CN101827378A - 一种适用于无线传感器网络的混合mac协议设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于计算机网络技术领域的一种适用于无线传感器网络的拥塞感知自适应混合MAC协议。在低负载网络情况下，节点处于正常工作状态运行CSMAMAC协议；当网络中有突发数据或者在瓶颈节点附近检测到拥塞时，在拥塞区域自适应嵌入TDMA机制，拥塞区域节点运行局部TDMAMAC协议；拥塞缓解后，节点恢复正常工作状态运行CSMA MAC协议。本发明根据本地信息检测拥塞，不需要任何同步算法，根据拥塞程度在CSMA网络中自适应嵌入局部TDMA，使得吞吐量、丢包率以及时延等性能指标都得到改善，提高了网络的性能。

Description

一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种适用于无线传感器网络的自适应拥塞感知混合MAC(Medium Access Control)协议设计方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs)由大量低功耗、低速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过自我组织、自我愈合的方式组成网络。利用无线传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，通过将传感节点人为或者随机部署在特定区域，以自组织、协作感知的方式将周围环境的信息进行采集、传输和汇聚，这种大规模低成本、无人值守、无基础设施自动组网、鲁棒性和抗毁性强的网络方式，在众多监测领域如生态系统检测、火山活动、火灾、毒气泄漏等方面有其得天独厚的技术优势和广阔的应用前景。

由于无线信号的空间叠加特性，一个无线信道不可能被两个或两个以上的节点同时访问。在无线传感器网络中，控制信道访问的介质访问控制协议MAC决定着无线信道的使用方式，负责为节点分配无线资源，对信道的利用率、吞吐量等网络的整体性能有着重要的影响。因此，设计合理的MAC协议是WSNs网络协议研究中的一项重要内容。

在WSNs中，节点能量有限且难以补充。因此为保证WSNs长期有效工作，MAC协议以减少能耗、最大化网络生存时间为首要设计目标。其次，为了适应节点分布和拓扑变化，MAC协议需要具备良好的可扩展性；另外在一些实时应用场景中，传统无线网络关注的实时性、丢包率等性能指标也必须考虑。

WSNs中的能量消耗主要包括通信能耗、感知能耗和计算能耗。其中，通信能耗所占比重最大。因此，减少通信能耗是延长网络生存时间的有效手段。大量研究表明，通信过程中主要能量浪费存在于：(a)冲突导致重传和等待重传；(b)非目的节点接收并处理数据形成串音；(c)发射和接收节点不同步导致的分组空传；(d)控制分组自身开销；(e)无通信任务节点对信道的空闲侦听等。此外，节点无线发射接收机在发送/接收之间的状态切换也会造成能量消耗，当切换频繁时，能量消耗不可忽视。

基于上述原因，WSNs的MAC协议通常采用“侦听/休眠”交替的信道访问策略，节点无通信任务则进入低功耗睡眠状态，以减少冲突、串音和空闲侦听；通过协调节点间的侦听/休眠周期以及节点发送/接收数据的时机，避免分组空传和减少过度侦听；通过限制控制分组长度和数量减少控制开销；尽量延长节点休眠时间，减少状态切换次数。同时，为了避免MAC协议本身开销过大，消耗过多的能量，MAC协议尽量做到简单、高效。

载波监听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)由于其易实现、灵活性好、鲁棒性高等特点在无线传感器网络中得到广泛应用。它不需要时钟同步，也不需要周围拓扑信息便可实现对信道的访问，这对资源有限的节点而言极具优势；另外，对于拓扑动态变化的无线传感器网络，工作在CSMA模式下的传感节点可以不需要任何额外开销而正常工作。然而，传统无线网络中的“隐藏终端”和“暴露终端”问题仍然存在，尽管RTS/CTS的引入解决了部分问题，但也带来了不可忽视的额外开销。

与CSMA相反，时分多址(Time-Division Multiple Access，TDMA)为邻居节点分配不同的发送时隙，避免冲突，因此不需要任何措施就可以解决“隐藏终端”和“暴露终端”的问题。然而传统的TDMA在无线传感器网络中面临诸多挑战：

