CN101035129A - 流量自适应的无线传感器网络信道接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种流量自适应的无线传感器网络信道接入控制方法，适用于多跳的无线传感器网络。在网络初始化时，节点之间先要同步以组成虚拟簇，每个节点采用周期性的侦听睡眠机制来尽可能地处于睡眠状态以降低节点能量的消耗。在同一个虚拟簇内，节点之间保持同一个侦听睡眠调度，同时开始侦听时间。节点间收发数据时采用RTS/CTS/DATA/ACK机制来进行可靠传输，还根据自己队列中排队的分组数目来预测网络流量的变化，自适应地调整占空比，降低分组的传输时延。同时采用自适应侦听机制来减小由于节点睡眠而引起的等待时延。本发明方法在不同的网络流量情况下都能获得较低的时延，在能耗和吞吐量性能方面也得到了一定的改善。

Description

流量自适应的无线传感器网络信道接入控制方法

技术领域

本发明涉及一种流量自适应的无线传感器网络信道接入控制方法，该方法能适应网络流量的变化，具有能量效率高，时延小等优点，适用于多跳的无线传感器网络。

背景技术

信道接入控制(MAC)协议决定信道的使用方式，在通信节点之间分配有限的通信资源，是保证网络高效通信的关键网络协议之一。在无线传感器网络中，对MAC协议提出了比较特别的一些要求。无线传感器网络的节点一般是由电池供电的，与传统的Ad hoc网络相比，对能耗有更加苛刻的要求，所以最大化网络的使用寿命是网络设计者所需要优先考虑的问题，同时也要考虑时延等性能。

目前在无线传感器网络的研究中所提出的MAC协议主要分为两类：固定分配和随机竞争。固定分配常用的是TDMA(时分复用)方式，给每个传感器节点分配固定的无线信道使用时段，从而避免节点之间的相互干扰。基于TDMA的固定分配MAC协议的缺点是需要较高的时间同步，而且不大适应网络流量的变化。

在基于竞争的MAC协议中，参考文献”An Energy-Efficient MAC Protocolfor Wireless Sensor Networks″(Ye W，Heidemann J，Estrin D.INFOCOM2002.2002.1567-1576)提出了SMAC协议，是针对无线传感器网络的典型的MAC协议之一，它采用了周期性的睡眠唤醒机制，把时间轴分成固定长度的周期，每个周期由固定的侦听时间和睡眠时间组成，并且采用了虚拟簇的概念，同一个簇内的节点保持相同的时间调度。SMAC比传统的IEEE802.11协议节省了很多能量，但是在一个侦听睡眠周期内只能传送一个分组，造成时延很大。

文献”An Adaptive Coordinated Medium Access Control for WirelessSensor Networks”(AiJ，KongJ，Turgut D.Computers and Communications，ISCC 2004.Ninth International Symposium.2004，1：214-219.)提出了AC-MAC协议，引入了自适应占空比调整的机制，当网络流量变大时，在SMAC的每一个侦听睡眠周期内再划为几个短周期，提高占空比来适应流量的增加。AC-MAC虽然在网络流量大的时候比SMAC减小了时延，但是在网络流量小的时候，由于在一个基本的侦听睡眠周期内只能传送一个分组，所以时延和SMAC一样，并没有得到改善。

文献”Medium Access Control With Coordinated Adaptive Sleeping forWireless Sensor Networks”(Ye W，Heidemann J，Estrin D.NetworkingIEEE/ACM Transaction，2004，12(3)：493-506)在原来的SMAC协议的基础上做了改进，增加了自适应侦听机制，在一次通信过程中，通信节点的邻居节点在通信结束后，不立即进入睡眠，而是保持自适应侦听一段时间，如果在这段时间内收到发送给自己的RTS(Request To Send)，可以立即进行通信，而不需要等到下一次调度侦听周期，这样就减小了由于节点睡眠而引起的等待时延。尽管如此，这种改进并没有很好地考虑随网络流量调整的问题。

总之，目前大多数基于竞争的无线传感器网络MAC协议是以牺牲时延来换取能量的节省的，特别是在网络流量变大的时候由于不能自适应调整而造成很大的时延，导致一些实时性要求得不到满足。因此，如何设计节能并且时延较小的信道接入控制协议已经成为一项急需解决的关键技术。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种流量自适应的无线传感器网络信道接入控制方法，具有能量效率高，时延小的优点。

