專利名稱：基于無線多媒體傳感器網絡edca機制的動態bi設計方法
技術領域：
本發明涉及無線多媒體傳感器網絡的技術領域，具體涉及一種運作在無線多媒體傳感器網絡中給予EDCA機制的動態BI設計方法。
背景技術：
無線多媒體傳感器網絡(WirelessMultimedia Sensor Networks,WMSNs)作為一種新型的衍生網絡，逐漸成為了現代社會中一種重要的新技術。最近幾年，很多科學家加大了對無線多媒體傳感器網絡的關注和研究力度。隨著硬件技術的飛速發展及其微型化趨勢，無線多媒體傳感器網絡的傳感器節點可以裝備COMS攝像機，麥克風和其它許多種類的傳感器。這使得無線多媒體傳感器網絡可以在一個更綜合、復雜的監控環境中獲得各個方面的精細、準確的信息數據。它們可以獲取周圍環境的各種媒介信息，同時在多媒體信息獲取和處理中表現出優異的性能。例如，單個傳感器設備可以裝備音頻采集設備和視頻采集設備。這不僅可以加強現有傳感器網絡的應用，同時可以獲得多種新型的應用，例如多媒體監控傳感器網絡，高級健康護理，工業工序控制等等。然而，無線多媒體傳感器網絡是對能量敏感的網絡，這是因為在無線多媒體傳感器網絡中，各種傳感器節點都是采用電池供電。同時，由于無線多媒體傳感器網絡很多時候傳輸的是視頻和音頻數據，這對能量的消耗比較大。因此，降低無線多媒體傳感器網絡的功耗迫在眉睫。但是，使用一般的無線傳感器網絡降低功耗的方案并不適合無線多媒體傳感器網絡，這有可能會導致網絡時延的增大，使得網絡吞吐率嚴重下降，因為多媒體數據是對時延敏感的數據。這就提出了在降低網絡系統功耗的同時，保障網絡傳輸能力的要求，即在提供QoS保障的情況下，降低系統功耗。在IEEE 802. Ile標準中提出了支持QoS保障的EDCA和HCCA機制，這使得在無線多媒體傳感器網絡使用IEEE 802. Ile協議可以有效的保障音頻、視頻等多媒體數據流的傳輸。同時，考慮到系統能耗的問題，IEEE 802. Ile標準中提出了基于兩種不同機制的節能方法。一種是基于EDCA機制的U-APSD方案和S-APSD方案，另一種是基于HCCA的S-APSD 方案。同時IEEE802. 11無線網絡有兩種不同的組網模式，其中一種是Ad-hoc模式的無線局域網絡(Ad-hoc WLAN),另一種為基礎設施模式的無線局域網絡(Infrastructure WLAN)。 在Ad-hoc網絡中，節點間可以直接進行通信，而無需通過AP轉發。因為這種類型的網絡不是事先規劃好的，而是只有在需要的時候才安排的。圖I為在Ad-hoc模式的無線局域網中U-APSD模式的運行示意圖。其中，每個節點會在同一時周期性的喚醒，并保持一段時間的處于喚醒狀態，這段時間我們稱之為ATIM 窗口。為了保持各個節點之間同步工作，在每一個ATIM窗口中開始時刻，每個節點都會和其它發送節點競爭發送信標幀(Beacon Frame)，其中第一個成功傳輸了信標幀的節點將會抑制其它節點發送信標幀。在發送完信標幀之后，如果有節點需要發送數據，則節點必須在 ATIM窗口期間內成功發送一個Α Μ幀給目的節點，并接收到目的節點應答的ACK巾貞。在成功完成了兩次握手之后，源節點和目的節點在剩下的信標間隔中必須保持喚醒狀態，直到接收完所有緩存的數據幀，或者直到信標間隔(BI)到期。其中，發送節點和接收節點的信標間隔(BI)相等。在ATIM窗口結束后，發送節點將使用EDCA機制傳輸數據。U-APSD機制之所以能降低功耗，是因為它使得當節點沒有數據需要收發時，它會使這些節點進入休眠模式。然而，沒有數據收發的節點仍然需要在ATIM窗口的保持活躍狀態，這依舊是能量的浪費。如果增大BI，而Α Μ窗口大小不變，則整個BI中Α Μ窗口比重降低，因此將會降低系統功耗。但是，如果為了降低功耗而單獨增大BI，會造成以下兩個問題I)時延增大，每個數據包在一個BI期間只能進行一跳操作，因此一味增大BI，將會使得需要多跳的數據包時延成倍數增長。從而，有可能使得網絡時延過大。2)吞吐量降低，當Α Μ窗口過大則發送數據的時間則會很短，這會降低網絡吞吐量，若Α Μ窗口過小則接收Α Μ幀的時間過短，同樣會降低網絡吞吐量。當Α Μ窗口長度約為BI長度的1/4時，網絡的吞吐量較大。較大或較小的BI都會降低網絡吞吐量。綜上所述，U-APSD固定長度BI機制使得要降低功耗，就必須犧牲吞吐量和時延的性能。也就是說，此方案未能考慮到不同類型通信流的不同特點，使用不同的BI區別對待達到更有效的節能。例如，視頻流的數據量大，對時間敏感，對時延和吞吐量要求較高，消耗能量較多。而E-mail數據流數據量小，對時間不敏感，消耗能量較小。因此，此方案未能根據不同通信流的特點進行針對性的傳輸，故而未能進行更有效的節能。

