CN102123439A - 流量自适应无线传感器网络mac协议 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流量自适应无线传感器网络MAC协议，首先作以下假设：①假设有一个外部的信标源实现了本地时钟同步；②流量模式的信息能够获得；具体包括以下方面：(1)帧结构：将帧结构分为竞争控制期和自适应时隙期，竞争控制期用于时隙的分配、时隙的申请及退出、新节点加入申请以及时间同步的信息的传输；(2)时隙结构；(3)时隙拥有者仅接收数据的节能策略；(4)预约自动续期机制；(5)流量自适应的平滑转换机制。本发明采用时隙的拥有者只能接收的方式，能够减少节点监听的时间，能够有效降低节点能耗，并能够在竞争模式和TDMA模式平滑过渡。

Description

流量自适应无线传感器网络MAC协议

技术领域

本发明涉及一种用于无线传感器网络的MAC协议，属于MAC协议技术领域。

背景技术

媒体介质访问控带(Medium Access Control，简称MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络有效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。

针对不同方面的传感器网络应用，目前研究人员从不同方面提出了许多MAC协议，因为在不同应用情况下，对MAC协议要求的侧重不同，如在家庭控制、医疗护理和工业监测应用中不需要很高的带宽，需要的只是低延迟、低功耗；而如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术，将非常耗电，占用过多的计算和通信资源。

无线传感器网络与应用高度相关，根据信道访问策略的不同可分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议。竞争协议无须全局网络信息，扩展性好、易于实现，但能耗大；调度协议有节省优势和延时保障，但帧长度和调度难以调整，扩展性差，且时钟同步要求高；混合协议具有上述两种MAC协议的优点，但通常比较复杂，实现难度大。

为了减少空闲侦听时造成的能量浪费，在2000年的SMACS协议中提出了节点在既不发送数据也不接收数据时，关掉无线电收发机来节省能量的思想。Wei Ye等提出的S-MAC协议旧1基于一种周期性的监听和睡眠机制。引入自适应侦听算法的S-MAC协议减少了监听时间，降低了时延，但是没有引入功率控制机制。此协议是一种基于竞争的协议，在负载高的情况下，由于冲突的大量增加，将导致信道利用率显著下降。

分布式能量感知节点活动(Distributed Energy-Aware NodeActivation，DEANA)协议为每个节点分配了固定的时隙用于数据的传输，与传统的TDMA协议不同，在每个节点的数据传输时隙前加入了短控制时隙，用于通知相邻节点是否需要接收数据，如果不需要就进入休眠状态。DEANA协议的时间帧由多个传输时隙组成。每个传输时隙，又细分为前部的“控制时隙”和后部的“数据传输时隙”。该协议通过节点激活多路访问协议(NodeActivationMultipleAccess，NAMA)控制节点的状态转换。如果一个节点的一跳相邻节点中有数据需要发送，则该节点在控制时隙被设置为接收状态，如果被选为接收者，则在数据传输时隙中继续保持接收状态，否则转为休眠状态；如果节点的一跳相邻节点没有数据需要发送.那么该节点在整个传输时隙都进入休眠状态；如果节点自身有数据要发送.则进入发送状态，在控制时隙中声明接收的对象，在数据传输时隙中发送数据。DEANA协议在节点得知不需要接收数据时，进入休眠状态，从而能够解决串音的问题，延长节点的休眠时间。但是，它需要所有节点的时钟同步，可扩展性差。

Rhee等提出了一种混合机制的MAC协议Z.MAC(Zebra MAC)。Z.MAC将信道使用划为时间帧，使用CSMA作为基本机制，时隙的占有者只有数据发送的优先权，其他节点也可以在该时隙发送数据，当节点之间产生碰撞之后.时隙占有者的回退时间短，从而真正获得时隙的信道使用权。Z.MAC使用竞争状态标示来转换MAC机制，节点在ACKs重复丢失和碰撞回退频繁的情况下，将由低竞争状态转为高竞争状态，由CSMA机制转为TDMA机制。可以说，Z.MAC在低网络负载下类似CSMA，在网络进入高竞争的信道状态之后类似TDMA。协议达到即时的适应网络负载变化的同时，TDMA和CSMA机制的互换会产生大量的能耗，对于网络负载的突发波动会造成网络延迟问题。

