專利名稱：用于事件驅動的無線傳感器網絡的預測性負載循環適配方案的制作方法
技術領域：
本公開總體上涉及事件驅動的無線傳感器網絡的介質訪問控制協議。更具體地， 本公開涉及采用預測性負載循環(duty cycle)適配方案的介質訪問控制協議。
背景技術：
無線傳感器網絡(WSN)是一組傳感器節點一每個傳感器節點典型地配備有感測、 信息處理和無線通信能力一其被部署在一個區域中以協同監視物理或環境條件。例如，WSN 中用于被動環境監視的節點致力于進行感測測量(例如，溫度、壓力、光強度等)，所述感測測量可以被收集并經由通過多跳通信的中繼被報告給遠程主機。例如，稱作“事件驅動的 (event-driven)"WSN的較新類型WSN典型地被部署為檢測并追蹤感興趣的事件，諸如目標追蹤應用中的人或其它對象。事件驅動的WSN的特異性特征在于在事件附近所發生的空間相關的突發業務，其可能具有強移動性。在這樣的網絡中，在連續的基礎上通過移動目標觸發器，在新的節點對之間發起新的通信鏈路以及新的路由路徑而大量產生事件。事件驅動 WSN的一個說明性示例為無線攝像機網絡(WCN)，其很好地表征了該類型。WSN的節點對共享無線通信介質的訪問通常通過介質訪問控制(MAC)協議進行仲裁。WSN和MAC協議的設計人員典型地試圖使得節點的壽命和網絡的性能都能最大化(例如，網絡中的延遲最小化以及吞吐量最大化)。在各種MAC技術中，控制每個節點的通信無線電設備(radio)的負載循環通常被認為是節約能量由此增加每個節點的壽命的最為有效的方式之一。通過在休眠和活動模式之間交替以及通過僅在活動模式期間傳送數據，節點能夠避免不必要的能量消耗。然而，改變節點的負載循環直接影響到節點處的通信延遲。結果，使得延遲和能量消耗二者最小化的嘗試涉及到基本的折衷。已經提出了各種方法對這種折衷進行平衡。除了靜態負載循環控制方案之外，所提出的一些方法采用了自適應或動態的負載循環控制方案，其中節點的負載循環適配基于感興趣事件(通常在節點的當前業務條件方面進行定義)的檢測。特別為事件驅動的WSN所設計的一些MAC協議試圖通過去除分組之間的冗余或者采用多個信道而使得所有事件觸發消息或其子集的延遲最小化，但是這些努力仍然僅能夠在感興趣事件實際發生之后才能進行。這些現有的負載循環適配方案都是被動的，因此在相同的通信鏈路或路由路徑被反復重新使用時，甚至在事件附近(即，在之前已經對整個路徑或鏈路調節過通信參數的條件下)工作最佳，該條件通常被意在用于被動環境監視的WSN所滿足。然而，由于新事件檢測和MAC協議對該事件的反應之間的內在延遲，特別是在事件的移動性強時，這些基于反應適配的方法在事件驅動的WSN中普遍的條件下工作不佳，導致了事件驅動的WSN在延遲和能量節約兩方面的次優性能。以上所提到的MAC協議和相關技術在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。以上所列出每篇參考文獻的全部公開內容通過引用明確地結合于此。該列舉并非意在表示已經進行所有相關現有技術的完全搜索或者表示不存在比以上所列出的那些更好的參考文獻，也不應當推斷出任何這樣的表
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發明內容
本發明包括所附權利要求中所記載的一個或多個特征，和/或以下可以單獨或以任意組合包括可專利主題的特征。根據一個方面，一種用于控制多個節點對共享通信介質的訪問的方法包括對所述多個節點中的每個節點預測未來在該節點的感測場內是否將發生事件，并且響應于與該節點相關的預測而對每個節點的通信調度(schedule)進行適配。在一些實施例中，預測未來在每個節點的感測場內是否將發生事件可以包括預測未來每個節點的攝像機是否將觀察到感興趣的對象。在其它實施例中，預測未來在每個節點的感測場內是否將發生事件可以包括估計所述多個節點中的每個節點處的時空事件概率(STEP)。估計所述多個節點中的每個節點處的STEP可以包括對未來每個節點的感測場上的事件的位置不確定性進行整合(integrate)。在其它實施例中，估計所述多個節點中的每個節點處的STEP可以包括使用遞歸參數估計器。使用遞歸參數估計器可以包括使用Kalman濾波器和粒子濾波器之一。所述方法可以進一步包括利用所述多個節點中的第一節點接收或監聽(overhear)來自所述多個節點中的第二節點的分組，所述分組包括事件的測量結果。所述方法可以進一步包括通過使用所述事件的測量結果更新所述遞歸參數估計器來估計第一節點處新的STEP。所述方法可以進一步包括在測量結果不處于事件的所預測不確定區域內時初始化遞歸參數估計器的新實例。所述方法可以進一步包括在其間第一節點沒有接收或監聽到包括事件的新的測量結果的分組的預定義時間段之后終止所述遞歸參數估計器的實例。所述第一節點的通信調度可以響應于所述遞歸參數估計器的實例的終止而被適配為最低負載循環。 