1.在无线传感器网络中，最大优化全网信道资源提高吞吐量，找到一种有效的冲突避免时隙分配算法是一个NP-hard问题，通常情况下需要采用集中式算法；

2.TDMA需要时钟同步，严格的时钟同步算法在资源受限的传感器节点上开销太大；

3.在实际应用中，由于无线信道的时变特性、节点能量耗尽等因素都可以使传感器网络的拓扑发生变化，伴随着的是全网需要重新进行同步；

4.干扰的不确定性使得传感器节点的干扰距离不等同于通信距离，因此依赖于通信距离的信道资源分配需要重新考虑；

5.在低竞争网络中，在TDMA中，节点只能在属于其自身的时隙中发送数据，因此TDMA的信道资源利用率、时延等性能参数均比“一旦通过竞争获得信道立即发送”的CSMA差。

因此，在资源受限的传感器节点上实现单一的TDMA MAC协议不符合实际。传感器节点信号干扰的不确定性、信道的时变特性、全局时钟的偏移都将使得TDMA的性能大打折扣；CSMA由于其易实现、灵活性好、鲁棒性高等特点在低竞争情况下，各方面性能明显优于TDMA。然而在高竞争的网络应用场景下，CSMA由于拥塞的存在会导致性能急剧降低，此时采用TDMA可以减少局部拥塞程度，提高网络吞吐量，减少数据包延时。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中所描述的目前无线传感器网络中现有MAC协议存在的问题，提出了一种适用于无线传感器网络的自适应拥塞感知混合MAC协议设计方法。

其特征在于，包括两种工作模式，其中：

模式一：当所述无线传感器网络的拥塞度低于门限时，节点运行载波监听多路访问MAC协议；

模式二：当该网络检测到拥塞度超过门限时，在拥塞区域自适应嵌入时分多址机制，拥塞区域节点运行时分多址MAC协议。

对所述拥塞度的检测，包括以下步骤：

步骤S201：网络中的节点j建立邻居表；

步骤S202：为该邻居表中的上行节点添加排队时延属性；

步骤S203：每间隔一定时间更新排队时延；

步骤S204：节点j根据其上行节点的不同权值计算拥塞度。

所述步骤S202中排队时延的计算公式为：

$t_q^i={t_q^i}^{\′}*\mathrm{\β}+{t_q^i}^{\′\′}*(1-\mathrm{\β}),$

其中t_q ^i′为上一时刻的排队时延值，t_q ^i″为当前接收到的排队时延值，β(0＜β＜0.5)为常数，根据实际情况确定。

所述步骤S204中拥塞度的计算公式为：

$C_j=(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i*t_q^i)/\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i,$

其中i∈UP_j，UP_j为节点j的上行节点集，ω_i为节点i的权值。

所述模式二，包括以下步骤：

步骤S301：正常工作状态，各节点运行载波监听多路访问MAC协议；

步骤S302：各节点本地周期性地进行拥塞评估；

步骤S303：判断拥塞度是否超过门限，如果超过，进入步骤S304，否则，返回步骤S302；

步骤S304：拥塞度超过门限的节点设置为时分多址调度节点，随机退避一段时间Ti；

步骤S305：所述节点广播时分多址请求消息；

步骤S306：所述节点接收其响应节点发送的时分多址请求应答消息；

步骤S307：所述节点广播时分多址调度信息；

步骤S308：所述节点进入局部时分多址工作模式。

所述步骤S304中退避时间Ti的目的在于避免多个节点同时成为时分多址调度节点而引起冲突。

所述步骤306中的响应节点根据收到时分多址请求信息回复时分多址请求应答，并等待时分多址调度信息，在其分配的时隙发送和接收数据，进入时分多址工作模式；

所述步骤306中的应答消息中包含节点请求数据量大小及信息优先级。

所述模式一，包括以下步骤：

步骤S401：初始状态，各节点运行载波监听多路访问MAC协议；

步骤S402：各节点本地周期性地进行拥塞评估；

步骤S403：判断拥塞度是否低于门限，如果低于，进入步骤S404，否则，返回步骤S402；

步骤S404：拥塞度低于门限的节点等待其时隙到来；

步骤S405：所述节点广播时分多址撤销信息；

步骤S406：所述节点的时分多址响应节点发送时分多址撤销应答信息；

步骤S407：收到撤销应答信息后，所述节点进入载波监听多路访问工作模式。

所述步骤S406中的响应节点一旦收到时分多址撤销信息，回复时分多址撤销应答，重新进入载波监听多路访问工作模式。

本发明的优点在于，在发送数据包的报头添加退避次数属性，节点根据其上行节点的退避次数作为拥塞感知度量；检测到拥塞后，嵌入TDMA机制，不需要全局时钟，TDMA机制限制在本地局部拥塞范围内，节点只需要本地邻居节点信息就可以完成时隙分配，减小了碰撞的发生，提高了网络的吞吐量并降低数据包的延时。

