CN100428742C - 一种能量感知介质访问控制协议实现方法 - Google Patents

Abstract

一种能量感知介质访问控制协议实现方法，用于功率受限，低业务速率的无线传感器网络。它是在DEANA协议的基础上改进的一种高效节能的基于TDMA机制的MAC协议方法。它要求节点在非活动时期自动进入睡眠状态以节省能量，并要求工作在分簇分区拓扑结构，密度适中，网络负担较轻的环境中，在一帧里为不同节点分配不同子时隙以满足信道连续发送不同分组的要求。该方案能够有效地节省系统节点功耗，并在一定程度上提高了网络的运行效率，相对减少了节点状态频繁的转换次数，有利于延长无线传感器网络的工作寿命。

Description

一种能量感知介质访问控制协议实现方法

技术领域

本发明涉及一种能量感知介质访问控制协议实现方法，属于通信领域。

背景技术

无线传感器网络是一种功率受限，低业务速率，低移动性的无线自组织网络。它的应用范围较Ad Hoc网络有了更大的扩展，如在军事，环境监测和预报，健康护理，建筑物状态监控，复杂机械控制，城市交通，空间探索，大型车间和仓库管理等领域。传感器节点数量和分布密度远远超过以往的Ad Hoc网络中的节点数，而且大部分节点不像Ad Hoc节点一样快速移动，其拓扑结构的改变原因大多由节点的故障或失效引起，这是由传感器节点能量，存储及运算能力受限决定的。传感器网络主要采用广播方式通信，即多个终端共享一个广播信道。

介质访问控制(MAC)协议决定无线信道的使用方式，其首要的研究方向是如何使数据通信在低功耗，高效率的情况下完成。设计适合于传感器网络的MAC协议一般要有以下步骤：

步骤1：评估网络能量的消费问题：能量消费(功率控制)问题涉及到无线网络中的各层，节点能量消费可以分为通信费用和计算费用两部分。因为传感器能源储备有限且供给不便，主要通过优化协议结构节省电能。

步骤2：考虑系统的弱移动特性，即处理节点能尽失效导致的拓扑变化。

步骤3：维持网络公平性。由网络的自组织特性，所有传感区域内节点要以公平的概率介入信道，以保证数据速率的平衡。

步骤4：确认协议适用的网络结构。控制传感区域内的节点数量及分层方式，以确定邻居节点的通信权限。

步骤5：要求较高的空间复用度。传感器网络的优点之一是可以实现多对节点同时进行通信，实现频率的空间复用。

步骤6：权衡系统的工作效率以及时延特性，保证节点尽量快速的接入信道。

传统的无线局域网IEEE802.11的MAC协议的分布式协调(distributedcoordination Function，DCF)工作模式采用带冲突避免的载波多路访问(CSMA with collision avoidance，CSMA/CA)协议，节点空闲状态的侦听损耗很大，这对于节能是不利的。

从技术角度看，目前业界已研究提出多种基于不同机制的MAC协议，包括基于竞争机制的MAC协议，基于TDMA机制的MAC协议以及基于混合机制的MAC协议。竞争机制采用传统的载波侦听方式，数据分组碰撞概率大，系统公平性考虑不够，大量的空闲侦听和分组重发机制，导致传感器节点功耗大，系统效率降低；TDMA机制为不同用户分配时隙，以减少用户数据的碰撞，并不需要节点工作与侦听状态，节点也不必添加信令信道，但时隙的分配复杂且不易察觉节点的添加于失效，网络的时钟同步维护困难。混合机制采取综合方法已减少前两种机制的不足，引入载波侦听、频分多址、码分多址与时分多址相结合的方式，但其大多硬件无关性较差，而且会在ISM开放频段引入频率分配的问题。

由此得出的结论是，业界要求提出一种能有效节省节点功耗，快速接入信道的MAC协议。

发明内容

为了解决无线传感器网络节点能量受限的问题，并且延长节点寿命，本发明提供一种能量感知介质访问控制协议实现方法。可以有效地节省节点的能量，并且提高网络的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种能量感知介质访问控制协议实现方法，采用基于TDMA机制的结构和提前预约的时隙分配方式，小区内的所有节点在每一帧的控制时隙醒来，用以选举后续的若干数据时隙的占有者，为保持系统效率，节点在有分组到达以后，才在下一个控制时隙发送竞争时隙的原子广播。如果节点有分组排队，将被置为发送优先级，可以被分配给两个连续的数据时隙发送分组。

