CN101795498A - 无线传感器网络基于数据优先级的信道竞争接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种无线传感器网络基于数据优先级的信道竞争接入方法，本发明方法根据数据包的优先级别(分为高、低两种)，采用不同的信道接入机制，保证其不同的性能指标要求。另外在数据包的发送中引入聚合因子，利用节点的本地计算和存储能力，在满足具体网络性能要求的前提下对数据包作聚合处理，提高成帧效率进而提高能耗效率。通过参数聚合因子，网络可以在能耗效率和数据平均包延迟之间进行灵活选择。

Description

无线传感器网络基于数据优先级的信道竞争接入方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络基于数据优先级的信道竞争接入方法，适用于军事国防、环境监测、工农业生产等一系列星型或树型网络拓扑的无线传感器网络应用中。特别是网络负载不大，数据包存在不同优先级的应用场合中，可以在损失部分网络性能的情况下，大大减小高优先级数据包的延迟，并提高网络配置灵活性。

背景技术

无线传感器网络(WSN)是一种任务型的无线网络，大量的静止或移动的具有无线通信以及数据处理能力的传感器节点以自组织或多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，报告给用户。

IEEE成立了IEEE 802.15工作组，目标是为无线个域网(WPAN)提供简单、低耗能、短距离的无线通信标准。IEEE 802.15.4主要针对低速率、低功耗、低成本的LR-WPAN，定义了物理层和数据链路层的协议，该标准非常适合WSN的特性，它的诞生为WSN及大量基于微控制的应用提供了互联互通的国际标准，是目前好多WSN研究都是基于该协议标准。

在IEEE 802.15.4 MAC协议中提供两种工作模式：非信标使能和信标使能。

在非信标使能的网络中，由于节点间没有建立时间同步，节点的空闲侦听而导致了大量的能量消耗。因此非信标使能的通信机制并不是一种高效的通信机制。

在信标使能的网络中，大量的节点通过一个协调器构成一个星形网络，其中协调器称为Coordinator，与其相关联的每一个节点称为一个DEV。协调器为网络提供基本的定时和中心控制功能。DEV间的通信都要通过Coordinator。Coordinator通过定期发送信标帧来建立网络的时间同步，DEV可以在严格的时序下进入睡眠或工作状态，大大降低了能耗，因此该类型网络是一种高效率、低能耗、简单易布置的工作模式。另外在树型的网络拓扑中，在局部范围仍然可以被看作是星型网络，因此研究星状网络性能具有重要的现实意义，本发明基于信标使能网络IEEE15.4 MAC协议进行改进。

IEEE802.15.4协议中，CAP期数据包一致采用非坚持的CSMA/CA算法接入信道。非坚持的CSMA/CA可以减少碰撞的发生并实现节能。在这种方式中，有数据要发送的节点首先侦听信道，如果信道空闲，就立即发送；如果信道忙，节点就立即进行退避，节点在退避的过程中不侦听信道的状况，而是在退避计数器减小到0的时刻，进行信道估计，判断信道的忙闲状况，如果空闲则发送数据，否则，继续以一个更大的时间进行退避。协议在CSMA/CA中使用CW(竞争窗口)、BE(退避指数)、NB(退避次数)三个参数。

无线传感器网络技术具有天生的应用相关性，利用通用平台构建的系统都无法达到最优效果。IEEE802.15.4 MAC协议是一个宽泛的标准，并没有考虑一些典型的应用场景，缺乏配置灵活性，主要有以下缺点：

(1)该协议不区分数据包优先级，采用一致CSMA/CA竞争机制(相同的CW、BE、NB)，但在环境监控、入侵监测等诸多应用环境中每个数据包的优先级别是不一样的，比如在环境监测中，当监测采集数据在正常范围内，则该数据包可以允许在一定延迟下到达信宿节点，当采集数据不在正常范围内，表明此时有异常事件发生，该数据包需要在尽可能短的延迟下到达信宿节点，这两种情况下数据包的优先级显然是不一样的，而标准并没有考虑到这一点。

