一种随机部署的无ID传感器节点两跳时隙分配方法

摘要

本发明公开了一种随机部署的无ID传感器节点两跳时隙分配方法，在初始随机部署环境下，对异步唤醒工作的无ID传感器节点首先进行时间同步，然后建立一个循环的竞争—判别的过程，各节点随机竞争当前时隙号，竞争失败的节点发布接收数据包的时间信息，竞争存留的节点收集该时间信息并与自身发送数据包的时间比较，判断自己是否在两跳内竞争成功以获取当前竞争的时隙号，由此实现了无ID情况下的两跳时隙分配。该方法能够保证网络中任何两跳内节点的分配时隙不同，为两跳内的节点建立独立的时隙信道，有效避免通信中的冲突问题。

说明书

技术领域

本发明属于无线网络通信技术领域，具体涉及一种随机部署的无ID传感器节点两跳时隙分配方法。

背景技术

在很多无线传感器网络应用中，大量的传感器节点需要随机部署在监测区域中。在完成节点部署的初始阶段，各传感器节点对网络环境信息了解很少，例如部署的节点数目、邻居节点个数、网络拓扑等。此外，这些传感器节点甚至可能没有ID地址。这是因为在实际应用中，对大量廉价的通用传感器节点逐一设置独立永久ID，十分麻烦。而且，设置这种永久的独立ID地址，需要较长的位数以保证唯一性，这对实际面向简单数据采集应用的传感器节点而言，显然将造成较大的通信开销。为了让这些初始随机部署的无ID节点迅速组建成一个无线传感器网络，显然节点之间需要建立可靠的通信链路，以便进行一定的消息交互。通常节点间的通信链路分为两种形式：随机竞争和时分复用。前者由于必须有确认机制，因而无法在无ID情况下适用。后者由于能够为两跳内的节点建立独立的时隙信道，有效避免网络通信中的冲突干扰问题，因而可以在无ID情况下完成信息确认，所以成为一种可行的链路形式。然而，要想在没有这些初始无ID的节点中进行两跳时隙分配，节点之间必须完成一定的消息交换，这又反过来需要链路的建立。所以，时隙分配和链路建立，两者是一个相互制约相互依赖的关系。因此，如何在初始随机部署的无ID节点中进行两跳时隙分配，建立时分复用的通信链路，成为一个挑战性问题。现有的无线传感器网络时隙分配方法主要有如下：

(1)基于通信链路的时隙分配，见Ted Herman，Sebastien Tixeuil，“ADistributed TDMA Slot Assignment Algorithm for Wireless Sensor Networks”，Lecture Notes in Computer Science，Vol.3121，2004，pp.45-58，这种方法完成在无线传感器网络中的两跳时隙分配，然而它假设节点间链路已经存在，在分配中节点可以自由传递消息，这显然不适用于初始随机部署的传感器节点。

(2)基于节点ID的时隙分配，见Johannes Schneider and RogerWattenhofer，“Coloring unstructured wireless multi-hop networks”，inProceedings of PODC，Calgary，Alberta，Canada，Aug.2009，pp.210-219，这种方法初始无链路的节点进行两跳甚至更多跳的时隙分配，然而它假设节点已经有自己的ID，这使得在分配中节点可以对自己收到的信息进行确认，因而不适用于初始无ID的传感器节点。

因此，上述方法由于假设了节点之间已经建立了通信链路，或者假设了节点已经分配了ID，因此，不适宜用于基于随机部署的无ID传感器节点。

发明内容

本发明的目的是提供一种随机部署的无ID传感器节点两跳时隙分配方法，可以在传感器节点对周围部署环境一无所知且不携带自身ID情况下，实现对节点的两跳时隙分配。

一种随机部署的无ID传感器节点两跳时隙分配方法，各节点存储有相同的时隙号列表，该方法具体为：

(1)各节点通过随机广播数据包实现时钟同步，初始化自身状态为竞争节点；

(2)各竞争节点随机广播数据包，并记录各次广播数据包的时钟，数据包携带有竞争节点自身存储的时隙号列表中的第一个时隙号信息；当某竞争节点收到数据包，则记录收到该数据包的时钟，并将自身状态更新为非竞争节点，最终持续到任何竞争节点的邻居范围内没有竞争节点；

