專利名稱：流量自適應無線傳感器網絡mac協議的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于無線傳感器網絡的MAC協議，屬于MAC協議技術領域。
背景技術：
媒體介質訪問控帶(Medium Access Control，簡稱MAC)協議處于無線傳感器網絡 協議的底層部分，主要用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介，對傳感器網絡的性 能有較大影響，是保證無線傳感器網絡有效通信的關鍵網絡協議之一。無線傳感器網絡的 性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協議。針對不同方面的傳感器網絡應用，目前研究人員從不同方面提出了許多MAC協 議，因為在不同應用情況下，對MAC協議要求的側重不同，如在家庭控制、醫(yī)療護理和工業(yè) 監(jiān)測應用中不需要很高的帶寬，需要的只是低延遲、低功耗；而如果使用現有的、過于復雜 的無線通信技術，將非常耗電，占用過多的計算和通信資源。無線傳感器網絡與應用高度相關，根據信道訪問策略的不同可分為競爭協議、調 度協議和混合MAC協議。競爭協議無須全局網絡信息，擴展性好、易于實現，但能耗大；調度 協議有節(jié)省優(yōu)勢和延時保障，但幀長度和調度難以調整，擴展性差，且時鐘同步要求高；混 合協議具有上述兩種MAC協議的優(yōu)點，但通常比較復雜，實現難度大。為了減少空閑偵聽時造成的能量浪費，在2000年的SMACS協議中提出了節(jié)點在既 不發(fā)送數據也不接收數據時，關掉無線電收發(fā)機來節(jié)省能量的思想。Wei如等提出的S-MAC 協議舊1基于一種周期性的監(jiān)聽和睡眠機制。引入自適應偵聽算法的S-MAC協議減少了監(jiān) 聽時間，降低了時延，但是沒有引入功率控制機制。此協議是一種基于競爭的協議，在負載 高的情況下，由于沖突的大量增加，將導致信道利用率顯著下降。分布式能量感知節(jié)點活動(Distributed Energy-Aware NodeActivation,DEANA) 協議為每個節(jié)點分配了固定的時隙用于數據的傳輸，與傳統(tǒng)的TDMA協議不同，在每個節(jié) 點的數據傳輸時隙前加入了短控制時隙，用于通知相鄰節(jié)點是否需要接收數據，如果不 需要就進入休眠狀態(tài)。DEANA協議的時間幀由多個傳輸時隙組成。每個傳輸時隙，又細 分為前部的“控制時隙”和后部的“數據傳輸時隙”。該協議通過節(jié)點激活多路訪問協議 (NodeActivationMultipleAccess, ΝΑΜΑ)控制節(jié)點的狀態(tài)轉換。如果一個節(jié)點的一跳相 鄰節(jié)點中有數據需要發(fā)送，則該節(jié)點在控制時隙被設置為接收狀態(tài)，如果被選為接收者，則 在數據傳輸時隙中繼續(xù)保持接收狀態(tài)，否則轉為休眠狀態(tài)；如果節(jié)點的一跳相鄰節(jié)點沒有 數據需要發(fā)送.那么該節(jié)點在整個傳輸時隙都進入休眠狀態(tài)；如果節(jié)點自身有數據要發(fā) 送.則進入發(fā)送狀態(tài)，在控制時隙中聲明接收的對象，在數據傳輸時隙中發(fā)送數據。DEANA 協議在節(jié)點得知不需要接收數據時，進入休眠狀態(tài)，從而能夠解決串音的問題，延長節(jié)點的 休眠時間。但是，它需要所有節(jié)點的時鐘同步，可擴展性差。