CN101374140B - 一种无线传感器网络的通讯mac实现方法及实施该方法的无线传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感器网络的节点结构；本发明还涉及无线传感器网络的通讯协议。本发明针对无线传感器网络的低速率特性提供一种基于异步通信架构的高能量有效性的MAC协议，以消除同步开销及缓解冲突概率。首先，本发明利用半被动式RFID技术，发明一种新的完全适合低速率无线传感器网络的节点结构。本发明的无线传感器网络的节点结构，包括节点主板，电池和发送模块，其特征在于在节点结构中还有异步模块，该异步模块采用的是半被动式的RFID，包括天线，缓存和激活模块，该异步模块与节点主板连接基于此节点结构，本发明设计交错的唤醒机制的MAC协议，能有效地缓解冲突，很大程度上降低系统能耗。

Description

一种无线传感器网络的通讯MAC实现方法及实施该方法的无线传感器网络节点

技术领域

本发明涉及无线传感器网络的节点结构；本发明还涉及无线传感器网络的通讯协议。

背景技术

无线传感网络(WSN，wireless sensor networks)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。

无线传感器网络是从传感器网络开始的。

第一代传感器网络出现在20世纪70年代。使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串，并接口(如Rs-232、RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现.用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。

参考图1传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

在传感器网络中，节点(接收发送器)是一个重要的物理基础，构成传感器网络的一部分。它必须拥有足够的能量，可以将从传感器网络中的能量有限的节点上传来的信息转发到传输介质(Internet网或通讯卫星)上。

网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述，对无线传感器网络来说，其网络体系结构不同于传统的计算机网络和通信网络。网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构；传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理；在分层协议和网络管理技术的基础上，支持了传感器网络的应用支撑技术。

传感器网络研究的核心问题之一是功耗管理。通过对现有系统的分析可知，射频模块是节点中最大的耗能部件，是优化的主要目标。MAC协议直接控制射频模块.对节点功耗有重要影响。

传感器节点无效功耗主要有以下四个来源。①空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频模块必须一直处于接收状态，消耗大量的能源。这是无效功耗的最主要来源；②冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费；③串扰(overhearing)：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗；④控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效的。

由于上述原因，传感器网络MAC协议一般采用了“侦听/休眠”交替的信道侦听机制，节点空闲时自动转换为休眠状态，以减少空闲侦听。

IEEE802.15.4是美国电气电子工程师学会(工EEE)制定的标准，传感器网络是它的主要应用领域之一。

IEEE 802。11协议在RTS/CTS控制帧基础上又增加了确认(ACK)机制。在802。11协议中，DCF(Distributed Coordinated Function)机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式，它把CSMA/CA技术和确认(ACK)技术结合起来。除了使用基于RTS/CTS的虚拟载波侦听机制，还可以使用帧分割技术，使得在信道差错率较高的情况下提高网络性能。802。11协议同样采用了二进制指数退避，所以无法保证信道接入的公平性。

目前无线传感器网络采用的底层通信协议，特别是媒介访问控制协议仍然是沿袭因特网和IEEE802。11协议的扩展技术。虽然IEEE802。11协议在能量有效性与可操作性方面并不符合无线传感器网络的要求，但目前提出的大多MAC协议，均沿袭802。11协议的扩展技术。在这些MAC协议中，仍然采用传统的载波侦听和基于随机退避机制的冲突避免方法作为底层的信道管理机制，而能量有效性则依赖于节点间协同的睡眠/唤醒机制。因此，除节点间的同步开销外，将节点间的通信限制在狭窄的通信窗口内不可避免地会增加冲突概率和无关的数据侦听。因此，在低速率的，节点密集的无线传感器网络中采用这些传统技术并不能有效地缓解无线冲突，节省能量，尤其在大规模的无线传感器网络中，这种影响更为显著，从而进一步增加了系统的能耗。

RFID是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID技术由Auto-ID中心开发，其应用形式为标记(tag)、卡和标签(label)设备。标记设备由RFID芯片和天线组成，标记类型分为三种：自动式，半被动式和被动式。