(2)IEEE 802.15.4标准的物理帧格式由同步信号(SYNC)、帧起始定界符(SFD)、帧长度(Frame Length)和负载(MPDU)四部分组成，业务数据被包含在MPDU中，除了业务数据外，其他一切控制信息开销不承载业务，但却消耗能量，这种浪费可以通过成帧效率来衡量，其值等于一帧中业务数据的传输时间与整帧的传输时间之比。记N_D为每帧中的用户业务数据大小，参照IEEE 802.15.4协议，成帧效率的公式为η＝N_D/(15×8+N_D)。图1显示了不同大小业务数据下的成帧效率。可见，在用户业务数据比较小的情况下这种浪费尤为明显，IEEE 802.15.4标准并没有对此进行分析处理。

发明内容

技术方案：本发明的目的是针对IEEE 802.15.4 MAC协议缺乏灵活性，未能考虑数据包不同QoS的缺陷，提出了一种基于数据优先级的信道竞争接入方式，根据数据包的优先级别(分为高、低两种)，采用不同的信道接入机制，保证其不同的性能指标要求。另外在数据包的发送中引入聚合因子，利用节点的本地计算和存储能力，在满足具体网络性能要求的前提下对数据包作聚合处理，提高成帧效率进而提高能耗效率。通过参数聚合因子，网络可以在能耗效率和数据平均包延迟之间进行灵活选择。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明无线传感器网络基于数据优先级的信道竞争接入方法，无线传感器网络由众多个节点构成，其特征在于所述方法包括如下步骤：

P0：节点开机完成初始化，在节点自己的属性库维护聚合因子变量m_p、阀门值变量gate_value和计数器变量Cnt，初始值都为0；然后以步骤P1到步骤P8为一个周期进行重复工作，其中m_p是聚合因子变量，用于低优先级数据包的聚合；

P1：节点以信标周期T接收信标帧，并进行时间同步、读取超帧定义域中的使能位：

当使能位为1，节点读取信标负载中的聚合因子M_P和门限值，分别保存到m_p和gate_value中，并开辟大小为m_p的缓冲区队列同时判断计数器变量Cnt是否为0：是，不做任何操作；否，则对计数器变量Cnt进行减1操作，转步骤P2；

当使能位为0，则忽略信标负载中的聚合因子M_P和门限值信息，转步骤P2；

P2：信标期结束，CAP开始，节点进行数据采集，获得业务包：如果采集值高于步骤P1所述的阀门值变量gate_value中存储的门限值，则优先级为高，判断计数器变量Cnt是否为0：是的话，添加帧开销信息组成数据帧，设置优先级标志位为1，然后转步骤P6；否则为低优先级，转步骤P3；

P3：节点将聚合因子变量m_p作减1操作，判断是否为0：是，转步骤P4；否则将步骤P2中获得的业务包保存到缓存区队列尾部，转步骤P8；

P4：将步骤P1所述的缓冲区里的业务包，从队首到队尾依次合并组成一个新的业务包，添加帧开销信息组成数据帧，设置优先级标志位为0，转步骤P5；

P5：初始化网络参数：CW＝2、BE＝3，转步骤P7，其中CW和BE是时隙CSMA-CA信道接入机制的两个参数：CW决定了在每次访问信道时所作的空闲信道估计的次数，BE决定了节点在访问信道前需退避等待的时长，下同；

P6：初始化网络参数：CW＝1、BE＝1，转步骤P7；

P7：采用IEEE 802.15.4协议规定的非坚持载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，然后发送步骤P2或P4得到的数据帧，并等待ACK帧，如果发送的是高优先级数据帧，收到ACK后将计数器变量Cnt设置为N，其中N为一个正整数；

P8：CAP结束，无线传感器网络节点进入低功耗休眠状态，等待下一个信标周期T重新开始，返回步骤P1。

有益效果：本发明提出了一种基于数据优先级的信道接入机制算法，在存在不同优先级数据包的网络应用中，在稍微增加低优先级数据包延迟的前提下，可以显著提高高优先级数据包的及时性，同时通过灵活的配置提高了能量利用效率。相比IEEE802.15.4协议的MAC协议，本算法考虑了网络数据的优先级，引入了聚合因子参数，从而提高了网络配置灵活性和网络能耗效率。本发明主要应用在环境监控、入侵检测，森林防火等场合。