附图说明

图1：本发明实施例应用场景示意图；

图2：传感器节点检测拥塞度的流程图；

图3：TDMA调度节点由CSMA模式进入TDMA模式流程图；

图4：TDMA调度节点由TDMA模式进入CSMA模式流程图；

图5：TDMA响应节点由CSMA模式进入TDMA模式流程图；

图6：TDMA响应节点由TDMA模式进入CSMA模式流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明适用于网络节点组成相同，通常指节点通信能力相同，即有相同的最大通信半径；节点已被全网络范围分配统一的IP地址或MAC地址等身份标识；在通常情况下，网络中的负载流量比较小，有突发数据流情况下局部区域容易发生拥塞。

图1为本发明实施例应用场景示意图。该示意图表示在某一时刻，网络中有四个数据源节点S1、S2、S3、S4。其中S1、S2、S3分别建立到节点Sink的路由：S1-A-E-H-Sink、S2-B-E-H-Sink、S3-C-E-H-Sink。三个数据流在节点E汇聚，造成节点E的负载过重出现拥塞；而S4经过S4-F-G-Sink到达节点Sink，并不会发生拥塞。

在本发明中，数据源节点，指产生数据流的源节点；邻居节点，指位于节点通信半径之内的节点，即一跳邻居；上行节点，指有数据发给节点的邻居节点；TDMA调度节点，指处于CSMA工作模式的节点检测到拥塞并发起TDMA调度请求的节点；TDMA响应节点，指通过响应TDMA请求信息而进入TDMA模式的节点；拥塞域，指发生拥塞的区域，由TDMA调度节点以及其响应节点构成。在本具体实施例中，节点S1、S2、S3、S4均为数据源节点；图1中虚线圆域内的节点A、B、C、I、J为节点E的邻居节点，其中节点A、B、C为其上行节点；节点E为TDMA调度节点；节点A、B、C为TDMA响应节点；错误！未找到引用源。中实线椭圆域代表拥塞域。

节点数据发送成功之前的退避次数反应了网络中竞争程度，而退避次数直接影响了节点成功发送之前的排队时延，因此节点周期性的加权计算其上行节点数据成功发送之前的排队时延，以此作为拥塞感知的度量。图2为传感器节点检测拥塞度的流程图。某节点j建立邻居表，为邻居表中的上行节点添加排队时延属性，由于最新的排队时延更能体现节点拥塞情况，因此排队时延每间隔时间T_interval更新一次， $t_q^i={t_q^i}^{\′}*\mathrm{\β}+{t_q^i}^{\′\′}*(1-\mathrm{\β}),$ 其中t_q ^i′为上一时刻的排队时延值，t_q ^i″为当前接收到的排队时延值，β(0＜β＜0.5)为常数，根据实际情况确定。节点j根据其上行节点的不同权值计算拥塞度C_j， $C_j=(\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i*t_q^i)/\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ω}}_i,$ 其中i∈UP_j，UP_j为节点j的上行节点集，ω_i为节点i的权值。节点E的上行节点集由节点A、B、C构成。

图3为TDMA调度节点由CSMA模式进入TDMA模式流程图。在普通工作模式下，各节点运行CSMA MAC协议，节点本地通过轮询方式进行拥塞评估；节点E首先发现周围拥塞超过预定门限TH_H，此时节点E为TDMA调度节点；为了避免节点同时成为TDMA调度节点而引起冲突，节点E随机退避一段时间Ti，之后广播TDMA请求消息，其中节点E的一跳邻居节点A、B、C、I、J都将收到TDMA请求消息，只有需要给E发送数据的节点，即节点E的上行节点A、B、C，回复TDMA请求应答消息，应答消息中包含节点请求数据量大小以及信息优先级等信息；节点E根据此信息分配时隙，发出TDMA调度信息，自此节点E进入局部TDMA工作模式。

