专利名称：用于事件驱动的无线传感器网络的预测性负载循环适配方案的制作方法
技术领域：
本公开总体上涉及事件驱动的无线传感器网络的介质访问控制协议。更具体地， 本公开涉及采用预测性负载循环(duty cycle)适配方案的介质访问控制协议。
背景技术：
无线传感器网络(WSN)是一组传感器节点一每个传感器节点典型地配备有感测、 信息处理和无线通信能力一其被部署在一个区域中以协同监视物理或环境条件。例如，WSN 中用于被动环境监视的节点致力于进行感测测量(例如，温度、压力、光强度等)，所述感测测量可以被收集并经由通过多跳通信的中继被报告给远程主机。例如，称作“事件驱动的 (event-driven)"WSN的较新类型WSN典型地被部署为检测并追踪感兴趣的事件，诸如目标追踪应用中的人或其它对象。事件驱动的WSN的特异性特征在于在事件附近所发生的空间相关的突发业务，其可能具有强移动性。在这样的网络中，在连续的基础上通过移动目标触发器，在新的节点对之间发起新的通信链路以及新的路由路径而大量产生事件。事件驱动 WSN的一个说明性示例为无线摄像机网络(WCN)，其很好地表征了该类型。WSN的节点对共享无线通信介质的访问通常通过介质访问控制(MAC)协议进行仲裁。WSN和MAC协议的设计人员典型地试图使得节点的寿命和网络的性能都能最大化(例如，网络中的延迟最小化以及吞吐量最大化)。在各种MAC技术中，控制每个节点的通信无线电设备(radio)的负载循环通常被认为是节约能量由此增加每个节点的寿命的最为有效的方式之一。通过在休眠和活动模式之间交替以及通过仅在活动模式期间传送数据，节点能够避免不必要的能量消耗。然而，改变节点的负载循环直接影响到节点处的通信延迟。结果，使得延迟和能量消耗二者最小化的尝试涉及到基本的折衷。已经提出了各种方法对这种折衷进行平衡。除了静态负载循环控制方案之外，所提出的一些方法采用了自适应或动态的负载循环控制方案，其中节点的负载循环适配基于感兴趣事件(通常在节点的当前业务条件方面进行定义)的检测。特别为事件驱动的WSN所设计的一些MAC协议试图通过去除分组之间的冗余或者采用多个信道而使得所有事件触发消息或其子集的延迟最小化，但是这些努力仍然仅能够在感兴趣事件实际发生之后才能进行。这些现有的负载循环适配方案都是被动的，因此在相同的通信链路或路由路径被反复重新使用时，甚至在事件附近(即，在之前已经对整个路径或链路调节过通信参数的条件下)工作最佳，该条件通常被意在用于被动环境监视的WSN所满足。然而，由于新事件检测和MAC协议对该事件的反应之间的内在延迟，特别是在事件的移动性强时，这些基于反应适配的方法在事件驱动的WSN中普遍的条件下工作不佳，导致了事件驱动的WSN在延迟和能量节约两方面的次优性能。以上所提到的MAC协议和相关技术在G. Welch等人的An Introduction to the Kalman Filter (1995) ； A. Aljadhai 入白勺"Predictive Mobility Support for QoS Provisioning in Mobile Wireless Environments,，，19 IEEE J. on Selected Areas Comms. 1915 - 1930 (2001) ； Μ. Buettner 等人的‘‘X-Mac: A Short Preamble Mac Protocol for Duty cycled Wireless Sensor Networks, ” Proc. 4th Int' 1 Conf. on Embedded Networked Sensor Sys. 307-320 (2006) ； A. El-Hoiyadi 等人的"WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Sensor Networks, ，， 3121 Lecture Notes in Computer Sci. 18-31 (2004) ； P. Lin 等人的"Medium Access Control with a Dynamic Duty Cycle for Sensor Networks, ” 3 IEEE Wireless Comms. & Networking Conf. (2004) ； K. Jamieson 等人的"Sift: A MAC Protocol for Event-Driven Wireless Sensor Networks, ，， 3868 Lecture Notes in Computer Sci. 260 (2006) ； B. Kusy 等人的"Elapsed Time on Arrival: A Simple and Versatile Primitive for Canonical Time Synchronization Services, ” 1 Int' 1 J. Ad Hoc Ubiquitous Computing 239-51 (2006) ； S. Liu 等人的"CMAC: An Energy Efficient MAC Layer Protocol Using Convergent Packet Forwarding for Wireless Sensor Networks, " 7 Proc. IEEE Se. Conf. (2007) ； Τ. Liu 等人的"Mobility Modeling, Location Tracking, and Trajectory Prediction in Wireless ATM Networks, ，， 16 IEEE J. on Selected Areas Comms. 