[发明专利]基于IEEE802.15.4协议的传感器节点占空比独立自适应调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种广泛应用于无线传感器网络中的IEEE802.15.4协议和在此基础上的节点占空比自适应调节方法及能量高效休眠机制，属无线网络通信技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WSNs)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线自组织方式形成的一个多跳的网络系统，其目的是协作地感知、采集、处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

IEEE 802.15.4是美国电气电子工程师学会最初为低速率无线个人域网络(LR-WPANs)制定的一套网络标准。而由于其物理层(PHY)的能量高效和鲁棒性，以及介质接入控制子层(MAC)的灵活性非常适合于低速率、低功耗、低成本、低复杂度的无线传感器网络应用，因此IEEE802.15.4也成为了无线传感器网络的一套重要的通信协议。

IEEE 802.15.4支持两种工作模式：(1)无信标使能模式(nonbeacon-enabled)：此时MAC通过非时隙载波侦听多路接入/冲突避免算法(CSMA/CA)进行控制；(2)信标使能模式(beacon-enabled)：此时各节点通过接收网络协调器周期性广播的信标帧(beacon)保持同步，MAC通过时隙CSMA/CA算法进行控制。

在信标使能模式中，协议使用超帧(superframe)进行定时。超帧跟随在周期性的信标帧之后，并被分为活跃期(active portion)与可选的非活跃期(inactiveportion)。对于活跃期，竞争接入周期(CAP)用于节点通过时隙CSMA/CA算法竞争信道资源；可选的无竞争接入周期(CFP)用于为特定应用分配特定的信道资源，主要是为了满足对端到端时延和带宽要求较高的应用。而在非活跃期，节点将进入低功耗的休眠模式。

在超帧结构中，信标间隔周期(beacon interval，BI)定义为两个连续信标帧之间的时间间隔，由式(1)可知，其时间长度可以通过信标指数(beacon order，BO)进行控制；活跃期长度定义为超帧持续时间(superframe duration，SD)，由式(2)可知，其时间长度可以通过超帧指数(superframe order，SO)进行控制。其中SD₀为一个值为960symbols的常量。

BI＝SD₀×2^BOsymbols       (1)

SD＝SD₀×2^SOsymbols       (2)

IEEE 802.15.4节点占空比(duty cycle，DC)定义为其信标间隔周期中活跃期长度SD与其当前整个信标间隔周期长度BI的比值。又结合式(1)和式(2)可知，DC可以进一步由BO和SO的差值决定。

DC=SDBI=2SO-BO---(3)]]>

由于占空比可以决定节点休眠时间的长短，因此其对于节点的能量高效至关重要。此外，通过调整占空比还可以平衡节点的功率消耗和端到端时延性能。当占空比较低时，节点用于信道侦听、信道资源竞争、数据帧收发等操作的活跃期只占整个信标间隔周期的很小部分，而节点大部分时间休眠于低功耗的非活跃期。虽然节点的功率消耗和网络的生命周期是进行无线传感器网络协议设计时需要重点考虑的性能指标，但是如果占空比过低，会导致很大的网络端到端时延。因为节点在休眠之前未完成的操作及其在休眠过程中新加等待处理的操作，均要延迟到下一个信标间隔周期才能开始进行。因此如果周期内的非活跃期过长，那么这种延迟将会很大。相反，如果占空比较高时，网络的端到端时延性能将会改善，但是可能此时节点的大部分时间处在不必要的空闲侦听状态从而浪费大量宝贵的能量。