本发明协议方法特征在于包含以下步骤：

步骤1：根据上层协议和GPS定位装置，节点了解所在簇与小区的编号和具体位置，严格控制小区节点个数与一般两跳邻居节点个数相仿。

步骤2：将时间轴分为周期性的调度访问阶段和周期性的随机访问阶段，调度访问阶段分为若干帧，进一步将每一帧划分为一个控制时隙和多个数据时隙，成为1:m结构；随机访问阶段将等间距时隙分配给区内节点。

步骤3：在前一随机访问阶段各个小区内建立独立的无冲突矢量表，并处理节点的添加、删除以及时间同步等信息。

步骤4：各个传感器节点维护前一随机访问阶段建立的无冲突矢量表，在控制时隙，小区内所有节点唤醒，传递富含登记信息的原子广播，以确定后续的多个数据时隙的分配问题。

步骤5：经查无冲突矢量表以后，将一帧中每一数据时隙分配给两个节点，在该时隙到来时，其他节点进入睡眠状态以保存能量。

本发明的优点是，与现有协议相比，采取了预约休眠机制，减少数据包之间的冲突，没有节点的无包休眠现象。

本发明的另一个优点是，减少状态转换，较DEANA协议转换效率提高了m/2倍，节省节点用于状态转换的能量，延长节点寿命。

本发明的另一个优点是，考虑硬件无关性，降低了TDMA机制下对于节点精确同步的要求。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为分簇分区结构示意图；

图2为协议方法帧结构；

图3数据时隙分配实例；

图4帧功耗分段结构图；

图5协议工作流程图。

具体实施方式

实施例1：根据传感器网络的基本结构，最终数据被转发至汇聚节点进行统一的数据处理可将网络进行分簇分区处理。参照附图1。先从整体上将大数量的传感器网络分成不同大小的簇，每一簇含有一个功能较强的簇头节点管理辖区内的数据，这样分簇以后，对于每一簇节点所组成的无冲突矢量表仍然很庞大，进一步，将每一簇继续分为某些个六边形的小区，区域的大小与节点的无线传输范围有关，这里用简单的六边形表示，每个小区由各自独立的编号，且节点均配置有GPS装置，这样每个节点就可以根据已知的小区边界知道它所属的小区，假定上层协议能够跟踪节点的当前位置并通知节点所在小区的改变。小区的分割参照一般协议平均节点邻居数目的多少，当小区内节点规模超过门限值以后，进一步分割子小区以控制单位小区无冲突矢量表的规模，为时隙预约机制做结构上的铺垫。

实施例2：协议方法通过预约方式判定数据时隙的发送者与接收者，预约时隙过程包含以下几个步骤：

步骤1：在随机访问阶段，单位小区内不同编号的各个节点在各自独立的时隙登记属于该节点的链路信息；

步骤2：链路信息被记在区内所有节点维护的无冲突矢量表中；

步骤3：在无冲突矢量表中添加跨越小区的链路并登记，为跨越新小区的信息提供传送通路；

步骤4：帧控制时隙到来时，若节点有分组发送，需发送申请广播，将相应的小区内通信链路置位；

步骤5：帧控制时隙结束时，所有节点依据约定方案选取某一个无冲突链路集，将后续多个数据时隙分配给不同的多对用户；

步骤6：若节点有分组发送，但竞争信道并未成功，则在下一个控制时隙发送优先级高的申请广播，通知所有区内节点它将连续申请两个数据时隙发送已排队分组；

步骤7：一帧结束，将上次已预约的置位清零，在考虑优先级链路的情况下转为步骤4。

假定给出小区覆盖范围内七个节点的六条前向的无冲突矢量：CFV1~CFV6，现在假设每个节点收到的更新数据是：节点1有分组向节点2发送；节点3有分组向节点4发送；节点5有分组向节点6发送；节点7有分组向节点8发送，即表示为{10，00，11，00，10，00，11}，其中10表示申请的是前向链路，11表示申请的是带有优先级的链路。根据的上述的时隙分配方法，假定传感器节点知道选取CFV1为赢无冲突矢量，则可以得到预约成功后的时隙帧结构。如图3所示。

