用于在无线传感器网络中路由数据的方法 |
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| 申请号 | CN201280063160.X | 申请日 | 2012-11-20 | 公开(公告)号 | CN104012147B | 公开(公告)日 | 2017-09-19 |
| 申请人 | 国际商业机器公司; | 发明人 | A·慕纳瑞; W·H·斯科特; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于在无线 传感器 网络(10)中路由至少一个数据分组的方法，所述 无线传感器网络 (10)包含：至少一个源 节点 (S)，所述源节点可被配置成传输至少一个数据分组；至少一个目的地节点(D)，所述目的地节点可被配置成接收由所述源节点(S)传输的所述数据分组；以及在所述源节点(S)和所述目的地节点(D)之间的可互连网络节点(si)，所述可互连网络节点可被配置成接收及转发所述数据分组，所述方法包含下列步骤：按照休眠–启用进度来操作所述网络节点(si)，所述休眠–启用进度至少包含休眠模式及启用模式；以及配置所述网络节点(si)以具有关于其自身的地理 位置 及所述目的地节点(D)的地理位置的信息，所述方法进一步包含下列步骤：将所述无线传感器网络(10)分成由边界所分离的多个不相交范围(A0、AM‑1、A1、A2)；将每个范围(A0、AM‑1、A1、A2)分离成至少两个区域，所述区域为内部边界区域(I)、中心区域(C)及外部边界区域(O)；从所述网络节点(si)中选取转发节点以将所述数据分组从所述源节点(S)路由至所述目的地节点(D)，所述转发节点根据其相对于所述目的地节点(D)的地理位置而被选取，且所述网络节点相对于彼此被同步，以及配置所述休眠–启用进度，使得在给定 时间窗 口中仅有被选取以路由所述数据分组的那些转发节点可在启用模式中操作，而所有其他网络节点(si)可在休眠模式中操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在无线传感器网络(10)中路由至少一个数据分组的方法，所述无线传感器网络(10)包含：至少一个源节点(S)，所述源节点可被配置成传输至少一个数据分组；至少一个目的地节点(D)，所述目的地节点可被配置成接收由所述源节点(S)传输的所述数据分组；以及在所述源节点(S)和所述目的地节点(D)之间的可互连网络节点(si)，所述可互连网络节点可被配置成接收及转发所述数据分组，所述方法包含下列步骤：按照休眠-启用进度来操作所述网络节点(si)，所述休眠-启用进度至少包含休眠模式及启用模式；以及配置所述网络节点(si)以具有关于其自身的地理位置及所述目的地节点(D)的地理位置的信息，所述方法进一步包含下列步骤： |
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| 说明书全文 | 用于在无线传感器网络中路由数据的方法技术领域背景技术[0002] 无线传感器网络具有用于多样应用的可能性，例如建筑物监控、灾难预防及环境监测。无线传感器网络由相对大量的节点所构成，所述节点泛称为网络节点，遍布在相应于所述无线传感器网络实施所在的地理范围中。网络节点典型地可为平价、电池供电的电子装置，诸如传感器，例如在存储、处理和/或分析数据方面具有减弱的能力。网络节点一般被应用以至少满足两件具挑战性的任务：首先，持续监测物理现象的状态或环境情况；第二，传输所收集数据至远程中心服务器以进行数据处理和/或分析。为了促进第二项任务，每个网络节点可被配备有相对低功率并具有较低覆盖范围的无线电收发器。利用相应于所述网络节点的无线电收发器之间的合作，通过在所述网络节点之一(一般称为源节点)及远程中心服务器(一般称为目的地节点)之间所选取的网络节点(以下称为转发节点)，以形成无线ad hoc网络，经由多点跳跃传输(multi-hop transmission)来将所述源节点感测的数据路由到所述目的地节点。 [0003] 无线传感器网络的一个问题(尤其当网络节点通过电池供电的电子装置所实现时)是在网络节点的一个或多个节点中的电池耗损可能导致数据丢失，而最糟的情况是无线传感器网络操作完全失效。 [0004] 为了解决网络节点中的电池保存的问题，之前有人提出以休眠模式及启用模式两种模式之一来循环地操作无线传感器网络。在休眠操作模式中，网络节点的无线电收发器被关闭，因此在此种操作模式中网络节点在数据转发方面没有贡献。在启用操作模式中，邻近网络节点(特定言之为相应的无线电收发器)彼此通信，并参与朝着且最终到达目的地节点的数据转发。为了促进此通信，在启用模式中，参与朝着目的地节点转发数据的那些网络节点被同步，使得所述网络节点之间的数据接收和/或传输的进度进行可使数据丢失的情况降低或完全得以避免。在此方面，IEEE标准“Part15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks”(IEEE，Los Alamos，2003年)描述了一种用于无线网络中的同步策略，所述同步策略通过周期地从中心网络协调器传送信标至网络节点来实现。接收信标之后，经同步的网络节点的无线电收发器收听在所述网络节点的无线电收发器之间所建立的无线电信道，收听的时间周期为数据分组可从邻近网络节点接收且如果需要的话持续朝着目的地节点传输的持续时间。在这些任务完成之后到下一信标被接收之前，上述的经同步网络节点在休眠模式中操作，与经同步的网络节点相关的无线电收发器被电力关闭。