922 - 936 (1998) ； Y. Nam 等人的"An Adaptive MAC (A-MAC) Protocol Guaranteeing Network Lifetime for Wireless Sensor Networks,，， Proc. 12th Eur. Wireless Conf. (2006) ； V. Namboodiri ^AWAlert: An Adaptive Low-Latency Event-Driven MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, ，， Proc. 7th Int'1 Conf. on Info. Processing in Sensor Networks 159-170 (2008) ； J. Polastre 等人的"Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks,，，Proc. 2d Int，l Conf. on Embedded Networked Sensor Sys. 95—107 (2004) ； I. Rhee 等人的 "Z-MAC: A Hybrid MAC for Wireless Sensor Networks, ，， 16 IEEE/ACM Transactions on Networking, 511 - 524 (2008) ； Τ. Van Dam^AWAn Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, ” Proc. 1st Int’ 1 Conf. on Embedded Networked Sensor Sys. 171-180 (2003)；以及 W. Ye 等人的 ‘‘An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks,，，3 Proc. 21st Ann. Joint Conf. IEEE Computer & Comms. Societies (2002)中有所描述。以上所列出每篇参考文献的全部公开内容通过引用明确地结合于此。该列举并非意在表示已经进行所有相关现有技术的完全搜索或者表示不存在比以上所列出的那些更好的参考文献，也不应当推断出任何这样的表
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发明内容
本发明包括所附权利要求中所记载的一个或多个特征，和/或以下可以单独或以任意组合包括可专利主题的特征。根据一个方面，一种用于控制多个节点对共享通信介质的访问的方法包括对所述多个节点中的每个节点预测未来在该节点的感测场内是否将发生事件，并且响应于与该节点相关的预测而对每个节点的通信调度(schedule)进行适配。在一些实施例中，预测未来在每个节点的感测场内是否将发生事件可以包括预测未来每个节点的摄像机是否将观察到感兴趣的对象。在其它实施例中，预测未来在每个节点的感测场内是否将发生事件可以包括估计所述多个节点中的每个节点处的时空事件概率(STEP)。估计所述多个节点中的每个节点处的STEP可以包括对未来每个节点的感测场上的事件的位置不确定性进行整合(integrate)。在其它实施例中，估计所述多个节点中的每个节点处的STEP可以包括使用递归参数估计器。使用递归参数估计器可以包括使用Kalman滤波器和粒子滤波器之一。所述方法可以进一步包括利用所述多个节点中的第一节点接收或监听(overhear)来自所述多个节点中的第二节点的分组，所述分组包括事件的测量结果。所述方法可以进一步包括通过使用所述事件的测量结果更新所述递归参数估计器来估计第一节点处新的STEP。所述方法可以进一步包括在测量结果不处于事件的所预测不确定区域内时初始化递归参数估计器的新实例。所述方法可以进一步包括在其间第一节点没有接收或监听到包括事件的新的测量结果的分组的预定义时间段之后终止所述递归参数估计器的实例。所述第一节点的通信调度可以响应于所述递归参数估计器的实例的终止而被适配为最低负载循环。 在再其它的实施例中，对每个节点的通信调度进行适配可以包括调节每个节点的无线电设备的负载循环。调节每个节点的无线电设备的负载循环可以包括确定每个节点属于事件的所预测不确定区域的哪个概率子空间。调节每个节点的无线电设备的负载循环可以包括指数地改变每个无线电设备所使用的帧长度。在一些实施例中，所述方法可以进一步包括传送包括专用字段的分组，所述专用字段包括指示传送所述分组的节点当前是否感测到事件的第一比特。所述专用字段还可以包括指示传送所述分组的节点当前是否正在传输事件相关数据的第二比特。根据另一方面，包括多个指令的有形、非暂时的一个或多个计算机可读介质，当被第一节点的处理器所执行时，所述指令使得所述处理器预测未来在第一节点的感测场内是否将发生事件，并且响应于该预测对第一节点的通信调度进行适配，所述通信调度控制第一节点对多个节点之间所共享的通信介质的访问。在一些实施例中，预测未来在第一节点的感测场内是否将发生事件可以包括预测未来第一节点的摄像机是否将观察到感兴趣的对象。在其它实施例中，预测未来在第一节点的感测场内是否将发生事件可以包括估计第一节点处的时空事件概率(STEP)。估计第一节点处的STEP可以包括对第一节点的感测场上的事件的位置不确定性进行整合。