实施例2：节点的状态转换过程直接影响系统的节能效果，对于节点能量感知协议来说最为关键，节点须在其它节点与用时隙时，自主进入睡眠状态保持能量，其帧结构参见附图2。为对能量模型进行分析，将一帧分为5个部分。参见图4。

节点的状态转换过程有以下几个步骤：

步骤1：小区内所有节点在控制时隙Tc部分均被强制唤醒，用于选取数据时隙的占有者，在转发广播分组时，如果节点有数据需要发送，它将会停留在发送状态，为转发小区内其他节点的申请分组，他还要进入接收状态。那么考虑整个控制时隙，单个节点将以概率a处于发送状态，概率(1-a)处于接收等待转发状态。

步骤2：在T1阶段中，当节点结束控制时隙时以概率a进入发送状态时，它将在Tt1转换时间由发送转为睡眠，进而在T1的多个数据子时隙时间内处于休眠状态；当节点结束控制时隙时以概率(1-a)进入接收状态时，它将在Tt1转换时间由接收转为睡眠，进而在T1的多个数据子时隙时间内处于休眠状态。

步骤3：占用Td阶段持续的长度实际上是一个或两个数据子时隙，而且将被一对用户占用。当节点以概率q赢得该子时隙发送权时它将在Tt2时间内从睡眠状态内被节点内时钟唤醒，进入发送数据状态并持续(Td-Tt)时间，节点事先以概率b要求占用两个数据子时隙，而以概率(1-b)按正常序号发送一子时隙长的数据；当节点以概率(1-q)没有分组发送时，它将以概率pme被选为接收节点，它将在Tt2时间内从睡眠状态转换为接收状态，当然它也要跟随发送者的申请，确定自己的接收状态究竟要持续多长时间，此外它将以(1-pme)继续维持睡眠模式，因为整个数据转换的过程无需该节点参与。

步骤4：当节点以概率q赢得该子时隙发送权时，它在E3阶段成功完成了数据传送，它在Tt3转换时间内由发送转为睡眠模式，进而在T2时间长度的多个数据子时隙时间内处于休眠状态；当节点不是数据发送者而被选为接收者时，它要在Tt3转换时间内由接收转为睡眠模式，并保持(T2-Tt)的时间长度；当节点没有参与此帧的数据传递时，它将以概率(1-q)*(1-pme)保持睡眠状态。其中的T2与T1的含义相似。

步骤5：只是包括时间长度为Tt4的时间差，目的是为下一帧的控制时隙做准备。当节点在当前帧有分组到来时，他将在下一帧的控制时隙竞争，因此他将以一定的概率从睡眠模式转变为发送状态，另外，如果该节点没有分组到达，它将转换成接收模式等待其他节点的申请分组。

流程参见图5，首先在随机访问阶段各个小区内建立独立的无冲突矢量表以后，调度访问阶段开始，进而进入帧的控制时隙，选举数据时隙赢取者。如果节点没有在被选无冲突集合内，他直接进入睡眠状态，并根据定时判断该帧是否结束：如果结束进入下一帧控制时隙，若没有结束继续睡眠状态；如果节点在被选无冲突集合内，他进入活动周期，判断自己的活动时隙是否到来，若到来则发送或接收，若没有到来则定时睡眠以保存能量，等待活动时隙到来并唤醒。活动期结束后根据定时判断该帧是否结束：如果结束进入下一帧控制时隙，若没有结束继续睡眠状态。

Claims (4)

1.一种能量感知介质访问控制协议实现方法，其特征在于：采用基于TDMA机制的结构和提前预约的时隙分配方式，小区内的所有节点在每一帧的控制时隙醒来，用以选举后续的若干数据时隙的占有者，节点在有分组到达以后，在下一个控制时隙发送竞争时隙的原子广播；如果节点有分组排队，将被置为高发送优先级，被分配给两个连续的数据时隙发送分组。

2.根据权利要求1所述的一种能量感知介质访问控制协议实现方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1：根据上层协议和GPS定位装置，节点了解所在簇与小区的编号和具体位置，严格控制小区节点个数与一般两跳邻居节点个数相仿；