此电力管理策略所获得的性能增益由网络节点的工作周期所主控，所述工作周期被定义为启用周期长度与信标间隔的比例。已在J.H.Kim等人的美国专利7447256“Power saving method for wireless sensor network”(2008年11月)，及C.J.Yoon的美国专利申请案号2006/0128349的“Energy-efficient medium access control protocol and system for sensor networks”(2006年6月)中描述了其他类似的策略。 [0005] 在之前所提出的无线传感器网络中，静态路由协议被用于从源节点传播数据分组至目的地节点。此种静态路由协议的例子在由C.Perkins及E.Royer在标题为“Ad-hoc on demand distance vector(AodV)route”的文件(发表于IEEE WMSCA，美国路易斯安那州New Orleans，1999年2月)，以及由D.Johnson、D.Maltz和J.Broch所著的标题为“DSR:The dynamic source routing protocol for multi-hop wireless and ad-hoc networks”的文件(发表于Ad-Hoc Networking，Addison Wesley，2001年)中进行了描述。此种静态路由协议依赖先建立从源节点至目的地节点的单一路径，再由所述源节点传输数据至网络节点，所述网络节点按照所述静态路由协议确定，以用于转发数据至目的地节点。由于路由发现(route discovery)及路由维护(route maintenance)的过程的执行在从源节点传输数据之前，静态路由协议的一些相关缺点因此包括增加协议开销，以及就能量消耗而言的性能退化。此外，由于协议开销一般随网络节点的数目呈指数增加，静态路由协议对于相对较大规模的无线传感器网络可能未提供节省能源的解决方案。 [0006] 对于大规模无线传感器网络，已有人提出使用地理路由协议。M.Zorzi及R.R.Rao在标题为“Geographic random forwarding(GeRaF)for ad-hoc sensor networks:multi-hop performance”(发表于IEEE Transactions on Mobile Computing，第337-348页，2003年)的文件中已提供地理路由协议的例子。地理路由所根据的原理为用于从源节点至目的地节点转发数据的路由为动态建构，而来自所述源节点而朝着(且到达)目的地节点的数据经由转发节点传输。上述的路由的动态建构根据参与转发节点的地理位置信息而执行。在地理路由中，具有数据分组要传输的节点广播请求消息，所述请求消息包含目的地节点的地理坐标的信息。在广播节点的无线电覆盖范围内的网络节点分别接收所述请求消息，这些网络节点一般称为邻近网络节点。这些网络节点然后利用它们的拓扑知识计算朝所述目的地节点所能提供的进程(advancement)，并在这些网络节点其中角逐以选出最接近目的地节点的下一网络节点。由于信息仅在具有数据要传输的节点及邻近网络节点之间局部性地交换，因此地理路由会随其实施所在的无线传感器网络的大小而缩放规模，由此地理路由相较于之前所提出的路由协议，例如像是静态路由协议，对于在大规模无线传感器网络中实施具有优点。对于应用地理路由的条件为全部网络节点知道关于其自身在网络内的地理位置。此地理信息可为：在初始布署网络节点时手动设定；或使用位置定位系统来提供，例如像是在户外环境中的全球定位系统(GPS)，或通过使用由S.Furrer、W.Schott及B.Weiss在美国专利7761233(2010年7月)所提出的定位系统。 [0007] 虽然地理路由协议缓解了与之前所提出的技术/协议相关联的一些缺点，但在无线传感器网络中路由数据仍是一项挑战，尤其当无线传感器网络为大规模、具有改善可靠性及网络性能，同时还要解决能源消耗问题时。 发明内容[0008] 按照本发明的第一方面的实施例，提供一种用于在无线传感器网络中路由至少一个数据分组的方法，所述无线传感器网络包含：至少一个源节点，所述源节点可被配置成传输至少一个数据分组；至少一个目的地节点，所述目的地节点可被配置成接收由所述源节点传输的所述数据分组；以及在所述源节点和所述目的地节点之间的可互连(interconnectable)网络节点，所述可互连网络节点可被配置成接收及转发所述数据分组，所述方法包含下列步骤：按照休眠–启用(sleep-active)进度来操作所述网络节点，所述休眠–启用进度至少包含休眠模式及启用模式，以及配置所述网络节点使所述网络节点具有关于其自身的地理位置及所述目的地节点的地理位置的信息，所述方法进一步包含下列步骤：将所述无线传感器网络分成由边界所分离的多个不相交范围；将每个范围分离成至少两个区域，所述区域为内部边界区域、中心区域及外部边界区域；从所述网络节点中选取转发节点以将所述数据分组从所述源节点路由至所述目的地节点，所述转发节点根据其相对于所述目的地节点的地理位置而被选取，且所述网络节点相对于彼此被同步，以及配置所述休眠–启用进度，使得在给定时间窗口中仅有被选取以路由所述数据分组的那些转发节点可在启用模式中操作，而所有其他网络节点可在休眠模式中可操作。本发明的实施例利用地理路由及休眠模式支持的组合，从所述源节点传输数据至所述目的地节点。在此方面，本发明的实施例中的所述网络节点被同步到公共参考时间，且按照休眠–启用进度操作，使得在任意时间点只有那些被选取以直接参与地理路由的转发节点以启用模式操作，而所有其他网络节点以休眠模式操作。