为实现这样的目的，本发明以队列中排队的分组数目来预测网络流量的变化，在侦听睡眠周期结构中采用流量自适应的占空比调整机制，同时利用自适应侦听机制来减小时延。在网络初始化时，节点之间先要同步以组成虚拟簇，每个节点采用周期性的侦听睡眠机制来尽可能地处于睡眠状态以降低节点能量的消耗。在同一个虚拟簇内，节点之间保持同一个侦听睡眠调度，同时开始侦听时间。网络稳定后，节点间收发数据时采用RTS/CTS/DATA/ACK机制来进行可靠传输，还根据自己队列中排队的分组数目来预测网络流量的变化，自适应地调整占空比，降低分组的传输时延。

本发明方法包括如下具体步骤：

1)在网络的初始建立时刻，节点间要建立虚拟簇，每个节点采用周期性的侦听睡眠机制来尽可能地处于睡眠状态以降低节点能量的消耗。在同一个虚拟簇内，节点之间保持同一个侦听睡眠调度，同时开始侦听时间。建立虚拟簇的过程如下：当一个节点醒来的时候，它先要侦听一段时间。如果在这段时间内没有收到其它节点发的同步帧，这个节点就建立自己的簇，并把簇的信息通过同步帧广播出去，同步帧内包含了下一个侦听周期开始的时间；如果节点收到了其它节点发来的同步帧，就加入这个同步帧所属的簇，然后也广播自己的同步帧；如果一个节点有自己所属的簇，同时收到别的簇发来的同步帧，节点就采用两个调度，在这两个簇的侦听期间开始的时候这个节点都要醒来。同一个虚拟簇内的节点都同时醒来，接收节点和发送节点同时处于侦听期间并可收发数据。

2)在网络的稳定时刻，节点间采用RTS/CTS/DATA/ACK机制来进行可靠数据传输，并采用自适应侦听机制来减小因节点睡眠而引起的等待时延；发送节点的邻居节点在收到RTS后，接收节点的邻居节点在收到CTS后，如果自己不是此次通信的参与者，节点将进入睡眠。在此次通信完成后，这些邻居节点将醒来，自适应侦听一段时间。如果该邻居节点是接收节点的下一跳节点，则可以立即进行数据的转发，而不需要等待下一个侦听周期的到来。如果节点在这段时间内没有收到任何信息，则进入睡眠状态。在网络运行的同时，节点还根据自己队列中排队的分组数目来预测网络流量，自适应地调整占空比。在网络流量小的时候，保持占空比较小且固定的周期性侦听睡眠机制。在网络流量变大的时候，自适应地提高占空比以减小时延。当网络中流量变大的时候，队列中排队的分组数目就会增多，这时把原来一个侦听睡眠周期划分为几个短的侦听睡眠周期，短周期的个数与分组数目有关。在每个短周期内，节点都能收发数据。

本发明提出的流量自适应的信道接入控制方法，更好地改进了能耗，时延，吞吐量等性能，能够延长网络生存期，适用于多跳的无线传感器网络。

附图说明

图1为本发明的自适应占空比调整机制。

图2为本发明的时延性能。

图3为本发明的能耗性能。

图4为本发明的吞吐量性能。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述.

在本发明的一个实施例中，场景是一个有11个节点组成的线型多跳拓扑，第一个节点是源节点，最后一个节点是汇聚节点。在仿真中采用了一种理想路由，基于全局信息来计算一条最优的路由。在仿真中，源节点产生分组的间隔从1秒变化到15秒来表示网络中流量的变化。在每种流量情况下，独立地仿真10次，然后求平均值作为最后的结果。仿真时间1000秒。其它一些重要的仿真参数如表1所示。

                                表1.仿真参数

控制包长度	10bytes	时槽长度(Slot Time)	1ms
				同步帧竞争窗口大小(SYNC_CW)	31slots	数据帧竞争窗口大小(DATA_CW)	63slots
SIFS	5ms	DIFS	10ms
				发送功耗	386mw	接收功耗	368.2mw
睡眠功耗	50uw	空闲侦听功耗	344.2mw