发明内容

本发明针对无线传感器网络的低速率特性提供一种基于异步通信架构的高能量有效性的MAC协议，以消除同步开销及缓解冲突概率。首先，本发明利用半被动式RFID技术，发明一种新的完全适合低速率无线传感器网络的节点结构。基于此节点结构，本发明设计交错的唤醒机制的MAC协议，能有效地缓解冲突，很大程度上降低系统能耗。

本发明提供了一种无线传感器网络的通讯MAC实现方法，该实现方法中利用了交错唤醒机制，异步转发和异步应答机制；该MAC实现方法具体步骤为：

1)使用所述交错唤醒机制唤醒节点，该交错唤醒机制具体包括：

1.1)将一个唤醒-睡眠周期设置为T_c，u_i表示传感器节点u到sink点的跳数为i；为了计算节点与sink点的距离i，sink点可以通过在网络的初始化阶段发送一个广播数据包，携带一个计算距离的字段，初始值设定为0，每被中转节点转发一次，该字段加1，直到遍历整个网络；

1.2)然后，将路由上的所有节点分成不同的虚拟组，每个组包含G个节点；在单个组中，根据该节点到sink点的跳数，每个节点会被赋值一个不同但连续的唤醒时间窗口T_c/G，在时间段T_c/G内均匀随机地选择一个唤醒时间点，进行唤醒和数据发送；传输路径后面的其它分组则采用相同的调度方法；所述的交错唤醒机制IWS利用频谱空间的复用及G的大小所控制的唤醒频率来降低冲突概率；设节点u_i在t_i唤醒，t_i定义为：

$t_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}U[0,\frac{T_c}{G}]+(G-\left(i\mathrm{mod}G\right))\frac{T_c}{G}+(n-1)T_c,i\mathrm{mod}G\≠0\\ U[0,\frac{T_c}{G}]+(n-1)T_c,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中n＝1，2，...表示数据采集的周期数；U[0，Tc/G]”指的是均匀随机抽样函数；

2)使用所述异步转发机制和异步应答机制进行异步转发和异步应答；具体包括：所述异步转发机制具体为节点在按照所述的唤醒机制唤醒后，再进行异步转发；所述异步应答机制包括：在发送的数据包增加一个额外的ACK标识字段表示是否需要接收节点返回一个ACK，接收节点收到ACK标识字段为true的数据包后需要进行确认，返回一个ACK给发送节点；而这种DATA-ACK确认机制同样采用一种异步的方式：即在接收节点唤醒后进行ACK确认。

相应的，本发明还提供了一种实施上述方法的无线传感器网络的节点，包括节点主板，电池，传感模块和发送模块，所述与电池连接的传感模块接入节点主板，所述节点主板最后与发送模块连接；其特征在于在节点结构中还有异步模块，该异步模块采用的是半被动式的RFID，包括天线，缓存和激活模块，该异步模块与节点主板连接。

本发明提供的无线传感器网络的节点结构是允许节点在近似睡眠的低功耗状态下，正确接收数据。若用这样的节点承担传统传感器节点(如Mica2)的无线接收功能，则节点可以通过该模块无源接收邻居节点发送的数据报，并将数据报放入该模块缓存中等待节点进入激活状态处理。异步模块(本发明提供的节点结构)的另外一个优点是可以向后兼容，即可以在关闭后，采用传统的通信方式进行数据传输。

图2显示了配置了本发明提供的无线传感器网络的节点的内部结构。图4显示了异步通信状态下的无线传感器网络。在该架构中，某节点a可以根据自己的唤醒时间进行唤醒，然后发送传感数据到接收节点b的异步模块。当节点b唤醒后则可以收集缓存在异步模块的数据，然后通过发送Radio转发数据到下一跳节点。从而形成一种存储-转发的多跳异步通信模式。另一方面，除了这种Radio-异步模块的通信方式，传统的Radio-Radio的通信方式可以作为异步通信的补充模式。

异步模块是该异步通信架构的关键组成部分。本发明基于目前传感器元件的工艺发展水平，利用现有的低功耗Radio和激活逻辑电路(activation logic)技术设计异步模块，使其能在低功耗状态下半被动式地接收数据。

