CN101568151B - 一种无线传感器网络介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络介质访问控制方法，包括以下步骤：a)传感节点由环境事件驱动，产生数据传输的带宽需求，通过一般流量子信道向基站发送RESERVE包，主动请求预约传感报告子信道初始带宽，中间节点进行带宽注册和绑定，并传递RESERVE包；b)基站收到RESERVE包后，通过一般流量子信道回发ACK确认包，并逐个跳传回传感节点，在跳传回过程中预约带宽，激活请求传感报告子信道；c)传感节点接收到ACK确认包后产生REPORT包，通过传感报告子信道向基站发送报告；d)当环境事件变化，数据传输带宽需求变化，若流量波动超出阈值，传感节点将通过一般流量子信道触发a)、b)两步流量自适应调整过程，主动请求预约新带宽，以适应动态流量。

Description

一种无线传感器网络介质访问控制方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络，尤其涉及一种无线传感器网络介质访问控制方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种特殊的无线多跳分布式网络，具有快速组网、休眠节能、抗毁性强等特点，它相对于传统的无线网络，有明显的资源受限和动态变化的特点，节能效率和扩展性成为重要性能指标。介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议决定WSN无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线信道资源，是保证WSN高效通信的关键网络协议之一。针对具体的应用模型研究高效的MAC协议意义深远。

无线传感器网络研究的核心问题之一是能耗管理，无线传感器网络协议栈各层的设计，都以节能效率作为首要的考虑。无线传感器网络与应用密切相关，其介质访问控制协议主要分为：(1)基于竞争的随机访问方式；(2)基于时间调度的MAC协议，普遍采用TDMA；(3)两种机制的混合型方案，这也是广受关注的研究热点之一。基于竞争和调度的机制各自侧重考虑和解决的问题不同，各有优势，单纯一种机制的MAC协议很难在各个性能指标中获得较好的平衡。竞争型的MAC协议扩展性好，但延时大；调度型的MAC协议开销小，实时性比较好，但扩展性差，时间同步要求严格。竞争性MAC机制与TDMA时间调度机制的有机结合可以平衡两者的优势和不足，取得较好的性能。近年来吸引了不少学者的参与和研究，但在实际应用仍需要进一步的讨论，混合型方案是高效无线传感器网络MAC协议的重要解决思路和发展趋势。

μ-MAC协议特别针对周期性数据采集型网络应用，要求网络中的数据流量是可预知的，且不存在动态变化，其主要不足及局限性讨论如下：

1)μ-MAC的适用场合及迟钝的流量适应性。μ-MAC针对周期性数据采集型的网络应用而设计，在该特殊的应用模型中，流量是可预测的，可从应用层信息获得(传感任务中直接包含了需要采集的数据类型、频度、有效期等信息)，一旦由基站发起INTEREST数据请求，预约好一个一定带宽的传感报告子信道(Sensor Report，SR)后，流量基本是固定的，直到传感任务结束或基站明确再次发起新的INTEREST请求，才可能改变子信道带宽。μ-MAC只针对上述的周期性数据采集型应用，没有也不需要提供对动态流量的主动调整机制，在广泛需求的包含动态流量的数据采集应用场合中照样实施μ-MAC，其效率会非常低。

2)一般流量子信道(General Traffic，GT)效率低。GT功能主要是承载INTEREST/RESERVE包的传输，预约子信道带宽。虽然其带宽不大，是在网络运行前固定设置的，但节点需要单独为GT在无竞争期计算选择时槽，且在这些时槽上所有邻居节点都必须活动侦听或发送。μ-MAC协议还规定在GT子信道上如果没有数据传输，也要发送冗余的维持包携带未来n个时槽分配的信息。这都带来额外的能量消耗。当GT带宽较大时，GT子信道效率低的问题更加突出。

发明内容

针对以上问题，本发明基于μ-MAC，扩展其适用模型为更广泛需求的动态流量的数据采集型网络应用，改进设计了一种高效的介质访问控制方法。本发明的设计继承μ-MAC基本的拓扑建立和时槽分配算法，但扩展了其应用模型，不再单纯适用于周期性数据的固定流量网络，使用一种改进的信道结构和运行控制，引入流量自适应机制，适用于传感节点主动式的动态流量监控网络。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种无线传感器网络介质访问控制方法，该无线传感器网络包括传感节点、基站及传感节点与基站之间传输数据的信道，其包括以下步骤：

a)传感节点由环境事件驱动，产生数据传输的带宽需求，通过一般流量子信道向基站发送RESERVE包，主动请求预约传感报告子信道的初始带宽，中间节点进行带宽注册和绑定，并传递RESERVE包；

b)基站收到RESERVE包后，通过一般流量子信道回发ACK确认包，并逐个跳传回传感节点，在跳传回过程中预约带宽，激活请求的传感报告子信道；

c)传感节点接收到ACK确认包后产生REPORT包，通过已建立的传感报告子信道向基站发送报告；

d)当环境事件变化，数据传输的带宽需求变化，若流量波动超出阈值，传感节点将通过一般流量子信道触发同a)、b)两步的RESERVE/ACK流量自适应调整过程，主动请求预约新的带宽，以适应动态流量。