1)网络初始化

在网络的初始建立时刻，传感器节点间要建立虚拟簇，每个节点采用周期性的侦听睡眠机制来尽可能地处于睡眠状态以降低节点能量的消耗。在同一个虚拟簇内，节点之间保持同一个侦听睡眠调度，同时开始侦听时间。建立虚拟簇的过程如下：当一个节点醒来的时候，它先要侦听一段时间。如果在这段时间内没有收到其它节点发的同步帧，这个节点就建立自己的簇，并把簇的信息通过同步帧广播出去，同步帧内包含了下一个侦听周期开始的时间；如果节点收到了其它节点发来的同步帧，就加入这个同步帧所属的簇，然后也广播自己的同步帧；如果一个节点有自己所属的簇，同时收到别的簇发来的同步帧，节点就采用两个调度，在这两个簇的侦听期间开始的时候这个节点都要醒来。同一个虚拟簇内的节点都同时醒来，接收节点和发送节点同时处于侦听期间并可收发数据。在节点开始运行后40秒左右，节点之间的同步建立起来了，形成了稳定运行的传感器网络。

2)网络的稳定阶段，节点传送数据时采用自适应占空比调整机制和自适应侦听机制

在网络的稳定时刻，节点间采用RTS/CTS/DATA/ACK机制来进行可靠数据传输，并采用自适应侦听机制来减小因节点睡眠而引起的等待时延。在网络稳定后，源节点从50秒开始以恒定速率数据流方式产生分组，并发往汇聚节点，每个分组的大小都是50字节，一共产生50个分组。节点采用周期性的侦听睡眠机制。侦听睡眠周期时间设为1.6秒，侦听时间设为0.16秒，即节点保持侦听0.16秒，然后睡眠1.44秒。每个节点在自己的侦听期间进行侦听，其中侦听期间的开头用来发送同步帧，然后是传送数据。

       T_listen＝T_SYNC+T_RTS/CTS                            (1)

其中，T_listen是节点一个周期内的侦听时间，T_SYNC是节点发送同步帧的时间，T_RTS/CTS是节点收发RTS，CTS的时间。

在睡眠期间，节点关闭自己的无线收发器，同时设置一个定时器，在一段时间后把自己唤醒，重新进入侦听期间。

在网络流量小的时候，本方法采用占空比固定的侦听睡眠机制。但是在网络流量变大的时候，节点能够自适应地调整占空比以减小时延。节点以队列中排队的分组数目来预测网络流量的变化。当网络中流量变大的时候，把原来一个侦听睡眠周期划分为几个短的侦听睡眠周期，如图1所示，一个基本的侦听睡眠周期被分成两个短的侦听睡眠周期，这里同步期间只在一个长周期的开头出现，而在短周期不进行同步。这样在一个基本侦听睡眠周期时间1.6秒内，原来的侦听时间为0.16秒，而现在的侦听时间增多了，提高了占空比。

假设节点i的队列中有N_i个分组在排队，通过一个函数来得到短周期的个数M_i：

$M_i=f\left(N_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& N_i=0\\ \min (N_i,M_{i\max })& N_i\≥1\end{array}\right.---\left(2\right)$

这样，每个短周期的时间为

$T_{\mathrm{short}}=\frac{T_{\mathrm{Frame}}-T_{\mathrm{SYNC}}}{M_i}---\left(3\right)$

其中，T_Frame是一个长周期的时间。M_i的最大值是在短周期的时间全部用来发送数据，没有睡眠时间的情况下取得：

$M_{i\max }=\frac{T_{\mathrm{Frame}}-T_{\mathrm{SYNC}}}{T_{\mathrm{RTS}/\mathrm{CTS}}+T_{\mathrm{DATA}}}---\left(4\right)$

其中，T_DATA是发送一个分组所需的时间。

M_i的值在每个长周期开始的时候决定。在RTS，CTS包中增加一个字节用来表示M_i。在无线传感器网络中，传感器节点协同完成共同的任务，所以很多场合下公平性已经变得不重要了。M_i值大的节点说明队列中的分组数比较多，本发明给M_i值大的节点以优先权接入信道。可以通过给M_i值大的节点设置较小的竞争窗口来实现：

         cw_i＝g(M_i)                        (5)

g(·)是一个单调递减函数，如何选择一个合适的g(·)取决于网络拓扑结构，可在实际中根据需要加以调整。针对线型拓扑，可以选取

          g(M_i)＝DATA_CW-3*M_i              (6)