当前硬件技术的发展，尤其是当前的低功耗的无线射频识别(Radio FrequencyIdentification，RFID)标签(tags)的广泛使用，使得异步无线接收模块异步的可以采用半被动式的RFID标签来实现。

目前，异步模块采用的半被动式的RFID标签与全被动式的RFID标签的主要区别在于，无需从全部射频信号获取能量，节点内装有电池，电池仅对标签内要求供电维持数据的电路或标签芯片工作所需的电压作辅助支持，标签电路本身耗电很少。标签未进入工作状态前，一直处于休眠状态。当标签进入干扰范围时，受到节点发出的射频能量的激励，进入工作状态，结合自身电池的能量接收数据。

采用半被动式RFID标签的另外一个优点是增加了节点Radio感应灵敏度，延长了发送距离。考虑到异步模块的功能特性，节点的有效发送距离由异步模块所需的最小激活能量决定。根据Frris无线通信模型，节点的接收信号功率为

其中，P_t为发送信号的功率，G_t与G_r分别表示发送/接收天线的增益。λ为波长，D为收发节点间的距离。考虑到传感器节点有限的发送功率，若采用全被动式的RFID标签，由于需要较大的接收功率激活异步模块，即P_r较大，则有效发送距离D很小。相反，半被动式的RFID标签采用一个电池供电的直流放大器(DC amplifier)，能很大程度上提高标签本身的灵敏度，降低对P_r的要求(目前的实验发现可以降低约30dB)，因此提高了有效通信距离。

此外，异步模块与一般的RFID的一个重要不同之处在于，不需要进行读操作，即从异步模块内部读取数据。这样就进一步降低了异步模块本身设计的复杂度。

本发明的实施例基于IntelleFlex公司的半被动式RFID标签设计异步模块。该标签提供了单独的射频收发芯片，能满足目前异步模块在低功耗状态下接收数据的要求。为了与RFID标签无缝整合，目前正在设计的节点采用Texas仪器公司的CC1110芯片，可以与IntelleFlex公司的RFID标签工作在同一个频率(900MHz)。

节点的收发模块架构如图3所示，节点上发送芯片CC1110的SI接口与处理器Atmega128L的MOSI接口相连，进行数据发送；而原来与发射芯片相连的MISO接口则变为与异步模块的输出接口相连，将异步接收的数据载入CMU进行处理。目前的关键工作是进行CC1110和异步的模块化封装及相应的编码。

在上述节点结构的基础之上，本发明提供了一种无线传感器网络的通讯协议。本发明提供的MAC协议采用非传统的交错的唤醒机制IWS，采用数据包交错的，逐跳的转发模式。该机制的主要思想是：让节点更频繁地唤醒来缓解基站周围的拥塞状况，且利用频谱空间的交替使用以降低冲突概率。每个节点从一个时间周期中随机选择一个时间点作为初始唤醒点，然后进行周期性的调度。交错的唤醒机制IWS只有相邻的一组节点才共享一个时间周期。

IWS机制的具体内容为：将一个唤醒-睡眠周期设置为T_c，u_i表示传感器节点u到基站的跳数为I；为了计算节点与基站的距离(跳数)i，基站可以通过在网络的初始化阶段发送一个广播数据包，携带一个计算距离的字段，初始值设定为0，每被中转节点转发一次，该字段加1，直到遍历整个网络(用户也可以根据具体应用中的路由协议选择计算距离的方法)。

将路由上的所有节点分成不同的虚拟组，每个组包含G个节点。在单个组中，根据该节点到sink点的跳数，每个节点会被赋值一个不同但连续的唤醒时间窗口T_c/G，在时间段T_c/G内均匀随机地选择一个唤醒时间点，进行唤醒和数据发送。传输路径后面的其它分组则采用相同的调度方法。IWS利用频谱空间的复用，及G的大小所控制的唤醒频率来降低冲突概率。设节点u_i在t_i唤醒，t_i定义为：