上述RESERVE包由路由层协议决定传输路径，初始带宽根据传感节点的应用层信息获得。

传感节点处通过发送缓冲器来监测和感知其流量变化，若流量波动超出阈值，则进行自适应调整过程。

流量感知的方法为：如果流量波动在时间段t1内保持大于阈值q，则认为预约的带宽不够，触发新的一次预约过程，申请更大带宽的子信道；如果流量波动在时段t2内小于阈值q，则认为带宽冗余，触发新的预约过程，减少占用的带宽。

本发明相对于现有技术的优势：

本发明把μ-MAC扩展成为自适应流量变化、自动调整合适带宽子信道的协议，减少了动态流量的传输延时，而保留了μ-MAC的时槽分配机制的优越性。改进的运行控制过程及流量感知和自适应调整过程能很好应付动态流量的数据采集型网络应用。

附图说明

图1为原信道结构；

图2为改进型的信道结构；

图3为原μ-MAC运行控制；

图4为改进的运行控制；

图5为本发明实验模型；

图6为节点平均睡眠比例仿真实验图；

图7为μ-MAC报告包平均时延仿真实验图；

图8为本发明的报告包平均时延仿真实验图；

图9为传达率仿真实验图。

具体实施方式

本发明动态流量的数据采集型网络模型的特点是：传感节点以环境事件为驱动，主动向基站预约带宽和传输报告数据，并同时启动流量感知，如果发现所使用的传感报告(Sensor Report，SR)子信道带宽不足或过度空闲，则将自动触发自适应调整。概括之，主要特点有：a)主动性，基站只作为一个数据集合中心，而不再做采集任务的集中控制，数据采集任务由传感节点根据环境情况主动产生，主动预约到基站的路径和带宽，主动周期性地上传报告数据；b)事件驱动，传感节点起监控和数据采集功能，环境事件直接驱动节点的数据采集任务，并影响采集的数据类型和频度；c)动态流量，环境变化，传感任务和数据亦随之变化，网络允许存在动态流量，应用实例如农田生态保护智能监控网络等。

本发明对μ-MAC的信道结构进行了改进，原信道结构见图1，改进型的信道结构见图2，仍分为随机竞争接入方式的竞争期，和TDMA调度接入的无竞争期，但简化了μ-MAC的无竞争期子信道，只保留传感报告SR子信道，而把一般流量GT子信道的功能(主要是基站的兴趣任务分发和节点流量预约)转移到竞争期。这样，无竞争期完全由占网络主要流量的周期性报告数据的调度使用，信道使用率得到提高。

对于竞争期，开头加入同步信标，在此阶段，可约定由某个参考节点(如编号最小的节点)引发本地局部同步；并采用类似T-MAC协议的Time Out机制限制了竞争期过多的空闲侦听。同步后，邻居节点保持在竞争期侦听，直到TA时间超时后仍没有数据接收，节点则自动进入睡眠模式，直到整个竞争期结束，然后进入无竞争期只在被调度的时槽上活动。这个思路目的在于尽可能减少节点空闲侦听，不需要在每个竞争期中让节点一直侦听，同时保持了原竞争期的功能。

本发明设计的介质访问控制方法基于流量感知和自适应调整机制，以适应于其拓展的应用模型动态流量的数据采集型网络。在新的应用环境中，一方面流量可以动态变化；另一方面节点采集任务转为主动产生，这都要求在运行控制上作较大改进。附图3是原μ-MAC的控制方式，附图4是本发明改进的接入控制方法，它取消了图3中μ-MAC运行的INTEREST/RESERVE流量预约过程，由基站主控方式改为传感节点主动调控方式。传感器节点根据环境事件的变化主动产生作业任务，以及带宽需求，然后节点主动向网络预约通向基站的子信道，并周期性地上传传感报告数据。