Rhee等提出了一種混合機制的MAC協議Z. MAC (Zebra MAC)。Ζ. MAC將信道使用劃 為時間幀，使用CSMA作為基本機制，時隙的占有者只有數據發(fā)送的優(yōu)先權，其他節(jié)點也可 以在該時隙發(fā)送數據，當節(jié)點之間產生碰撞之后.時隙占有者的回退時間短，從而真正獲得時隙的信道使用權。Z. MAC使用競爭狀態(tài)標示來轉換MAC機制，節(jié)點在ACKs重復丟失和 碰撞回退頻繁的情況下，將由低競爭狀態(tài)轉為高競爭狀態(tài)，由CSMA機制轉為TDMA機制。可 以說，Z.MAC在低網絡負載下類似CSMA，在網絡進入高競爭的信道狀態(tài)之后類似TDMA。協 議達到即時的適應網絡負載變化的同時，TDMA和CSMA機制的互換會產生大量的能耗，對于 網絡負載的突發(fā)波動會造成網絡延遲問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有無線傳感器網絡MAC協議技術存在的不足，提供一種能夠有效降 低節(jié)點能耗，并能夠在競爭模式和TDMA模式平滑過渡的流量自適應無線傳感器網絡MAC協 議。本發(fā)明的流量自適應無線傳感器網絡MAC協議采用以下技術解決方案首先作以下假設①假設有一個外部的信標源實現了本地時鐘同步；②流量模式 的信息能夠獲得；具體包括以下方面(1)幀結構將幀結構分為競爭控制期和自適應時隙期，競爭控制期用于時隙的分配、時隙的 申請及退出、新節(jié)點加入申請以及時間同步信息的傳輸；競爭控制期采用分時槽的隨機競爭接入方式，在競爭控制期，任何節(jié)點都可能是 接收者，每個節(jié)點都必須一直偵聽信道，對于需要發(fā)送數據的節(jié)點采用分時槽的隨機競爭 接入方式在發(fā)送沖突產生時會退避，再重發(fā)；Rc定義為競爭控制期時長與無競爭控制期時長之比，Rc參數越大，競爭控制期出 現越頻繁，協議對于網絡拓撲建立等動態(tài)控制包的傳輸機會越大，協議的靈活性越大，但節(jié) 能效率則相反越低；Rc參數越小，競爭控制期出現越稀少，協議的靈活性越小，但節(jié)能效率 相對越高，因為受競爭期的過多空閑偵聽的影響越少；Rc是一個需要權衡的參數，需要根 據實際應用環(huán)境來設置；時隙與時隙之間加入轉換間隔補償，可以有效對時延進行補償，使協議對時間同 步的要求不是特別嚴格。(2)時隙結構將時隙分為控制窗口和數據傳輸窗口，控制窗口用于發(fā)送數據的節(jié)點向時隙的擁 有者通知是否有數據發(fā)送，如果一個時隙有多個節(jié)點要發(fā)送數據，則采取競爭機制，獲得數 據發(fā)送權的節(jié)點在數據傳輸窗口發(fā)送數據，如果在控制窗口無節(jié)點申請發(fā)送數據則時隙的 擁有者進入睡眠。(3)時隙擁有者僅接收數據的節(jié)能策略每個時隙的的控制窗口用于通知時隙的擁有者是否有數據要發(fā)送，如果沒有數據 發(fā)送則在整個數據傳輸窗口節(jié)點一直保持睡眠；時隙的擁有者只能接收數據而不能發(fā)送數 據，這樣其相鄰節(jié)點無需每個時隙的控制窗口都是醒來監(jiān)聽時隙的擁有者是否有數據要發(fā) 送，在相鄰節(jié)點沒有數據要發(fā)送的情況下只有時隙的擁有者處監(jiān)聽狀態(tài)。時隙的擁有者只能接收的方式能夠減少節(jié)點監(jiān)聽的時間，特別是對于只發(fā)送而不 需要轉發(fā)數據的節(jié)點可以不擁有時隙，從而只需在需要發(fā)送數據的時候在接收節(jié)點對應的 時隙醒來傳輸數據即可，其他時刻除了在競爭控制期醒來進行拓撲結構的維護和時間的同步可以一直保持睡眠狀態(tài)。