在其它实施例中，估计所述第一节点处的STEP可以包括使用递归参数估计器。使用递归参数估计器可以包括使用Kalman滤波器和粒子滤波器之一。所述多个指令可以进一步使得所述处理器接收或监听来自所述多个节点中的第二节点的分组，所述分组包括事件的测量结果。所述多个指令可以进一步使得所述处理器通过使用所述事件的测量结果更新所述递归参数估计器来估计第一节点处的新的STEP。所述多个指令可以进一步使得所述处理器在测量结果不处于事件的所预测不确定区域内时初始化递归参数估计器的新实例。 所述多个指令可以进一步使得所述处理器在其间第一节点没有接收或监听到包括事件的新的测量结果的分组的预定义时间段之后终止所述递归参数估计器的实例。所述第一节点的通信调度可以响应于所述递归参数估计器的实例的终止而被适配为最低负载循环。在再其它的实施例中，对第一节点的通信调度进行适配可以包括调节第一节点的无线电设备的负载循环。调节第一节点的无线电设备的负载循环可以包括确定第一节点属于事件的所预测不确定区域的哪个概率子空间。调节第一节点的无线电设备的负载循环可以包括指数地改变第一节点的无线电设备所使用的帧长度。所述多个指令可以进一步使得所述处理器传送包括专用字段的分组，所述专用字段包括指示第一节点当前是否感测到事件的第一比特。所述专用字段可以进一步包括指示第一节点当前是否正在传输事件相关数据的第二比特。根据又另一个方面，一种无线传感器网络包括多个节点，每个节点包括控制电路以及提供对所述多个节点之间所共享的通信介质的访问的无线电设备，每个节点的控制电路被配置为(i)预测未来在该节点的感测场内是否将发生事件，并且(ii)响应于所述预测对该节点的无线电设备的负载循环进行调节。在一些实施例中，每个节点可以包括摄像机，并且每个节点的控制电路可以被配置为预测未来该节点的摄像机是否将观察到感兴趣的对象。在其它实施例中，每个节点的控制电路可以被配置为通过估计该节点处的时空事件概率(STEP)来预测未来在该节点的感测场内是否将发生事件。每个节点的控制电路可以被配置为通过对该节点的感测场上的事件的位置不确定性进行整合而估计该节点处的时空事件概率(STEP)。在其它实施例中，每个节点的控制电路可以被配置为使用递归参数估计器估计该节点处的时空事件概率(STEP)。所述递归参数估计器可以为Kalman滤波器和粒子滤波器之一。每个节点的控制电路可以被进一步配置为经由无线电设备接收或监听来自所述多个节点中的另一节点的分组，所述分组包括事件的测量结果。每个节点的控制电路可以被进一步配置为通过使用所述事件的测量结果更新所述递归参数估计器而估计该节点处的新的STEP。每个节点的控制电路可以被进一步配置为在测量结果不处于事件的所预测不确定区域内时初始化递归参数估计器的新实例。每个节点的控制电路可以被进一步配置为在其间该节点没有接收或监听到包括事件的新的测量结果的分组的预定义时间段之后终止所述递归参数估计器的实例。每个节点的控制电路可以被进一步配置为响应于所述递归参数估计器的实例的终止而将该节点的无线电设备的负载循环调节为最低负载循环。在再其它的实施例中，每个节点的控制电路可以被配置为通过确定该节点属于事件的所预测不确定区域的哪个概率子空间来调节该节点的无线电设备的负载循环。每个节点的控制电路可以被配置为通过指数地改变该节点的无线电设备所使用的帧长度来调节该节点的无线电设备的负载循环。每个节点的控制电路可以被进一步配置为经由无线电设备传送包括专用字段的分组，所述专用字段包括指示该节点当前是否感测到事件的第一比特。所述专用字段可以进一步包括指示该节点当前是否正在传输事件相关数据的第二比特。考虑到以下对例示出实现当前所给出发明的最佳模式的说明性实施例的详细描述，单独地或者与任意(一个或多个)其它特征相结合，包括以上所列出和权利要求中所列出特征的额外特征可以包括可专利主题并且对于本领域技术人员将是显而易见的。
详细描述特别参见附图，其中
图1图示了示例性WCN中典型的基于集群的分布式视觉数据处理的状态转换图； 图2图示了可以在示例性WCN中使用的基于无线摄像机的传感器节点的一个实施例； 图3A图示了示例性WCN中的节点的部分重叠的通信范围； 图3B图示了图3A的示例性WCN的节点的部分重叠的感测�。� 图3C图示了参与追踪感兴趣移动对象并且向基站传送聚合数据的图3A-B的示例性
WCN ；
图4图示了示例性WCN节点的MAC层和应用层28之间的交互； 图5图示了图4的示例性WCN节点MAC层和应用层的状态转换图； 图6图示了作为由近平面和远平面所封闭的三维空间的针孔摄像机模型的视见平截头体；
图7A图示了在初始时刻图3的WCN中的示例性负载循环分布； 图7B图示了图7A的示例性负载循环分布与图3的WCN中的节点感测场的中心之间的关系；
图7C图示了在后续时刻图3的WCN中的示例性负载循环分布； 图8图示了采用四个不同负载循环等级的示例性WCN的指数变化的帧长度； 图9图示了用于采用具有更高负载循环的新调度的示例性时间线； 图IOA图示了对采用根据本公开的说明性MAC协议、AMAC协议以及具有不同负载循环的四个TMAC协议的WCN在以不同采样间隔下的平均每跳延迟进行比较的仿真的结果；
图IOB图示了对采用图IOA的MAC协议的WCN在不同采样间隔下的归一化吞吐量进行比较的仿真的结果；
图IOC图示了对采用图IOA的MAC协议的WCN在不同采样间隔下的平均能耗进行比较的仿真的结果；
图IlA图示了对采用图IOA的MAC协议的WCN针对每秒3米的平均目标速度在不同超时周期(timeout period)下的时限性(time-bounded)参数估计准确度(TIBPEA)进行比较的仿真的结果；