介质访问的运行控制继承了μ-MAC的四个链路层命令：两个数据通信命令send、report，和两个子信道建立命令register、reserve，流量预约过程传输的三种类型数据包INTEREST、RESERVE、REPORT(主要是为了实现基站分发任务而设计的)在动态流量的数据采集型应用模型中不全适用，需要改进为：RESERVE、ACK、REPORT。不同的数据类型交互过程和功能参见附图4。主要的运行控制过程有以下步骤：

a)传感节点由环境事件驱动，产生数据传输的带宽需求，在GT子信道向基站发送RESERVE包，主动请求预约SR子信道的初始带宽，中间节点进行带宽注册和绑定，传递RESERVE包；

b)基站在GT子信道回发ACK确认包，逐跳传回传感器节点，并一路上预约带宽，激活请求的SR子信道；

c)传感节点产生REPORT包，在已建立的SR子信道向基站发送报告，并监测节点的发送缓冲器；

d)当环境事件变化，传输任务需求变化，若流量波动超出阈值，节点将在GT子信道触发同a、b两步的RESERVE/ACK流量自适应调整过程，预约新的带宽，以适应动态流量。

上述RESERVE包由路由层协议决定传输路径，初始带宽根据传感节点的应用层信息获得。

本发明的运行基于流量感知及自适应调整机制。μ-MAC协议的节点维护一个发送缓冲器，网络存在时延，缓冲器可以在子信道尚未准备好或忙碌时暂存数据包。由于针对周期性数据采集应用的特殊性，μ-MAC对缓存器的要求不大，且队列也不长，主要是在协议启动阶段临时存储待发送的包。本发明设计正好利用率这一发送缓冲器来监控和感知流量变化，从而触发进一步的自适应调整。本设计取消了INTEREST/RESERVE流量预约过程，而让节点根据自身的流量需求初始一个从传感节点到基站的一定带宽的子信道。然后传感器节点监控自身的队列缓冲器，流量感知的策略为：如果队列在时间段t1内的长度保持大于阈值q，则可认为预约的带宽不够，可触发新的一次预约过程，申请更大带宽的子信道；如果在时段t2内缓冲器保持空，则可认为带宽冗余，可触发新的预约过程，减少占用的时槽数(带宽)。自适应调整过程基于上文所述的运行控制过程。t1、q、t2是协议的关键参数，它们决定了流量感知的敏感程度。

这样改进的特点在于把μ-MAC扩展成为自适应流量变化、自动调整合适带宽子信道的协议，减少了动态流量的传输延时，而保留了μ-MAC的时槽分配机制的优越性。改进的运行控制过程及流量感知和自适应调整过程能很好应付动态流量的数据采集型网络应用。

本发明针对动态流量的采集型WSN应用，继承了μ-MAC主要的高效控制策略，在性能改进方面，扩展了协议的应用模型，使用一种改进的信道结构和控制方式，提高了无竞争期信道使用率，并提供了良好的动态流量自适应性，主要体现在网络流量动态变化时，协议还能保持良好的性能。理论上定性分析，这些改进措施将能良好地改善μ-MAC的动态负载流量自适应性，代价是稍微降低协议的节能效率，尤其是网络流量变化较大时，因为更大的流量会需求更多的时槽调度，节点的睡眠机会自然减少，睡眠比例降低。而流量恒定或变化较小的情况下，本设计能保持与μ-MAC相近的节能效率和时延性能。下文将用仿真实验定量地分析本发明的性能。

实验在NS-2平台中进行。为了对比评价，同时实现了μ-MAC协议。测试的性能指标为：在不同的流量下的节能效率、时延和传达率。实验模型参考原μ-MAC的实验，结构如图5。只有直接相邻两个节点能互相通信，这种简化的结构帮助研究直接的MAC指标，排除路由层选择的影响。协议的主要参数为：无线信道的速率为20Kbps，竞争期时槽长度为20ms，无竞争期时槽长度40ms(含转换间隔。此期间可容长达100字节的数据包传输)；竞争期包重发最多为7次，为保证99％传达率，选择盈余的参数N＝25，故竞争期时槽总数为7×1.44×N＝252个；发给基站的报告包为50字节；实验中只实现一个SR子信道；NCR算法采用MD5作为伪随机数产生器；缓冲器为20个包；参数Rc取为1％。μ-MAC的兴趣任务初始化为每秒8个包(8p/s)并在实验中不改变。本设计的t1、q、t2参数取为10个时槽、18个包、4个时槽。实验仿真两种协议，并多次运行，结果及分析如下：

1)节能效率实验分析

节能效率用节点的睡眠比例来间接衡量。图6中，横坐标Ti’是包产生间隔，表示了在节点感知不同的环境事件时触发的不同作业任务(包产生间隔)，该值越小(越往坐标左边)，包产生越密集；该值越大(越往坐标右边)，包产生越稀疏。而μ-MAC是基站主控的方式，传感器节点不能主动调整产生的数据包类型和频度等。对于μ-MAC协议，μ-MAC的兴趣任务初始化为每秒8个包(8p/s)并在实验中不改变。

