本發(fā)明的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點周期性地發(fā)送查詢請求并接收數(shù)據(jù)的過程圖 圖6表示總跳數(shù)K＝4時的需求擴散和數(shù)據(jù)報告過程 圖7說明圖6的需求擴散和數(shù)據(jù)報告過程的時序圖。
圖8表示移動匯聚節(jié)點穿過方形傳感器區(qū)域時的模擬過程 圖9表示參數(shù)a對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。
圖10表示優(yōu)化參數(shù)a與最大PDA的關(guān)系。
圖11和12表示具有不同節(jié)點密度的包傳輸率和目標檢測率。
圖13表示每個數(shù)據(jù)報告的能量消耗的比較 圖14表示成功數(shù)據(jù)包投遞率的比較 圖15表示目標檢測率的比較 圖16表示本發(fā)明實施例2的行人手持PDA或移動電話，利用定向天線向前進的方向定向發(fā)送數(shù)據(jù)需求請求的示意圖。
圖17表示PDA或移動電話中的定向天線的安裝方法。
圖18表示內(nèi)置了加速度傳感器的PDA或移動電話。
圖19時現(xiàn)有的移動匯聚節(jié)點產(chǎn)生通信失敗的示意圖
具體實施例方式 第1實施例 本發(fā)明的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中有N個節(jié)點隨機地分布在一個傳感區(qū)域內(nèi)。移動匯聚節(jié)點用于收集它附近的信息。移動匯聚節(jié)點例如可以是裝載了匯聚節(jié)點的移動的車輛，在區(qū)域內(nèi)隨機分布了大量傳感器節(jié)點。車輛以預(yù)定的速度通過這個地方。車輛收集以自己為中心，例如1000米為半徑的圓形區(qū)域內(nèi)的信息。由于這些傳感器的無線電通信距離遠小于這一半徑，因此必須以一種多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)射給移動匯聚節(jié)點。
關(guān)于這一傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，作出如下假設(shè) (A)所有傳感器節(jié)點都是固定的。每個傳感器節(jié)點都有一個唯一的標識符，并且通過例如GPS接收機或者其它定位技術(shù)知道它自己的位置。用全向天線來發(fā)射/接收數(shù)據(jù)包。接收信號強度是可測量的。假設(shè)所有節(jié)點都具有相同的通信半徑R。
(B)移動數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點知道自己的運動情況，也就是說它能夠自己測量它的當前速度和運動方向。因為匯聚節(jié)點總是在車上，并且有其它裝置，例如GPS。但是移動匯聚節(jié)點不必知道其它傳感器節(jié)點的位置。
(C)移動數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點使用定向天線來發(fā)射數(shù)據(jù)包，采用波束形成技術(shù)來動態(tài)地控制它的發(fā)射增益和最大輻射方向。它的接收天線是可以是全向的，也可以是定向的。并且與其它節(jié)點一樣具有相同的參數(shù)。
移動匯聚節(jié)點具體的結(jié)構(gòu)例如如圖1所示，具有數(shù)模轉(zhuǎn)換器1302；時鐘發(fā)生器1303，發(fā)生時鐘信號；存儲器，例如包括RAM1305、ROM1306；中央處理器1304；無線發(fā)送機1307，發(fā)送無線信號給天線；相位調(diào)節(jié)器1308，對上述無線發(fā)送機發(fā)送的無線信號進行相位調(diào)節(jié)，天線1309。
移動匯聚節(jié)點除具有定向天線外，還具有控制單元，控制單元進行控制，使該定向天線沿移動方向向所述傳感器節(jié)點發(fā)送信息需求請求。此外，還具有移動速度和方向檢測單元，檢測移動匯聚節(jié)點的移動速度和方向；判斷單元，根據(jù)移動的方向和速度，判斷移動匯聚節(jié)點在移動過程中能夠接收到來自傳感器節(jié)點的信息的區(qū)域，控制單元根據(jù)上述判斷單元判斷的結(jié)果，通過定向天線發(fā)送信息需求請求。
這些控制單元、判斷單元等通過中央處理器運行存儲在存儲器的相應(yīng)的程序來實現(xiàn)。
定向天線1309例如是多個并排設(shè)置的天線，通過將所述多個天線的相位錯開進行供電，來實現(xiàn)具有方向性的天線。
此外，移動匯聚節(jié)點還可以具有加速度傳感器1301，通過對加速度傳感器1301的各個軸的檢測值進行積分，得到移動匯聚節(jié)點在各個軸的速度，由此檢測所述天線的方向性。該加速度傳感器例如是MEMS3軸加速度傳感器。