在再其它的實施例中，對每個節點的通信調度進行適配可以包括調節每個節點的無線電設備的負載循環。調節每個節點的無線電設備的負載循環可以包括確定每個節點屬于事件的所預測不確定區域的哪個概率子空間。調節每個節點的無線電設備的負載循環可以包括指數地改變每個無線電設備所使用的幀長度。在一些實施例中，所述方法可以進一步包括傳送包括專用字段的分組，所述專用字段包括指示傳送所述分組的節點當前是否感測到事件的第一比特。所述專用字段還可以包括指示傳送所述分組的節點當前是否正在傳輸事件相關數據的第二比特。根據另一方面，包括多個指令的有形、非暫時的一個或多個計算機可讀介質，當被第一節點的處理器所執行時，所述指令使得所述處理器預測未來在第一節點的感測場內是否將發生事件，并且響應于該預測對第一節點的通信調度進行適配，所述通信調度控制第一節點對多個節點之間所共享的通信介質的訪問。在一些實施例中，預測未來在第一節點的感測場內是否將發生事件可以包括預測未來第一節點的攝像機是否將觀察到感興趣的對象。在其它實施例中，預測未來在第一節點的感測場內是否將發生事件可以包括估計第一節點處的時空事件概率(STEP)。估計第一節點處的STEP可以包括對第一節點的感測場上的事件的位置不確定性進行整合。在其它實施例中，估計所述第一節點處的STEP可以包括使用遞歸參數估計器。使用遞歸參數估計器可以包括使用Kalman濾波器和粒子濾波器之一。所述多個指令可以進一步使得所述處理器接收或監聽來自所述多個節點中的第二節點的分組，所述分組包括事件的測量結果。所述多個指令可以進一步使得所述處理器通過使用所述事件的測量結果更新所述遞歸參數估計器來估計第一節點處的新的STEP。所述多個指令可以進一步使得所述處理器在測量結果不處于事件的所預測不確定區域內時初始化遞歸參數估計器的新實例。 所述多個指令可以進一步使得所述處理器在其間第一節點沒有接收或監聽到包括事件的新的測量結果的分組的預定義時間段之后終止所述遞歸參數估計器的實例。所述第一節點的通信調度可以響應于所述遞歸參數估計器的實例的終止而被適配為最低負載循環。在再其它的實施例中，對第一節點的通信調度進行適配可以包括調節第一節點的無線電設備的負載循環。調節第一節點的無線電設備的負載循環可以包括確定第一節點屬于事件的所預測不確定區域的哪個概率子空間。調節第一節點的無線電設備的負載循環可以包括指數地改變第一節點的無線電設備所使用的幀長度。所述多個指令可以進一步使得所述處理器傳送包括專用字段的分組，所述專用字段包括指示第一節點當前是否感測到事件的第一比特。所述專用字段可以進一步包括指示第一節點當前是否正在傳輸事件相關數據的第二比特。根據又另一個方面，一種無線傳感器網絡包括多個節點，每個節點包括控制電路以及提供對所述多個節點之間所共享的通信介質的訪問的無線電設備，每個節點的控制電路被配置為(i)預測未來在該節點的感測場內是否將發生事件，并且(ii)響應于所述預測對該節點的無線電設備的負載循環進行調節。在一些實施例中，每個節點可以包括攝像機，并且每個節點的控制電路可以被配置為預測未來該節點的攝像機是否將觀察到感興趣的對象。在其它實施例中，每個節點的控制電路可以被配置為通過估計該節點處的時空事件概率(STEP)來預測未來在該節點的感測場內是否將發生事件。每個節點的控制電路可以被配置為通過對該節點的感測場上的事件的位置不確定性進行整合而估計該節點處的時空事件概率(STEP)。在其它實施例中，每個節點的控制電路可以被配置為使用遞歸參數估計器估計該節點處的時空事件概率(STEP)。所述遞歸參數估計器可以為Kalman濾波器和粒子濾波器之一。每個節點的控制電路可以被進一步配置為經由無線電設備接收或監聽來自所述多個節點中的另一節點的分組，所述分組包括事件的測量結果。每個節點的控制電路可以被進一步配置為通過使用所述事件的測量結果更新所述遞歸參數估計器而估計該節點處的新的STEP。每個節點的控制電路可以被進一步配置為在測量結果不處于事件的所預測不確定區域內時初始化遞歸參數估計器的新實例。每個節點的控制電路可以被進一步配置為在其間該節點沒有接收或監聽到包括事件的新的測量結果的分組的預定義時間段之后終止所述遞歸參數估計器的實例。每個節點的控制電路可以被進一步配置為響應于所述遞歸參數估計器的實例的終止而將該節點的無線電設備的負載循環調節為最低負載循環。在再其它的實施例中，每個節點的控制電路可以被配置為通過確定該節點屬于事件的所預測不確定區域的哪個概率子空間來調節該節點的無線電設備的負載循環。每個節點的控制電路可以被配置為通過指數地改變該節點的無線電設備所使用的幀長度來調節該節點的無線電設備的負載循環。每個節點的控制電路可以被進一步配置為經由無線電設備傳送包括專用字段的分組，所述專用字段包括指示該節點當前是否感測到事件的第一比特。所述專用字段可以進一步包括指示該節點當前是否正在傳輸事件相關數據的第二比特。考慮到以下對例示出實現當前所給出發明的最佳模式的說明性實施例的詳細描述，單獨地或者與任意(一個或多個)其它特征相結合，包括以上所列出和權利要求中所列出特征的額外特征可以包括可專利主題并且對于本領域技術人員將是顯而易見的。