$t_i\left(n\right)=\left\{\begin{array}{c}U[0,\frac{T_c}{G}]+(G-\left(i\mathrm{mod}G\right))\frac{T_c}{G}+(n-1)T_c,i\mathrm{mod}G\≠0\\ U[0,\frac{T_c}{G}]+(n-1)T_c,\mathrm{otherwise}\end{array}\right.$

其中n＝1，2，...表示数据采集的周期数；U[0，Tc/G]”指的是均匀随即抽样函数。

举例：就如图5(a)所示，假设G＝2，离sink节点为偶数跳的节点将在任意的T_c/2的时间随机醒来，而奇数跳的节点将在剩下的T_c/2的时间随机醒来。即唤醒序列为[(1，3，...)，(2，4，...)]。但是一个大小为2的组可能会存在隐藏节点问题，造成数据传输在某个接收节点处发生冲突。在这种情况下，可采用更大的G，图5(b)显示的是G＝3时的情况，相同颜色的节点在相同的时间窗中唤醒，唤醒序列为[(1，4，...)，(2，5，...)，(3，6，...)]。因此，通过调节周期时间和组大小G能有效控制节点唤醒频率。所以无论组大小为多少，一个时间周期T_c内数据包在组内每个节点仅中转一次。

异步应答机制：

本发明针对异步通信的特性采用一种异步的应答(简称为ACK)机制，提高数据传输的可靠性。传统的RTS/CTS/DATA/ACK机制中，节点接收数据后，额外发送一个ACK帧。新的机制与此不同，该机制在发送的数据包增加一个额外的ACK标识字段(true or false)表示是否需要接收节点返回一个ACK。接收节点收到ACK标识字段为true的数据包后需要进行确认，返回一个ACK给发送节点。而这种DATA-ACK确认机制同样采用一种异步的方式：即在接收节点唤醒后进行ACK确认，通过拖弋机制(piggybacking)将ACK确认和应答地址附带在转发的数据包中。若节点连续没有收到ACK应答(包括重发包的应答)，认为冲突发生，则再次选择一个新的随机唤醒时间点U[0，T]，进行一下轮的数据发送。

因此，IWS机制能与异步应答确认机制无缝结合。节点在发送数据时，其上一跳节点，即数据包的来源节点正好处于睡眠状态，可以进行ACK接收，在唤醒后即可以进行ACK确认，判断是否需要重发数据。且采用交错的方式，可以复用数据发送的频谱空间，让原本存在竞争的节点在各自的时间进行数据发送，即某一个时刻参与竞争的节点数n减少，冲突概率随着下降。

本发明提供了一种新的完全适合低速率无线传感器网络的节点结构，并基于此异步架构，设计交错的唤醒机制的MAC协议，能有效地缓解冲突，很大程度上降低系统能耗。

附图说明

图1是现有技术中无线传感器网络的节点结构；

图2本发明提供的无线传感器网络的节点结构；

图3本发明提供的无线传感器网络的节点结构中收发模块的架构；

图4本发明提供的无线传感器网络的异步通信状态示意图；

图5表示本发明提供的交错唤醒机制示意图；其中相同颜色的节点在同一个时间窗口进行唤醒；

图6本发明提供的无线传感器网络实施例中基站数据包的接收率；

图7本发明提供的无线传感器网络实施例中单字节能耗；

图8本发明提供的无线传感器网络实施例中传输延时；

图9本发明提供的无线传感器网络实施例中传输数据包的能量-时间开销。

具体实施方式

实施例1

仿真中将异步模块看作传感器节点附加的无线接收模块，并由基于OMNeT++开发的异步通信仿真系统模拟无线传感器网络的通信环境。模拟大小为500×500m²的区域中，随机分布1000个节点，使用异步模块接收的异步通信距离为30m，而使用传统接收模块的代表性MAC协议S-MAC和802。11的通信距离为90m。仿真参数如表1所示，其中能耗引用传感器网络领域目前通常采用的参数配置。