以下描述如何利用天線的方向性來有效地處理數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的移動性。
匯聚節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)傳送需求，以蛙跳方式建立一個梯度場。從而，想要獲得的數(shù)據(jù)沿著相反的路徑向下流向匯聚節(jié)點的一跳近鄰，最終流向這個數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點。但是，在發(fā)出需求廣播以后，匯聚節(jié)點在不斷地移動，因此當數(shù)據(jù)回來的時候，建立的梯度場可能已經(jīng)過時。這會導(dǎo)致嚴重的數(shù)據(jù)包丟失，特別是在數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點高速運動的時候。
本發(fā)明的基本思想是在移動匯聚節(jié)點到達之前建立好路徑。本發(fā)明利用定向天線來發(fā)出需求信息。如果移動匯聚節(jié)點的運動是可預(yù)知的，就可以利用定向天線和自適應(yīng)波束形成技術(shù)，讓最大輻射方向朝向移動匯聚節(jié)點的下一個位置，沿著其路線廣播需求。與使用全向天線進行廣播相比較，能夠明顯地節(jié)省能量。因為在移動匯聚節(jié)點的位置改變了以后，全向天線覆蓋的大多數(shù)節(jié)點不能與這個移動匯聚節(jié)點通信。
(1)移動匯聚節(jié)點的移動距離S 設(shè)v表示移動匯聚節(jié)點的速度。假設(shè)向最遠K跳以內(nèi)的傳感器請求獲得數(shù)據(jù)。將K跳數(shù)據(jù)收集的往返時間(RTT)表示為TRTT。這樣，在數(shù)據(jù)回來之前，移動匯聚節(jié)點將已經(jīng)行駛了以下距離 因此，移動匯聚節(jié)點的天線波束至少必須覆蓋距離S。利用TRTT和v，移動匯聚節(jié)點能夠動態(tài)地控制它的波束方向圖，以確保數(shù)據(jù)回來的時候它仍然在它的一跳近鄰?fù)ㄐ欧秶畠?nèi)。
(2)最佳波束寬度和最佳功率結(jié)構(gòu) 以下說明發(fā)射天線的最佳波束寬度和最佳功率結(jié)構(gòu) 假設(shè)移動匯聚節(jié)點的發(fā)射天線具有波長1、增益Gt和功率Pt。傳感器節(jié)點使用全向天線來接收，這種全向天線的增益是Gr，并且接收機功率門限是Pr，min。對于自由空間衰減，天線波束覆蓋的最大距離為 其中Pt和Gt是能夠加以控制以實現(xiàn)最佳能量效率的參數(shù)。
在多數(shù)情況下，天線的歸一化功率方向圖Pn(θ)隨著角度而改變，從而使得波束方向圖的形狀不規(guī)則。為了方便分析，我們將天線近似為具有均勻輻射增益的方向圖，以獲得如圖2所示的扇形波束。假設(shè)在垂直方向上與全向天線一樣具有相同的方向圖，那么波束寬度θp由下式給出 其中Gt＞＝1。在θp內(nèi)，天線增益取恒定值Gt。當Gt＝1，θp＝2p的時候，它表示全向天線。
圖2是移動匯聚節(jié)點位置和波束方向圖。
在圖2中，當移動匯聚節(jié)點沿著x軸移動的時候，我們將天線波束覆蓋的區(qū)域表示為Dbeam，它的半徑由公式(2)給出。Dbeam的面積為 因此，覆蓋的面積正比于發(fā)射功率，而與天線增益(波束寬度)無關(guān)。
由公式(1)可知，當數(shù)據(jù)回到擴散器的時候，移動匯聚節(jié)點已經(jīng)行進了距離s。為了使數(shù)據(jù)包因為通信距離有限而導(dǎo)致的丟失最少，希望這些擴散器集中在移動匯聚節(jié)點的新位置附近。因此，我們考慮將以下目標函數(shù)作為優(yōu)化波束寬度 其中E[d2toSINK]是從擴散器到移動匯聚節(jié)點的平均距離的平方。E[d2toSINK]的偏差反映了擴散器相對于移動匯聚節(jié)點位置的集中程度。
計算數(shù)學(xué)期望，我們有 合并公式(2)和(3)，得到 其中h是一個常數(shù)。將它代入公式(6)得到 計算E[d2toSINK]的導(dǎo)數(shù)，由以下方程給出最佳Rmax 最后，我們從公式(3)獲得發(fā)射天線的最佳參數(shù)結(jié)構(gòu) (3)速度v與波束寬度θp的關(guān)系 下面我們來看以上公式對于給定功率Pt的限制。
當移動匯聚節(jié)點處于靜止狀態(tài)的時候，v＝0，由公式(1)可知s＝0。于是公式(8)退化為 很明顯，當Rmax取最小值的時候，能量成本最低。由公式(7)可知，當Gt＝1的時候，Rmax達到最小值xxx。與此同時，θp＝2p，這表示它是一個全向天線。
當v增大的時候，θp單調(diào)下降，如圖3所示。
圖3給出作為移動匯聚節(jié)點速度v的函數(shù)，最佳波束寬度θp(opt)的數(shù)值計算結(jié)果。
當速度v趨于無窮大的時候，θp趨于0，這一點表明只將需求數(shù)據(jù)包廣播給移動匯聚節(jié)點的運動方向上。