詳細描述特別參見附圖，其中
圖1圖示了示例性WCN中典型的基于集群的分布式視覺數據處理的狀態轉換圖； 圖2圖示了可以在示例性WCN中使用的基于無線攝像機的傳感器節點的一個實施例； 圖3A圖示了示例性WCN中的節點的部分重疊的通信范圍； 圖3B圖示了圖3A的示例性WCN的節點的部分重疊的感測場； 圖3C圖示了參與追蹤感興趣移動對象并且向基站傳送聚合數據的圖3A-B的示例性
WCN ；
圖4圖示了示例性WCN節點的MAC層和應用層28之間的交互； 圖5圖示了圖4的示例性WCN節點MAC層和應用層的狀態轉換圖； 圖6圖示了作為由近平面和遠平面所封閉的三維空間的針孔攝像機模型的視見平截頭體；
圖7A圖示了在初始時刻圖3的WCN中的示例性負載循環分布； 圖7B圖示了圖7A的示例性負載循環分布與圖3的WCN中的節點感測場的中心之間的關系；
圖7C圖示了在后續時刻圖3的WCN中的示例性負載循環分布； 圖8圖示了采用四個不同負載循環等級的示例性WCN的指數變化的幀長度； 圖9圖示了用于采用具有更高負載循環的新調度的示例性時間線； 圖IOA圖示了對采用根據本公開的說明性MAC協議、AMAC協議以及具有不同負載循環的四個TMAC協議的WCN在以不同采樣間隔下的平均每跳延遲進行比較的仿真的結果；
圖IOB圖示了對采用圖IOA的MAC協議的WCN在不同采樣間隔下的歸一化吞吐量進行比較的仿真的結果；
圖IOC圖示了對采用圖IOA的MAC協議的WCN在不同采樣間隔下的平均能耗進行比較的仿真的結果；
圖IlA圖示了對采用圖IOA的MAC協議的WCN針對每秒3米的平均目標速度在不同超時周期(timeout period)下的時限性(time-bounded)參數估計準確度(TIBPEA)進行比較的仿真的結果；
圖IlB圖示了對采用圖IOA的MAC協議的WCN針對每秒6米的平均目標速度在不同超時周期下的TIBPEA進行比較的仿真的結果。
具體實施例方式雖然本公開的概念易于受到各種修改和替換形式的影響，但是其特定示例性實施例已經通過示例在附圖中示出并且將在這里進行詳細描述。然而應當理解的是，并非意在將本公開的概念局限于所公開的特定形式，相反，其意在覆蓋落入如所附權利要求所限定的本發明的精神和范圍之內的所有修改、等同和替換形式。在以下描述中，可以給出諸如邏輯實施方式、操作代碼、指定操作數的手段、資源劃分/共享/復制實施方式、系統組件的類型和相互關系，以及邏輯劃分/集成選擇之類的許多特定細節，以便提供對本公開更為全面的理解。然而，本領域技術人員將要意識到的是，本公開的實施例可以在沒有這些特定細節的情況下進行實踐。在其它實例中，沒有詳細示出控制結構、門級電路以及完整的軟件指令序列，以避免對本發明造成混淆。本領域技術人員利用所包括的描述將能夠實施適當的功能而無需過度實驗。所公開系統和方法的實施例可以以硬件、固件、軟件或者其任意組合來實現。例如，所公開系統和方法的實施例可以被實現為存儲在一個或多個有形的(tangible)機器可讀媒體上的指令，其可以被一個或多個處理器所讀取和執行。有形的機器可讀媒體可以包括用于以機器(例如，處理器)可讀的形式存儲或傳送信息的任意機制。有形的機器可讀媒體可以說明性地包括只讀存儲器(ROM)、隨機存取存儲器(RAM)、磁盤存儲、光存儲、閃存和 /或其它類型的存儲器設備。本公開描述了一種特別為事件驅動的WSN所設計的預測性負載循環適配(PDCA) 方案。而現有的方法被動(即反應性地)根據當前所經歷的網絡條件對節點的負載循環進行適配，目前所公開的PDCA方案通過預測即將在節點感測場內將發生感興趣事件的可能性來主動對每個節點處的負載循環進行適配。該可能性在這里被稱作節點處的“時空事件概率”(STEP)。采用該PDCA方案的WSN允許預期突發業務的節點在通信業務實際增長之前改變其通信協議參數(由此降低跨網絡的整體延遲)。目前所公開的PDCA方案為每個節點給予了通過其相鄰節點檢測正在進行的事件的能力，將每個節點的有效感測場擴展為還包括其通信鄰節點的感測場。在一些實施例中， 如以下更為詳細解釋的，這可以借助于從相鄰節點所接收分組的報頭中的1比特或2比特字段來實現。依據該PDCA方案，當節點正在經歷事件時，則其相鄰節點(即使在并不直接經歷相同事件時)獲知所述事件。因此，如果經歷事件的節點能夠預測其哪些相鄰節點接下來將會經歷相同事件，那些鄰節點就能夠在所述事件實際到來之前改變其協議參數。在一個說明性實施例中，使用嵌入MAC層之中的基于Kalman濾波器的追蹤算法來實現該預測，從而允許每個節點利用僅一個或兩個比特的額外通信開銷來在概率上(probabilistically) 定位當前正在發生的事件。在該PDCA方案中，可以以完全分布式的方式在每個節點處執行感興趣事件的遞歸估計和預測。