附图说明

图1是成帧效率随业务数据大小的变化情况，

图2是星状网络拓扑图，

图3是节点工作流程图，

图4是网络仿真场景，

图5是不同聚合因子下的成帧效率，

图6是本发明算法和IEEE15.4标准下的平均包延迟。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

为了便于对本发明的理解，首先对文中用到的概念进行解释：

LR-WPAN    低速无线个人区域网络

HR-WPAN    高速无线个人区域网络

WSN        无线传感器网络

MAC        媒体接入控制

CSMA/CA    载波侦听多点接入/冲突避免

CAP        竞争接入周期

CCA        空闲信道估计

CFP        非竞争访问时段

BLE        电池寿命延长

BOP        信标期

ACK        确认帧

QoS        服务质量

业务数据：承载信息的最小单位，一般为设备采集的原始数据。

控制信息开销：为了可靠、有效地发送业务数据，需要添加的控制信息，该信息不承载信息，主要包括帧前导、帧控制、地址信息、FCS等。

业务数据和控制信息开销组成数据帧。

首先将IEEE 802.15.4标准的信标帧(表1)进行扩展；其超帧定义域(表2)中的第13比特位扩展为使能位，标准中该位原为预留。如果该使能位为1，则协调器在广播信标帧时，在信标负载域中添加一个字节的空间，存放聚合因子M_P(表3)。该参数为无符号字符型，取值范围为0-255，但在使用中该参数受业务数据包大小的影响(业务数据大小为x字节时，M_P的取值范围为1到floor(aMaxMACPayloadSize/x)，其中aMaxMACPayloadSize在IEEE802.15.4协议中取118)。同时扩展数据帧中的帧控制域(表4)中的第7位为数据帧优先级标志，1时为高优先级，0时为低优先级。

表1信标帧格式

表2超帧定义域

比特：0-3	4-7	8-11	12	13	14	15
							信标顺序	超帧顺序	CAP的最后一个时槽	电池寿命扩展(BLE)	使能位	PAN协调器	关联许可

表3信标帧中的信标负载

比特：0-7	8-15	可变
			信标负载长度(单位为byte)	M_P	门限值

表4数据帧中的帧控制域

比特：0-2	3	4	5	6	7	8-9	10-11	12-13	14-15
										帧类型	安全使能	帧未处理	Ack请求	PANID的压缩	数据优先级	保留	目的地址模式	帧版本	源地址模式

在星型网络拓扑信标使能网络下(见图2)，协调器在广播的信标帧中添加如下两个信息：使能标志位和聚合因子M_P。各节点接收信标帧后获取这两个参数保存到自己属性库中，并维护一个M_P大小的队列和一个计数器。节点采集数据后首先进行必要地分析处理，判断该数据包的优先级别，本发明并不指定具体判断方法，具体应用场景可以采用不同的方法，例如在环境监测系统中，如果节点连续几次采集数据值都高于某一门限值，则认定该数据包为高优先级，反之为低优先级。

节点根根数据包不同的优先级选择不同的信道接入机制，从而保证不同的性能指标；通过引入聚合因子，在损失一定的平均包延迟的情况下，来提高成帧效率和能耗效率(见图3)，协调器可以对网络性能进行统计，然后调整M_P参数从而实现灵活的网络配置。

本发明算法基于以下理论分析：IEEE 802.15.4的MAC协议中，所有数据包的初次信道接入参数(BE，CW)都相同(BE＝3，CW＝2)，这样可以保证节点接入的公平性。但在数据包存在优先级的情况下，该方案并不能得到最佳效果，本发明算法中，高、低优先级数据包采用不同的接入参数。

假设在t时刻信道空闲，N个节点接入信道，在原15.4 MAC协议中每个节点成功接入概率相同为1/N。在本发明算法中高优先级数据包接入参数为BE＝1，CW＝1，低优先级数据包接入参数为BE＝3，CW＝2，则在t时刻高优先级数据优先接入信道的概率为：

P₂＝P(Δt₁＜Δt₂)    (1)