此特征增加给网络节点供电的电池的寿命，并因而对本发明的实施例延伸出增加的能源效率、改善的网络性能及可靠性等优点。此外，相对于例如静态路由协议，在本发明的实施例中一旦数据已经从源节点一般地朝着目的地节点传输，所述转发节点的选取即完成。此特征对本发明的实施例延伸出减少协议开销以及因减少能源消耗所致的改善网络性能等优点。 [0009] 优选地，完成所述休眠–启用进度的配置，使得对于由边界所分离的给定对的相邻范围，在所述给定对的相邻范围中的一个范围的外部边界区域及所述给定对的相邻范围中的另一范围的内部边界区域中的至少那些转发节点的相应启用模式之间有重迭，其中所述给定对的范围中的一个范围的外部边界区域及所述给定对的范围中的另一范围的内部边界区域邻接分离所述给定对的相邻范围的边界。如此，由于除在上述区域中的所述转发节点以外的所有所述网络节点可停用和/或在所述休眠模式中维护，因此可促进减少的能源消耗及改善的性能。 [0010] 理想地，完成所述休眠–启用进度的配置，使得在给定范围中相应于所述区域的转发节点的相应启用模式之间有重迭。利用此特征，由于数据分组在所述给定范围中从一个区域到另一区域的切换期间的数据丢失减少，因此进一步促成网络性能的改善，且由于在远程范围中的网络节点和/或可能不属于下一个转发节点集合的那些网络节点可被停用或在休眠模式中保持休眠，可进一步做到能源节约。 [0011] 优选地，所述启用模式被配置成至少包含：输入(incoming)数据阶段、转发数据阶段及输出(outgoing)数据阶段，所述输入数据阶段相应于当在给定范围的外部边界区域接收所述数据分组时，所述转发数据阶段相应于当所述数据分组横移穿过所述给定范围时，而所述输出数据阶段相应于当从所述给定范围的内部边界区域传输所述数据分组至另一相邻存在的范围时。所述启用模式的每个不同阶段的持续时间可被设定成相应于给定范围中的数据路由。因此，例如，所述输入数据阶段的持续时间可被设定成相应于由给定范围从相邻范围接收数据流量的时间；所述转发数据阶段的持续时间可被设定成相应于所述数据横移穿过所述给定范围的区域以到达所述给定范围与下一相邻存在的范围的边界所花费的时间，而所述输出数据阶段的持续时间可被设定成传输所述数据至所述下一相邻存在的范围所花费的时间。与此特征相关联的优点为在路由期间的数据丢失可能减少，且因此进一步改善网络性能。 [0012] 理想地，完成所述休眠–启用进度的配置，使得在由边界所分离的给定对的相邻范围中的一个的内部边界区域中的转发节点的输出数据阶段和所述给定对的相邻范围中的另一个的外部边界区域中的转发节点的输入数据阶段之间有重迭。由于此特征，由边界所分离的给定对的范围之间的路由期间的数据丢失得以减少。此外，除了参与在所述给定对的范围之间的数据传输的转发节点之外，所有其他网络节点可在休眠模式下操作。如此可减少能源耗损，并可进一步增加网络可靠性。 [0013] 优选地，如果所述数据分组在给定对的相邻范围中的一个的转发阶段的结束之前被接收，且所述给定对的相邻范围中的另一个的启用周期尚未开始，则所述数据分组从所述给定对的相邻范围中的一个范围至所述另一范围的转发被延缓直到启用周期开始。此特征扩大了当数据在相邻范围之间传输时降低数据丢失的优点，由此改善了网络性能及可靠性。 [0014] 优选地，完成所述休眠–启用进度的配置，使得在范围的区域中的转发节点的至少相应转发阶段之间有重迭。由于此特征，在给定范围的区域内的数据路由得以改善。此外，在启用操作模式期间，相应于给定范围中的不同区域的所有转发节点不必全部被启用。在此方面，在启用周期的输入数据阶段期间，只有在给定范围的外部边界区域中的转发节点可被启用，因为只有所述转发节点可能牵涉到从相邻范围接收数据。另外，在启用周期的输出数据阶段期间，只有在给定范围的内部边界区域中的转发节点可被启用，因为只有所述转发节点可能牵涉于与另一相邻存在的范围的边界处的数据切换。在启用周期的转发阶段期间，由于数据横移穿过所述范围，相应于所述范围的不同区域的所有转发节点被启用。本发明的实施例的此特征提供了进一步降低能源耗损及改善网络可靠性和性能的优点。 [0015] 理想地，在排列所述范围的步骤中，所述范围被排列以包含内部范围、一个或多个外部范围及所述外部范围的最外部范围，所述内部范围包含所述目的地节点，所述一个或多个外部范围围绕所述内部范围，所述最外部范围包含所述源节点。在此方面，包含所述源节点的最外部范围优选地被分离以至少包含中心区域及内部边界区域，和/或包含所述目的地节点的内部范围理想地被分离以至少包含外部边界区域及中心区域。与这些特征相关联的优点在于本发明的实施例可以降低的复杂度实现。此外，并且优选地，在分离所述范围的步骤中，给定外部范围被分离以包含内部边界区域、中心区域及外部边界区域。 [0016] 理想地，在分离每个范围的步骤中，相应于外部边界区域、中心区域及内部边界区域的网络节点被分别分配成外部边界节点、中心区域节点及内部边界节点。在本发明的实施例中，网络节点被配置成具有关于其自身的地理位置以及所述目的地节点的信息。所述网络节点被进一步配置成自主地识别在给定范围中所述网络节点所属的区域，以及在所述区域中所述网络节点的特定作用。此特征扩大了本发明实施例的改善网络性能的优点。 [0017] 优选地，在配置所述网络节点以具有关于其自身的地理位置的信息的步骤中，使用全球定位系统。在GPS被用来提供所述网络节点的位置信息时，其也能被用作参考源，用于改善无线传感器网络中的网络节点可与其同步的准确度。因此，此特征扩大了本发明实施例的改善网络性能的优点。 [0018] 按照本发明的第二方面的实施例，提供了一种无线传感器网络，包含：至少一个源节点，所述源节点可被配置成传输至少一个数据分组；至少一个目的地节点，所述目的地节点可被配置成接收由所述源节点传输的所述数据分组，以及在所述源节点和所述目的地节点之间的可互连网络节点，所述可互连网络节点可被配置成接收及转发所述数据分组，所述网络节点可按照休眠–启用进度操作，所述休眠–启用进度至少包含休眠模式及启用模式，且所述网络节点可被配置成具有关于其自身的地理位置及所述目的地节点的地理位置的信息，所述无线传感器网络进一步包含：由边界所分离的多个不相交范围；在给定范围中的至少两个区域，所述区域为内部边界区域、中心区域及外部边界区域，以及转发节点，所述转发节点包含所述网络节点的子集，所述转发节点根据其相对于所述目的地节点的地理位置而被选取，且所述网络节点相对于彼此被同步，以将所述数据分组从所述源节点路由至所述目的地节点，由此在给定时间窗口中仅有被选取以路由所述数据分组的那些转发节点可在启用模式中操作，而所有其他网络节点可在休眠模式中操作。 [0021] 现在将作为示例参考附图，其中： [0022] 图1是在本发明的实施例中的网络节点的框图； [0023] 图2示意地图示本发明的实施例； [0024] 图3示意地图示在本发明的实施例中，对于相应于不同范围的网络节点的活动周期； [0025] 图4示意地图示在本发明的实施例中，对于相应于相同范围的网络节点的活动周期； [0026] 图5示意地图示按照本发明的实施例的拓扑； [0027] 图6示意地图示相应于图5所示的拓扑的时间图； [0028] 图7图示针对在本发明的实施例中的外部边界节点的行为的状态转移图； [0029] 图8图示针对在本发明的实施例中的中心区域节点的行为的状态转移图，及[0030] 图9图示针对在本发明的实施例中的内部边界节点的行为的状态转移图。 具体实施方式[0032] 现在参见图1，其示意地图示本发明的实施例中的网络节点的组成。每个网络节点是传感器，包含收发器1、处理器2、存储器3及电源4，由总线架构7将以上各者互连。天线6可连接至收发器1。程序代码5被存储在存储器3中。电源4从电池9接收电力。在操作上，电源4从电池9经由电源供应线8而提供电力至收发器1、处理器2及存储器3。天线6检测来自邻近网络节点的射频信号，并由此促进由收发器1从所述邻近网络节点接收数据分组。同样地，天线6促进将数据分组从收发器1传输到其他邻近网络节点。存储在存储器3中的程序5包含可由处理器2执行的程序指令。处理器2根据存储在存储器3中的程序代码5经由总线架构7来控制收发器1及电源4的操作。处理器2根据程序代码5可控制收发器1传输与接收数据分组。数据可暂时存储在存储器3中。此外，电源4可根据程序代码5在处理器2的控制下，选择性地供应电力至收发器1以启用及停用所述网络节点。如此促进了在停止使用期间保留电池9的寿命。程序代码5在由处理器2执行时，使所述网络节点以上述形式运作。 [0033] 图2显示按照本发明的实施例的无线传感器网络10。无线传感器网络10包含一组互连且空间上分布在无线传感器网络10实现所在的地理范围上的N个网络节点，N＝{s1,s2,…..sN}。所述网络节点si中的每一个可具有如参考图1所描述的组成。在所述网络节点si中，源节点S被配置成感测或监视本地的状态，并传输相应于所感测/监视的状态的一个或多个数据分组至目的地节点D，以进一步处理和/或分析。所述网络节点si中的每一个被配置成具有关于其自身地理位置及目的地节点D的地理位置的信息。所述网络节点si可按照休眠–启用进度来操作，所述休眠–启用进度至少包含休眠操作模式及启用操作模式，所述网络节点在休眠操作模式中停用，因此无法参与数据分组的接收或传输，以及所述网络节点在启用模式中被启用，由此能够接收及转发所述数据分组。 [0034] 由于关联于所述网络节点si的收发器1的电力能力，以及源节点S及目的地节点D位于无线电通信范围之外的可能性，源节点S直接传输数据分组至目的地节点D并不可行。相反，数据经由多点跳跃传输而被路由通过无线传感器网络10。在本发明的实施例中，地理路由被用来从源节点S经由转发节点来路由数据至目的地节点D，所述转发节点是被选取以根据相对于目的地节点D的地理位置来路由数据的网络节点的子集。 [0035] 关于本发明的实施例中的地理路由，当源节点S具有数据分组欲传输至目的地节点D时，其传输请求消息，所述消息具有关于源节点S至目的地节点D的距离的信息。接收所述请求消息的各邻近网络节点开始分布式争用过程以变成转发节点，通过比较其距目的地节点D的距离与在所述请求消息中所包含的信息，并且将对于所述请求消息的响应延迟一时间间隔，所述时间间隔的持续时间与所述邻近网络节点朝着目的地节点D所能提供的地理进程成反比。如此判明转发节点，即在接收到由源节点S所传输的请求消息的所有邻近网络节点中，朝着目的地节点D提供了增加地理进程的网络节点。转发节点通过如下方式以这样的作用建立其自身：首先在无线传感器网络10中的网络节点si的无线电收发器1之间所建立的无线电信道上存取并发送响应，同时所有其他竞争者在偷听到转发节点的响应后，避免在所述无线电信道上存取/传输消息。所述数据分组接着由源节点S发送到所述转发节点。上述过程接着被再次启动以识别出下一个转发节点，并重复直到所述数据分组通过所选出的转发节点经由多点跳跃传输被切换至目的地节点D为止。 [0036] 本发明的实施例采取了地理路由及休眠模式支持的组合，来从源节点S传输数据到目的地节点D。在此方面，本发明的实施例中的网络节点si被同步到公共参考时间，并且按照休眠–启用进度来操作，使得在任何给定时间点仅有那些直接参与地理路由的转发节点在启用模式中操作，而所有其他网络节点在休眠模式中操作。 [0037] 为了更好地了解本发明的实施例所提供的优点，现在参考以下事实：在地理路由中，目前拥有数据分组的转发节点只能从网络节点si的子集选取数据分组路由到的下一个转发节点，其中所述网络节点的子集在所述转发节点发送出请求消息时被启用。在第一情境中，其中下一个转发节点的选取是使用非经同步的休眠–启用进度随机进行的，例如，当转发节点发送出请求消息以发起路由过程时，所述网络节点si中仅有一些被启用并可用来与所述转发节点通信。试想当请求消息被送出时，最靠近目的地节点D并邻近广播节点(在休眠操作模式中休眠)的网络节点，此情境可导致不适合的选择下一个转发节点。更糟的情况是，试想在所述广播网络节点的无线电覆盖范围中的所有网络节点si全都无法响应所述请求消息，例如由于在休眠模式中操作，此情境可能导致路由失败。在可靠性及等待时间方面而言，此情境可导致性能降级。在利用经同步的休眠–启用进度完成下一个转发节点的选取的另一情境中，一般来说所有的网络节点si同时被启用。此方法可改善经由多点跳跃传输以路由数据至目的地节点D的转发节点的识别。然而，不论网络节点si是否被选取作为路由数据分组至目的地节点D的转发节点，或甚至如果由于离源节点S或目的地节点D较近、距离当前转发节点的位置有数个跳跃之遥，而短期内未参与路由数据，所有网络节点si仍全部必须在启用模式中操作。因此，与此另一情境相关联的一些缺点是：减少电池寿命、增加能量耗损、性能降级，以及最糟的是，路由失败。对比上述情境，在本发明的实施例中，只有在任何给定时间直接参与地理路由的那些转发节点在启用模式中操作，而所有其他网络节点si在休眠模式中操作。如此，通过促成选择最受欢迎的转发节点来路由数据，可节省能量且同时保有地理路由在可靠性及等待时间方面所连带的优点。 [0038] 在本发明的实施例中，在任何给定时间从源节点S至目的地D的数据路由由一组特定的先前(a priori)选取的网络节点子集(也就是转发节点)来完成。一旦数据已概略从源节点S朝着目的地节点D传输，转发节点的选取就完成，这不同于静态路由协议的情况，其中在从源节点S传输数据之前就完成路由选取。由于减少了本发明实施例的能源耗损，因此该特征扩大了减少协议开销及改善网络性能的优点。在本发明的实施例中，除了在任何给定时间参与路由数据的转发节点以外，所有其他网络节点可被停用和/或在休眠模式中维护，该特征促成进一步的能源节省及改善的性能。 [0039] 在本发明的实施例中，无线传感器网络10被分成多个不相交圆形范围Ai，i∈{0,1,…M-1}，所述范围被排列以包含内部范围A0、围绕所述内部范围A0的一个或多个外部范围A1、A2，以及所述外部范围中的最外部范围AM-1。所述范围中的每一个通过其之间的边界被彼此分离。所述范围中心位于目的地节点D，且所述范围被定义使得如果满足条件iRA≤δ(P,D)<(i+1)RA，其中RA是指定范围的大小的系统参数，δ(P,D)是坐标为(xp,yp)的点P与目的地节点D之间的距离，则点P属于范围Ai。此限定条件意味源节点S位于最外部范围AM-1中，而目的地节点D位于内部范围A0中。假设Ni是地理位置属于范围Ai的一组网络节点。在本发明的实施例中，Ni被分成三个不相交子集Oi、Ci及Ii，使得Oi U Ci U Ii＝Ni。Ni中的各节点sj按照以下条件属于所述子集之一： [0040] [0041] RC是系统参数，所述参数描述两个网络节点能够彼此可靠地通信的最大距离，且满足RA>2RC的限制。经以上条件所指定，本发明实施例中的范围可被分离成多个区域，即外部边界区域O、中心区域C及内部边界区域I，包含对应的网络节点为外部边界节点Oi、中心区域节点Ci及内部边界节点Ii。本发明实施例中的网络节点被配置成自主地识别所述网络节点所属的给定范围中的区域以及所述网络节点在所述区域中的特定作用，因为它们知道自身的地理位置及目的地节点D的位置。 [0042] 上述规定的情况不适用于包含源节点S的最外部范围AM-1以及包含目的地节点D的最内部范围A0。因此对于包含源节点S的AM-1，没有外部边界节点而只有内部边界节点IM-1和中心区域节点CM-1。对于包含目的地节点D的A0，没有内部边界节点而只有中心区域节点C0和外部边界节点O0。按照上述的条件，外部范围A1、A2分别包含外部边界节点O1、O2、中心区域节点C1、C2及内部边界节点I1、I2。 [0043] 在本发明的实施例中，数据分组渐进地从最外部范围AM-1切换至内部范围AO直到到达目的地节点D，好比连续波浪从最外围流向无线传感器网络10的核心。数据通过地理路由在范围内以及范围的连续区域之间路由。藉此方法，在给定时间由一组特定先前已知的网络节点子集负责转发数据，使得未直接参与路由数据的其余网络节点可在休眠模式中维护或进入休眠模式，由此促进能源节省。 [0044] 如之前所述，网络节点si按照休眠–启用进度操作，所述休眠–启用进度包含休眠模式及启用模式。在启用模式中，在范围Ai中网络节点si被周期地指定预先确定的持续时间的启用周期Tac，所述网络节点可利用所述启用周期以朝目的地节点D转发数据分组。尤其，启用周期Tac被分配给地理位置属于范围Ai的网络节点集合Ni，以便在这些范围之间的边界处从相邻范围Ai+1接收数据流量，通过范围Ai的组成区域转发所述数据远至与另一相邻范围Ai-1的边界，以及切换数据至相应于此下一个相邻范围Ai-1的网络节点集合Ni-1。因此，在本发明的实施例中，启用周期Tac至少包含三个不相交阶段：输入数据阶段Tinc、转发数据阶段Tfor及输出数据阶段Tout，使得Tac＝Tinc+Tfor+Tout适用，其中输入数据阶段Tinc相应于当在给定范围的外部边界区域接收所述数据分组时，转发数据阶段Tfor相应于当所述数据分组横移穿过所述给定范围时，而输出数据阶段Tout相应于从所述给定范围的内部边界区域传输所述数据分组至另一相邻存在的范围时。 [0045] 如之前所述，在范围Ai中的网络节点Ni利用输入数据阶段Tinc从相邻范围Ai+1接收数据分组。输入数据阶段Tinc的持续时间为系统参数，并与一次启用周期Tac期间可服务的流量成正比。例如，如果范围必须在一次启用周期Tac中转发单个数据分组，也就是说，可从相邻存在的范围中的上述网络节点子集接收一个数据分组，Tinc可被设定为用于单个数据传输的时间。用于单个数据传输的时间可取决于所使用的媒体存取协议以及可用的无线电信道的特性。转发数据阶段Tfor被用来在相应于范围Ai的集合Ni内通过地理路由，从与Ai+1的边界到与Ai-1的边界转发数据通过范围Ai的不同区域。因此，Tfor的数值取决于要转发的数据流量以及RA两者，RA是数据横移给定范围所需经过的跳跃点的最大数目。最后，输出数据阶段Tout被用于切换数据到下一个相邻存在的范围Ai-1中的节点Ni-1。在本发明的实施例中假设只有一个源节点S的情景中，在输入阶段期间离开范围Ai的数据量不可超过所接收的数据量，也就是说，Tout＝Tinc。 [0046] 为了促进在由边界所分离的给定对的相邻范围之间的数据通信，本发明的实施例被配置成使得这些范围的启用周期之间有重迭。在此方面，参考图3中所显示的相应于不同范围的网络节点的活动循环，针对从范围Ai+1的内部边界区域到相邻存在的范围Ai的外部边界区域的数据传输，用于Ai的输入数据阶段Tinc与用于Ai+1的输出数据阶段Tout重迭。这可在适用于本发明实施例的同步性假设下实现。假设tc,kM-1是在无线传感器网络10中被全部网络节点已知的一个时间常数，在该时间点用于范围AM-1的第k个启用周期开始。为了促进相邻范围之间的通信，本发明的实施例被配置成使得相应于范围Ai的节点集合Ni的启用模式开始于时间tc,ki＝tc,kM-1+(M–1-i)Δ，其中Δ＝Tinc+Tfor。当在给定时间窗口中数据在给定对的相邻范围之间通信时，相应于相应范围中的不同区域的所有网络节点不需在启用模式中操作。因此，参考在结合图3考虑时的之前的示例，在范围Ai+1的输出阶段Tout期间只有此范围的内部边界节点Ii+1被启用，而在这些范围之间的数据转移的输入阶段Tinc期间，只有范围Ai的外部边界节点Oi被启用。 [0047] 如图4所示，图4示意地图示在本发明的实施例中在给定范围内的网络节点的活动，从其中能看出，在相应于给定范围Ai中的不同区域的节点Ni的组合中的所有元素在整个启用周期Tac期间必须被启用。例如，在范围Ai的输入数据阶段Tinc中只有外部边界节点Oi有参与，因为在所述节点集合Ni中可能仅有外部边界节点Oi位于相邻存在的范围Ai+1中的节点的无线电通信内，其中从所述相邻存在的范围Ai+1中的节点接收数据。同样地，在范围Ai的输出数据阶段Tout中仅有内部边界节点Ii有参与。另一方面，在转发阶段Tfor中集合Ni的全部节点都被启用，使得数据被通信越过范围Ai以切换到另一相邻存在的范围。从这些附注开i始，假设tc,k是区域Ai的启用周期Tac的开始时间，Ni中的节点按照以下原则被启用： [0048] · 在 启用 [0049] · 在 启用 [0050] · 在 启用 [0051] 如之前所讨论的，网络节点中的每一个只在启用周期Tac的一部分被启用，也就是当其参与路由数据时。至于启用周期Tac之中所述网络节点未参与数据路由的时间，在本发明实施例中所述网络节点可被停用。休眠周期Tsleep是分离两个连续启用周期的时间周期。对于所有范围，启用周期Tac及休眠周期Tsleep的和是常数，并且也是确定无线传感器网络10的休眠–启用进度的持续时间的系统参数，如从图3及图4可清楚看出。 [0052] 现在参看图5以了解在操作时的本发明实施例。在此例中，无线传感器网络10被分成四个范围A0、A1、A2、A3，所述范围被边界彼此分离并包含相应的节点集合N0＝{D,s9}，N1＝{s8,s7,s6}，N2＝{s5,s4}以及N3＝{s3,s2,s1,S}。假设只有相邻节点(如图5中所绘以虚线连接的)可凭借例如位于彼此的无线电通信范围内来彼此通信。在节点分配方面，为了容易理解并如图5中所示，s9、s6及s4是外部边界节点O，s7、s2及s1是中心区域节点C，而s8、s5及s3是内部边界节点I。假设在启用周期Tac期间单个数据分组要从源节点S被路由至目的地节点D，且在图5中显示的拓扑中至多需要三次跳跃以横穿范围，则输入数据阶段Tinc、转发数据阶段Tfor及输出数据阶段Tout的相应持续时间被设定为：Tinc＝Tout＝Ttx，Tfor＝3·Ttx，其中Ttx代表通过单一跳跃以路由所述数据分组所花费的时间。 [0053] 转到图6，其显示相应于图5所示的拓扑的时间图，t0被当成范围A3的第k个启用周期的开始时间，也就是说t0＝tc,k3。在间隔[t0,t0+Tinc]期间，集合N3中的所有节点在休眠模式中操作，因为范围A3无输入数据流量要接收。当源S有数据分组要传输时，其通过广播请求消息来发起地理路由过程。在图5的拓扑中，有别于集合N3中的所有其他网络节点，网络节点s1可能位于源节点S的无线电通信范围内，而因其响应所述请求消息，被选取为下一跳跃/转发节点，并因此从源节点S接收所述数据分组。这些步骤接着由网络节点s1及s2重复直到数据被转发至网络节点s3。为了通过多点跳跃传输从源节点S转发数据分组通过范围A3，在集合N3中的全部网络节点，也就是s3、s2、s1、S，在时间t0+Tinc被启用，使得所述网络节点得以参与数据转发，所述数据转发被排定在启用周期Tac的转发数据阶段Tfor发生。