(4)預約自動續(xù)期機制如果節(jié)點A有數據要發(fā)送給節(jié)點B，則在節(jié)點B擁有的時隙醒來，在此時隙的控制 窗口節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)出發(fā)送申請RTS，在數據發(fā)送期節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數據，如果數據 量一個時隙無法發(fā)送完畢，在此時隙結束后，節(jié)點A和節(jié)點B會繼續(xù)監(jiān)聽后續(xù)時隙的控制窗 口，如節(jié)點A和節(jié)點B繼續(xù)監(jiān)聽了節(jié)點C時隙后發(fā)現節(jié)點D有數據要發(fā)送，節(jié)點A和節(jié)點B 在節(jié)點C的數據發(fā)送窗口進入休眠等待下一時隙；在下一節(jié)點E擁有的時隙節(jié)點A和節(jié)點 B繼續(xù)醒來監(jiān)聽控制窗口，如果無節(jié)點申請向節(jié)點E發(fā)送數據則此時隙空閑，節(jié)點A在節(jié)點 E的數據發(fā)送窗口向節(jié)點B把剩余的數據發(fā)送完畢；以此類推直到所有的數據發(fā)送完畢；如 果數據能在一個時隙發(fā)送完畢，則發(fā)送完畢后發(fā)送和接收點同時進入睡眠無需繼續(xù)監(jiān)聽后 續(xù)時隙的控制窗口。(5)流量自適應的平滑轉換機制時隙結構采用流量自適應的方式，并且加入了一種特殊的機制一個節(jié)點能夠擁 有零個或至少一個時隙，一個時隙能夠供至少一個節(jié)點發(fā)送數據，空時隙不屬于任何節(jié)點， 這種靈活的時隙分配方式，使得能夠靈活的根據當前的網絡狀況處理時隙的分配，使得工 作狀態(tài)達到最優(yōu)化。本發(fā)明有效的結合了基于競爭和基于調度的MAC協議的優(yōu)點，使用流量自適應的 平滑轉換機制，能夠在競爭模式和TDMA兩種工作模式之間平滑過度；采用時隙擁有者僅接 收數據的節(jié)能策略，明顯減少了監(jiān)聽的時間，能夠有效降低節(jié)點能耗；提出了一種預約自動 續(xù)期機制，有效利用了空閑時隙，提高了信道的利用率，增加數據吞吐量，此機制可以有效 利用空閑時隙，平時保留的空時隙可以為新節(jié)點的加入退出提供方便，增加了網絡的靈活 性，可擴展性得到提高。


圖1是本發(fā)明流量自適應無線傳感器網絡MAC協議中的幀結構示意圖。圖2是本發(fā)明流量自適應無線傳感器網絡MAC協議中自適應時隙期一個時隙的結 構圖。圖3是預約自動續(xù)期機制的工作原理圖。圖4是流量自適應平滑轉換機制的工作示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的流量自適應無線傳感器網絡MAC協議采用以下技術解決方案首先作以下假設⑴假設有一個外部的信標源實現了本地時鐘同步(即本發(fā)明 的MAC協議不考慮MAC層的同步功能)；(2)流量模式的信息能夠獲得(由于本發(fā)明的MAC 協議是跨層參考應用層的流量信息來設計MAC層協議的，這種信息的傳遞方式、維護方式 等問題本發(fā)明的協議沒涉及)；具體包括以下方面1.幀結構本發(fā)明協議的幀結構主要分為競爭控制期和自適應時隙期，如圖1所示。