總之，我們發(fā)現(xiàn)了最佳波束寬度中的以下特性當v的絕對值增大的時候，θp變小，并且 (4)傳感器節(jié)點擴散需求的條件 以下說明移動匯聚節(jié)點發(fā)送需求請求后，傳感器節(jié)點是否向相鄰的節(jié)點發(fā)送該需求請求，即是否擴散需求。根據(jù)自由空間衰減，較強的信號功率意味著接收器和發(fā)送器之間較短的距離。因此可以考慮利用接收信號強度來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)需求數(shù)據(jù)包。傳感器節(jié)點檢查收到的需求數(shù)據(jù)包的信號強度如果功率電平超過某個預(yù)設(shè)門限，就不擴散需求信息。但是，由于需求數(shù)據(jù)包的發(fā)射功率取決于移動匯聚節(jié)點的速度。因此，代替直接使用信號功率，我們使用等效接收功率，也就是信號功率與接收機門限之比，來控制需求擴散。
令 并且將Pr(eq)的門限設(shè)置為a。將按需路由策略表示為 a)不擴散，如果Pr(eq)＞1/a； b)擴散，如果Pr(eq)＜＝1/a。
將等效接收功率與這個門限進行比較，為節(jié)點提供一種簡單規(guī)則來確定是否傳播收到的需求數(shù)據(jù)包。事實上，以上策略將需求擴散器限制在Rmin＜＝R＜＝Rmax這個范圍之內(nèi)，如圖4(a)所示，其中Rmin可以表示為 因此，通過這種能量感知擴散，等價于產(chǎn)生只覆蓋距離發(fā)射天線較遠的遠區(qū)的波束方向圖。參數(shù)a給出了能量消耗和數(shù)據(jù)采集質(zhì)量之間的一個折衷。a越小，需求擴散器就越多，它們消耗越多的能量，提供越好的數(shù)據(jù)采集服務(wù)。如果不采用功率感知算法，那么它就等效于a＝0這種情況。
圖4表示功率感知和本發(fā)明的按需擴散區(qū)域的關(guān)系。
注意，圖4(a)是在簡化天線模型的情況下獲得的，其中將天線增益假設(shè)為波束寬度內(nèi)的常數(shù)。實際上，在實際應(yīng)用中，天線常常具有不均勻的天線增益和不規(guī)則的波束形狀。在角度0它達到最大值，隨著角度增大，它逐漸地減小到0。這樣，這種擴散策略將會得到圖4(b)所示的按需擴散區(qū)域。從這個圖我們發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)移動匯聚節(jié)點附近的一些節(jié)點也位于陰影區(qū)域以內(nèi)，并且成為需求擴散器。當移動匯聚節(jié)點移動的時候它們將超出通信范圍，無法送出它們的數(shù)據(jù)。這一點會將數(shù)據(jù)包投遞率中的增益補償?shù)侥撤N程度；但是，與功率感知IDDA能夠節(jié)省的能量相比較，它比較小。
當然，由于衰落和遮蔽效應(yīng)，實際上需求區(qū)域不可能具有平滑的邊界，甚至不可能是一個連續(xù)區(qū)域。但是，從統(tǒng)計意義上講，需求擴散器區(qū)域?qū)⒈葲]有門限機制更加集中。
(5)數(shù)據(jù)傳輸過程 在本發(fā)明中，數(shù)據(jù)傳輸由三個階段組成初始需求廣播，需求擴散和數(shù)據(jù)報告。在這些階段中分別使用三種數(shù)據(jù)包RESERVATION、INTEREST和DATA。將移動匯聚節(jié)點一維運動的特殊情形作為一個例子來說明通信過程。
(5-1)傳輸需求請求 在圖5中，移動匯聚節(jié)點在A1這個點廣播一個RESERVATION數(shù)據(jù)包，預(yù)期在B1這個點收到返回數(shù)據(jù)。當這個移動匯聚節(jié)點移動到A2這個點的時候，它又一次廣播。這一需求周期是按照需要的數(shù)據(jù)刷新速率來預(yù)先確定的。
初始需求廣播(路由預(yù)約) 移動匯聚節(jié)點通過延時累加和低通濾波來估計數(shù)據(jù)收集過程中的往返延遲RTT。然后移動匯聚節(jié)點利用公式(10)來設(shè)定發(fā)射功率和天線增益，并且周期性地廣播需求數(shù)據(jù)包。與其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包不同，這一數(shù)據(jù)包類型是RESERVATION。這一數(shù)據(jù)包還包括往返延遲時間、跳數(shù)、總跳數(shù)和會聚節(jié)點需要的數(shù)據(jù)類型。對于來自移動匯聚節(jié)點的RESERVATION數(shù)據(jù)包，跳數(shù)是1。將需求轉(zhuǎn)發(fā)了一跳以后，跳數(shù)加1。當跳數(shù)等于K的時候，擴散將停止，數(shù)據(jù)開始往回流向移動匯聚節(jié)點。因此，K決定了數(shù)據(jù)收集的范圍。