图IlB图示了对采用图IOA的MAC协议的WCN针对每秒6米的平均目标速度在不同超时周期下的TIBPEA进行比较的仿真的结果。
具体实施例方式虽然本公开的概念易于受到各种修改和替换形式的影响，但是其特定示例性实施例已经通过示例在附图中示出并且将在这里进行详细描述。然而应当理解的是，并非意在将本公开的概念局限于所公开的特定形式，相反，其意在覆盖落入如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的所有修改、等同和替换形式。在以下描述中，可以给出诸如逻辑实施方式、操作代码、指定操作数的手段、资源划分/共享/复制实施方式、系统组件的类型和相互关系，以及逻辑划分/集成选择之类的许多特定细节，以便提供对本公开更为全面的理解。然而，本领域技术人员将要意识到的是，本公开的实施例可以在没有这些特定细节的情况下进行实践。在其它实例中，没有详细示出控制结构、门级电路以及完整的软件指令序列，以避免对本发明造成混淆。本领域技术人员利用所包括的描述将能够实施适当的功能而无需过度实验。所公开系统和方法的实施例可以以硬件、固件、软件或者其任意组合来实现。例如，所公开系统和方法的实施例可以被实现为存储在一个或多个有形的(tangible)机器可读媒体上的指令，其可以被一个或多个处理器所读取和执行。有形的机器可读媒体可以包括用于以机器(例如，处理器)可读的形式存储或传送信息的任意机制。有形的机器可读媒体可以说明性地包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储、光存储、闪存和 /或其它类型的存储器设备。本公开描述了一种特别为事件驱动的WSN所设计的预测性负载循环适配(PDCA) 方案。而现有的方法被动(即反应性地)根据当前所经历的网络条件对节点的负载循环进行适配，目前所公开的PDCA方案通过预测即将在节点感测场内将发生感兴趣事件的可能性来主动对每个节点处的负载循环进行适配。该可能性在这里被称作节点处的“时空事件概率”(STEP)。采用该PDCA方案的WSN允许预期突发业务的节点在通信业务实际增长之前改变其通信协议参数(由此降低跨网络的整体延迟)。目前所公开的PDCA方案为每个节点给予了通过其相邻节点检测正在进行的事件的能力，将每个节点的有效感测场扩展为还包括其通信邻节点的感测场。在一些实施例中， 如以下更为详细解释的，这可以借助于从相邻节点所接收分组的报头中的1比特或2比特字段来实现。依据该PDCA方案，当节点正在经历事件时，则其相邻节点(即使在并不直接经历相同事件时)获知所述事件。因此，如果经历事件的节点能够预测其哪些相邻节点接下来将会经历相同事件，那些邻节点就能够在所述事件实际到来之前改变其协议参数。在一个说明性实施例中，使用嵌入MAC层之中的基于Kalman滤波器的追踪算法来实现该预测，从而允许每个节点利用仅一个或两个比特的额外通信开销来在概率上(probabilistically) 定位当前正在发生的事件。在该PDCA方案中，可以以完全分布式的方式在每个节点处执行感兴趣事件的递归估计和预测。此外，所提出的PDCA方案允许网络中的不同节点以不同负载循环进行工作，产生多样的节点调度。为了避免相邻节点之间非重叠活动周期所带来的任意问题，可以在PDCA方案中包括允许每个节点仅基于它们相应调度的知识来计算其被允许向其相邻节点传送消息的时刻的机制(即，并不借助于额外的消息交换)。在详细描述用于MAC协议参数的重新配置的这种预测性方法之前，本公开首先研究事件驱动的WSN的几种唯一特征。以下还在目标追踪的背景下(利用与已知的TMAC和AMAC协议的性能比较) 给出了采用PDCA方案的WCN的一个说明性实施例的仿真的性能估计。事件驱动的WSN与更为传统的WSN的区别在于网络环境中发生的事件可能导致无线电广播业务在所述事件附近的节点之间突然增多。为了实时(在一些情况下，协作地)处理所感测数据并且避免丢失任何事件相关信息，事件驱动的WSN的节点应当能够快速改变其通信协议参数(例如，在负载循环内)。由于每个单独节点的有限计算功率和感测能力，事件驱动的WSN中的传感器节点通常彼此协作以便检测感兴趣的事件并且估计其各种属性。 该特征可能与更为传统的WSN的节点有所差别，其中每个节点独立获得标量测量结果并简单地在网络中进行聚合以便去除数据传输中的冗余。更为传统的WSN的一个示例是被设计用于监视空气质量环境的无线网络。另一方面，无线摄像机网络(WCN)是事件驱动的WSN的说明性示例。在说明性的WCN中，节点不仅可以被调用来检测环境中人或其它对象的存在， 而且还用来跟随所检测的人或对象的移动。
在所述说明性WCN (或其它事件驱动的WSN)中，诸如对象检测和追踪之类的任务可能会涉及超出任意单个节点的处理器能力的计算。如题为“Clustering Protocol for Directional Sensor Networks”的当前未决的美国专利申请公开No. 2010/0073686 (其全部内容通过引用结合于此)中所描述的，这样的计算可能要求适当算法的基于集群的、分布式实施方式。如其中所描述的，用于这种协作处理的集群典型地由能够捕捉与事件相关的一些感应信息的节点所构成。协作计算通常涉及集群内的密集消息交换，导致以频繁分组冲突为特征的高度突发的通信(除非及时地改变通信协议参数)，其导致能量浪费以及传送关键数据失败。图1中所示的状态转换图给出了在WCN的一个说明性实施例中当协作追踪对象时可能执行的各种计算步骤的概要。事件驱动的WSN还具有所要求的服务质量(QoS)要求。