在时间t0+Tinc+Tfor，相对于所述网络节点集合N3，C3＝{s2,s1,S}中的节点被停用，且只有内部边界节点I3＝{s3}维持在启用状态，由此促进数据分组切换至相邻存在的范围A2中的下一批转发节点。 [0054] 至于范围A2中的数据路由，如图6中所示，此范围的启用周期Tac开始于时间t0＝tc,k2＝t0+Δ＝t0+Tinc+Tfor。从图6能清楚看出，在本发明的实施例中，被指定给范围A3的启用周期Tac的输出数据阶段Tout与范围A2的启用周期Tac的输入数据阶段重迭，使得数据分组可如上所述地通过地理路由在时间间隔[tc,k2,tc,k2+Tinc]中在A3及A2之间的边界处从A3切换2 到A2。当所述数据分组已被路由至范围A2的时间tc,k+Tinc，指定给范围A3的启用周期Tac完成，因此其内部边界节点I3＝{s3}被停用。如从图6能看出，在指定给范围A2的启用周期的输入数据阶段Tinc期间，只有外部边界节点O2＝{s4}被启用。在范围A2的启用周期Tac的转发阶段Tfor期间，集合N2的全部网络节点被启用，也就是在所述数据分组从s4被转发到s5阶段期间，O2＝{s4}以及C2U I2＝{s5}。对于所考虑的给定拓扑，所述数据分组在单一跳跃中横移范围A2，且因此在分配给范围A2的转发阶段Tfor结束之前，s5接收寻址到目的地节点D的数据分组。然而，此时，指定给范围A1的启用周期Tac尚未起始，因此其外部边界节点，即O1＝{s6}不能被用于通信，任何转发所述数据分组至范围A1的尝试都将失败。因此，如图6所示，s5将所有活动延迟至时间tc,k2+Tinc+Tfor＝tc,k3+2Δ＝tc,k1，也就是当范围A1的启用周期Tac开始，而外部边界节点O1＝{s6}被启用以参加范围A1的输入数据阶段Tinc。从图6能看出，在本发明的实施例中，范围A2的输出数据阶段Tout及范围A1的输入数据阶段Tinc被配置成重迭，使得数据可从范围A2的内部边界节点I2＝{s5}切换至范围A1的外部边界节点O1＝{s6}。当范围A2的输出数据阶段Tout开始时，分配给此范围的转发阶段Tfor结束，在此情况下范围A2的外部边界节点O2＝{s4}被停用。 [0055] 至于范围A2中的数据路由并且如图6中所示，在[tc,k1,tc,k1+Tinc]期间，也就是范围A2的输出数据阶段Tout及范围A1的输入数据阶段Tinc，数据分组从范围A2的内部边界节点I2＝{s5}切换至范围A1的外部边界节点O1＝{s6}。然后，在时间tc,k1+Tinc＝tc,k2+Tac，范围A2的输出数据阶段Tout与其启用周期一般结束。因此，范围A2的内部边界节点I2＝{s5}停用，且C1U I1＝{s7,s8}也被启用以参加分配给范围A1的启用周期Tac的转发数据阶段Tfor。数据分组随着最短的地理路径s6–s7–s8被路由越过范围A1。对于正考虑的拓扑，在分配给范围A1的转发阶段Tfor结束之前，所述数据分组到达范围A1及A0之间的边界。因此，范围A1的内部边界1 节点I1＝{s8}延迟进一步活动/数据传输，直到范围A0的启用周期开始。在时间tc,k +Tinc+Tfor＝t0+3Δ＝tc,k0，C1U I1＝{s6,s7}被停用，而在与范围A1的输出数据阶段Tout重迭的范围A0的输入数据阶段Tinc期间，范围A0的O0＝{s9}被启用。在时间间隔tc,k0,tc,k0+Tinc期间，范围A1的内部边界节点I1＝{s8}转发数据分组至范围A0的外部边界节点O0＝{s9}，然后s8被停 0 用。在时间tc,k+Tinc，目的地节点D被启用，由于所述目的地节点属于C0且所述数据分组可由s9传送给所述目的地节点，由此完成通过无线网络10的路由过程。 [0056] 现在参看图7，图7示意地图示在第k个休眠–启用循环期间，范围Ai的外部边界节点(也就是Oi中的节点)的行为。在先前排定的WAKE_UP_INTERRUPT(唤醒中断)信号到期之后(12)，在时间twake＝tc,ki，所述节点离开休眠状态(11)。接着，所述节点在时间twake+Tinc排定END_OF_INC_PHASE(输入阶段结束)定时器(13)，所述定时器在范围Ai的输入数据阶段结束时触发适当的动作。所述节点然后进入INPUT_DATA_PHASE(输入数据阶段)状态(14)，在INPUT_DATA_PHASE状态期间所述节点被配置成持续地收听本发明的实施例中网络节点之间所建立的无线电信道。如果从相邻存在的范围Ai+1的内部边界节点接收到数据分组(15)，所述分组被存储在缓冲器以供之后处理(16)。当END_OF_INC_PHASE定时器到期(17)，所述节点离开INPUT_DATA_PHASE状态并在时间twake+Tinc+Tfor排定新定时器END_OF_FORW_PHASE(转发阶段结束)(18)，所述定时器会发信号示意范围Ai的转发数据阶段的结束。如果所述节点在其缓冲器中没有先前存储的数据分组(19)，则进入FOWARDING_PHASE(转发阶段)状态(20)。如果所述节点在其缓冲器中有先前存储的数据分组，则选择随机后退操作(random back-off)间隔，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT(发送超时)定时器(21)，以及然后进入FORWARDING_PHASE状态(20)。如果，在FORWARDING_PHASE状态(20)时，发生TX_TIMEOUT定时器到期(22)，则所述节点从其缓冲器获得数据分组(23)并起始如上述的地理路由过程以传输数据分组(24)。