圖5表示本發(fā)明的通信處理過程，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點周期性地發(fā)送查詢請求并且接收數(shù)據(jù)。
(5-2)需求擴散過程 傳感器節(jié)點被收到的RESERVERVATION數(shù)據(jù)包喚醒，決定是否廣播數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包類型變成INTEREST，跳數(shù)加1。達到K跳的時候，節(jié)點停止這一擴散處理，回到數(shù)據(jù)報告階段。在需求擴散期間，每一節(jié)點都保持一個需求緩存和梯度清單。這兩個結(jié)構(gòu)為 (a)需求緩存。將不同的需求儲存在需求緩存中。如果數(shù)據(jù)類型不同，或者序列號不同，那么兩個需求就是不同的需求。在需求緩存中聚集重復(fù)的需求數(shù)據(jù)包，以避免網(wǎng)絡(luò)中不必要的擴散。
(b)梯度清單。梯度清單中的每一項都對應(yīng)于一個需求序列號。它包括源節(jié)點ID和跳數(shù)。每個傳感器都儲存從中收到需求的節(jié)點ID。還將收到的數(shù)據(jù)包中的條數(shù)記錄下來。這種方法建立了一條路徑，用于以后將數(shù)據(jù)流導(dǎo)向移動匯聚節(jié)點。要注意，當數(shù)據(jù)報告還沒有結(jié)束的時候，這些節(jié)點可能從移動匯聚節(jié)點收到其它需求。因此需要為不同的需求保存不同的路徑。
因為移動匯聚節(jié)點收集數(shù)據(jù)，然后離開現(xiàn)場，因此相同數(shù)據(jù)的查詢到達相同節(jié)點的可能性較小。因此，在IDDA算法中不配備數(shù)據(jù)緩存。同樣，因為數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的移動性，在IDDA中不使用路徑增強。但是，在移動匯聚節(jié)點繞圓圈走的時候，例如執(zhí)行巡邏或者偵察任務(wù)的時候，可以引入數(shù)據(jù)緩存來響應(yīng)重復(fù)的數(shù)據(jù)查詢，進一步節(jié)省能量。
收到INTEREST數(shù)據(jù)包的時候，節(jié)點首先將它與需求緩存里的信息進行比較。如果沒有找到以前的記錄，就將一條新的記錄添加到需求緩存和梯度清單里去。如果存在同樣的需求記錄，就不轉(zhuǎn)發(fā)收到的數(shù)據(jù)包。如果它具有比梯度清單里小的跳數(shù)的時候，就更新對應(yīng)的源ID和跳數(shù)。如果收到多個需求，將選擇具有最小跳數(shù)的數(shù)據(jù)包。存在相同跳數(shù)的情況下，優(yōu)選具有最強信號的數(shù)據(jù)包。
(5-3)傳感器節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的過程 需求傳播繼續(xù)下去，直到覆蓋了全部K跳范圍。如果K跳節(jié)點的數(shù)據(jù)與移動匯聚節(jié)點的需求相同，它就將DATA數(shù)據(jù)包發(fā)送給梯度場中記錄的它的父節(jié)點。另一方面，在每一節(jié)點傳播INTEREST數(shù)據(jù)包以后，它要等待一段時間以后才向它的前一節(jié)點報告它的數(shù)據(jù)。將往返延遲均勻地分配給K跳。具體地說，對于具有跳數(shù)k的節(jié)點，等待時間為 因此，給每個節(jié)點都分配一個時隙來報告它的父節(jié)點。節(jié)點越靠近移動匯聚節(jié)點，它等待的時間越長。在第4.4節(jié)里進一步解釋公式(15)。在計數(shù)器時間期間，父節(jié)點將緩存從上游節(jié)點成功收到的DATA數(shù)據(jù)包。當公式(15)確定的計數(shù)器時間過去了以后，進行數(shù)據(jù)積聚處理，將緩存的數(shù)據(jù)與本地數(shù)據(jù)合并，產(chǎn)生代表性的DATA數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。通過這種方式，通過多跳路徑積聚和中繼數(shù)據(jù)，直到到達需求擴散器，這個需求擴散器不斷地發(fā)送積聚的DATA數(shù)據(jù)包，直到收到移動匯聚節(jié)點的應(yīng)答或者達到特定的重復(fù)次數(shù)時停止這一操作。如果一段固定長度的時間過去以后仍然沒有收到INTEREST或者RESERVERTION，傳感器節(jié)點就進入睡眠模式。注意，與定向擴散不同，上述策略不需要網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間精確的時間同步，因為沒有使用任何時間標記，所有計數(shù)器都是以本地時間進行計算的。
下面用一個簡單的例子來說明需求擴散和數(shù)據(jù)報告過程，其中總跳數(shù)K為4。如圖6所示，按需擴散導(dǎo)致例如傳感器節(jié)點中的樹狀結(jié)構(gòu)拓撲。注意，其中的根指的是需求擴散器，每棵樹都對應(yīng)于一個擴散器。