事件驱动的WSN的用途主要是检测感兴趣的事件并且及时地执行事件特定的任务。回到说明性的WCN，其出于监视的目的而大面积部署，及时地对终端用户的事件信息传输可以要求与整个网络的通信相关的特定QoS。WSN还可以从节点协作解决问题的集群通信的角度来要求适当的QoS量度。由于单独节点的资源受限的属性，通过简单地过度供应(over-provisioning)节点实现高的 QoS以使得它们能够迎合预期的峰值业务对于WSN而言通常是不切实际的。同样，简单地减小节点的负载循环在WSN中通常也不是可行的解决方案，原因在于这会对QoS带来不利的影响。如以下所更为详细描述的，可以使用各种QoS量度来将现有技术的被动负载循环适配方案与采用这里所给出的PDCA方案的WCN的说明性实施例进行比较。目前所公开的PDCA方案通过对将要经历可能会导致高通信业务的感兴趣事件的节点的负载循环进行主动调节而专注于事件驱动的WSN的独特特征。如这里所使用的，节点的“负载循环”是指所述节点的无线电设备在一个周期中(与所述周期的整个持续时间相比)被唤醒的持续时间的比率。对于本领域技术人员显而易见的是，在节点处实际发生事件之前过分增大负载循环可能会导致能量浪费，而等到事件已经到达之后再增大负载循环则会无法及时地进行关键分组的传输，这可能会增加延迟。目前所公开的PDCA方案通过根据节点即将经历感兴趣事件的可能性(即，节点处的“时空事件概率”(STEP)，其将在以下更为详细地进行描述)主动对节点的负载循环进行适配来对这两种重要但并非互补的目标(即，高能量效率和低通信延迟)进行平衡。应当意识到的是，“事件”的确切定义将取决于WSN所要投放的应用。此外，一些应用可能会要求定义多种事件类型。例如，在对象检测和追踪应用的说明性背景下，“事件”可以被定义为存在感兴趣对象(例如，步行者)。换句话说，如果在节点处发生事件，则在所述节点的感测场内存在感兴趣对象。所述PDCA方案在节点可能即将经历事件的情况下增大节点处的负载循环，否则就减小负载循环。换句话说，如以下更为详细描述的，所述PDCA方案在节点处的 STEP增高的情况下增大节点的负载循环，在STEP降低的情况下适当减小负载循环。图2中图示了可以在本公开的说明性WCN 10中采用的若干(一个或多个)基于摄像机的无线传感器节点12，其对(以方向18进行移动的)感兴趣对象16进行追踪。每个节点12可以说明性地包括图像传感器20、微处理器和存储器电路22，以及通信�？�24。在其它实施例中，节点12外部的计算设备(典型地包括微处理器、存储器和通信电路)可以从(一个或多个)图像传感器20接收原始图像数据并对其进行处理。图像传感器20可以说明性地包括CXD摄像机、CMOS摄像机和/或任意其它适当替换形式。通信�？镸可以在MAC层
12上包括具有无线通信能力的无线电设备。每个节点12的图像传感器20可以捕捉原始图像并且将所述原始图像传送到电路22的相关联微处理器。电路22的微处理器接着可以(基于嵌入在应用层中的过程)执行一系列任务，其包括(a)将图像传感器20所捕捉的图像存储在电路22的存储器中，(b)处理所存储的图像以检测事件并生成与所存储图像中的此类事件相关联的分析数据(例如，检测对象16的存在)，(c)控制相关联的通信�？镸 (基于其通信调度)向MAC层上的相邻节点12传送信息或从其接收信息，以及(d)控制节点12的整体功能，但是并不局限于此。WCN 10的一个说明性实施例包括一组随机部署的节点12(分别标记为12A — 12H) 以及总体上从图3A-C中的顶部示图中所示出的基站或“汇聚(sink)”14。在该说明性实施例中，节点12的事件可以被定义为在节点12的感测场内存在感兴趣对象16。也可以预期 WCN 10具有针对图3A-C所示的替换拓扑的其它实施例。节点12的部分重叠的通信范围在图3A中被指示为虚线圈，而节点12、14的部分重叠的感测场则在图:3B中被指示为虚线矩形。图3C图示了对感兴趣对象16 (其可被节点集群看到并且以方向18进行移动)进行追踪并且通过(沿虚线箭头所指示的路由路径的)多跳通信向基站14传送集群内所聚合的数据。如图3C所示，节点12E、12F目前能够看到对象16并且主动参与集群数据聚合(即， 节点12E、12F正在经历事件)。因此，节点12E、12F的负载循环被设置为足够高的值(例如， 最大负载循环)。由于(因为基于其在方向18的当前运动所预期的对象16的未来状态)节点12A、12B可能很快感测到对象16，所以节点12A、12B的负载循环也可以有所增大以便在对象16实际变为可见之前在这些节点处实现低延迟条件。节点12B、12C、12D、12H主动参与向基站14传送聚合数据。因此，节点12B、12C、12D、12H的负载循环也被设置为足够高的值(例如，最大负载循环)，从而包含与对象16相关的信息的分组能够被快速可靠地传送至基站14。最后，剩余节点12G相对远离感兴趣事件，并且PDCA方案相应地减小节点12G的负载循环。当在节点12发生感兴趣事件时，所述PDCA方案向节点12的通信邻节点通知所述事件，以便对可能到来的无线电业务增加进行准备。在一个说明性实施例中，当前检测到事件的节点12可以通过在其所传送分组的MAC报头中设置专用比特来就所述事件的发生警告其通信邻节点。这样的专用比特在这里是指显式事件通知(EEN)比特。还预见到在可替换实施例中，可以在MAC报头中使用专用的2比特字段。除了 EEN比特之外，这样的可替换实施还可以包括显式事件路由通知(EERN)比特，其被用来指示传送所述分组报头的节点 12当前是否正在传输事件相关数据。