式中Δt₁和Δt₂分别为t时刻开始到发送高、低优先级数据包的节点完成退避和CCA的时间差。

Δt₁＝(k+1)*20 symbols，k为非负整数，等概率取值于[0，1]；

Δt₂＝(m+2)*20 symbols，m为非负整数，等概率取值于[0，7]，且m和k取值概率相互独立，所以Δt₁和Δt₂概率相独立；

则：

P(Δt₁＝20)＝P(Δt₁＝40)＝1/2；

P(Δt₂＝l*20+40)＝1/8；l取值为0-7；

所以：

P₂＝P(Δt₁＜Δt₂)＝1-P(Δt₁＝40，Δt₂＝40)＝1-(1/2)*(1/8)＝15/16

以上分析了存在一个低优先级数据包的节点和一个高优先级数据的节点的竞争的情况。

当存在N个节点竞争信道，只有一个节点发送高优先级数据包，则此时高优先级节点优先接入信道的概率为P_N＝(P₂)^N-1，而采用IEEE 802.15.4 MAC协议时该节点接入信道的概率为P_N~＝1/N；当N为3时，P_N~为0.33，而本发明算法中P_N为0.879。本发明方法大大增加了高优先级数据包的信道接入概率，从而减少端到端延迟。

树状网络拓扑下，局部网络可以看做是一个星状网络，所以本发明的有益效果仍能体现，并且可以产生累计效果。

针对图3所示的节点工作流程图，本发明方法具体步骤如下：

首先协调器定期发送扩展格式后的信标帧，当使能位为1时表示该网络支持本发明方法；为0的话，网络仍以IEEE 802.15.4 MAC协议工作，不区分数据包的优先级别。

每个节点设备地位平等，以设备1为例，说明节点的一个工作周期流程：

P0：无线传感器网络中节点开机完成初始化，在自己的属性库维护三个变量m_p、gate_value和Cnt，初始值都为0。然后以P1到P8所示步骤为一个周期进行重复工作。

P1：无线传感器网络节点以信标周期T接收信标帧，并进行时间同步、读取超帧定义域中的使能位：

当使能位为1，在无线传感器网络节点读取信标负载中的聚合因子M_P和门限值，分别保存到m_p和gate_value中去，并开辟大小为m_p的缓冲区队列(m_p是聚合因子，用于低优先级数据包的聚合；gate_value是和该网络应用相关的一个阀门值，用于判断数据包的优先级)。同时判断计数器变量Cnt是否为0：是，不做任何操作；否，则对Cnt进行减1操作，转P2；

当使能位为0，则忽略信标负载中的聚合因子M_P和门限值信息，转P2；

P2：信标期结束，CAP开始，无线传感器网络节点进行数据采集，获得业务包：如果采集值高于步骤P1所述的gate_value变量中存储的门限值，则优先级为高，判断计数器变量Cnt是否为0：是的话，添加帧开销信息组成数据帧，设置优先级标志位为1，然后转步骤P6；否则为低优先级，转步骤P3；

P3：无线传感器网络节点将m_p作减1操作，判断是否为0：是，转步骤P4；否则将步骤P2中获得的业务包保存到缓存区队列尾部，转步骤P8；

P4：将步骤P1所述的缓冲区里的业务包，从队首到队尾依次合并组成一个新的业务包，添加帧开销信息组成数据帧，设置优先级标志位为0，转步骤P5；

P5：初始化网络参数：CW＝2、BE＝3，转步骤P7；

P6：初始化网络参数：CW＝1、BE＝1，转步骤P7；(CW和BE是时隙CSMA-CA信道接入机制的两个参数：CW决定了在每次访问信道时所作的空闲信道估计的次数，BE决定了节点在访问信道前需退避等待的时长)。

P7：采用IEEE802.15.4协议规定的非坚持载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，然后发送步骤P2(或P4)得到的数据帧，并等待ACK帧，如果发送的是高优先级数据包，收到ACK后将计数器变量Cnt设置为N(N为一个正整数，具体值和网络应用有关)；

P8：CAP结束，无线传感器网络节点进入低功耗休眠状态，等待下一个信标周期T重新开始，返回步骤P1。

为了证明本发明的有效性，我们用OPNET 14.5仿真了该算法，仿真环境如下(如图4)：

1.如图在100m*100m的空间内，由一个协调器PAN_coordinator、一个网络数据分析器analyzer、若干普通节点构成，节点随机放置。

2.PAN_coordinator和普通节点构成星状网络拓扑结构，不存在隐藏和暴露终端，analyzer主要对网络性能数据进行统计监测，其存在不影响网络性能。

3.仿真期间认为信道是理想的，只考虑数据发送时碰撞引起的丢包和时延。

4.节点每一个信标周期产生一个恒定大小的数据包，大小为100比特，在CAP期间进行信道接入和发送。物理层数据传输速率为250kbps。

5.网络参数为：BO＝6，SO＝2。且假定网络中不存在CFP，只有CAP。

6.节点以10％的概率产生高优先级数据包，分别统计高优先级和低优先级数据包的平均包延迟。数据包端到端延迟的定义如下：从数据包生成到被成功发送(收到ACK)这段时间。