圖7說明圖6的需求擴散和數(shù)據(jù)報告過程的時序圖。在時間間隔T1里，從節(jié)點1通過所有其它節(jié)點三次發(fā)出需求數(shù)據(jù)包。當k達到4的時候，節(jié)點7、8和9立即向它們的父節(jié)點報告數(shù)據(jù)。這一過程在時間間隔T2末尾結(jié)束。節(jié)點4、5、6并不立即報告數(shù)據(jù)，而是等待公式(15)給出的它們的計數(shù)器在時刻t＝T/2停止計數(shù)。一停止計數(shù)，就將來自上游節(jié)點的緩存的數(shù)據(jù)包合起來。例如，節(jié)點2將來自節(jié)點4和5的數(shù)據(jù)與它自己的本地數(shù)據(jù)合并起來，并且將合并以后得到的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點1。這一發(fā)射在時刻T3完成。類似地，在時間段T4中，將數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點1，也就是需求擴散器。最后當節(jié)點1的計數(shù)器在時刻t＝T停止計數(shù)的時候，它開始發(fā)射合并的數(shù)據(jù)包給移動匯聚接點。從移動匯聚節(jié)點收到ACK的時候，或者達到某一個特定的重試極限的時候，發(fā)射就停止，這一輪通信結(jié)束。
圖6總跳數(shù)K＝4的一種簡單情況 圖7說明圖6所示網(wǎng)絡(luò)拓撲中IDDA操作的時間分布 將往返延遲的值選擇得足夠大，從而使上游節(jié)點能夠依次將數(shù)據(jù)報告給它們的父節(jié)點。但是，如果往返時間過大，數(shù)據(jù)收集質(zhì)量肯定會打折扣，移動匯聚節(jié)點會消耗更多的發(fā)射功率來覆蓋一個大區(qū)域。從圖7中發(fā)現(xiàn)，在時間線上有幾個空閑周期。如果我們能夠記錄這些空閑間隔的累積長度，并且將它從當前RTT中減去，就會得到一個較小的RTT，同時仍然能夠成功地報告數(shù)據(jù)。另一方面，如果TRTT太小，就有可能所分配的時隙不足以允許每個節(jié)點成功地報告數(shù)據(jù)。在這種情況下，應(yīng)該增大TRTT以保證下一輪數(shù)據(jù)投遞。因此，我們可以在數(shù)據(jù)包中增加另一個字段來記錄空閑的周期。對于每個非葉片節(jié)點，如果在計數(shù)器時間期間收到來自字節(jié)點的DATA，它就計算從子節(jié)點收到數(shù)據(jù)報告的時間與它的計數(shù)器開始計數(shù)的時間之間的時間差，然后將它加到積累的長度上。在存在幾個子節(jié)點的情況下，使用最后收到的數(shù)據(jù)包的時間。但是，如果收到了遭到破壞的數(shù)據(jù)包，或者檢測到投遞失敗，就減去一個雙倍間隔，也就是加上一個-xxxx給積累的空閑周期以迫使下一輪的TRTT增大。最后，移動匯聚節(jié)點從當前TRTT中減去積累的空閑周期獲得TRTT*。
(6)本發(fā)明的能耗效果評估 為了簡單起見，假設(shè)采用一階無線電模型來計算通信過程中的能量消耗。在仿真中，電臺消耗Eelec＝50納焦耳每比特來支持收發(fā)信機電路工作，同時消耗100皮焦耳每比特每平方米來讓放大器實現(xiàn)可接受的信噪比。因此，發(fā)射和接收1比特數(shù)據(jù)包到距離d處所需要的能量成本為 數(shù)據(jù)包電平仿真是在以下設(shè)置的情況下進行的(見圖8)移動數(shù)據(jù)移動匯聚節(jié)點穿過600米乘以600米的傳感區(qū)域，在這個傳感區(qū)域內(nèi)，隨機地部署傳感器節(jié)點。中間的虛線表示移動數(shù)據(jù)移動匯聚節(jié)點的運行軌跡和方向。數(shù)據(jù)移動匯聚節(jié)點從(0，300)處的點開始，沿著+x方向行進。每個傳感器節(jié)點都具有20米的通信半徑R和10米的探測半徑。部署了3600個傳感器節(jié)點的時候，節(jié)點密度是n＝3600/(600mx600m)＝0.001/m2，這就意味著一個目標同時被3.14個傳感器節(jié)點探測。這對于可靠的目標檢測應(yīng)用來說是合理的。這樣，我們將在探測區(qū)域內(nèi)部署3600個傳感器節(jié)點。100個目標隨機地散布在外面的兩條虛線劃定的矩形區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域具有600米的長度，320米的寬度。移動匯聚節(jié)點請求在K＝10跳內(nèi)將數(shù)據(jù)報告給它，或者這個距離等效為10R＝200m。
