无线传感器网络跨周期应答的信息传输方法

罗孝兵，华 涛，蓝 彦，吕 敏，李 冰，花生强

(南京南瑞集团公司， 江苏 南京 211116)

无线传感器网络跨周期应答的信息传输方法

罗孝兵，华 涛，蓝 彦，吕 敏，李 冰，花生强

(南京南瑞集团公司， 江苏 南京 211116)

针对同步休眠机制无线传感器MESH网络，提出一种允许跨周期应答的信息传输方法，以提高数据传输成功概率，降低网络中信息流量，从而降低路由通信工作时间，达到降低网络中各节点功耗的目的。将跨周期应答应用到地质灾害监测自动化系统中，较大程度地降低了无线传感器节点的功耗。

无线传感器网络；MESH网络；同步休眠；跨周期应答；低功耗

0 引言

目前，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术应用越来越广泛。 无线传感器网络是由大量低成本的传感器节点组成的自组织网络。无线传感器网络的组织形式也由需要中继的星型、树状网络发展到不需要中继的全路由网状网络即MESH网[1]。在MESH网络中的各节点不仅要负责环境信息的采集、处理，收、发自身数据信息，还需要转发网络中其他相关节点的数据信息，路由功耗开销较大[2]。由于无线传感器网络常安装于野外，各节点只能采用一次性电池供电，电池不便更换，要求各节点续航时间越长越好，因此最大限度地降低节点能耗是系统必须要解决的关键问题之一。

1 基于同步机制的MESH网络

随着无线传感器网络技术的应用推广和研究投入增加，已经有各种降低节点功耗的技术方法及产品，这些技术及产品主要涉及到WSN网络的射频模块 MAC(介质接入控制)协议和路由协议、硬体功耗、软体优化等方面内容。然而，大部分对WSN功耗要求较高的场合实际上也是数据发送量较少和发送频率较低的场合，通常是在分钟级别的发送频率，每次单个节点发送数据量仅在几个到几十个字节范围内，发送时隙较小。

图1 基于同步休眠的MESH网络图

针对此类应用场合，目前比较先进的是基于同步休眠机制的MESH网络，如图1所示。MESH网络已没有终端节点、路由节点之分别，各节点均具有路由功能，可以实现所有节点之间任意自组网[3-4]，是一个彻底的自组网技术。在同步休眠的MESH网络中，其节点内部均有RTC，可以实现全网同步休眠,并按设定时间间隔同步唤醒，并通过其状态引脚同步唤醒无线传感器中的数据采集MCU，响应远程控制或进行数据采集和传输通信，最大限度地降低无线传感器节点的功耗，实现网络节点能在长期不更换电池的情况下工作。由于所有的节点只同时在规定的时间

图2 跨周期应答机制的信息传输过程

范围内通信，其他时间节点进入深度睡眠，从而能够保持最小的功耗，并且能够长时间地稳定工作。同时，MESH网络每个节点都具有路由功能，无需任何中继就可以组成网状网络，当某一路由中断时，可自动修改路由链路，具有很好的自愈能力[5]，提高了系统的网络健壮性，特别适用于各类野外WSN系统的组网应用。

然而，与常规MESH网络一样，基于同步休眠机制的MESH网络中每个节点需要为其余节点提供路由服务，因此其路由功耗开销已不可忽视。虽然在基于同步休眠机制的MESH网络里，对MAC(介质接入控制)协议和路由协议进行了优化设计，以降低节点功耗，但是，其缺乏对应用层中相关通信协议的规范，而不同的应用层通信协议对通信数据流量具有明确的影响，从而影响节点能耗量，因此，不同应用层通信协议给系统中各节点功耗带来了不确定性影响。为此需要研究应用层协议，以更好地降低通信数据流量。