步骤2：将时间轴分为周期性的调度访问阶段和周期性的随机访问阶段，调度访问阶段分为若干帧，进一步将每一帧划分为一个控制时隙和多个数据时隙，成为1:m结构；随机访问阶段将等间距时隙分配给区内节点；

步骤3：在前一随机访问阶段各个小区内建立独立的无冲突矢量表，并处理节点的添加，删除以及同步信息；

步骤4：各个传感器节点维护前一随机访问阶段建立的无冲突矢量表，在控制时隙，小区内所有节点唤醒，传递富含登记信息的原子广播，以确定后续的多个数据时隙的分配问题；

步骤5：经查无冲突矢量表以后，将一帧中每一数据时隙分配给两个节点，在该时隙到来时，其他节点进入睡眠状态以保存能量。

3.根据权利要求2所述的一种能量感知介质访问控制协议实现方法，其特征在于：预约时隙过程包含以下几个步骤：

步骤1：在随机访问阶段，单位小区内不同编号的各个节点在各自独立的时隙登记属于该节点的链路信息；

步骤2：链路信息被记在区内所有节点维护的无冲突矢量表中；

步骤3：在无冲突矢量表中添加跨越小区的链路并登记，为跨越新小区的信息提供传送通路；

步骤4：帧控制时隙到来时，若节点有分组发送，需发送申请广播，将相应的小区内通信链路置位；

步骤5：帧控制时隙结束时，所有节点依据约定方案选取某一个无冲突链路集，将后续多个数据时隙分配给不同的多对用户；

步骤6：若节点有分组发送，但竞争信道并未成功，则在下一个控制时隙发送优先级高的申请广播，通知所有区内节点它将连续申请两个数据时隙发送已排队分组；

步骤7：一帧结束，将上次已预约的置位清零，在考虑优先级链路的情况下转为步骤4。

4.根据权利要求2所述的一种能量感知介质访问控制协议实现方法，其特征在于：节点的状态转换过程有以下几个步骤：

步骤1：小区内所有节点在控制时隙Tc部分均被强制唤醒，用于选取数据时隙的占有者，在转发广播分组时，如果节点有数据需要发送，它将会停留在发送状态，为转发小区内其他节点的申请分组，他还要进入接收状态，那么考虑整个控制时隙，单个节点将以概率a处于发送状态，概率(1-a)处于接收等待转发状态；

步骤2：在T1阶段中，当节点结束控制时隙时以概率a进入发送状态时，它将在Tt1转换时间由发送转为睡眠，进而在T1的多个数据子时隙时间内处于休眠状态；当节点结束控制时隙时以概率(1-a)进入接收状态时，它将在Tt1转换时间由接收转为睡眠，进而在T1的多个数据子时隙时间内处于休眠状态；

步骤3：占用Td阶段持续的长度是一个或两个数据子时隙，而且将被一对用户占用；当节点以概率q赢得该子时隙发送权时它将在Tt2时间内从睡眠状态内被节点内时钟唤醒，进入发送数据状态并持续(Td-Tt)时间，节点事先以概率b要求占用两个数据子时隙，而以概率(1-b)按正常序号发送一子时隙长的数据；当节点以概率(1-q)没有分组发送时，它将以概率pme被选为接收节点，它将在Tt2时间内从睡眠状态转换为接收状态，当然它也要跟随发送者的申请，确定自己的接收状态究竟要持续多长时间，此外它将以概率(1-pme)继续维持睡眠模式；

步骤4：当节点以概率q赢得该子时隙发送权时，它在E3阶段成功完成了数据传送，它在Tt3转换时间内由发送转为睡眠模式，进而在T2时间长度的多个数据子时隙时间内处于休眠状态；当节点不是数据发送者而被选为接收者时，它要在Tt3转换时间内由接收转为睡眠模式，并保持(T2-Tt)的时间长度；当节点没有参与此帧的数据传递时，它将以概率(1-q)*(1-pme)保持睡眠状态；

步骤5：只是包括时间长度为Tt4的时间差，目的是为下一帧的控制时隙做准备；当节点在当前帧有分组到来时，他将在下一帧的控制时隙竞争，因此他将以一定的概率从睡眠模式转变为发送状态，另外，如果该节点没有分组到达，它将转换成接收模式等待其他节点的申请分组。

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