這里提出三種性能指標用來測量網(wǎng)絡(luò)的工作效率總能量消耗、數(shù)據(jù)包投遞率和目標檢測率。如果對應(yīng)的需求擴散器位于移動匯聚節(jié)點的通信范圍以內(nèi)，就成功地將數(shù)據(jù)包投遞到移動匯聚節(jié)點。如果包括其信息的數(shù)據(jù)包被投遞到數(shù)據(jù)移動匯聚節(jié)點，目標就被檢測到。
下面將v固定為40米每秒，并且讓a從0變化到1，我們通過仿真來分析參數(shù)a對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。圖9表示參數(shù)a對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。在圖9中，實線表示用a＝0處的最大能量成本歸一化的功率感知IDDA的總能量消耗。虛線表示目標檢測率，而點劃線則表示所有投遞嘗試中投遞成功的百分比。在每一點對30次仿真結(jié)果進行平均。我們發(fā)現(xiàn)，當a增大的時候，能量消耗和檢測率都減小。還值得注意有一個最大的PDR對應(yīng)于a的最佳值。在這個aopt周圍，檢測率也會達到它的峰值(高達90％)。由于波束方向圖的邊緣效應(yīng)，當Rmin處于t-R和s之間的時候，PDR達到最大值，這個值是 對于我們的仿真，s＝80m，R＝20m，因此我們假設(shè)最佳a為0.36＜＝aopt＜＝0.64，這一結(jié)果與圖10所示的仿真結(jié)果完全吻合。
圖10所示優(yōu)化參數(shù)a與最大PDA的關(guān)系。
(8)節(jié)點密度的影響 在實際傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點密度變化非常大。一般而言，節(jié)點越少，網(wǎng)絡(luò)性能越差。這是因為減少節(jié)點會破壞網(wǎng)絡(luò)的連接性。對于網(wǎng)絡(luò)中的多跳數(shù)據(jù)路由，移動匯聚節(jié)點收集所需數(shù)據(jù)更加困難。因此數(shù)據(jù)包投遞率會下降。檢測同一目標的節(jié)點的數(shù)量也會下降，因而降低檢測概率。因此在這種情況下目標檢測率會下降。
性能比較 下面從每一數(shù)據(jù)報告的能量消耗、PDR和TDR的角度對IDDA、功率感知IDDA和經(jīng)典定向擴散進行比較。移動匯聚節(jié)點的速度在10米每秒到50米每秒的范圍內(nèi)變化。
圖13表示每個數(shù)據(jù)報告的能量消耗的比較 圖14表示成功數(shù)據(jù)包投遞率的比較 圖15表示目標檢測率的比較 在圖13中可以看到本發(fā)明明顯節(jié)省能量。具體而言，在50米每秒的速度的情況下，定向擴散的能量成本是IDDA能量成本的1.8倍。功率感知IDDA在IDDA的基礎(chǔ)之上又有1.3倍的改進。定向擴散中每一數(shù)據(jù)報告的能量成本隨著速度的增大迅速增大。這是因為隨著速度增大，必須根據(jù)速度平方來增大全向天線的發(fā)射功率，以便確保數(shù)據(jù)報告。而對于定向天線，數(shù)據(jù)移動匯聚節(jié)點則可以將它的功率集中在它的運動方向上，以提高能量效率。要注意，當速度很低的時候，三種方案里網(wǎng)絡(luò)消耗的能量幾乎相同。
圖14和圖15也說明在數(shù)據(jù)包投遞率和目標檢測率方面，IDDA和功率感知IDDA的性能超過了定向擴散的性能。盡管定向擴散情況中的檢測率則隨著速度的增大而迅速下降，但是，本發(fā)明在速度變化的情況下維持一個穩(wěn)定的檢測質(zhì)量。有意思的是，功率感知IDDA中數(shù)據(jù)包傳遞的成功率甚至隨著速度的提高而提高。這是因為隨著速度的提高，波束寬度變得更窄。因此不在移動匯聚節(jié)點接收范圍之內(nèi)的區(qū)域更少，更多的需求擴散器將它們收集的數(shù)據(jù)包傳遞給移動匯聚節(jié)點。比較圖13和圖14我們會發(fā)現(xiàn)，功率感知IDDA相對于IDDA的能量增益與PDR中的不一樣多。例如，在50米每秒的時候，功率感知IDDA的PDR增加2.2倍，但是能量消耗僅增加到1.3倍。這一現(xiàn)象可以這樣來解釋功率感知IDDA通過在需求擴散的早期消除不必要的需求擴散器來節(jié)省更多的能量。但是，雖然在功率感知IDDA中減少了擴散器的數(shù)量，在需求擴散了許多跳以后，它覆蓋了幾乎與IDDA中一樣大小的區(qū)域。這樣就會在某種程度上降低能量增益。
實施例2 本發(fā)明的移動匯聚節(jié)點也可以是攜帶PDA或移動電話的行人。圖16表示行人手持PDA或移動電話，利用定向天線向前進的方向定向發(fā)送數(shù)據(jù)需求請求。圖中，1001表示PDA或移動電話，1002表示電波到達的范圍，1003表示電波到達范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點，1004表示電波到達范圍外的傳感器節(jié)點。