2 降低通信数据流量的方法比较

目前已有的降低通信数据流量的方法较多，具有代表性的包括基于网络编码的数据重传法[6-8]、请求重传法[9-10]、数据压缩法、数据聚合法等。基于网络编码的数据重传法主要应用于大数据量的网络传输，操作较复杂，各类组合帧字节较多，相对小数据量的无线传感器网络而言并不能有效降低数据流量。请求重传法仅在一个通信周期内有效，不能跨周期操作，因而对于短时隙通信周期系统不太适用。其他如数据压缩法、数据聚合法等均主要用于大数据量传输网络，在这种小数据量的无线传感器网络中没有明显效果。

3 跨周期应答的信息传输方法

3.1 总体方案

针对前述降低通信数据流量方法的缺陷，通过研究实验，可以采用一种基于跨周期应答机制的无线传感网络信息传输方法来解决。其总体方案是通过一种允许跨越休眠周期进行应答的机制，如果传感器节点在前一个通信周期已成功发送数据，但直到新的通信周期的接收时隙仍未收到网关的数据接收成功应答信息，相关数据才会在新周期的发送时隙被重传一次。本方法可减少数据重传次数，进而减少通信数据流量，可最大化缩短通信时隙，降低路由开销，达到降低无线传感器网络各节点能耗的目的。

图3 跨周期应答机制的信息帧格式

3.2 通信周期时隙划分

在跨周期应答机制中，将无线传感网络的每一个通信周期分为苏醒期和休眠期，将网关的苏醒期从起始时刻依次划分为发送时隙、延迟时隙、接收时隙，将无线传感器节点的苏醒期从起始时刻依次划分为接收时隙、延迟时隙、发送时隙和路由时隙，如图2所示。

从图2可以看出，网关的发送时隙与无线传感节点的接收时隙时间相同；网关的延迟时隙与无线传感节点的延迟时隙时间相同；网关的接收时隙为无线传感节点的发送时隙和路由时隙之和。

其中，网关的发送时隙用于发送应答信息帧，无线传感节点的发送时隙用于发送数据帧。网关与无线传感节点的延迟时隙用于进行发送和接收状态切换，对于无线传感节点的延迟时隙还可用于帮助各设备间具体分配数据发送时间，当某一传感器节点发送时间需要延后，仅需增大延迟时隙即可。

网关的接收时隙用于接收数据帧，无线传感节点的接收时隙用于接收应答信息帧。无线传感节点的路由时隙用于为以本无线传感节点为路由的相关设备提供数据发送时间间隙。这种时隙的划分可实现系统设备的分时发送数据，有效降低网络中数据冲突，提高通信成功概率，降低数据重传次数，进而降低节点能耗。在一个通信周期中，各时隙长度可根据具体系统情况来灵活配置，使整个网络在通信通畅稳定之下，尽可能缩短苏醒期时长，降低能耗。同时网关的发送时隙设置在每个通信周期的苏醒期起始阶段，不会因为射频模块进入休眠而丢失上一周期内未完成的信息通信，从而减少数据重传次数，进而减少通信数据量，可最大化缩短通信时隙，减轻各节点的路由开销，降低无线传感器网络各节点的能耗。

3.3 跨周期应答机制的信息帧格式

跨周期应答中所传输的信息帧包括数据帧和应答信息帧，如图3所示。

数据帧包括：帧头、保留字、帧类型、地址(ADDRESS)、数据编号(DATA ID)、数据(DATA)、帧尾、验证码；应答信息帧包括：帧头、保留字、帧类型、地址(ADDRESS)、数据编号(DATA ID)、帧尾、验证码。在帧中均含有地址(ADDRESS)和数据编号(DATA ID)，这两个关键信息可避免在有多条数据或数据接收成功应答信息时出现信息混乱，为实现跨周期应答提供信息支撑。

3.4 跨周期应答机制的信息传输过程

跨周期应答机制的信息传输过程如图2所示。跨周期应答要求无线传感节点在一个通信周期发送一个DATA后，允许在下一个通信周期起始阶段的接收时隙获得本数据发送成功的ACK信息，即传感器节点的DATA发送和接收ACK信息可不在同一个通信周期完成；对于网关，在一个通信周期成功接收一个DATA后，允许在下一个通信周期的起始阶段的发送时隙回送本接收成功的ACK信息；同时无线传感节点在同一个通信周期不进行数据重传，如果无线传感节点在一个通信周期已成功发送一个DATA，直到下一个通信周期的接收时隙结束仍未收到本DATA发送成功的ACK信息，本DATA才会在随后一个通信周期的发送时隙被重传一次。而网关在数据帧接收成功后，其发送的数据接收成功应答信息帧在之后任意一个通信周期内发送均有效。

