CN102333361A

CN102333361A - 无线传感器网络的媒体访问控制协议

Info

Publication number: CN102333361A
Application number: CN201110264513A
Authority: CN
Inventors: 熊鹏
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2011-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明展示了一种无线传感器网络的媒体访问控制协议，包括节点同步、侦听/睡眠期、碰撞避免期及数据传送期，该媒体访问控制协议对该睡眠期包括主动睡眠与被动睡眠两种模式，该主动睡眠模式增加主动睡眠窗口，从而一旦节点结束该睡眠期的通信任务，该睡眠期若还有时间剩余，则节点仍又进入睡眠态的机会，直至下一侦听期的到来；本发明降低了用于空闲侦听的时间，节省了能量；同时本发明还通过增加数据发送窗口实现单轮工作周期中的数据发送量的提高，以二次握手代替四次握手，从而在高网路数据流量出现时，动态调整单轮工作周期中数据发送窗口的占空比，使得本发明无线传感器网络在未显著提高能量开销前提下，网络数据吞吐量得到了极大的提高。

Description

无线传感器网络的媒体访问控制协议

技术领域

本发明关于一种媒体访问控制协议，尤其是关于一种无线传感器网络的媒体访问控制协议。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Networks——WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集中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。

最大化节省能量、提高能量效率一直以来就是无线传感器网络致力解决的关键问题。在无线传感器网络中，数据通信消耗的能量占所有能量消耗的绝大部分，而MAC层是无线传感器网络节点中直接进行数据通信处理的部分。因此，如何提高MAC层的能量利用效率是无线传感器网络实际应用中的关键问题。

目前，已经产生了一些以提高能量效率为目标的MAC协议，它们主要是通过极小化节点用于空闲侦听的时间来降低能量消耗，这些协议通常可划分为两类工作方式：请求唤醒方式和计划唤醒方式。

采用请求唤醒方式的协议一般采用“带外信令”技术，例如，STEM协议、PAMAS协议等，通常需要一个专门的信道来传送控制信号，即：采用请求唤醒方式的协议一般通过额外申请，为控制信令的传送订制专门的信道，从而实现控制信令和用户数据的传送分离，这样，控制信令就可以通过专门的控制信道进行传送，而无需唤醒处于睡眠状态的数据传输信道，这样数据传输信道就可以长时间保持在睡眠状态，从而达到节省能量消耗的目的，然而增加其他的信道就意味着硬件成本的增加，这就有可能导致其超出无线传感器网络的成本控制，而变的不适合于无线传感器网络运用。

对于采用计划唤醒方式的协议，根据它们的工作方式不同，又可进一步划分为同步工作方式和异步工作方式。典型的异步方案协议，如B-MAC协议，采用“带内信令”的方案，一般仅需要简单的通过一条信道就能实现控制信令和用户数据的传送，但它同时也必须面对数据传送过程中的最糟糕分组转发延时问题。

和异步工作方式不同的，同步工作方式的协议通常会引入TDMA和占空比分配方案，基于TDMA的协议，例如：SMACS和LEACH协议，这两种协议通过引入TDMA技术在提高节点能量使用效率方面具备了与生俱来的优势，但因为TDMA技术本身的缺陷，使得这两种协议也不可避免的有着自身的不足。首先，基于TDMA的协议，都不可避免的要实现网络中各节点的时间同步，而要对全网节点，尤其是大规模的网络，实现这种同步非常困难，条件难以保证。此外，当有新的节点成员加入到或离开网络，要动态调整各节点帧长非常困难，而且时槽也需要重新分配。

S-MAC协议是最早建立在传统802.11协议基础之上提出占空比的基本协议。它包括四个基本阶段：侦听和睡眠期、碰撞避免、侦听避免和消息传送。S-MAC协议通过在节点没有信息传送的时候，将节点推入睡眠态而实现了能量的节省。但它仍存在以下几个不足：首先，在一个多跳的网络内，其端到端数据转发延迟呈线性增加。第二，全网范围内的时间同步耗时过长，可能会存在多个时间计划的情况而造成更多的空闲侦听时间；最后，没有通信任务，在一个活跃期后，节点将转入睡眠状态(如图1所示)，然而，当节点在睡眠太执行数据传送任务，并完成任务后仍有时间结余的情况下，节点将继续空闲侦听而不是睡眠，直到本睡眠期结束(如图2所示)，从而仍存在不必要的空闲侦听能量浪费。

发明内容

为克服上述传统无线传感器网络媒体访问控制协议(MAC)设计上的不足，本发明的主要目的在于提供一种无线传感器网络的媒体访问控制协议(E-MAC)，其通过增加睡眠窗口来使用于空闲侦听的时间进一步降低，节省了能量；增加数据发送窗口实现单轮工作周期中的数据发送量的增加，并且用两次握手机制代替初次数据发送时的四次握手机制，从而在高网路数据流量出现时，动态调整单轮工作周期中数据发送窗口的占空比，使得本发明的无线传感器网络在没有显著提高能量开销的前提下，网络数据吞吐量的得到了极大的提高。

为达上述及其它目的，本发明一种无线传感器网络的媒体访问控制协议，包括同步、侦听/睡眠期、碰撞避免期及数据传送期，该媒体访问控制协议对该睡眠期包括主动睡眠与被动睡眠两种模式，，其中，该主动睡眠模式增加一主动睡眠窗口，当节点结束该睡眠期的通信任务时，若该睡眠期还有时间剩余，则该节点仍又进入睡眠态的窗口，直至下一侦听期的到来。