由于MAC层协议通常并不负责获取直接的传感器测量结果，所以PDCA方案提供了到应用层的接口，所述接口允许其通知MAC层应当在感兴趣事件处于节点12的感测场内时设置所有外出分组的EEN比特(并且在采用专用的2比特字段的可替换实施例中，应当在节点12传送事件相关数据时设置所有外出分组的EERN比特)。针对一个节点12的MAC层沈和应用层28之间的交互的概要总体上在图4中进行图示。节点12的应用层28通知MAC层沈是否已经在节点12的感测场中检测到事件， 从而MAC层沈可以在其传送的分组中设置或取消设置(unset)报头的EEN比特。同时，如果任意相邻节点12检测到事件，这样的相邻节点12也以MAC层沈所接收分组的报头中设置的EEN比特的形式向节点12通知所述事件。如以下更为详细解释的，节点12可以基于其所接收的EEN比特是被设置还是被取消设置来预测其是否即将经历事件。如果预测出将在节点12的感测场中发生事件，则嫩(层沈可以(关于其无线电设备的负载循环)对节点 12的通信调度进行适配，以便以更为高效的方式与相邻节点12进行通信。该说明性实施例中节点12的MAC层沈和应用层28的详细状态转换图在图5中示出。应用层观具有两种可能状态空闲状态30和感测状态32。在WCN 10开始操作之前，应用层观处于空闲状态30。一旦WCN 10开始操作，应用层观的状态就转换至感测状态32 (以下参考算法2更为详细地描述)。在感测状态32中，节点12的应用层观试图检测其感测场中的事件。如果检测到感兴趣事件，则节点12的应用层观通知节点12的MAC 层26设置其EEN比特(以下参考算法1更为详细地描述)。MAC层沈也具有两种可能状态空闲状态34和追踪状态36。在节点12的MAC 层沈被其自己的应用层观或者相邻节点12经由所设置的EEN比特通知了检测到事件之前，MAC层沈都处于空闲状态34。一旦MAC层沈接收到事件通知，所述状态就改变为追踪状态36。在追踪状态36中，MAC层沈使用节点12处的STEP执行即将检测到事件的预测。基于即将在节点12的感测场中发生事件的可能性，MAC层沈对节点12的通信调度进行适配。换句话说，MAC层沈基于节点12处的STEP对其无线电设备的负载循环进行改善 (refine)，以使得以WCN 10有所减少的能量消耗高效进行与相邻节点12的通信。MAC层 26的这些操作以下将参考算法3 - 5更为详细地进行描述。应当注意的是，图5中的标记 Al-1, Al-2，···，A4-4表示以下算法1 一4中所描述的操作。当节点12接收或监听到设置了 EEN比特的分组时，节点12能够“间接感测”到感兴趣事件(而无需使用其自己的感测器“直接”感测所述事件)。在一些实施例中，接收节点 12可以以相关联的不确定量假设事件位于传送节点12的感测场的中心，由该传送节点的感测场的区域近似。再次参见WCN 10的说明性实施例(现在参见图6)，每个无线摄像机节点12的感测场可以被定义为视见平截头体40，其中可以在成像平面42中利用可接受的锐聚焦来感知对象。视见平截头体40以从摄像机内的光学中心46所辐射的边44以及表示可接受锐聚焦极限的近平面48和远平面50作为边界。一旦视见平截头体40已经被标识， 就可以找到感测场的中心52。以上述方式定位事件为接收具有所设置EEN比特的分组的每个节点12提供了 “扩展的感测场”。本领域技术人员将会意识到，所述EEN比特的功能类似于TCP/IP中典型使用的一般形式的显式拥塞通知(ECN)。这种间接感测类型的事件检测可以被作为到Kalman滤波器(KF)的输入。使用基于KF的事件追踪的WCN 10的说明性实施例中每个节点12所执行的状态估计过程如算法1中的伪代码所概括。
权利要求
1.一种用于控制多个节点(12)对共享通信介质的访问的方法，所述方法包括对所述多个节点(12)中的每个节点(12)预测未来在该节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件；并且响应于与该节点(12)相关的预测而对每个节点(12)的通信调度进行适配。
2.如权利要求1所述的方法，其中预测未来在每个节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件包括预测未来每个节点(12)的摄像机(20)是否将观察到感兴趣的对象(16)。
3.如权利要求1所述的方法，其中预测未来在每个节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件包括估计所述多个节点(12)中的每个节点(12)处的时空事件概率(STEP)。
4.如权利要求3所述的方法，其中估计所述多个节点(12)中的每个节点(12)处的 STEP包括对未来每个节点(12)的感测场(40)上的事件的位置不确定性进行整合。
5.如权利要求3所述的方法，其中估计所述多个节点(12)中的每个节点(12)处的 STEP包括使用递归参数估计器。
6.如权利要求5所述的方法，其中使用递归参数估计器包括使用Kalman滤波器和粒子滤波器之一。
7.如权利要求5所述的方法，进一步包括利用所述多个节点(12)中的第一节点(12) 接收或监听来自所述多个节点(12)中的第二节点(12)的分组，所述分组包括事件的测量结果。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括通过使用所述事件的测量结果更新所述递归参数估计器来估计第一节点(12)处的新的STEP。
9.如权利要求7所述的方法，进一步包括在测量结果不处于事件的所预测不确定区域内时初始化递归参数估计器的新实例。