图4为TDMA调度节点由TDMA模式进入CSMA模式流程图。工作在TDMA模式的调度节点E仍然间隔T_interval本地检测拥塞度，判断其是否低于门限TH_L，一旦低于TH_L，则表明拥塞得到缓解，在其时隙到来时，发送TDMA撤销信息，收到TDMA响应节点的撤销应答信息后，自此重新进入CSMA工作模式。

图5为TDMA响应节点由CSMA模式进入TDMA模式流程图。TDMA响应节点在CSMA工作模式下时，收到TDMA请求信息后，回复TDMA请求应答信息，此时等待TDMA调度节点回复调度信息，进而进入TDMA工作模式。

图6为TDMA调度节点由TDMA模式进入CSMA模式流程图。工作在TDMA模式下的响应节点只在其分配的时隙发送和接收数据，不响应任何TDMA调度请求信息，当收到TDMA撤销信息时，发送TDMA撤销应答信息，自此重新进入CSMA，否则一直在TDMA模式下工作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，包括两种工作模式，其中：

模式一：当所述无线传感器网络的拥塞度低于门限时，节点运行载波监听多路访问MAC协议；

模式二：当该网络检测到拥塞度超过门限时，在拥塞区域自适应嵌入时分多址机制，拥塞区域节点运行时分多址MAC协议。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，对所述拥塞度的检测，包括以下步骤：

步骤S201：网络中的节点j建立邻居表；

步骤S202：为该邻居表中的上行节点添加排队时延属性；

步骤S203：每间隔一定时间更新排队时延；

步骤S204：节点j根据其上行节点的不同权值计算拥塞度。

3.根据权利要求2所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述步骤S202中排队时延的计算公式为：

其中t_q ^i′为上一时刻的排队时延值，t_q ^i″为当前接收到的排队时延值，β(0＜β＜0.5)为常数，根据实际情况确定。

4.根据权利要求2所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述步骤S204中拥塞度的计算公式为：

其中i∈UP_j，UP_j为节点j的上行节点集，ω_i为节点i的权值。

5.根据权利要求1所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述模式二，包括以下步骤：

步骤S301：正常工作状态，各节点运行载波监听多路访问MAC协议；

步骤S302：各节点本地周期性地进行拥塞评估；

步骤S303：判断拥塞度是否超过门限，如果超过，进入步骤S304，否则，返回步骤S302；

步骤S304：拥塞度超过门限的节点设置为时分多址调度节点，随机退避一段时间Ti；

步骤S305：所述节点广播时分多址请求消息；

步骤S306：所述节点接收其响应节点发送的时分多址请求应答消息；

步骤S307：所述节点广播时分多址调度信息；

步骤S308：所述节点进入局部时分多址工作模式。

6.根据权利要求5所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述步骤S304中退避时间Ti的目的在于避免多个节点同时成为时分多址调度节点而引起冲突。

7.根据权利要求5所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述步骤306中的响应节点根据收到时分多址请求信息回复时分多址请求应答，并等待时分多址调度信息，在其分配的时隙发送和接收数据，进入时分多址工作模式。

8.根据权利要求5所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述步骤306中的应答消息中包含节点请求数据量大小及信息优先级。

9.根据权利要求1所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述模式一，包括以下步骤：

步骤S401：初始状态，各节点运行载波监听多路访问MAC协议；

步骤S402：各节点本地周期性地进行拥塞评估；

步骤S403：判断拥塞度是否低于门限，如果低于，进入步骤S404，否则，返回步骤S402；

步骤S404：拥塞度低于门限的节点等待其时隙到来；

步骤S405：所述节点广播时分多址撤销信息；

步骤S406：所述节点的时分多址响应节点发送时分多址撤销应答信息；

步骤S407：收到撤销应答信息后，所述节点进入载波监听多路访问工作模式。

10.根据权利要求9所述的一种适用于无线传感器网络的混合MAC协议设计方法，其特征在于，所述步骤S406中的响应节点一旦收到时分多址撤销信息，回复时分多址撤销应答，重新进入载波监听多路访问工作模式。

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