此外，所提出的PDCA方案允許網絡中的不同節點以不同負載循環進行工作，產生多樣的節點調度。為了避免相鄰節點之間非重疊活動周期所帶來的任意問題，可以在PDCA方案中包括允許每個節點僅基于它們相應調度的知識來計算其被允許向其相鄰節點傳送消息的時刻的機制(即，并不借助于額外的消息交換)。在詳細描述用于MAC協議參數的重新配置的這種預測性方法之前，本公開首先研究事件驅動的WSN的幾種唯一特征。以下還在目標追蹤的背景下(利用與已知的TMAC和AMAC協議的性能比較) 給出了采用PDCA方案的WCN的一個說明性實施例的仿真的性能估計。事件驅動的WSN與更為傳統的WSN的區別在于網絡環境中發生的事件可能導致無線電廣播業務在所述事件附近的節點之間突然增多。為了實時(在一些情況下，協作地)處理所感測數據并且避免丟失任何事件相關信息，事件驅動的WSN的節點應當能夠快速改變其通信協議參數(例如，在負載循環內)。由于每個單獨節點的有限計算功率和感測能力，事件驅動的WSN中的傳感器節點通常彼此協作以便檢測感興趣的事件并且估計其各種屬性。 該特征可能與更為傳統的WSN的節點有所差別，其中每個節點獨立獲得標量測量結果并簡單地在網絡中進行聚合以便去除數據傳輸中的冗余。更為傳統的WSN的一個示例是被設計用于監視空氣質量環境的無線網絡。另一方面，無線攝像機網絡(WCN)是事件驅動的WSN的說明性示例。在說明性的WCN中，節點不僅可以被調用來檢測環境中人或其它對象的存在， 而且還用來跟隨所檢測的人或對象的移動。
在所述說明性WCN (或其它事件驅動的WSN)中，諸如對象檢測和追蹤之類的任務可能會涉及超出任意單個節點的處理器能力的計算。如題為“Clustering Protocol for Directional Sensor Networks”的當前未決的美國專利申請公開No. 2010/0073686 (其全部內容通過引用結合于此)中所描述的，這樣的計算可能要求適當算法的基于集群的、分布式實施方式。如其中所描述的，用于這種協作處理的集群典型地由能夠捕捉與事件相關的一些感應信息的節點所構成。協作計算通常涉及集群內的密集消息交換，導致以頻繁分組沖突為特征的高度突發的通信(除非及時地改變通信協議參數)，其導致能量浪費以及傳送關鍵數據失敗。圖1中所示的狀態轉換圖給出了在WCN的一個說明性實施例中當協作追蹤對象時可能執行的各種計算步驟的概要。事件驅動的WSN還具有所要求的服務質量(QoS)要求。事件驅動的WSN的用途主要是檢測感興趣的事件并且及時地執行事件特定的任務。回到說明性的WCN，其出于監視的目的而大面積部署，及時地對終端用戶的事件信息傳輸可以要求與整個網絡的通信相關的特定QoS。WSN還可以從節點協作解決問題的集群通信的角度來要求適當的QoS量度。由于單獨節點的資源受限的屬性，通過簡單地過度供應(over-provisioning)節點實現高的 QoS以使得它們能夠迎合預期的峰值業務對于WSN而言通常是不切實際的。同樣，簡單地減小節點的負載循環在WSN中通常也不是可行的解決方案，原因在于這會對QoS帶來不利的影響。如以下所更為詳細描述的，可以使用各種QoS量度來將現有技術的被動負載循環適配方案與采用這里所給出的PDCA方案的WCN的說明性實施例進行比較。目前所公開的PDCA方案通過對將要經歷可能會導致高通信業務的感興趣事件的節點的負載循環進行主動調節而專注于事件驅動的WSN的獨特特征。如這里所使用的，節點的“負載循環”是指所述節點的無線電設備在一個周期中(與所述周期的整個持續時間相比)被喚醒的持續時間的比率。對于本領域技術人員顯而易見的是，在節點處實際發生事件之前過分增大負載循環可能會導致能量浪費，而等到事件已經到達之后再增大負載循環則會無法及時地進行關鍵分組的傳輸，這可能會增加延遲。目前所公開的PDCA方案通過根據節點即將經歷感興趣事件的可能性(即，節點處的“時空事件概率”(STEP)，其將在以下更為詳細地進行描述)主動對節點的負載循環進行適配來對這兩種重要但并非互補的目標(即，高能量效率和低通信延遲)進行平衡。應當意識到的是，“事件”的確切定義將取決于WSN所要投放的應用。此外，一些應用可能會要求定義多種事件類型。例如，在對象檢測和追蹤應用的說明性背景下，“事件”可以被定義為存在感興趣對象(例如，步行者)。換句話說，如果在節點處發生事件，則在所述節點的感測場內存在感興趣對象。所述PDCA方案在節點可能即將經歷事件的情況下增大節點處的負載循環，否則就減小負載循環。換句話說，如以下更為詳細描述的，所述PDCA方案在節點處的 STEP增高的情況下增大節點的負載循環，在STEP降低的情況下適當減小負載循環。圖2中圖示了可以在本公開的說明性WCN 10中采用的若干(一個或多個)基于攝像機的無線傳感器節點12，其對(以方向18進行移動的)感興趣對象16進行追蹤。每個節點12可以說明性地包括圖像傳感器20、微處理器和存儲器電路22，以及通信模塊24。在其它實施例中，節點12外部的計算設備(典型地包括微處理器、存儲器和通信電路)可以從(一個或多個)圖像傳感器20接收原始圖像數據并對其進行處理。圖像傳感器20可以說明性地包括CXD攝像機、CMOS攝像機和/或任意其它適當替換形式。通信模塊M可以在MAC層
