基于不等長蘇醒時(shí)隙的低占空比傳感網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及傳感網(wǎng)中的鄰居發(fā)現(xiàn)，具體是一種基 于不等長蘇醒時(shí)隙的低占空比傳感網(wǎng)鄰居發(fā)現(xiàn)方法。 二、
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感網(wǎng)越來越廣泛地得到應(yīng)用。但是能耗問題一直困擾著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的發(fā)展。因?yàn)椋瑹o線傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是由電池供電的，且由于環(huán)境的復(fù)雜性，電池不易更換 或者充電麻煩，因此節(jié)點(diǎn)能量十分有限。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)大多是自組織的，在組網(wǎng)前，節(jié) 點(diǎn)缺乏周圍鄰居的信息，因此鄰居發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的第一步和路由的前提，尤其在移動(dòng)網(wǎng) 絡(luò)中，由于節(jié)點(diǎn)間的鄰居關(guān)系動(dòng)態(tài)變化，鄰居發(fā)現(xiàn)更是常規(guī)工作。因此鄰居發(fā)現(xiàn)一直是無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點(diǎn)問題。但是以下兩個(gè)因素增加了鄰居發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)。一是，由于低能 耗的要求，節(jié)點(diǎn)一直處于蘇醒狀態(tài)去搜尋周圍鄰居是不太可行的。因此一般用低占空比技 術(shù)來降低能量消耗，低占空比技術(shù)即節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，而只有少量時(shí)間處于 蘇醒狀態(tài)。低占空比操作雖然降低了能耗，但是增加了鄰居發(fā)現(xiàn)的難度。二是，無論是在靜 態(tài)網(wǎng)絡(luò)還是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，鄰居發(fā)現(xiàn)要求發(fā)現(xiàn)延遲越小越好。因此，人們對(duì)鄰居發(fā)現(xiàn)的研 究，其核心就是要提高能效，要求能耗和延遲都越小越好。
[0003] 低占空比模式一般將時(shí)間軸劃分為多個(gè)連續(xù)等長時(shí)隙，其長度為的大小由具 體硬件決定，特別取決于無線模塊從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到蘇醒狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間，在數(shù)值上等于 多個(gè)發(fā)送或者接收一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間8。根據(jù)不同的算法，節(jié)點(diǎn)決定在某些時(shí)隙蘇醒（叫做蘇 醒時(shí)隙），而在其他時(shí)隙休眠（叫做休眠時(shí)隙）。由t個(gè)T時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)周期，t的大小是由一個(gè) 周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)的蘇醒時(shí)間和給定的占空比共同決定的。一般，節(jié)點(diǎn)只在很少的時(shí)隙蘇醒，所以 增大了鄰居發(fā)現(xiàn)難度。因?yàn)橹挥挟?dāng)節(jié)點(diǎn)蘇醒時(shí)，它才可以發(fā)送或接收信號(hào)，而只有在兩個(gè)物 理鄰居節(jié)點(diǎn)都同時(shí)蘇醒時(shí)，且蘇醒時(shí)隙具有部分重疊時(shí)，它們才能實(shí)現(xiàn)相互發(fā)現(xiàn)。由于各節(jié) 點(diǎn)間提供額外的同步時(shí)鐘需要增加硬件成本和能量消耗，所以現(xiàn)有低占空比傳感網(wǎng)絡(luò)中的 流行鄰居發(fā)現(xiàn)方法都是異步的。異步的鄰居發(fā)現(xiàn)方法分成兩類，分別是概率性鄰居發(fā)現(xiàn)算 法和確定性鄰居發(fā)現(xiàn)算法。概率性鄰居發(fā)現(xiàn)算法只能以一定的概率(或比例)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)物理 鄰居節(jié)點(diǎn)之間的相互發(fā)現(xiàn)，它的主要缺點(diǎn)是不能給出兩個(gè)物理鄰居節(jié)點(diǎn)間的發(fā)現(xiàn)延時(shí)的上 限。