圖17表示PDA或移動電話中的定向天線的安裝方法。在圖17中，1101是PDA或移動電話。在PDA或移動電話的例如上部，設(shè)有天線收容部1102。該天線收容部1102中，例如收容了定向天線1103、和導(dǎo)波器1104。1106表示最強的輻射方向。
作為定向天線的種類，例如有八木天線、矩形開口天線、陣列天線等。
這里為了方便說明，假定PDA或移動電話具有的定向天線指向的方向與行人前進的方向相同。當定向天線指向的方向與行人前進的方向不相同時，可以通過設(shè)置加速度傳感器，根據(jù)加速度傳感器檢測的結(jié)果來調(diào)節(jié)使其一致。
圖18表示內(nèi)置了加速度傳感器的PDA或移動電話。在圖18中，1101表示PDA或移動電話本體，1202表示加速度傳感器收容部，其中內(nèi)置有加速度傳感器。
本實施例的PDA或移動電話作為移動匯聚節(jié)點工作的構(gòu)成，與實施例1中的移動匯聚節(jié)點的結(jié)構(gòu)相同。故在此省略說明。
權(quán)利要求
1.一種移動匯聚節(jié)點，在設(shè)置了多個傳感器節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動，與傳感器節(jié)點進行通信，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點具有
定向天線，向所述傳感器節(jié)點發(fā)送信息需求請求；
控制單元，所述控制單元進行控制，使該定向天線沿移動方向向發(fā)送信息需求請求，使得發(fā)送請求信息只發(fā)送給下述傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點是，移動匯聚節(jié)點在移動過程中能夠接收到由該傳感器節(jié)點對所述發(fā)送信息請求進行響應(yīng)而發(fā)送的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，還具有
移動速度和方向檢測單元，檢測移動匯聚節(jié)點的移動速度和方向；
判斷單元，根據(jù)移動的方向和速度，判斷所述移動匯聚節(jié)點在移動過程中能夠接收到來自傳感器節(jié)點的信息的區(qū)域，
所述控制單元根據(jù)上述判斷單元判斷的結(jié)果，通過所述定向天線發(fā)送信息需求請求。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點使用定向天線或全向天線來接收來自所述傳感器節(jié)點的信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述定向天線發(fā)送的波束的波形是近似扇形，且移動速度越大，波束寬度越窄。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，當移動匯聚節(jié)點的速度大到波束接近直線形狀時，只接收來自位于波束頂端的傳感器節(jié)點的信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點還具有數(shù)模轉(zhuǎn)換器；時鐘發(fā)生器，發(fā)生時鐘信號；存儲器；中央處理器；無線發(fā)送機，發(fā)送無線信號給天線；相位調(diào)節(jié)器，對上述無線發(fā)送機發(fā)送的無線信號進行相位調(diào)節(jié)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點具有的定向天線是多個并排設(shè)置的天線，通過將所述多個天線的相位錯開進行供電，由此實現(xiàn)具有方向性的天線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點還具有加速度傳感器，通過對加速度傳感器的各個軸的檢測值進行積分，得到移動匯聚節(jié)點在各個軸的速度，由此檢測所述天線的方向性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點是裝載匯聚節(jié)點的車。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點是攜帶PDA或移動電話的行人。
11.一種傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有多個設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點，和在網(wǎng)絡(luò)中移動、與傳感器節(jié)點進行通信的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點具有定向天線，該定向天線沿移動方向向所述傳感器節(jié)點發(fā)送信息需求請求，使得發(fā)送請求信息只發(fā)送給下述傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點是，移動匯聚節(jié)點在移動過程中能夠接收到由該傳感器節(jié)點對所述發(fā)送信息請求進行響應(yīng)而發(fā)送的信息。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，根據(jù)移動的方向和速度，判斷所述移動匯聚節(jié)點在移動過程中能夠接收到來自傳感器節(jié)點的信息的區(qū)域，所述定向天線根據(jù)上述判斷的結(jié)果發(fā)送信息需求請求。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點使用定向天線或全向天線來接收來自所述傳感器節(jié)點的信息。