发明内容

本发明针对现有无线传感器网络MAC协议技术存在的不足，提供一种能够有效降低节点能耗，并能够在竞争模式和TDMA模式平滑过渡的流量自适应无线传感器网络MAC协议。

本发明的流量自适应无线传感器网络MAC协议采用以下技术解决方案：

首先作以下假设：①假设有一个外部的信标源实现了本地时钟同步；②流量模式的信息能够获得；具体包括以下方面：

(1)帧结构

将帧结构分为竞争控制期和自适应时隙期，竞争控制期用于时隙的分配、时隙的申请及退出、新节点加入申请以及时间同步信息的传输；

竞争控制期采用分时槽的随机竞争接入方式，在竞争控制期，任何节点都可能是接收者，每个节点都必须一直侦听信道，对于需要发送数据的节点采用分时槽的随机竞争接入方式在发送冲突产生时会退避，再重发；

Rc定义为竞争控制期时长与无竞争控制期时长之比，Rc参数越大，竞争控制期出现越频繁，协议对于网络拓扑建立等动态控制包的传输机会越大，协议的灵活性越大，但节能效率则相反越低；Rc参数越小，竞争控制期出现越稀少，协议的灵活性越小，但节能效率相对越高，因为受竞争期的过多空闲侦听的影响越少；Rc是一个需要权衡的参数，需要根据实际应用环境来设置；

时隙与时隙之间加入转换间隔补偿，可以有效对时延进行补偿，使协议对时间同步的要求不是特别严格。

(2)时隙结构

将时隙分为控制窗口和数据传输窗口，控制窗口用于发送数据的节点向时隙的拥有者通知是否有数据发送，如果一个时隙有多个节点要发送数据，则采取竞争机制，获得数据发送权的节点在数据传输窗口发送数据，如果在控制窗口无节点申请发送数据则时隙的拥有者进入睡眠。

(3)时隙拥有者仅接收数据的节能策略

每个时隙的的控制窗口用于通知时隙的拥有者是否有数据要发送，如果没有数据发送则在整个数据传输窗口节点一直保持睡眠；时隙的拥有者只能接收数据而不能发送数据，这样其相邻节点无需每个时隙的控制窗口都是醒来监听时隙的拥有者是否有数据要发送，在相邻节点没有数据要发送的情况下只有时隙的拥有者处监听状态。

时隙的拥有者只能接收的方式能够减少节点监听的时间，特别是对于只发送而不需要转发数据的节点可以不拥有时隙，从而只需在需要发送数据的时候在接收节点对应的时隙醒来传输数据即可，其他时刻除了在竞争控制期醒来进行拓扑结构的维护和时间的同步可以一直保持睡眠状态。

(4)预约自动续期机制

如果节点A有数据要发送给节点B，则在节点B拥有的时隙醒来，在此时隙的控制窗口节点A向节点B发出发送申请RTS，在数据发送期节点A向节点B发送数据，如果数据量一个时隙无法发送完毕，在此时隙结束后，节点A和节点B会继续监听后续时隙的控制窗口，如节点A和节点B继续监听了节点C时隙后发现节点D有数据要发送，节点A和节点B在节点C的数据发送窗口进入休眠等待下一时隙；在下一节点E拥有的时隙节点A和节点B继续醒来监听控制窗口，如果无节点申请向节点E发送数据则此时隙空闲，节点A在节点E的数据发送窗口向节点B把剩余的数据发送完毕；以此类推直到所有的数据发送完毕；如果数据能在一个时隙发送完毕，则发送完毕后发送和接收点同时进入睡眠无需继续监听后续时隙的控制窗口。

(5)流量自适应的平滑转换机制

时隙结构采用流量自适应的方式，并且加入了一种特殊的机制：一个节点能够拥有零个或至少一个时隙，一个时隙能够供至少一个节点发送数据，空时隙不属于任何节点，这种灵活的时隙分配方式，使得能够灵活的根据当前的网络状况处理时隙的分配，使得工作状态达到最优化。

本发明有效的结合了基于竞争和基于调度的MAC协议的优点，使用流量自适应的平滑转换机制，能够在竞争模式和TDMA两种工作模式之间平滑过度；采用时隙拥有者仅接收数据的节能策略，明显减少了监听的时间，能够有效降低节点能耗；提出了一种预约自动续期机制，有效利用了空闲时隙，提高了信道的利用率，增加数据吞吐量，此机制可以有效利用空闲时隙，平时保留的空时隙可以为新节点的加入退出提供方便，增加了网络的灵活性，可扩展性得到提高。

