[發明專利]一種高能效的傳感器網絡鄰居狀態查詢方法

在審

• 申請號: 201510460335.6
• 申請日: 2015-07-30
• 公開（公告）號: CN105282771A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 陳貴海;武鼎名;董超;吳小兵;戴海鵬
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W84/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

1.高能效的傳感器網絡中鄰居狀態查詢方法，其特征是使得一個查詢節點同時查詢其所有鄰居節點的狀態；步驟如下：

1)根據傳感器網絡監控區域，布置一定數目的傳感器節點，確定一個查詢節點，該節點定期的查詢其所在位置的所有鄰居節點的狀態；

2)查詢節點在離線階段和每個鄰居節點通信,鄰居節點在離線階段給查詢節點發送幾個包含了發送能量的數據包，查詢節點根據數據包中發送能量的信息和數據包的接收能量信息來估算無線信號從鄰居節點位置到查詢節點位置的路徑損耗；

3)查詢節點在離線階段廣播一個時鐘校準消息，收到時鐘校準消息時，鄰居節點記錄收到消息的時間，并將該時間依次回傳給查詢節點；查詢節點根據收到回傳消息的時間以及消息數據中的時間來估算每個鄰居節點相對自己的時鐘偏移量；

4)查詢節點根據每個鄰居節點的相對時鐘偏移量發送一定數目的空指令給鄰居節點，鄰居節點收到空指令的數目后，在查詢階段每次回復消息前都先執行一定的空指令然后才回復查詢消息；

5)查詢節點根據每個鄰居節點的路徑損耗，給每個鄰居節點分配一個發送能量，鄰居節點收到分配的發送能量消息后，在查詢階段每次回復消息時都以指定的發送能量發送；

6)查詢節點通過給每個鄰居節點分配一個發送能量使得每個鄰居節點的回復信號到達查詢節點時能量大小都相同，然后根據多個回復信號疊加后的能量來估計鄰居節點中滿足某一條件的節點數目；

7)查詢節點通過給每個鄰居節點分配一個發送能量，使得鄰居節點回復的信號到達查詢節點時能量大小都非常分散，然后根據多個回復信號疊加后的能量值來估計鄰居節點中滿足某一條件的節點的身份信息。

2.根據權利要求1所述的狀態查詢方法，其特征是利用鄰居節點同時回復的ACK信號疊加之后的接收能量來判斷回復節點的數目和身份信息；要實現信號疊加之后的能量預測模型，查詢節點需要知道每個鄰居節點的路徑損耗和時鐘漂移系數；而且信號疊加之后的能量不能超過查詢節點接收能量的上限；整個過程包含下列步驟：

1)鄰居節點路徑損耗估計；

2)鄰居節點時鐘漂移系數估計；

3)建立信號能量疊加模型；

4)估計鄰居節點中滿足某一條件的節點數目或者節點身份信息；

上述步驟中1)-3)需要在離線階段完成，且一次完成之后不需要再執行步驟第4)則是查詢節點在任何時候想要查詢鄰居狀態信息時在線完成的；

第1)階段：估計鄰居節點的路徑損耗

考慮一個由查詢節點s和鄰居節點集合N所組成的靜態無線網絡。用L(s,i)來表示節點i(i∈N)到s的路徑損耗；其中的L(s,i)表示的是i到s的實際路徑損耗，不僅包含自由空間損耗還包括遮蔽和多徑效應等；

在靜態網絡中，我們假定L(s,i)的變化很小，能當做一個常數來對待；用P(i,h_i)來表示當單個節點i以發送能量h_i回復ACK信號時查詢節點的接收能。，有P(i,h_i)＝a_ih_i+b_i，這里a_i和b_i是待估系數；注意,a_i是發送能量h_i的放縮系數，b_i與背景噪音n以及路徑損耗L(s,i)有關：b_i＝n-L(s,i)對于某個特定的節點，a_i，b_i和n都是常數；

要在給定h_i的情況下預測P(i,h_i)，查詢節點首先需要對鏈路(i,s)上的a_i和b_i這兩個系數進行估計。這需要至少兩個像(P(i,h_i),h_i)這樣的元組樣本；為了降低估計誤差，在實驗中使用用更多的這樣的元組樣本，然后用最小均方差來估計a_i和b_i；知道a_i和b_i后就能計算路徑損耗L，以及給定某鄰居節點的發送能量預測其接收能量；

第2)階段：估計鄰居節點時鐘漂移系數

1)信號傳播時延：是指信號在空中從查詢節點到接收節點，再從接收節點到查詢節點這兩趟的飛行時間；

2)軟件時延：包括a).接收節點的通信芯片監測到信號到達之后將其SFD引腳置低電平到MCU監測到SFD引腳上的低電平所產生的時延；b)MCU需要判斷接收包的謂語條件以及向通信芯片發出回復ACK命令；這些上層邏輯的所對應的底層指令的執行所產生的時延以及c)通信芯片監測到的MCU所發出的回復ACK命令的時延；

3)硬件時延：通信芯片在回復ACK之前需要調整其內部的壓控振蕩器以及從接包狀態轉移到發包狀態所需要的時延；

查詢節點的數據發送時延與所有節點的數據接收時延都是相同的，由此估計每一個接收節點相對查詢節點的時鐘漂移系數；在獲得每一個節點的時鐘漂移系數后，查詢節點給每個鄰居節點分配一定數目的空指令，所有鄰居節點的信號最后都同時到達查詢節點。鄰居節點需要執行的空指令數目由查詢節點在離線階段計算并發給每個節點；

第3)階段、建立信號能量疊加模型

考慮多個無線信號在查詢節點處疊加的情況。假設s_r(t)表示n個無線信號疊加之后的混合信號，A_i，τ_i，n_i分別表示第i個信號的幅值、相位和信號噪聲，我們有經過相干解調，查詢節點以周期1微秒對基帶信號進行采樣；s_r(t)的幅值A_r表示成其中2T_C為采樣周期1us。那么s_r(t)的能量值P_r表示成：

Pr=Ar2=[Σi=1n(Aicos(π2Tcτi)+ni)]2---(1)]]>

通過估計鄰居節點的時鐘漂移系數，τ_i可以取平均值0.25us；如果知道每個鄰居節點接收能量值通過公式(1)就能估計所有鄰居節點疊加信號的接收能量值；

第4)階段、估計鄰居節點中滿足某一條件的節點數目或者節點身份信息

本階段分為兩個功能模塊處理，即節點數目估計和節點身份識別；兩個功能模塊處理時是針對不同的應用場景而提出的功能互補的兩種協議，兩個協議都需要在離線階段給所有鄰居節點分配一個發送能量；然而這兩個協議采用了截然不同的發送能量分配方案；具體來說，節點數目估計協議給每個節點分配的發送能量非常分散，從而使得任意一個鄰居節點子集所發送的信號疊加之后產生的接收能量都不一樣；相反，節點身份識別協議給所有鄰居節點分配的發送能量比較相似，從而使得任意單個節點發送的信號在查詢節點處的接收能量都相同；這樣,計數協議就能通過判斷混合信號的接收能量與單個信號的接收能量之間的關系來估算發送節點的數目；節點數目估計協議即計數協議采用了概率估計方法以確保其可以應用在任意大小的無線傳感器網絡中；而節點身份識別協議僅適合鄰居節點數目比較少的稀疏網絡中。