仿真中，IWS的占空比为5％，组大小G＝2(IWS-2)，且T_c＝4s，然后采用数据接收率、能耗和端到端延时作为性能指标，与802。11协议和未采用自适应侦听且占空比为5％的S-MAC协议相比较。模拟时每个节点在一个周期内生成一个30Byte的数据包，通过对每轮周期时间，即发包时间间隔的调整(如下图中的X轴)，可以改变网内通信负载。每个仿真进行10次，实验结果的方差与均值一同体现在以下图中。

表1参数配置

图6显示了sink节点收到的无重复的包的平均数。可以发现在不同的网络负载下。S-MAC协议下的数据包接收率最低，802。11的性能比S-MAC稍好，但数据接收率仍然很低，其原因可以归结于信号传输范围大，因此发生干扰的可能性也更大。相反，IWS-2转发数据包的频率更高，在局部范围内参与发送的节点更少，且使用较短的通信距离可避免密集节点的干扰，因此能获取最高的接收率。

图7显示在整个网络内平均每向基站发送一个Byte数据所消耗的能量。IWS-2比其它的方法更节约能量，特别是当网络负载比较轻的时候。802。11MAC和S-MAC所消耗的能量分别是IWS-2的20倍和4倍。

图8描述了数据从源节点到基站的传输延时。在网络负载比较高的异步通信网络中，由于较高的数据产生频率，使得IWS-2的传输延时比其它方案要高。当网络负载变轻时，IWS-2的延时随着负载不断的减轻而逐渐减少。

图9显示了传输一个数据包的总的能量-时间开销，描述了能耗和延时的折衷效果。在网络负载比较重时，802。11MAC与S-MAC表现出基本相同的能耗×延时开销。但均比IWS-2的开销要大两倍左右。且随着网络负载减轻，IWS-2的能耗×延时开销保持匀速下降，并最后趋于稳定。相反，802。11MAC由于过多的空闲监听而消耗过多能量，导致总的开销也随之快速上升。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络的通讯MAC实现方法，其特征在于该实现方法中利用了交错唤醒机制，异步转发和异步应答机制；该MAC实现方法具体步骤为：

1)使用所述交错唤醒机制唤醒节点，该交错唤醒机制具体包括：

1.1)将一个唤醒-睡眠周期设置为T_c，u_i表示传感器节点u到sink点的跳数为i；为了计算节点与sink点的距离i，sink点可以通过在网络的初始化阶段发送一个广播数据包，携带一个计算距离的字段，初始值设定为0，每被中转节点转发一次，该字段加1，直到遍历整个网络；

1.2)然后，将路由上的所有节点分成不同的虚拟组，每个组包含G个节点；在单个组中，根据该节点到sink点的跳数，每个节点会被赋值一个不同但连续的唤醒时间窗口T_c/G，在时间段T_c/G内均匀随机地选择一个唤醒时间点，进行唤醒和数据发送；传输路径后面的其它分组则采用相同的调度方法；所述的交错唤醒机制IWS利用频谱空间的复用及G的大小所控制的唤醒频率来降低冲突概率；设节点u_i在t_i唤醒，t_i定义为：

其中n＝1，2，...表示数据采集的周期数；U[0，Tc/G]指的是均匀随机抽样函数；

2)使用所述异步转发机制和异步应答机制进行异步转发和异步应答；具体包括：所述异步转发机制具体为节点在按照所述的唤醒机制唤醒后，再进行异步转发；所述异步应答机制包括：在发送的数据包增加一个额外的ACK标识字段表示是否需要接收节点返回一个ACK，接收节点收到ACK标识字段为true的数据包后需要进行确认，返回一个ACK给发送节点；而这种DATA-ACK确认机制同样采用一种异步的方式：即在接收节点唤醒后进行ACK确认。

2.一种实施权利要求1所述方法的无线传感器网络的节点，包括节点主板，电池，传感模块和发送模块，所述与电池连接的传感模块接入节点主板，所述节点主板最后与发送模块连接；其特征在于在节点结构中还有异步模块，该异步模块采用的是半被动式的RFID，包括天线，缓存和激活模块，该异步模块与节点主板连接。 

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