競爭控制期用于時隙的分配、時隙的申請及退出，新節(jié)點加入申請，以及時間同步的信息的傳輸。競爭控制期采用分時槽的隨機競爭接入方式(CSMA/CA方式)，重發(fā)次數為7，則競 爭時槽總數至少為7X1 MxN，N為節(jié)點平均的兩跳內鄰居數，在競爭期，任何節(jié)點都可能 是接收者，每個節(jié)點都必須一直偵聽信道，對于需要發(fā)送數據的節(jié)點采用CSMA/CA的方式 在發(fā)送沖突產生會退避，再重發(fā)。Rc定義為競爭期時長與無競爭期時長之比，是協議的一個參數。Rc參數越大，競 爭期出現越頻繁，協議對于網絡拓撲建立等動態(tài)控制包的傳輸機會越大，協議的靈活性越 大，但節(jié)能效率則相反越低；Rc參數越小，競爭期出現越稀少，協議的靈活性越小，但節(jié)能 效率相對越高，因為受競爭期的過多空閑偵聽的影響越少。這是一個需要權衡的參數，需要 根據實際應用環(huán)境來設置。時隙間加入轉換間隔補償，可以有效對時延進行補償，使協議對時間同步的要求 不是特別嚴格。2.時隙結構本發(fā)明協議的時隙分為控制窗口和數據傳輸窗口，如圖2所示?？刂拼翱谟糜诎l(fā) 送數據的節(jié)點向時隙的擁有者通知是否有數據發(fā)送。如果一個時隙有多個節(jié)點要發(fā)送數據 則采取競爭機制，獲得數據發(fā)送權的節(jié)點在數據傳輸窗口發(fā)送數據。如果在控制窗口無節(jié) 點申請發(fā)送數據則時隙的擁有者進入睡眠。3.時隙擁有者僅接收數據的節(jié)能策略本發(fā)明協議在每個時隙的前面加入了一個很短的控制窗口，用于通知時隙的擁有 者是否有數據要發(fā)送，如果沒有數據發(fā)送則在整個數據傳輸窗口節(jié)點一直保持睡眠。在此基礎上，本發(fā)明協議又加入一種更為節(jié)能的策略，時隙的擁有者只能接收數 據而不能發(fā)送數據，這樣其相鄰節(jié)點無需每個時隙的控制窗口都是醒來監(jiān)聽時隙的擁有者 是否有數據要發(fā)送，在相鄰節(jié)點沒有數據要發(fā)送的情況下只有時隙的擁有者處監(jiān)聽狀態(tài)。時隙的擁有者只能接收的方式可以極大的減少節(jié)點監(jiān)聽的時間。特別是對于只發(fā) 送送而不需要轉發(fā)數據的節(jié)點可以不擁有時隙。從而只需在需要發(fā)送數據的時候在接收節(jié) 點對應的時隙醒來傳輸數據即可，其他時刻除了在競爭控制期醒來進行拓撲結構的維護和 時間的同步可以一直保持睡眠狀態(tài)。4.預約自動續(xù)期機制圖3給出了預約自動續(xù)期機制的主要工作方式。節(jié)點A有數據要發(fā)送給節(jié)點B。 在B擁有的時隙的控制窗口，A向B發(fā)出發(fā)送申請RTS，在數據發(fā)送期A向B發(fā)送數據。如 果數據量比較大一個時隙無法發(fā)送完畢，在此時隙結束后，AB兩個節(jié)點會繼續(xù)監(jiān)聽后續(xù)時 隙的控制窗口，如AB節(jié)點繼續(xù)監(jiān)聽了 C時隙后發(fā)現D有數據要發(fā)送，兩點在C的數據發(fā)送 窗口進入休眠等待下一時隙。在下一 E擁有的時隙AB繼續(xù)醒來監(jiān)聽控制窗口，如果無節(jié)點 申請向E發(fā)送數據則此時隙空閑，A在E的數據發(fā)送窗口向B把剩余的數據發(fā)送完畢。以 此類推直到所有的數據發(fā)送完畢。如果數據能在一個時隙發(fā)送完畢如上圖的D，則發(fā)送完畢 后發(fā)送和接收點同時進入睡眠無需繼續(xù)監(jiān)聽后續(xù)時隙的控制窗口。