图5 跨周期应答机制的信息传输流程

4 跨周期应答机制的应用

4.1 无线传感器网络系统的建立

在地质灾害监测系统中，其大量的地下水位、表面位移、表面倾斜、深部位移、土壤含水量、滑坡孔隙水压力、土压力等监测量传感器分布于监测区域的各个点位，其分布范围广；因其在野外不便于采用有线电源供电，且因树荫、山体遮挡等因素，也不便于采用太阳能供电，因此常常采用一次性电池供电；其监测量主要反映各类物理量的变化过程及趋势，通常不需要密集的数据集采集以及实时性要求。

根据上述地质灾害监测系统实际工程环境，采用基于同步休眠机制的MESH网络来建立各传感器节点与远程数据采集与通信模块之间的局域网络，如图1所示，使用跨周期应答机制作为数据采集局域网络内部的通信机制。

系统中包括一个网关和若干无线传感节点。传感器节点电路框图如图4(a)所示，网关电路框图如图4(b)所示。

图4 传感器节点与网关电路框图

网关负责网内各节点协调管理，同时负责与外界的通信联系；各无线传感节点均可作为其余节点的路由，可自由组网，进行数据传输。网络中所有节点及网关均按设定休眠周期同步休眠和同步自动唤醒，并且均按照跨周期应答机制运行。

4.2 系统的运行流程

在地质灾害监测系统中，网关向无线传感节点传输应答信息帧的流程如图5(a)所示，其通信步骤如下：

(1)网关与无线传感器节点在一个通信周期的休眠期结束时同时被MESH网络射频模块唤醒。

(2)网关进入发送时隙，在发送时隙中发送未发送的数据接收成功应答信息帧，发送完毕后删除此数据编号的应答信息帧，然后继续发送应答信息帧；如果所有的应答信息帧发送结束，而发送时隙还未结束，则直接结束发送时隙，进入延迟时隙；当本发送时隙结束时，如果还有应答信息帧未发送，则终止发送，进入延迟时隙，未发送的应答信息帧留待下一周期发送。

(3)网关经过设定的延迟时隙，转入接收时隙，接收来自各无线传感器节点的数据帧，如接收到数据，则保存数据至存储器，同时编码并保存数据接收成功应答信息帧至存储器，直到接收时隙结束。

(4)网关在接收时隙结束后，MESH网络射频模块立即进入休眠状态，如果MCU还有任务，则继续进行任务处理，否则进入休眠状态。

无线传感节点向网关传输数据帧的流程如图5(b)所示，其通信步骤如下：

(1)无线传感器节点与网关在一个通信周期的休眠期结束时同时被MESH网络射频模块唤醒。

(2)无线传感器节点在接收时隙，等待接收来自网关的数据接收成功应答信息帧，当接收到来自网关的数据接收成功应答信息帧时，立即删除数据发送区中相应数据编号的数据记录，直到接收时隙结束。

(3)无线传感器节点经过设定的延迟时隙，进入发送时隙，无线传感器节点在发送时隙，节点将测量数据以数据帧格式自报给网关；如果发送时隙结束还有未发送的数据，则留待下一周期进行，进入路由时隙；如果本节点无数据需要发送，则直接进入路由时隙。

(4)无线传感器节点在路由时隙，将本节点MESH网络射频模块的通信资源留给以本节点为路由的相关联节点，同时监听和接收来自网关的信息。

(5)路由时隙结束后，MESH网络射频模块立即进入休眠状态，如果MCU还有任务，则继续进行任务处理，否则进入休眠状态。

4.3 系统通信测试

在地质灾害系统中，采用基于同步休眠的MESH网络建立250个无线传感器节点，测量周期设定为1 h，测试时长30天，测量数据采用自报模式，自报失败重传次数为3次，超过3次数据不再重传。分别采用基于跨周期应答机制的通信方式和请求重传法的通信方式，系统耗时与数据传输成功率比较如表1所示。