概率性鄰居發(fā)現(xiàn)主要包括基于生日悼論的Birthday Protocols算法(Michael，J.，and Steven，A.:"Birthday protocols for low energy deployment and flexible neighbor discovery in ad hoc wireless networks"?ACM Inti.Symp.on Mobile ad hoc networking&computing(MobiHoc)，New York,NY,USA,October 2001)及其衍生算法，和基 于素?cái)?shù)集合的概率性算法（Liangyin Chen，Yecheng Li，Yanru Chen，Kai Liu，Jingyu Zhang,Yanhong Cheng,Hongyue You and Qian Luo:"Prime-set-based neighbour discovery algorithm for low duty-cycle dynamic WSNs "'ELECTRONICS LETTERS, 2015,51(6):534-536)等。確定性鄰居發(fā)現(xiàn)算法能夠保證節(jié)點(diǎn)在給定時(shí)限內(nèi)一定能夠發(fā)現(xiàn) 它的所有鄰居。它們的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠給出兩個(gè)物理鄰居之間的發(fā)現(xiàn)延時(shí)的上限。因此本 發(fā)明主要關(guān)注確定性鄰居發(fā)現(xiàn)方法。先前的算法是基于等時(shí)隙的，即所有時(shí)隙無論是蘇醒 時(shí)隙還是休眠時(shí)隙都要求等大小（比如D i s c 〇算法：P r a b a 1 D u 11 a a n d D a v i d Culler.Practical asynchronous neighbor discoveryand rendezvous for mobile sensing applications ? In ACM SenSys，2008 ?)，這一類型的算法在Non-Integer算法 (S.Chen,A.Russell,R.Jin,Y.Qin,B-Wang and S?Vasudevan"Asynchronous Neighbor Discovery on Duty-cycled Mobile Devices:Integer and Non-Integer Schedules," SMobiHoc'15Proceedings of the 16th ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing, pp.47_56.2015)中統(tǒng)稱為Integer 策略。2012 年發(fā)表的 Searchlight(M?Bakht and R?Kravets,"SearchLight:asynchronous neighbor discovery using systematic probing,''ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Re view, vo 1.14, no .4, pp.31-3 3,2011)中的 Striped Searchlight (Searchl ight算法分為Nos triped Search light和Striped Searchl ight 兩種）米用 了蘇醒 時(shí)隙向臨近休眠時(shí)隙"溢出" 一小部分的策略從而獲得了比當(dāng)時(shí)最好的U-connect (A.Kandhalu,K.Lakshmanan and R.Rajkumar,"Neighbor discovery in mobile sensor networks/'Technical report，Carnegie Mellon University.2010)大約 50% 的能效提 升。受到Striped Search light的啟發(fā)，Non-Integer算法提出將任何Integer策略轉(zhuǎn)化為 Non-Integer 的方法。Non-Integer 算法由于可將 Nos triped Searchl ight 算法（Nos triped Sear chi ight算法仍屬于Integer策略）轉(zhuǎn)化為Non-Integer策略，從而比以往最好的 Striped Searchlight提升性能大約40? 5%。