10.如权利要求7所述的方法，进一步包括在其间第一节点(12)没有接收或监听到包括事件的新测量结果的分组的预定义时间段之后终止所述递归参数估计器的实例。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一节点(12)的通信调度响应于所述递归参数估计器的实例的终止而被适配为最低负载循环。
12.如权利要求1所述的方法，其中对每个节点(12)的通信调度进行适配包括调节每个节点(12)的无线电设备(24)的负载循环。
13.如权利要求12所述的方法，其中调节每个节点(12)的无线电设备(24)的负载循环包括确定每个节点(12)属于事件的所预测不确定区域的哪个概率子空间。
14.如权利要求12所述的方法，其中调节每个节点(12)的无线电设备(24)的负载循环包括指数地改变每个无线电设备(24 )所使用的帧长度。
15.如权利要求1所述的方法，进一步包括传送包括专用字段的分组，所述专用字段包括指示传送所述分组的节点(12)当前是否感测到事件的第一比特。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述专用字段还包括指示传送所述分组的节点 (12)当前是否正在传输事件相关数据的第二比特。
17.包括多个指令的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，当被第一节点(12) 的处理器所执行时，所述指令使得所述处理器预测未来在第一节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件；并且响应于该预测而对第一节点(12)的通信调度进行适配，所述通信调度控制第一节点(12)对多个节点(12)之间所共享的通信介质的访问。
18.如权利要求17所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中预测未来在第一节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件包括预测未来第一节点(12)的摄像机 (20)是否将观察到感兴趣的对象(16)。
19.如权利要求17所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中预测未来在第一节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件包括估计第一节点(12)处的时空事件概率(STEP)。
20.如权利要求19所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中估计第一节点(12)处的STEP包括对第一节点(12)的感测场(40)上的事件的位置不确定性进行整I=I O
21.如权利要求19所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中估计所述第一节点(12)处的STEP包括使用递归参数估计器。
22.如权利要求21所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中使用递归参数估计器包括使用Kalman滤波器和粒子滤波器之一。
23.如权利要求21所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述多个指令进一步使得所述处理器接收或监听来自所述多个节点(12)中的第二节点(12)的分组，所述分组包括事件的测量结果。
24.如权利要求23所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述多个指令进一步使得所述处理器通过使用所述事件的测量结果更新所述递归参数估计器来估计第一节点(12)处的新的STEP。
25.如权利要求23所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述多个指令进一步使得所述处理器在测量结果不处于事件的所预测不确定区域内时初始化递归参数估计器的新实例。
26.如权利要求23所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述多个指令进一步使得所述处理器在其间第一节点(12)没有接收或监听到包括事件的新测量结果的分组的预定义时间段之后终止所述递归参数估计器的实例。
27.如权利要求沈所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述第一节点(12)的通信调度响应于所述递归参数估计器的实例的终止而被适配为最低负载循环。
28.如权利要求17所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中对第一节点(12)的通信调度进行适配包括调节第一节点(12)的无线电设备(24)的负载循环。
29.如权利要求观所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中调节第一节点(12)的无线电设备(24)的负载循环包括确定第一节点(12)属于事件的所预测不确定区域的哪个概率子空间。
30.如权利要求观所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中调节第一节点(12)的无线电设备(24)的负载循环包括指数地改变第一节点(12)的无线电设备(24) 所使用的帧长度。