發明內容
本發明目的在于提供一種基于無線多媒體傳感器網絡EDCA機制的動態BI設計方法，其可根據無線多媒體傳感器網絡中的不同通信流類型動態修改相應的BI，從而達到縮短網絡時延、降低網絡系統功耗的目的。為了解決現有技術中的這些問題，本發明提供的技術方案是一種基于無線多媒體傳感器網絡EDCA機制的動態BI設計方法，所述無線多媒體傳感器網絡包括若干個傳感器節點，所述的BI包括四種類型，所述的四種類型的BI分別與 EDCA的四種AC相對應，所述的傳感器節點均在喚醒狀態與睡眠狀態間切換，喚醒狀態下的傳感器節點包括發送節點、接收節點以及空閑節點，發送節點根據所發送數據幀的AC類型動態修改自身BI類型并修改相應的BI類型標志位，接收節點根據所接收數據幀的AC類型動態修改相應的BI類型標志位。對于上述技術方案，我們具有進一步的優化措施，所述空閑節點在進入休眠狀態前，所述空閑節點根據基于Bernoulli分布的動態判決機制決定是否修改自身BI類型優先級，如需修改，所述空閑節點根據修改過的優先級動態修改自身的BI類型直到節點自身優先級為最低優先級，此時節點將不再自減優先級。作為優化，當節點喚醒后發現有數據幀需要接收時，當接收節點的BI類型和接收到的數據類型為一一對應關系，則接收節點無需改變其BI，當接收節點的BI類型和接收到的數據類型不對應，則接收節點將修改BI類型標志位且修改后的BI類型與接收到的數據類型一致，并在下一個BI期間時所述接收節點使用該節點修改后的BI類型。進一步，所述四種類型的AC分別為AC_BK、AC_BE、AC_VI、AC_VO，與所述AC相對應的BI根據用戶優先級從低到高分別為BK_BI、BE_BI、VI_BI、V0_BI。進一步，所述VI_BI的長度是V0_BI的長度的兩倍，所述BE_BI的長度是V0_BI的長度的三倍，所述BK_BI的長度是V0_BI的長度的四倍。更進一步,所述傳感器節點在初始化時，自動建立相應的優先級機制并初始化其功能，初始化后的節點擁有最低優先級且對應節點的BI類型均為最低優先級的BI類型。作為優化，發送節點發送數據時，發送節點利用TXOP連續傳輸數據給目的節點， 其中，設置AC_VI類型TXOP長度最長，AC_V0類型TXOP長度小于AC_VI類型TXOP長度，而 AC_BE和AC_BK類型的TXOP長度按需求設置，且AC_BE和AC_BK類型的TXOP長度在O到 AC_VI類型TXOP長度之間。進一步，所述節點都具有四種可選的BI類型，并且可以根據規則動態改變自身的優先級，將自身優先級自動加減成相應值。進一步,所述基于Bernoulli分布的動態判決機制首先在各個節點根據該節點在每個BI期間的狀態建立該節點的狀態信息數據表，根據狀態信息數據表建立空閑狀態計數器，所述空閑狀態計數器用來記錄各個節點連續空閑的次數，當連續空閑結束時，則空閑狀態計數器重新清零，同時運用Bernoulli分布計算統計結果的置信區間，根據置信區間的結果判決是否需要修改對應節點BI類型的優先級。基于Bernoulli分布的動態判決機制(Bernoulli Dynamic Judgment Mechanism, BDJM)。有數據收發狀態的值為1，而空閑狀態，即無數據收發狀態的值為0。每個節點建立存儲最近狀態信息表(Recent Status List，RSL)，它是一個二維表，從節點的連續空閑狀態開始記錄，直到第一個非空閑狀態為止(包括第一個非空閑狀態)，它一共記錄最近100 次的節點空閑狀態信息。例如，A節點初始化后每個BI期間的狀態為非空閑、空閑、空閑、 空閑、非空閑、非空閑、空閑、非空閑、空閑、空閑、非空閑。則其記錄的狀態信息為
序列號\狀態I000I20INULLNULL300INULL并在每個節點中建立空閑狀態計數器(Idle Status Counter, ISC),它用來記錄一個節點連續空閑的次數，當連續空閑結束時，則ISC重新清零。同時運用Bernoulli分布計算統計結果的置信區間，根據置信區間的結果判別是否需要修BI類型改優先級。Bernoulli分布的總體X，X的分布律為f (x ；p) = px (1-p)1-x, X = O, I.其中p為從RSL中獲得的統計信息首先查詢本節點ISC的值NUMIS。，根據NUMise 的值查詢RSF表中第NUMIse+l列的所有狀態信息(其中值為NULL時，將其統計值記為I)， 從而計算出相應的P值為