通过成帧效率公式可知，η随着N_D的增大而增大，因此本发明引入了聚合因子，以牺牲部分低优先级数据包延迟的前提下提高成帧效率，进而提高能耗效率。成帧效率公式修正为：

η＝M_P*N_D/(15×8+M_P*N_D)

当业务数据N_D为15字节时，从图5可以看出：聚合因子为1时的成帧效率为50％，聚合因子为5时成帧效率提高到了83％，协调器通过修改聚合因子可以灵活地在能效和包延迟性能之间进行折中。

在相同的场景中，分别仿真了节点数为5、10、15、20、25、30、35、40的情况下，IEEE 802.15.4MAC协议和本发明算法的平均包延迟性能。从仿真结果(图6)可以看出：随着节点数的增加，不同节点接入信道时碰撞的概率增大，平均包延迟在增大。对比现有的IEEE 802.15.4 MAC协议，本发明算法区分了数据的优先级，在损失一定低优先级数据包的平均延迟的代价下，大大减少了高优先级数据包的平均延迟，并且平均延迟并不随着节点数的增加而急剧变化，保持在一个很小值附近。

本发明方法提高了网络配置的灵活性，充分考虑了数据包的优先级，大大减小高优先级数据包的延迟，尤其在存在不同优先级数据包的应用中具有重要参考价值。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络基于数据优先级的信道竞争接入方法，无线传感器网络由众多个节点构成，其特征在于所述方法包括如下步骤：

P0：节点开机完成初始化，在节点自己的属性库维护聚合因子变量m_p、阀门值变量gate_value和计数器变量Cnt，初始值都为0；然后以步骤P1到步骤P8为一个周期进行重复工作，其中m_p是聚合因子变量，用于低优先级数据包的聚合；

P1：节点以信标周期T接收信标帧，并进行时间同步、读取超帧定义域中的使能位：

当使能位为1，节点读取信标负载中的聚合因子M_P和门限值，分别保存到m_p和gate_value中，并开辟大小为m_p的缓冲区队列同时判断计数器变量Cnt是否为0：是，不做任何操作；否，则对计数器变量Cnt进行减1操作，转步骤P2；

当使能位为0，则忽略信标负载中的聚合因子M_P和门限值信息，转步骤P2；

P2：信标期结束，CAP开始，节点进行数据采集，获得业务包：如果采集值高于步骤P1所述的阀门值变量gate_value中存储的门限值，则优先级为高，判断计数器变量Cnt是否为0：是的话，添加帧开销信息组成数据帧，设置优先级标志位为1，然后转步骤P6；否则为低优先级，转步骤P3；

P3：节点将聚合因子变量m_p作减1操作，判断是否为0：是，转步骤P4；否则将步骤P2中获得的业务包保存到缓存区队列尾部，转步骤P8；

P4：将步骤P1所述的缓冲区里的业务包，从队首到队尾依次合并组成一个新的业务包，添加帧开销信息组成数据帧，设置优先级标志位为0，转步骤P5；

P5：初始化网络参数：CW＝2、BE＝3，转步骤P7，其中CW和BE是时隙CSMA-CA信道接入机制的两个参数：CW决定了在每次访问信道时所作的空闲信道估计的次数，BE决定了节点在访问信道前需退避等待的时长，下同；

P6：初始化网络参数：CW＝1、BE＝1，转步骤P7；

P7：采用IEEE 802.15.4协议规定的非坚持载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，然后发送步骤P2或P4得到的数据帧，并等待ACK帧，如果发送的是高优先级数据帧，收到ACK后将计数器变量Cnt设置为N，其中N为一个正整数；

P8：CAP结束，无线传感器网络节点进入低功耗休眠状态，等待下一个信标周期T重新开始，返回步骤P1。

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