附图说明

图1是本发明流量自适应无线传感器网络MAC协议中的帧结构示意图。

图2是本发明流量自适应无线传感器网络MAC协议中自适应时隙期一个时隙的结构图。

图3是预约自动续期机制的工作原理图。

图4是流量自适应平滑转换机制的工作示意图。

具体实施方式

本发明的流量自适应无线传感器网络MAC协议采用以下技术解决方案：

首先作以下假设：(1)假设有一个外部的信标源实现了本地时钟同步(即本发明的MAC协议不考虑MAC层的同步功能)；(2)流量模式的信息能够获得(由于本发明的MAC协议是跨层参考应用层的流量信息来设计MAC层协议的，这种信息的传递方式、维护方式等问题本发明的协议没涉及)；具体包括以下方面：

1.帧结构

本发明协议的帧结构主要分为竞争控制期和自适应时隙期，如图1所示。

竞争控制期用于时隙的分配、时隙的申请及退出，新节点加入申请，以及时间同步的信息的传输。

竞争控制期采用分时槽的随机竞争接入方式(CSMA/CA方式)，重发次数为7，则竞争时槽总数至少为7×1 44xN，N为节点平均的两跳内邻居数，在竞争期，任何节点都可能是接收者，每个节点都必须一直侦听信道，对于需要发送数据的节点采用CSMA/CA的方式在发送冲突产生会退避，再重发。

Rc定义为竞争期时长与无竞争期时长之比，是协议的一个参数。Rc参数越大，竞争期出现越频繁，协议对于网络拓扑建立等动态控制包的传输机会越大，协议的灵活性越大，但节能效率则相反越低；Rc参数越小，竞争期出现越稀少，协议的灵活性越小，但节能效率相对越高，因为受竞争期的过多空闲侦听的影响越少。这是一个需要权衡的参数，需要根据实际应用环境来设置。

时隙间加入转换间隔补偿，可以有效对时延进行补偿，使协议对时间同步的要求不是特别严格。

2.时隙结构

本发明协议的时隙分为控制窗口和数据传输窗口，如图2所示。控制窗口用于发送数据的节点向时隙的拥有者通知是否有数据发送。如果一个时隙有多个节点要发送数据则采取竞争机制，获得数据发送权的节点在数据传输窗口发送数据。如果在控制窗口无节点申请发送数据则时隙的拥有者进入睡眠。

3.时隙拥有者仅接收数据的节能策略

本发明协议在每个时隙的前面加入了一个很短的控制窗口，用于通知时隙的拥有者是否有数据要发送，如果没有数据发送则在整个数据传输窗口节点一直保持睡眠。

在此基础上，本发明协议又加入一种更为节能的策略，时隙的拥有者只能接收数据而不能发送数据，这样其相邻节点无需每个时隙的控制窗口都是醒来监听时隙的拥有者是否有数据要发送，在相邻节点没有数据要发送的情况下只有时隙的拥有者处监听状态。

时隙的拥有者只能接收的方式可以极大的减少节点监听的时间。特别是对于只发送送而不需要转发数据的节点可以不拥有时隙。从而只需在需要发送数据的时候在接收节点对应的时隙醒来传输数据即可，其他时刻除了在竞争控制期醒来进行拓扑结构的维护和时间的同步可以一直保持睡眠状态。

4.预约自动续期机制

图3给出了预约自动续期机制的主要工作方式。节点A有数据要发送给节点B。在B拥有的时隙的控制窗口，A向B发出发送申请RTS，在数据发送期A向B发送数据。如果数据量比较大一个时隙无法发送完毕，在此时隙结束后，AB两个节点会继续监听后续时隙的控制窗口，如AB节点继续监听了C时隙后发现D有数据要发送，两点在C的数据发送窗口进入休眠等待下一时隙。在下一E拥有的时隙AB继续醒来监听控制窗口，如果无节点申请向E发送数据则此时隙空闲，A在E的数据发送窗口向B把剩余的数据发送完毕。以此类推直到所有的数据发送完毕。如果数据能在一个时隙发送完毕如上图的D，则发送完毕后发送和接收点同时进入睡眠无需继续监听后续时隙的控制窗口。

5.流量自适应的平滑转换机制

本发明协议的时隙结构采用流量自适应的方式，并且加入了一种特殊的机制：一个节点可以拥有零到多个时隙，一个时隙可以供一个或多个节点发送数据，空时隙不属于任何节点。这种灵活的时隙分配方式，使得本发明协议能够灵活的根据当前的网络状况处理时隙的分配，使得工作状态达到最优化。