權利要求
1.一種基于無線多媒體傳感器網絡EDCA機制的動態BI設計方法，所述無線多媒體傳感器網絡包括若干個傳感器節點，其特征在于，所述的BI包括四種類型，所述的四種類型的BI分別與EDCA的四種AC相對應，所述的傳感器節點均在喚醒狀態與睡眠狀態間切換， 喚醒狀態下的傳感器節點包括發送節點、接收節點以及空閑節點，發送節點根據所發送數據幀的AC類型動態修改自身BI類型并修改相應的BI類型標志位，接收節點根據所接收數據幀的AC類型動態修改相應的BI類型標志位。
2.根據權利要求I所述的動態BI設計方法，其特征在于，所述空閑節點在進入休眠狀態前，所述空閑節點根據基于Bernoulli分布的動態判決機制決定是都修改自身BI類型優先級，如需修改，所述空閑節點根據修改過的優先級動態修改自身的BI類型直到節點自身優先級為最低優先級，此時節點將不再自減優先級。
3.根據權利要求I所述的動態BI設計方法，其特征在于，當節點喚醒后發現有數據幀需要接收時，當接收節點的BI類型和接收到的數據類型為一一對應關系，則接收節點無需改變其BI類型標志位，當接收節點的BI類型和接收到的數據類型不對應，則接收節點將修改BI類型標志位且修改后的BI類型與接收到的數據類型一致，并在下一個BI期間時所述接收節點使用該節點修改后的BI類型。
4.根據權利要求I所述的動態BI設計方法，其特征在于，所述四種類型的AC分別為 AC_BK、AC_BE、AC_VI、AC_V0,與所述AC相對應的BI根據用戶優先級從低到高分別為BK_ BI、BE_BI、VI_BI、VO_BI。
5.根據權利要求3所述的動態BI設計方法，其特征在于，所述VI_BI的長度是V0_BI 的長度的兩倍，所述BE_BI的長度是V0_BI的長度的三倍，所述BK_BI的長度是V0_BI的長度的四倍。
6.根據權利要求I或4或5所述的動態BI設計方法，其特征在于，所述傳感器節點在初始化時，自動建立相應的優先級機制并初始化其功能，初始化后的節點擁有最低優先級且對應節點的BI類型均為最低優先級的BI類型。
7.根據權利要求I所述的動態BI設計方法，其特征在于，發送節點發送數據時，發送節點利用TXOP連續傳輸數據給目的節點，其中，設置AC_VI類型TXOP長度最長，AC_V0類型TXOP長度小于AC_VI類型TXOP長度，而AC_BE和AC_BK類型的TXOP長度按需求設置， 且AC_BE和AC_BK類型的TXOP長度在O到AC_VI類型TXOP長度之間。
8.根據權利要求I所述的動態BI設計方法，其特征在于，所述節點都具有四種可選的 BI類型，并且可以根據規則動態改變自身的優先級，將自身優先級自動加減成相應值。
9.根據權利要求2所述的動態BI設計方法,其特征在于,所述基于Bernoulli分布的動態判決機制首先在各個節點根據該節點在每個BI期間的狀態建立該節點的狀態信息數據表，根據狀態信息數據表建立空閑狀態計數器，所述空閑狀態計數器用來記錄各個節點連續空閑的次數，當連續空閑結束時，則ISC重新清零，同時運用Bernoulli分布計算統計結果的置信區間，根據置信區間的結果判決是否需要修改對應節點BI類型的優先級。
全文摘要
本發明提供了一種基于無線多媒體傳感器網絡EDCA機制的動態BI設計方法，它運用于無線多媒體傳感器網絡，充分利用不同數據通信流的特性，針對不同類型數據設計相應的BI，一方面使得高優先級通信流，如音頻、視頻流等對時間敏感的通信流，可以減少和低優先級通信流競爭信道時的碰撞，并獲得較多的接入信道的機會，從而有效減少因碰撞而損失的能量，降低了網絡功耗，同時在進入信道后使用TXOP機制進行數據的連續傳輸，從而較大的提高了網絡吞吐率，并有效降低了網絡時延，另一方面使得低優先級通信流，例如E-mail等對時間不敏感的通信流，通過增大傳輸這些通信流節點的休眠時間，可以有效降低網絡功耗，同時又不會影響用戶體驗度。而且，低優先級通信流本身的數據量不大，因此對網絡吞吐率和時延影響不大。
文檔編號H04L1/00GK102594495SQ20121000839
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者劉昊, 徐平平, 顧曉潔 申請人:東南大學蘇州研究院, 蘇州博聯科技有限公司