[0004] 雖然現(xiàn)有方法大幅地提升了鄰居發(fā)現(xiàn)能效，但是目前所有的方法中，蘇醒時(shí)隙的 大小都是等長的，我們的研究發(fā)現(xiàn)利用等長蘇醒時(shí)隙的策略阻礙了鄰居發(fā)現(xiàn)效能的進(jìn)一步 提升。之所以使用等長蘇醒時(shí)隙策略是因?yàn)樘K醒時(shí)隙的長度主要取決于從睡眠狀態(tài)到蘇醒 狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。但是最近的研究表明，RF模塊除了蘇醒和休眠兩個(gè)狀態(tài)，還包含一個(gè)空閑 狀態(tài)。這里的空閑狀態(tài)與傳統(tǒng)的空閑偵聽狀態(tài)不同。在這種空閑狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)既不能發(fā)送信 息也不能接收信息，但節(jié)點(diǎn)需要非常少的能量(約正常的10%)維持CPU的晶體振蕩器工作， 使節(jié)點(diǎn)可以快速切換到工作狀態(tài)。從空閑狀態(tài)轉(zhuǎn)換到蘇醒狀態(tài)的時(shí)間遠(yuǎn)小于從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn) 換到蘇醒狀態(tài)的時(shí)間，并且在空閑狀態(tài)消耗的能量遠(yuǎn)小于蘇醒狀態(tài)。結(jié)合蘇醒，休眠和空閑 狀態(tài)使得在鄰居發(fā)現(xiàn)中使用不等長的蘇醒時(shí)隙可能帶來更好的收益。除此之外，現(xiàn)有的所 有方法都在一次蘇醒時(shí)隙的重疊中保證雙向發(fā)現(xiàn)，但是，由于節(jié)點(diǎn)無線信號(hào)的不規(guī)則性，對(duì) 于部分鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)，不存在雙向鏈接，在這種情況下在一次蘇醒時(shí)隙重疊中實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)現(xiàn) 是沒有必要的。因此可以考慮在一次蘇醒時(shí)隙的重疊中只保證單向發(fā)現(xiàn)，這樣可以將長度 較小的蘇醒時(shí)隙減小到只發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的大小。在單向發(fā)現(xiàn)之后再實(shí)施雙向發(fā)現(xiàn)，這樣雙 向發(fā)現(xiàn)也很容易獲得，因?yàn)楫?dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，它可以在發(fā)送節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)蘇醒 時(shí)隙主動(dòng)蘇醒并發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。這樣的方法能夠獲得能效的提升。因此采用不等長的蘇醒 時(shí)隙和單向鄰居發(fā)現(xiàn)的方法能夠最大幅提升能量效率。 三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有異步鄰居發(fā)現(xiàn)方法發(fā)現(xiàn)延遲大，能量消耗高，即能效 不夠高的問題。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)均采用等長蘇醒時(shí)隙和保證在一次蘇醒時(shí)隙的重疊中保證雙 向發(fā)現(xiàn)方法所遇到的難以繼續(xù)提升能效的技術(shù)瓶頸，首次采用全新的長度不等長蘇醒時(shí)隙 和單向鄰居發(fā)現(xiàn)方法，最大幅度地提高鄰居發(fā)現(xiàn)能效。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的：
[0007] 采用長度不等長蘇醒時(shí)隙和單向鄰居發(fā)現(xiàn)方法，在每一個(gè)周期中構(gòu)建兩種蘇醒時(shí) 隙，A時(shí)隙和C時(shí)隙，C時(shí)隙分為IP和BP兩部分，只有BP處于蘇醒狀態(tài)，IP處于空閑狀態(tài)，且BP 的蘇醒持續(xù)時(shí)間只夠發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，其值為S，A時(shí)隙和C時(shí)隙的末端都具有時(shí)隙溢出，溢出 的長度為發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的時(shí)間S;
[0008]具體做法是：
[0009] 預(yù)先將時(shí)間軸劃分為多個(gè)等長連續(xù)時(shí)隙，其長度為I，由t個(gè)連續(xù)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)周 期，用時(shí)隙的大小作為基本單位，每個(gè)周期內(nèi)時(shí)隙從〇到t_l編號(hào)，用n個(gè)周期構(gòu)成一個(gè)n行t 列的矩陣M，其大小用T表示，則T = nt。
[0010] 每個(gè)周期內(nèi)有一個(gè)A時(shí)隙，位于這個(gè)周期內(nèi)的第0個(gè)時(shí)隙位置，有一個(gè)或者多個(gè)C時(shí) 隙，其余時(shí)隙都為休眠時(shí)隙。
[0011] 在一個(gè)矩陣內(nèi)總共設(shè)置有t/2個(gè)C時(shí)隙，將這t/2個(gè)C時(shí)隙平均分配到n行;C時(shí)隙如 果不能平均分配，即t/2不能被n整除時(shí)，則把余下的C時(shí)隙分配到最后一個(gè)周期，同時(shí)保證 把每行