由图6可见，Aμ-MAC节点睡眠比例在流量变大时(包间隔Ti’＜8p/s)低于μ-MAC，而在Ti’＞8p/s时睡眠比例稍高于μ-MAC。体现了Aμ-MAC动态的SR子信道带宽，可用节能效率换取负载适应。因为本发明的控制方式中，随着流量的增大会自动为SR子信道分配更多的时槽以适应新的需求，故在包产生间隔Ti’小于初始值8p/s时的节点平均睡眠比例降低，而Ti’＞8p/s时，节点睡眠比例也会自动调大。这是节能效率与流量适应性之间的平衡和转换。

2)时延性能实验分析

图7和8分别表示μ-MAC和本发明的改进设计的报告包时延。图中横坐标Ti’仍是包产生间隔，图示三条曲线表示在编号1、3、5的节点中测试的平均队列时延。μ-MAC并不保证数据包被立即传输，而是保证根据包产生率对应分配足够多的时槽。节点n不仅要传输自身的数据，还要传递前n-1个节点的数据，故5个节点的通过负载和时延表现是不同的，图中记录了其中三个节点的情况。由图，在包间隔Ti’较大(流量小)时，本发明设计的时延性能与μ-MAC相近，但随着Ti’减小(流量增大)，μ-MAC时延明显增大，而本发明的方案却表现很稳定。这是因为在流量增大时，滞留在节点缓冲器中的包增多，μ-MAC子信道的带宽(容量)是固定的，流量过大，会引起队列过长，时延也明显增大，负载过重时甚至可能出现丢包；而本发明的子信道是自适应动态流量的，可确保缓冲器的队列长度适宜，保证时延性能。

3)传达率实验分析

图9所示是在不同流量负载下的传达率(1-丢包率)，图中横坐标Ti’是包产生间隔，表示网络中实际流动的负载数据的密度，而μ-MAC的兴趣任务初始化为每秒8个包(8p/s)并在实验中不改变。实验中μ-MAC和Aμ-MAC缓冲器均为20个包。可见本发明在流量增大的情况下保持良好的包传达率，保证很高的可靠性；而μ-MAC在不堪重荷时丢包率明显增大。这与时延实验的分析是相似的，μ-MAC的SR子信道不能应对动态流量，负载变重时协议甚至无法正常工作。

综上所述，本发明增强了无线传感器网络数据链路层介质访问控制的流量适应性，适用于更广泛需求的动态流量数据采集型网络应用，同时保留了跟μ-MAC在正常运行时相近的性能，负载重而μ-MAC明显劣化时(μ-MAC由基站主控，集中分发数据采集任务，网络中实际的流量变化基站无法应对)，本发明却能以稍微降低节能效率来保证数据传输的时延性能和可靠性，体现了良好的动态流量适应性。本发明具备一定实用意义和工程应用价值。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络介质访问控制方法，该无线传感器网络包括传感节点、基站及传感节点与基站之间传输数据的信道，其特征在于包括以下步骤：

a)传感节点由环境事件驱动，产生数据传输的带宽需求，通过一般流量子信道向基站发送RESERVE包，主动请求预约传感报告子信道的初始带宽，中间节点进行带宽注册和绑定，并传递RESERVE包；

b)基站收到RESERVE包后，通过一般流量子信道回发ACK确认包，并逐个跳传回传感节点，在跳传回过程中预约传感报告子信道带宽，激活请求的传感报告子信道；

c)传感节点接收到ACK确认包后产生REPORT包，通过已建立的传感报告子信道向基站发送报告；

d)当环境事件变化，数据传输的带宽需求变化，若流量波动超出阈值，传感节点将通过一般流量子信道触发同a)、b)两步的RESERVE/ACK流量自适应调整过程，主动请求预约新的传感报告子信道带宽，以适应动态流量。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络介质访问控制方法，其特征在于：上述RESERVE包由路由层协议决定传输路径，初始带宽根据传感节点的应用层信息获得。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络介质访问控制方法，其特征在于：传感节点处通过发送缓冲器来监测和感知其流量变化，若流量波动超出阈值，则进行自适应调整过程。

4.根据权利要求3所述的无线传感器网络介质访问控制方法，其特征在于：流量感知的方法为：如果流量波动在时间段t1内保持大于阈值q，则认为预约的传感报告子信道带宽不够，触发新的一次预约过程，申请更大带宽的传感报告子信道；如果流量波动在时段t2内小于阈值q，则认为传感报告子信道带宽冗余，触发新的预约过程，减少占用的传感报告子信道带宽。

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