其中，DATA_CW是一个固定值。如果节点i在竞争中获得了信道，它就发送RTS。在RTS中包含M_i的信息。这样一跳内的其它节点在收到RTS后就可以调整自己的侦听睡眠调度表。接收节点在收到RTS后，回复CTS。在CTS中也捎带了M_i的值，这样接收节点一跳内的邻居节点也根据收到的CTS的值调整自己的调度表。

在多跳网络中，周期性的睡眠机制会增加时延，因为每一跳通信都可能存在邻居节点休眠所引起的潜在时延，时延平均值与睡眠调度周期成正比。本发明采用了自适应侦听机制，发送节点的邻居节点在收到RTS后，接收节点的邻居节点在收到CTS后，如果自己不是此次通信的参与者，节点将进入睡眠。在此次通信完成后，这些邻居节点将醒来，自适应侦听一段时间。如果该邻居节点是接收节点的下一跳节点，则可以立即进行数据的转发，而不需要等待下一个侦听周期的到来。如果节点在这段时间内没有收到任何信息，则进入睡眠状态。这样一个分组就可以在一个基本的侦听睡眠周期内传送两跳距离，减小了因节点睡眠而引起的等待时延。

仿真评价了时延，能耗和吞吐量三个网络性能指标，由图2所示，本方法比无自适应侦听的SMAC，带自适应侦听的SMAC和ACMAC取得了更小的时延，更加适合应用于一些实时性要求较高的无线传感器网络。图3显示了仿真结束后网络中节点总的能量消耗，由图3所示，本方法比无自适应侦听的SMAC，带自适应侦听的SMAC和ACMAC取得了更低的能量消耗，从而能够延长网络生存期。图4显示本方法比无自适应侦听的SMAC，带自适应侦听的SMAC，ACMAC取得了更高的吞吐量，适合应用于一些对吞吐量有一定要求的场景。总之，仿真结果表明本方法比现有的几个典型的MAC协议性能要优良，更适合用于多跳的无线传感器网络中。

Claims (1)

1、一种流量自适应的无线传感器网络信道接入控制方法，其特征在于包括如下具体步骤：

1)在网络的初始建立时刻，节点之间先要同步以组成虚拟簇，每个节点采用周期性的侦听睡眠机制来尽可能地处于睡眠状态以降低节点能量的消耗，在同一个虚拟簇内，节点之间保持同一个侦听睡眠调度，同时开始侦听时间；建立虚拟簇的过程如下：当一个节点醒来时，先侦听一段时间，如果在这段时间内没有收到其它节点发的同步帧，这个节点就建立自己的簇，并把簇的信息通过同步帧广播出去，同步帧内包含了下一个侦听周期开始的时间；如果节点收到了其它节点发来的同步帧，就加入这个同步帧所属的簇，然后也广播自己的同步帧；如果一个节点有自己所属的簇，同时收到别的簇发来的同步帧，节点就采用两个调度，在这两个簇的侦听期间开始的时候这个节点都要醒来；同一个虚拟簇内的节点都同时醒来，接收节点和发送节点同时处于侦听期间并可收发数据；

2)在网络的稳定时刻，节点间采用RTS/CTS/DATA/ACK机制来进行可靠数据传输，并采用自适应侦听机制来减小因节点睡眠而引起的等待时延；发送节点的邻居节点在收到RTS后，接收节点的邻居节点在收到CTS后，如果自己不是此次通信的参与者，节点将进入睡眠；在此次通信完成后，这些邻居节点将醒来，自适应侦听一段时间；如果该邻居节点是接收节点的下一跳节点，则可以立即进行数据的转发，而不需要等待下一个侦听周期的到来；如果节点在这段侦听时间内没有收到任何信息，则进入睡眠状态；在网络运行的同时，节点根据自己队列中排队的分组数目来预测网络流量，自适应地调整占空比，在网络流量小的时候，保持占空比较小且固定的周期性侦听睡眠机制，在网络流量变大的时候，自适应地提高占空比以减小时延；当网络中流量变大、队列中排队的分组数目增多时，把原来一个侦听睡眠周期根据分组数目划分为几个短的侦听睡眠周期，在每个短周期内，节点都能收发数据。

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