31.如权利要求17所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述多个指令进一步使得所述处理器传送包括专用字段的分组，所述专用字段包括指示第一节点 (12)当前是否感测到事件的第一比特。
32.如权利要求31所述的一个或多个有形、非暂时的计算机可读介质，其中所述专用字段进一步包括指示第一节点(12)当前是否正在传输事件相关数据的第二比特。
33.一种无线传感器网络，包括多个节点(12)，每个节点(12)包括控制电路(22)以及提供对所述多个节点(12)之间所共享的通信介质的访问的无线电设备(24)，每个节点(12)的控制电路(22)被配置为(i) 预测未来在该节点(12)的感测场(40)内是否将发生事件，并且(ii)响应于所述预测而对该节点(12)的无线电设备(24)的负载循环进行调节。
34.如权利要求33所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)包括摄像机(20)，并且每个节点(12)的控制电路(22)被配置为预测未来该节点(12)的摄像机(20)是否将观察到感兴趣的对象(16)。
35.如权利要求33所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被配置为通过估计该节点(12)处的时空事件概率(STEP)来预测未来在该节点(12)的感测场 (40)内是否将发生事件。
36.如权利要求35所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被配置为通过对该节点(12)的感测场(40)上的事件的位置不确定性进行整合而估计该节点 (12 )处的时空事件概率(STEP )。
37.如权利要求35所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被配置为使用递归参数估计器估计该节点(12)处的时空事件概率(STEP)。
38.如权利要求37所述的无线传感器网络，其中所述递归参数估计器包括Kalman滤波器和粒子滤波器之一。
39.如权利要求37所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被进一步配置为经由无线电设备(24)接收或监听来自所述多个节点(12)中的另一节点(12)的分组，所述分组包括事件的测量结果。
40.如权利要求39所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被进一步配置为通过使用所述事件的测量结果更新所述递归参数估计器来估计该节点(12)处的新的STEP。
41.如权利要求39所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被进一步配置为在测量结果不处于事件的所预测不确定区域内时初始化递归参数估计器的新实例。
42.如权利要求39所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被进一步配置为在其间该节点(12)没有接收或监听到包括事件的新测量结果的分组的预定义时间段之后终止所述递归参数估计器的实例。
43.如权利要求42所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被进一步配置为响应于所述递归参数估计器的实例的终止而将该节点(12)的无线电设备(24) 的负载循环调节为最低负载循环。
44.如权利要求33所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被配置为通过确定该节点(12)属于事件的所预测不确定区域的哪个概率子空间来调节该节点 (12)的无线电设备(24)的负载循环。
45.如权利要求33所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被配置为通过指数地改变该节点(12)的无线电设备(24)所使用的帧长度来调节该节点(12)的无线电设备(24)的负载循环。
46.如权利要求33所述的无线传感器网络，其中每个节点(12)的控制电路(22)被进一步配置为经由无线电设备(24)传送包括专用字段(40)的分组，所述专用字段包括指示该节点(12)当前是否感测到事件的第一比特。
47.如权利要求46所述的无线传感器网络，其中所述专用字段进一步包括指示该节点(12)当前是否正在传输事件相关数据的第二比特。
全文摘要
公开了一种用于控制多个节点(12)对共享通信介质的访问的方法的实施例。所述方法可以包括对所述多个节点(12)中的每个节点(12)预测未来在该节点的感测场(40)内是否将发生事件，并且响应于与该节点(12)相关的预测对每个节点(12)的通信调度进行适配。还公开了实施用于控制多个节点(12)对共享通信介质的访问的方法的实施例的无线传感器网络(10)和计算机可读介质。
文档编号G01R31/08GK102356327SQ201080010958
公开日2012年2月15日 申请日期2010年8月20日 优先权日2009年8月20日
发明者卡克 A., 伊瓦基 H., 帕克 J., 辛 J., 小坂明生 申请人:奥林巴斯株式会社, 普渡研究基金会
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