12上包括具有無線通信能力的無線電設備。每個節點12的圖像傳感器20可以捕捉原始圖像并且將所述原始圖像傳送到電路22的相關聯微處理器。電路22的微處理器接著可以(基于嵌入在應用層中的過程)執行一系列任務，其包括(a)將圖像傳感器20所捕捉的圖像存儲在電路22的存儲器中，(b)處理所存儲的圖像以檢測事件并生成與所存儲圖像中的此類事件相關聯的分析數據(例如，檢測對象16的存在)，(c)控制相關聯的通信模塊M (基于其通信調度)向MAC層上的相鄰節點12傳送信息或從其接收信息，以及(d)控制節點12的整體功能，但是并不局限于此。WCN 10的一個說明性實施例包括一組隨機部署的節點12(分別標記為12A — 12H) 以及總體上從圖3A-C中的頂部示圖中所示出的基站或“匯聚(sink)”14。在該說明性實施例中，節點12的事件可以被定義為在節點12的感測場內存在感興趣對象16。也可以預期 WCN 10具有針對圖3A-C所示的替換拓撲的其它實施例。節點12的部分重疊的通信范圍在圖3A中被指示為虛線圈，而節點12、14的部分重疊的感測場則在圖:3B中被指示為虛線矩形。圖3C圖示了對感興趣對象16 (其可被節點集群看到并且以方向18進行移動)進行追蹤并且通過(沿虛線箭頭所指示的路由路徑的)多跳通信向基站14傳送集群內所聚合的數據。如圖3C所示，節點12E、12F目前能夠看到對象16并且主動參與集群數據聚合(即， 節點12E、12F正在經歷事件)。因此，節點12E、12F的負載循環被設置為足夠高的值(例如， 最大負載循環)。由于(因為基于其在方向18的當前運動所預期的對象16的未來狀態)節點12A、12B可能很快感測到對象16，所以節點12A、12B的負載循環也可以有所增大以便在對象16實際變為可見之前在這些節點處實現低延遲條件。節點12B、12C、12D、12H主動參與向基站14傳送聚合數據。因此，節點12B、12C、12D、12H的負載循環也被設置為足夠高的值(例如，最大負載循環)，從而包含與對象16相關的信息的分組能夠被快速可靠地傳送至基站14。最后，剩余節點12G相對遠離感興趣事件，并且PDCA方案相應地減小節點12G的負載循環。當在節點12發生感興趣事件時，所述PDCA方案向節點12的通信鄰節點通知所述事件，以便對可能到來的無線電業務增加進行準備。在一個說明性實施例中，當前檢測到事件的節點12可以通過在其所傳送分組的MAC報頭中設置專用比特來就所述事件的發生警告其通信鄰節點。這樣的專用比特在這里是指顯式事件通知(EEN)比特。還預見到在可替換實施例中，可以在MAC報頭中使用專用的2比特字段。除了 EEN比特之外，這樣的可替換實施還可以包括顯式事件路由通知(EERN)比特，其被用來指示傳送所述分組報頭的節點 12當前是否正在傳輸事件相關數據。由于MAC層協議通常并不負責獲取直接的傳感器測量結果，所以PDCA方案提供了到應用層的接口，所述接口允許其通知MAC層應當在感興趣事件處于節點12的感測場內時設置所有外出分組的EEN比特(并且在采用專用的2比特字段的可替換實施例中，應當在節點12傳送事件相關數據時設置所有外出分組的EERN比特)。針對一個節點12的MAC層沈和應用層28之間的交互的概要總體上在圖4中進行圖示。節點12的應用層28通知MAC層沈是否已經在節點12的感測場中檢測到事件， 從而MAC層沈可以在其傳送的分組中設置或取消設置(unset)報頭的EEN比特。同時，如果任意相鄰節點12檢測到事件，這樣的相鄰節點12也以MAC層沈所接收分組的報頭中設置的EEN比特的形式向節點12通知所述事件。如以下更為詳細解釋的，節點12可以基于其所接收的EEN比特是被設置還是被取消設置來預測其是否即將經歷事件。如果預測出將在節點12的感測場中發生事件，則嫩(層沈可以(關于其無線電設備的負載循環)對節點 12的通信調度進行適配，以便以更為高效的方式與相鄰節點12進行通信。該說明性實施例中節點12的MAC層沈和應用層28的詳細狀態轉換圖在圖5中示出。應用層觀具有兩種可能狀態空閑狀態30和感測狀態32。在WCN 10開始操作之前，應用層觀處于空閑狀態30。一旦WCN 10開始操作，應用層觀的狀態就轉換至感測狀態32 (以下參考算法2更為詳細地描述)。在感測狀態32中，節點12的應用層觀試圖檢測其感測場中的事件。如果檢測到感興趣事件，則節點12的應用層觀通知節點12的MAC 層26設置其EEN比特(以下參考算法1更為詳細地描述)。MAC層沈也具有兩種可能狀態空閑狀態34和追蹤狀態36。在節點12的MAC 層沈被其自己的應用層觀或者相鄰節點12經由所設置的EEN比特通知了檢測到事件之前，MAC層沈都處于空閑狀態34。