(3)非竞争节点随机广播在步骤(2)中收到数据包的时钟，竞争节点收到邻居范围内所有非竞争节点广播的时钟，从中选出最小时钟与自身在步骤(2)中各次广播数据包的时钟比较，若存在与最小时钟相同的时钟，则获取该时钟对应广播的数据包中携带的时隙号，而剩下的未获取时隙号的节点删除时隙号列表中第一个时隙号，并更新自身状态为竞争节点，返回步骤(2)，直到所有节点成功获取时隙号。

作为优化，所述步骤(1)～(3)均以概率p＝1/Δ广播，Δ为节点的邻居个数上限。

本发明在初始随机部署环境下，对异步唤醒工作的无ID传感器节点首先进行时间同步，然后建立一个循环的竞争-判别的过程，各节点随机竞争当前时隙号，竞争失败的节点发布接收数据包的时间信息，竞争存留的节点收集该时间信息并与自身发送数据包的时间比较，判断自己是否在两跳内竞争成功以获取当前竞争的时隙号，由此实现了无ID情况下的两跳时隙分配。该方法能够保证网络中任何两跳内节点的分配时隙不同，为两跳内的节点建立独立的时隙信道，有效避免通信中的冲突问题。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明实例两跳时隙分配结果示意图。

具体实施方式

下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

图1为本发明的算法流程图，具体包括以下几个步骤：

1、设节点部署上限为1000个，当前对100个无ID节点在80*80m²区域内进行随机部署，节点通信半径为12m部署，因此部署后节点邻居个数上限约为15，各节点建立统一的时隙号列表ψ，时隙号个数为15×4＝60，每个时隙号表示节点进行时分复用通信时的时隙位置。设节点异步醒来，将本地时间划分成等间隔的时隙，并在每个时隙以概率p＝1/Δ≈0.067随机发送数据包(Δ为节点的邻居个数上限，由节点应用环境属性决定)，数据包携带本地时钟。这里优选以概率p＝1/Δ广播，在最短时段(N为节点部署个数上限，由节点硬件能力决定)内任何节点均收到至少一个邻居节点广播的数据包。如果某节点收到其它节点发出的数据包，则将本地时钟与数据包指示的时钟进行比较，将本地时钟调整为其中较大的时钟，如果该节点此后又收到其它节点发出的数据包，则继续进行比较，用较大的更新本地时钟；对应广播概率p＝1/Δ，最长在节点本地时钟达到个时隙(按每时隙5ms计，约半分钟)内，所有节点的时间将与网络中最早醒来的节点的时间同步，并设置当前自身状态为竞争节点，此时进入第2步。

2、各竞争节点重置本地时间为零，并在每个时隙上以概率p＝0.067随机广播数据包，携带ψ中的第一个时隙号，同时竞争节点记录自身实际各次发送数据包的时钟；如果某竞争节点收到数据包，则将自身状态改为非竞争节点，停止发送数据包，并记录收到数据包时的时钟；当所有节点的时间增长至个时隙时，任何竞争节点的邻居范围内将没有其他竞争节点，此时转入第3步。

3、所有节点重置本地时间为零，竞争节点停止发送数据包，非竞争节点将记录的步骤2中收到数据包时的时钟，在每个时隙上以概率p＝0.067随机广播；当所有节点的本地时间增长至个时隙时，竞争节点将收到所有邻居范围内非竞争节点广播的时钟，此时，竞争节点比较该时段内所有时钟，选择最小的一个再和自身在步骤2中记录的发送数据包时的时钟进行比较，如果该最小时钟等于其某一次记录的发送数据包的时钟，则该节点获取这个数据包携带的时隙号；剩下的还未成功分配时隙号的所有节点从自身时序列表中删除第一个时隙号，并重新设置自身状态为竞争节点，进入第2步，依此循环，直至所有节点获得时隙号。图2所示为本实例的两跳时隙分配结果示意图，从图中可以看出网络中任何两跳内节点的时隙号不同，两跳内的节点建立了独立的时隙信道，可以有效避免通信中的冲突问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。