网络在负载量很低的时候只为每个接收节点分配一个时隙，所有可指向此节点数据发送节点共享此时隙，并且保留大量的空时隙，从而使接收节点的监听时间达到最小，发送数据的节点在时隙内以竞争的方式获取发送权，使得网络更多的呈现竞争的方式。而在流量最大的情况下，每对发送接收节点都可以拥有独立的时隙，空时隙全部分配给接收节点，而且数据量大的发送节点可以不只拥有一个时隙，从而彻底消除了竞争，使得协议呈现TDMA的方式，提高信道利用率。而且两种模式的切换是一种平滑的过渡，仅通过接收节点对时隙的申请和给发送节点的分配来体现，在中间某种状态下，接收节点可以拥多个时隙，但只是给数据量大的发送节点分配独立时隙，其他数据量小的可以共享一个时隙。时隙的数量和分配完全根据节点的流量状态来确定，而且大量的空时隙可以使新节点加入时不需重新改变帧结构，只要申请一个空时隙即可，即使在时隙全部分配完毕的情况下也可以让某个获得多个时隙的节点退出一个时隙分配给新加入的节点。此方式能够明显提高协议的可扩展性。

图4给出了了此机制的工作机制，在低流量的状态下，节点A、B、C共享同一时隙S4向节点D发送数据，呈现CSMA/CA的工作机制，有利于减少监听时间节省能量。而在高流量状态下，A、B、C三个节点分别通过不同的时隙向D发送数据。A通过时隙S4，B通过时隙S7，C通过时隙S2和S10，三个发送数据的节点之间互不干扰，消除了冲突重发，提高了信道利用率。而在中等流量的情况下则呈现竞争与独享信道并存的情形，如图4所示，节点C由于数据量较大独享信道S7，而节点A、B数据量较小，两节点共享信道S4，同时兼顾了能耗的减少与吞吐量，实现了两个模式的平滑过度。

Claims (1)

1.一种流量自适应无线传感器网络MAC协议，首先作以下假设：①假设有一个外部的信标源实现了本地时钟同步；②流量模式的信息能够获得；其特征是，包括以下方面：

(1)帧结构

将帧结构分为竞争控制期和自适应时隙期，竞争控制期用于时隙的分配、时隙的申请及退出、新节点加入申请以及时间同步的信息的传输；竞争控制期采用分时槽的随机竞争接入方式，在竞争控制期，任何节点都可能是接收者，每个节点都必须一直侦听信道，对于需要发送数据的节点采用分时槽的随机竞争接入方式在发送冲突产生时会退避，再重发；

(2)时隙结构

将时隙分为控制窗口和数据传输窗口，控制窗口用于发送数据的节点向时隙的拥有者通知是否有数据发送，如果一个时隙有多个节点要发送数据，则采取竞争机制，获得数据发送权的节点在数据传输窗口发送数据，如果在控制窗口无节点申请发送数据则时隙的拥有者进入睡眠；

(3)时隙拥有者仅接收数据的节能策略

每个时隙的前面的控制窗口，用于通知时隙的拥有者是否有数据要发送，如果没有数据发送则在整个数据传输窗口节点一直保持睡眠；时隙的拥有者只能接收数据而不能发送数据，这样其相邻节点无需每个时隙的控制窗口都是醒来监听时隙的拥有者是否有数据要发送，在相邻节点没有数据要发送的情况下只有时隙的拥有者处监听状态；

(4)预约自动续期机制

如果节点A有数据要发送给节点B，则在节点B拥有的时隙醒来，在此时隙的控制窗口节点A向节点B发出发送申请RTS，在数据发送期节点A向节点B发送数据，如果数据量一个时隙无法发送完毕，在此时隙结束后，节点A和节点B会继续监听后续时隙的控制窗口，如节点A和节点B继续监听了节点C时隙后发现节点D有数据要发送，节点A和节点B在节点C的数据发送窗口进入休眠等待下一时隙；在下一节点E拥有的时隙节点A和节点B继续醒来监听控制窗口，如果无节点申请向节点E发送数据则此时隙空闲，节点A在节点E的数据发送窗口向节点B把剩余的数据发送完毕；以此类推直到所有的数据发送完毕；如果数据能在一个时隙发送完毕，则发送完毕后发送和接收点同时进入睡眠无需继续监听后续时隙的控制窗口；

(5)流量自适应的平滑转换机制

时隙结构采用流量自适应的方式，并且加入了一种特殊的机制：一个节点能够拥有零个或至少一个时隙，一个时隙能够供至少一个节点发送数据，空时隙不属于任何节点，这种灵活的时隙分配方式，使得能够灵活的根据当前的网络状况处理时隙的分配，使得工作状态达到最优化。

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