5.流量自適應的平滑轉換機制本發(fā)明協議的時隙結構采用流量自適應的方式，并且加入了一種特殊的機制一 個節(jié)點可以擁有零到多個時隙，一個時隙可以供一個或多個節(jié)點發(fā)送數據，空時隙不屬于任何節(jié)點。這種靈活的時隙分配方式，使得本發(fā)明協議能夠靈活的根據當前的網絡狀況處 理時隙的分配，使得工作狀態(tài)達到最優(yōu)化。網絡在負載量很低的時候只為每個接收節(jié)點分配一個時隙，所有可指向此節(jié)點數 據發(fā)送節(jié)點共享此時隙，并且保留大量的空時隙，從而使接收節(jié)點的監(jiān)聽時間達到最小，發(fā) 送數據的節(jié)點在時隙內以競爭的方式獲取發(fā)送權，使得網絡更多的呈現競爭的方式。而在 流量最大的情況下，每對發(fā)送接收節(jié)點都可以擁有獨立的時隙，空時隙全部分配給接收節(jié) 點，而且數據量大的發(fā)送節(jié)點可以不只擁有一個時隙，從而徹底消除了競爭，使得協議呈現 TDMA的方式，提高信道利用率。而且兩種模式的切換是一種平滑的過渡，僅通過接收節(jié)點對 時隙的申請和給發(fā)送節(jié)點的分配來體現，在中間某種狀態(tài)下，接收節(jié)點可以擁多個時隙，但 只是給數據量大的發(fā)送節(jié)點分配獨立時隙，其他數據量小的可以共享一個時隙。時隙的數 量和分配完全根據節(jié)點的流量狀態(tài)來確定，而且大量的空時隙可以使新節(jié)點加入時不需重 新改變幀結構，只要申請一個空時隙即可，即使在時隙全部分配完畢的情況下也可以讓某 個獲得多個時隙的節(jié)點退出一個時隙分配給新加入的節(jié)點。此方式能夠明顯提高協議的可 擴展性。圖4給出了了此機制的工作機制，在低流量的狀態(tài)下，節(jié)點A、B、C共享同一時隙 S4向節(jié)點D發(fā)送數據，呈現CSMA/CA的工作機制，有利于減少監(jiān)聽時間節(jié)省能量。而在高流 量狀態(tài)下，A、B、C三個節(jié)點分別通過不同的時隙向D發(fā)送數據。A通過時隙S4，B通過時隙 S7，C通過時隙S2和S10，三個發(fā)送數據的節(jié)點之間互不干擾，消除了沖突重發(fā)，提高了信道 利用率。而在中等流量的情況下則呈現競爭與獨享信道并存的情形，如圖4所示，節(jié)點C由 于數據量較大獨享信道S7,而節(jié)點A、B數據量較小，兩節(jié)點共享信道S4,同時兼顧了能耗的 減少與吞吐量，實現了兩個模式的平滑過度。
權利要求
1. 一種流量自適應無線傳感器網絡MAC協議，首先作以下假設①假設有一個外部的 信標源實現了本地時鐘同步；②流量模式的信息能夠獲得；其特征是，包括以下方面(1)幀結構將幀結構分為競爭控制期和自適應時隙期，競爭控制期用于時隙的分配、時隙的申請 及退出、新節(jié)點加入申請以及時間同步的信息的傳輸；競爭控制期采用分時槽的隨機競爭 接入方式，在競爭控制期，任何節(jié)點都可能是接收者，每個節(jié)點都必須一直偵聽信道，對于 需要發(fā)送數據的節(jié)點采用分時槽的隨機競爭接入方式在發(fā)送沖突產生時會退避，再重發(fā)；(2)時隙結構將時隙分為控制窗口和數據傳輸窗口，控制窗口用于發(fā)送數據的節(jié)點向時隙的擁有者 通知是否有數據發(fā)送，如果一個時隙有多個節(jié)點要發(fā)送數據，則采取競爭機制，獲得數據發(fā) 