一旦MAC層沈接收到事件通知，所述狀態就改變為追蹤狀態36。在追蹤狀態36中，MAC層沈使用節點12處的STEP執行即將檢測到事件的預測。基于即將在節點12的感測場中發生事件的可能性，MAC層沈對節點12的通信調度進行適配。換句話說，MAC層沈基于節點12處的STEP對其無線電設備的負載循環進行改善 (refine)，以使得以WCN 10有所減少的能量消耗高效進行與相鄰節點12的通信。MAC層 26的這些操作以下將參考算法3 - 5更為詳細地進行描述。應當注意的是，圖5中的標記 Al-1, Al-2，···，A4-4表示以下算法1 一4中所描述的操作。當節點12接收或監聽到設置了 EEN比特的分組時，節點12能夠“間接感測”到感興趣事件(而無需使用其自己的感測器“直接”感測所述事件)。在一些實施例中，接收節點 12可以以相關聯的不確定量假設事件位于傳送節點12的感測場的中心，由該傳送節點的感測場的區域近似。再次參見WCN 10的說明性實施例(現在參見圖6)，每個無線攝像機節點12的感測場可以被定義為視見平截頭體40，其中可以在成像平面42中利用可接受的銳聚焦來感知對象。視見平截頭體40以從攝像機內的光學中心46所輻射的邊44以及表示可接受銳聚焦極限的近平面48和遠平面50作為邊界。一旦視見平截頭體40已經被標識， 就可以找到感測場的中心52。以上述方式定位事件為接收具有所設置EEN比特的分組的每個節點12提供了 “擴展的感測場”。本領域技術人員將會意識到，所述EEN比特的功能類似于TCP/IP中典型使用的一般形式的顯式擁塞通知(ECN)。這種間接感測類型的事件檢測可以被作為到Kalman濾波器(KF)的輸入。使用基于KF的事件追蹤的WCN 10的說明性實施例中每個節點12所執行的狀態估計過程如算法1中的偽代碼所概括。
權利要求
1.一種用于控制多個節點(12)對共享通信介質的訪問的方法，所述方法包括對所述多個節點(12)中的每個節點(12)預測未來在該節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件；并且響應于與該節點(12)相關的預測而對每個節點(12)的通信調度進行適配。
2.如權利要求1所述的方法，其中預測未來在每個節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件包括預測未來每個節點(12)的攝像機(20)是否將觀察到感興趣的對象(16)。
3.如權利要求1所述的方法，其中預測未來在每個節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件包括估計所述多個節點(12)中的每個節點(12)處的時空事件概率(STEP)。
4.如權利要求3所述的方法，其中估計所述多個節點(12)中的每個節點(12)處的 STEP包括對未來每個節點(12)的感測場(40)上的事件的位置不確定性進行整合。
5.如權利要求3所述的方法，其中估計所述多個節點(12)中的每個節點(12)處的 STEP包括使用遞歸參數估計器。
6.如權利要求5所述的方法，其中使用遞歸參數估計器包括使用Kalman濾波器和粒子濾波器之一。
7.如權利要求5所述的方法，進一步包括利用所述多個節點(12)中的第一節點(12) 接收或監聽來自所述多個節點(12)中的第二節點(12)的分組，所述分組包括事件的測量結果。
8.如權利要求7所述的方法，進一步包括通過使用所述事件的測量結果更新所述遞歸參數估計器來估計第一節點(12)處的新的STEP。
9.如權利要求7所述的方法，進一步包括在測量結果不處于事件的所預測不確定區域內時初始化遞歸參數估計器的新實例。
10.如權利要求7所述的方法，進一步包括在其間第一節點(12)沒有接收或監聽到包括事件的新測量結果的分組的預定義時間段之后終止所述遞歸參數估計器的實例。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述第一節點(12)的通信調度響應于所述遞歸參數估計器的實例的終止而被適配為最低負載循環。
12.如權利要求1所述的方法，其中對每個節點(12)的通信調度進行適配包括調節每個節點(12)的無線電設備(24)的負載循環。
13.如權利要求12所述的方法，其中調節每個節點(12)的無線電設備(24)的負載循環包括確定每個節點(12)屬于事件的所預測不確定區域的哪個概率子空間。
14.如權利要求12所述的方法，其中調節每個節點(12)的無線電設備(24)的負載循環包括指數地改變每個無線電設備(24 )所使用的幀長度。
15.如權利要求1所述的方法，進一步包括傳送包括專用字段的分組，所述專用字段包括指示傳送所述分組的節點(12)當前是否感測到事件的第一比特。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述專用字段還包括指示傳送所述分組的節點 (12)當前是否正在傳輸事件相關數據的第二比特。