14.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點還具有數(shù)模轉(zhuǎn)換器；時鐘發(fā)生器，發(fā)生時鐘信號；存儲器；中央處理器；無線發(fā)送機，發(fā)送無線信號給天線；相位調(diào)節(jié)器，對上述無線發(fā)送機發(fā)送的無線信號進行相位調(diào)節(jié)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點具有的定向天線是多個并排設(shè)置的天線，通過將所述多個天線的相位錯開來進行供電，由此實現(xiàn)具有方向性的天線。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點還具有加速度傳感器，通過對加速度傳感器的各個軸的檢測值進行積分，得到移動匯聚節(jié)點在各個軸的速度，由此檢測所述天線的方向性。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點是裝載匯聚節(jié)點的車。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的移動匯聚節(jié)點，其特征在于，所述移動匯聚節(jié)點是攜帶PDA或移動電話的行人。
19.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，
所述傳感器節(jié)點根據(jù)從所述移動匯聚節(jié)點發(fā)出的信號強度，來決定是否向相鄰的傳感器節(jié)點擴散所述信息需求請求。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述傳感器節(jié)點向子節(jié)點擴散從所述移動匯聚節(jié)點發(fā)出的信息需求請求后，將從該子節(jié)點收到的符合所述需求的數(shù)據(jù)緩存一定的時間，再與本地數(shù)據(jù)合并，然后向父節(jié)點傳送合并后的數(shù)據(jù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述傳感器節(jié)點計算從收到來自子節(jié)點的數(shù)據(jù)的時間與開始向父節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間即其計數(shù)器開始計時的時間之間的時間差，累計該時間差，并從K跳數(shù)據(jù)收集的往返時間TRTT中減去該累計時間差，以減少空閑周期。
22.根據(jù)權(quán)利要求11所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述傳感器節(jié)點在經(jīng)過一段預(yù)定的時間后，仍沒有收到信息需求請求時，就進入睡眠狀態(tài)。
全文摘要
提供一種使用定向天線的移動匯聚節(jié)點、具有移動匯聚節(jié)點的傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決現(xiàn)有的移動匯聚節(jié)點中存在的數(shù)據(jù)包丟包、傳送效率低下及傳感器節(jié)點的能量使用效率低的問題。移動匯聚節(jié)點具有定向天線，向所述傳感器節(jié)點發(fā)送信息需求請求；控制單元，所述控制單元進行控制，使該定向天線沿移動方向向發(fā)送信息需求請求，使得發(fā)送請求信息只發(fā)送給下述傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點是，移動匯聚節(jié)點在移動過程中能夠接收到由該傳感器節(jié)點對所述發(fā)送信息請求進行響應(yīng)而發(fā)送的信息。
文檔編號H04W36/32GK101202680SQ20061014321
公開日2008年6月18日 申請日期2006年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月31日
發(fā)明者牛志升, 吳藝群, 林 張, 吳毅弘, 鈴木敬, 吉內(nèi)英也 申請人:清華大學(xué), 株式會社日立制作所