送權的節(jié)點在數據傳輸窗口發(fā)送數據，如果在控制窗口無節(jié)點申請發(fā)送數據則時隙的擁有 者進入睡眠；(3)時隙擁有者僅接收數據的節(jié)能策略每個時隙的前面的控制窗口，用于通知時隙的擁有者是否有數據要發(fā)送，如果沒有數 據發(fā)送則在整個數據傳輸窗口節(jié)點一直保持睡眠；時隙的擁有者只能接收數據而不能發(fā)送 數據，這樣其相鄰節(jié)點無需每個時隙的控制窗口都是醒來監(jiān)聽時隙的擁有者是否有數據要 發(fā)送，在相鄰節(jié)點沒有數據要發(fā)送的情況下只有時隙的擁有者處監(jiān)聽狀態(tài)；(4)預約自動續(xù)期機制如果節(jié)點A有數據要發(fā)送給節(jié)點B，則在節(jié)點B擁有的時隙醒來，在此時隙的控制窗口 節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)出發(fā)送申請RTS，在數據發(fā)送期節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送數據，如果數據量一 個時隙無法發(fā)送完畢，在此時隙結束后，節(jié)點A和節(jié)點B會繼續(xù)監(jiān)聽后續(xù)時隙的控制窗口， 如節(jié)點A和節(jié)點B繼續(xù)監(jiān)聽了節(jié)點C時隙后發(fā)現節(jié)點D有數據要發(fā)送，節(jié)點A和節(jié)點B在 節(jié)點C的數據發(fā)送窗口進入休眠等待下一時隙；在下一節(jié)點E擁有的時隙節(jié)點A和節(jié)點B 繼續(xù)醒來監(jiān)聽控制窗口，如果無節(jié)點申請向節(jié)點E發(fā)送數據則此時隙空閑，節(jié)點A在節(jié)點E 的數據發(fā)送窗口向節(jié)點B把剩余的數據發(fā)送完畢；以此類推直到所有的數據發(fā)送完畢；如 果數據能在一個時隙發(fā)送完畢，則發(fā)送完畢后發(fā)送和接收點同時進入睡眠無需繼續(xù)監(jiān)聽后 續(xù)時隙的控制窗口；(5)流量自適應的平滑轉換機制時隙結構采用流量自適應的方式，并且加入了一種特殊的機制一個節(jié)點能夠擁有零 個或至少一個時隙，一個時隙能夠供至少一個節(jié)點發(fā)送數據，空時隙不屬于任何節(jié)點，這種 靈活的時隙分配方式，使得能夠靈活的根據當前的網絡狀況處理時隙的分配，使得工作狀 態(tài)達到最優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種流量自適應無線傳感器網絡MAC協議，首先作以下假設①假設有一個外部的信標源實現了本地時鐘同步；②流量模式的信息能夠獲得；具體包括以下方面(1)幀結構將幀結構分為競爭控制期和自適應時隙期，競爭控制期用于時隙的分配、時隙的申請及退出、新節(jié)點加入申請以及時間同步的信息的傳輸；(2)時隙結構；(3)時隙擁有者僅接收數據的節(jié)能策略；(4)預約自動續(xù)期機制；(5)流量自適應的平滑轉換機制。本發(fā)明采用時隙的擁有者只能接收的方式，能夠減少節(jié)點監(jiān)聽的時間，能夠有效降低節(jié)點能耗，并能夠在競爭模式和TDMA模式平滑過渡。
文檔編號H04W80/02GK102123439SQ201110044728
公開日2011年7月13日 申請日期2011年2月24日 優(yōu)先權日2011年2月24日
發(fā)明者寧金龍, 陳曙 申請人:山東大學