17.包括多個指令的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，當被第一節點(12) 的處理器所執行時，所述指令使得所述處理器預測未來在第一節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件；并且響應于該預測而對第一節點(12)的通信調度進行適配，所述通信調度控制第一節點(12)對多個節點(12)之間所共享的通信介質的訪問。
18.如權利要求17所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中預測未來在第一節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件包括預測未來第一節點(12)的攝像機 (20)是否將觀察到感興趣的對象(16)。
19.如權利要求17所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中預測未來在第一節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件包括估計第一節點(12)處的時空事件概率(STEP)。
20.如權利要求19所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中估計第一節點(12)處的STEP包括對第一節點(12)的感測場(40)上的事件的位置不確定性進行整I=I O
21.如權利要求19所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中估計所述第一節點(12)處的STEP包括使用遞歸參數估計器。
22.如權利要求21所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中使用遞歸參數估計器包括使用Kalman濾波器和粒子濾波器之一。
23.如權利要求21所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述多個指令進一步使得所述處理器接收或監聽來自所述多個節點(12)中的第二節點(12)的分組，所述分組包括事件的測量結果。
24.如權利要求23所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述多個指令進一步使得所述處理器通過使用所述事件的測量結果更新所述遞歸參數估計器來估計第一節點(12)處的新的STEP。
25.如權利要求23所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述多個指令進一步使得所述處理器在測量結果不處于事件的所預測不確定區域內時初始化遞歸參數估計器的新實例。
26.如權利要求23所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述多個指令進一步使得所述處理器在其間第一節點(12)沒有接收或監聽到包括事件的新測量結果的分組的預定義時間段之后終止所述遞歸參數估計器的實例。
27.如權利要求沈所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述第一節點(12)的通信調度響應于所述遞歸參數估計器的實例的終止而被適配為最低負載循環。
28.如權利要求17所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中對第一節點(12)的通信調度進行適配包括調節第一節點(12)的無線電設備(24)的負載循環。
29.如權利要求觀所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中調節第一節點(12)的無線電設備(24)的負載循環包括確定第一節點(12)屬于事件的所預測不確定區域的哪個概率子空間。
30.如權利要求觀所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中調節第一節點(12)的無線電設備(24)的負載循環包括指數地改變第一節點(12)的無線電設備(24) 所使用的幀長度。
31.如權利要求17所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述多個指令進一步使得所述處理器傳送包括專用字段的分組，所述專用字段包括指示第一節點 (12)當前是否感測到事件的第一比特。
32.如權利要求31所述的一個或多個有形、非暫時的計算機可讀介質，其中所述專用字段進一步包括指示第一節點(12)當前是否正在傳輸事件相關數據的第二比特。