表1 两种不同通信机制的传输成功率测试结果

从测试结果可见，采用跨周期应答机制的通信方式比采用请求重传法的通信方式在小通信时隙情况下，可提高接近2倍的效率，有效缩短无线网络通信时间，降低网络中各节点的路由功耗。

5 结论

针对基于同步休眠的无线传感器MESH网络，跨周期应答机制从应用层着手，通过允许跨越休眠周期进行应答，来降低信息重发次数，提高数据传输成功概率，降低无线传感器网络中的信息传输量，最终起到降低系统功耗的目的。

随着无线传感器网络在防灾赈灾领域的推广应用越来越多，特别是应用于野外的无线传感器网络对功耗要求较高，对于一些实时性要求不高的应用场景，可采用目前比较先进的基于同步休眠的无线传感器MESH网络。在这类网络中，采用跨周期应答机制，可提高系统通信成功率，最大化降低系统功耗，实现系统长期在线监测。

[1] 石军锋,钟先信,陈帅，等.无线传感器网络结构及特点分析[J].重庆大学学报(自然科学版),2005,28(2):16-19.

[2] 吴强,范建华,阚宝强,等.低开销的无线网络编码机会路由协议设计[J].计算机工程,2014(2):21-25.

[3] 郑彦光,徐平平,常瑞.无线Mesh网络技术及其应用[J].电力系统通信,2007,28(7):16-20.

[4] 李曙光.Mesh自组网通信系统[J].现代导航，2015，6(6):533-536.

[5] 张颉,柴继文,王海，等.基于无线Mesh网络的集中式自愈路由算法研究[J].电子技术应用,2015,41(9):14-17,28.

[6] 刘期烈,吴阳阳,曹傧.无线网络中基于网络编码的重传机制[J]. 计算机应用,2014,34(2):309-312,321.

[7] 苟亮,张更新,孙伟，等.基于二进制网络编码的无线广播重传方法[J].无线电通信技术,2013,39(3):7-11.

[8] 宋小全,胡鹏,孙旭.基于局部重传和网络编码的可靠性传输机制[J]. 北京邮电大学学报,2014(4):54-58.

[9] 魏宁,张忠培,李少谦 .一种基于网络编码的两用户自适应AF协同ARQ方案[J]. 电子技术应用, 2009,35(1):113-116.

[10] 王叶群,黄国策,曹鹏.基于时延约束的半双工短波数据通信ARQ技术[J]. 计算机应用,2009,29(5):1241-1243.

罗孝兵(1973- )男,硕士，高级工程师，主要研究方向：数据采集与数据传输。

华涛(1980- )男，硕士，高级工程师，主要研究方向：无线传感器与物联网技术。

蓝彦(1968- )男，硕士，研究员，主要研究方向：通信技术。

Information transmission method for cross periodic response of wireless sensor network

Luo Xiaobing, Hua Tao, Lan Yan, Lv Min, Li Bing, Hua Shengqiang

(Nanjing NARI Group Corporation,Nanjing 211116,China)

An information transmission method is proposed to allow cross periodic response of the MESH network, which is based on the synchronous dormancy mechanism. This method can improve the probability of successful transmission data, reduce the information flow in the network, so as to reduce the working time for routing communications, and achieve the goal of reducing the power consumption of each node in the network. And the cross periodic response mechanism is applied to the automation system of geological disaster monitoring, which greatly reduces the power consumption of wireless sensor nodes.

wireless sensor networks; MESH networks; synchronous dormancy; cross periodic response; low power consumption

TP393.17

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.01.019

罗孝兵，华涛，蓝彦，等. 无线传感器网络跨周期应答的信息传输方法[J].微型机与应用，2017,36(1)：62-65.

2016-08-15)