一旦完成，所述节点检查在缓冲器中是否有任何其他数据分组。如果有，所述节点选择随机后退操作，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT定时器(21)，以及然后进入FORWARDING_PHASE状态(20)。否则，所述节点只是进入FORWARDING_PHASE状态(20)。当END_OF_FORW_PHASE定时器到期(25)，所述节点在时间twake+Tac+Tsleep排定WAKE_UP_INTERRUPT定时器(26)并进入休眠状态(27)。 [0057] 现在参看图8，所述图8示意地图示在第k个休眠–启用循环期间，范围Ai的中心区域节点(也就是Ci中的节点)的行为。在先前排定的WAKE_UP_INTERRUPT信号到期之后(12’)，在时间twake＝tc,kI+Tinc，节点离开休眠状态(11’)。接着，所述节点在时间twake+Tfor排定END_OF_FORW_PHASE(转发阶段结束)定时器(29)，所述定时器会发信号示意范围Ai的转发数据阶段的结束并检查其缓冲器。如果所述节点在其缓冲器中没有先前存储的数据分组(19’)，所述节点进入FORW ARDING_PHASE(转发阶段)状态(20’)并开始收听本发明的实施例中网络节点之间所建立的无线电信道。如果所述节点在其缓冲器中有先前存储的数据分组(19’)，所述节点选择随机后退操作间隔，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT定时器(21’)，进入FORW ARDING_PHASE状态(20’)，以及然后开始收听所述无线电信道。当在FORW ARDING_PHASE状态时(20’)，如果从Oi中或Ci中的节点接收到通过地理路由所路由的数据分组(15’)，所述节点将所述数据分组存储在其缓冲器(16’)，选择随机后退操作间隔，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT定时器(21’)并回到FORW ARDING_PHASE状态(20’)。另一方面，如果TX_TIMEOUT定时器发生到期(22’)，则所述节点从其缓冲器获得数据分组(23’)并起始如上所述的地理路由过程以传输所述数据分组(24’)。一旦完成，所述节点检查在缓冲器中是否有任何其他数据分组(19’)。如果有，所述节点选择随机后退操作，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT定时器(21’)并进入FORW ARDING_PHASE状态(20’)。否则，所述节点只是进入FORW ARDING_PHASE状态(20’)。当END_OF_FORW_PHASE定时器到期(25’)，所述节点在时间twake+Tout+Tsleep+Tinc排定WAKE_UP_INTERRUPT定时器(28)并进入休眠状态(27’)。 [0058] 现在参看图9，所述图9示意地图示在第k个休眠–启用循环期间，范围Ai的内部边界节点(也就是Ii中的节点)的行为。在先前排定的WAKE_UP_INTERRUPT信号到期之后(12”)，在时间twake＝tc,ki+Tinc，所述节点离开休眠状态(11”)。接着，所述节点在时间twake+Tfor排定END_OF_FORW_PHASE定时器(29”)，进入FORWARDING_PHASE状态(20”)并开始收听本发明的实施例中网络节点之间所建立的无线电信道，所述END_OF_FORW_PHASE定时器会发信号示意范围Ai的转发数据阶段的结束。如果从节点Ci接收到通过地理路由所路由的数据分组(15”)，则所述节点在其缓冲器中存储所述数据分组(16”)，并回到FORW ARDING_PHASE状态(20”)。当END_OF_FORW_PHASE定时器到期(25”)，所述节点离开FORW ARDING_PHASE状态，在时间twake+Tfor+Tout排定END_OF_OUT_PHASE(输出阶段结束)定时器(30)，并检查在其缓冲器中是否有数据分组。如果缓冲器是空的，则所述节点在时间twake+Tsleep+Tac排定WAKE_UP_INTERRUPT定时器(26”)并进入休眠状态(27”)。否则，所述节点选择随机后退操作间隔，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT定时器(21”)并进入OUTGOING_PHASE(输出阶段)状态(31)。另一方面，如果在OUTGOING_PHASE状态时TX_TIMEOUT定时器发生到期(22”)，则所述节点从其缓冲器获得数据分组(23”)并起始如上所述的地理路由过程以传输所述数据分组(24”)。一旦完成，所述节点检查在缓冲器中是否有任何其他数据分组(19”)。如果有，所述节点选择随机后退操作，在此间隔结束时排定TX_TIMEOUT定时器(21”)并回到OUTGOING_PHASE状态(31)。否则，所述节点在时间twake+Tsleep+Tac排定WAKE_UP_INTERRUPT定时器(26”)并进入休眠状态(27”)。最后，如果当所述节点仍在OUTGOING_PHASE状态(31)时END_OF_OUT_PHASE定时器到期(32)，则所述节点离开所述状态，在时间twake+Tsleep+Tac排定WAKE_UP_INTERRUPT定时器(26”)并进入休眠状态(27”)。 |
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