33.一種無線傳感器網絡，包括多個節點(12)，每個節點(12)包括控制電路(22)以及提供對所述多個節點(12)之間所共享的通信介質的訪問的無線電設備(24)，每個節點(12)的控制電路(22)被配置為(i) 預測未來在該節點(12)的感測場(40)內是否將發生事件，并且(ii)響應于所述預測而對該節點(12)的無線電設備(24)的負載循環進行調節。
34.如權利要求33所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)包括攝像機(20)，并且每個節點(12)的控制電路(22)被配置為預測未來該節點(12)的攝像機(20)是否將觀察到感興趣的對象(16)。
35.如權利要求33所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被配置為通過估計該節點(12)處的時空事件概率(STEP)來預測未來在該節點(12)的感測場 (40)內是否將發生事件。
36.如權利要求35所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被配置為通過對該節點(12)的感測場(40)上的事件的位置不確定性進行整合而估計該節點 (12 )處的時空事件概率(STEP )。
37.如權利要求35所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被配置為使用遞歸參數估計器估計該節點(12)處的時空事件概率(STEP)。
38.如權利要求37所述的無線傳感器網絡，其中所述遞歸參數估計器包括Kalman濾波器和粒子濾波器之一。
39.如權利要求37所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被進一步配置為經由無線電設備(24)接收或監聽來自所述多個節點(12)中的另一節點(12)的分組，所述分組包括事件的測量結果。
40.如權利要求39所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被進一步配置為通過使用所述事件的測量結果更新所述遞歸參數估計器來估計該節點(12)處的新的STEP。
41.如權利要求39所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被進一步配置為在測量結果不處于事件的所預測不確定區域內時初始化遞歸參數估計器的新實例。
42.如權利要求39所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被進一步配置為在其間該節點(12)沒有接收或監聽到包括事件的新測量結果的分組的預定義時間段之后終止所述遞歸參數估計器的實例。
43.如權利要求42所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被進一步配置為響應于所述遞歸參數估計器的實例的終止而將該節點(12)的無線電設備(24) 的負載循環調節為最低負載循環。
44.如權利要求33所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被配置為通過確定該節點(12)屬于事件的所預測不確定區域的哪個概率子空間來調節該節點 (12)的無線電設備(24)的負載循環。
45.如權利要求33所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被配置為通過指數地改變該節點(12)的無線電設備(24)所使用的幀長度來調節該節點(12)的無線電設備(24)的負載循環。
46.如權利要求33所述的無線傳感器網絡，其中每個節點(12)的控制電路(22)被進一步配置為經由無線電設備(24)傳送包括專用字段(40)的分組，所述專用字段包括指示該節點(12)當前是否感測到事件的第一比特。
47.如權利要求46所述的無線傳感器網絡，其中所述專用字段進一步包括指示該節點(12)當前是否正在傳輸事件相關數據的第二比特。
全文摘要
公開了一種用于控制多個節點(12)對共享通信介質的訪問的方法的實施例。所述方法可以包括對所述多個節點(12)中的每個節點(12)預測未來在該節點的感測場(40)內是否將發生事件，并且響應于與該節點(12)相關的預測對每個節點(12)的通信調度進行適配。還公開了實施用于控制多個節點(12)對共享通信介質的訪問的方法的實施例的無線傳感器網絡(10)和計算機可讀介質。
文檔編號G01R31/08GK102356327SQ201080010958
公開日2012年2月15日 申請日期2010年8月20日 優先權日2009年8月20日
發明者卡克 A., 伊瓦基 H., 帕克 J., 辛 J., 小坂明生 申請人:奧林巴斯株式會社, 普渡研究基金會