进一步地，该媒体访问控制协议于该数据传送期增加数据发送窗口数，引入新的数据传送期以实现单轮节点工作循环中发送更多数据分组，该新的数据传送期采用两次握手机制。

进一步地，该媒体访问控制协议的初始阶段，由该传感器网络的汇聚节点向全网广播具有同步时刻表的SYNC短帧来实现和维护相邻节点的时间同步。

进一步地，该汇聚节点的邻居节点保持清醒状态直到收到来自于该SYNC短桢为止，一旦邻节点收到该SYNC短桢，该邻节点立刻以该SYNC短桢中指定的时刻表更新自己的计时器，并转发该SYNC短桢，同时向全网公告下次唤醒自己的时间。

进一步地，该媒体访问控制协议的侦听期进一步包括接受SYNC帧的侦听期和接收RTS帧的监听期，以便节点在接受该SYNC短帧的同时，还能接收来自其他节点的正常数据帧。

进一步地，该媒体访问控制协议在碰撞避免期采用物理与虚拟载波侦听和RTS/CTS交互换机制。

进一步地，当节点有数据要发送时，在每个待传送分组中均设置有一个信道占用持续时间字段，该字段表示此次数据传送占用信道的时间，所有接受到该分组的中间节点都将根据该字段值来设置自身的网络分配矢量及对应计数器。

进一步地，当源节点要发送数据时，该源节点首先查看自身的网络分配矢量，若其网络分配矢量不为零，代表此时信道忙，若作为数据发送者的该源节点无法竞争到当前信道使用权，则该源节点进入睡眠期，直至目的节点信道空闲，该源节点结束睡眠并再次侦听信道。

与现有技术相比，本发明一种无线传感器网络的媒体访问控制协议通过于睡眠期对主动睡眠模式新增一主动睡眠窗口使得节点进入睡眠状态的可能性极大化，从而减少了耗费在空闲侦听的能量，延长了整个网络生命周期；同时本发明通过于数据传送期引入采用两次握手机制的新的数据传送期，改变占空比，增加单轮工作周期中的数据发送窗口的同时，尽量简化握手过程进一步节省了能量，使得本发明可适用网络流量高负荷的网络；另外，本发明采用的节点同步策略简单而有效，避免了网络中不同节点拥有多个时间表的现象。

附图说明

图1为无通信任务时的S-MAC睡眠策略示意图；

图2为有通信任务时的S-MAC睡眠策略示意图；

图3为根据本发明的一个无线传感器网络的示意图；

图4为本发明之无线传感器网络的媒体访问控制协议(E-MAC)的主动睡眠模式示意图；

图5为本发明之无线传感器网络媒体访问控制协议(E-MAC)的数据帧格式。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为根据本发明的一个无线传感器网络(WSN)的示意图，WSN由若干传感器节点(Sensor node)、汇聚节点(Sink node)和管理节点构成。其中传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

与S-MAC协议类似，本发明的无线传感器网络的媒体访问控制协议(E-MAC)至少包括以下基本阶段：节点同步、侦听和睡眠期、碰撞避免及数据传送。

本发明无线传感器网络的媒体访问控制协议的侦听/睡眠策略首先要求在相邻节点间进行周期性的时间同步，以便修正睡眠时间延长而导致的时间漂移。本发明无线传感器网络的媒体访问控制协议运行的初始阶段，由网络的汇聚节点(SINK)节点向全网广播携带了同步时刻表的SYNC短帧来实现和维护相邻节点时间同步。这时，汇聚节点(SINK)节点的邻居节点必需保持清醒状态直到收到来自于汇聚节点(SINK)节点的SYNC短帧为止。一旦邻节点收到SYNC短帧，节点将立刻以SYNC短帧中指定的时刻表更新自己的计时器，并转发SYNC短帧，同时向全网公告下次唤醒自己的时间，节点下一次的睡眠时间和节点结束SYNC帧传送的时间有关，大致等于邻节点收到SYNC帧的时间。每次同步都需要在相邻节点中周期性的发送SYNC帧，直至全网内所有节点实现统一的时间表。

在本发明无线传感器网络的媒体访问控制协议中，进一步划分侦听期(也可称之为活跃期)为接受SYNC帧的侦听期和接收RST帧的监听期，以便使节点在接受SYNC短帧的同时，还能接受来自其他节点的正常数据帧。这样对那些希望发送SYNC帧或RTS帧，甚至二者一起发送的节点，接收节点就不会错过相应帧的接收。

对于睡眠期，与一般协议类似，本发明之媒体访问控制协议也采用了主动睡眠和被动睡眠两种模式的睡眠策略，前者是正常睡眠周期到来，节点进入睡眠期的模式；后者是当节点收到来自其邻节点但目标并非自身的请求/允许(Request to Send/Clear to Send——RTS/CTS)分组时，节点进入睡眠期。当主动睡眠时，一个活跃期结束仍有通信任务，节点将占用整个睡眠期继续工作，直至通信任务结束，若还有剩余时间则进入空闲侦听期，然而无通信任务的空闲侦听仍不可避免的会损耗了传感节点很大一部分能量，因此为了减少了耗费在空闲侦听的能量，延长整个网络生命周期，本发明之无线传感器网络的媒体访问控制协议采用了新增主动睡眠窗口的睡觉策略，以便把消耗在空闲侦听的能量降到最低。

更具体地说，本发明之媒体访问控制协议在保持被动睡眠模式不变的情况下，对主动睡眠模式进行了重新设计——新增一主动睡眠窗口，即一旦节点结束睡眠期的通信任务，若本睡眠期还有时间剩余，则节点仍又进入睡眠态的窗口，直至下一活跃期的到来，如图4所示。

对于碰撞避免阶段，本发明之媒体访问控制协议采用了物理与虚拟载波侦听和RTS/CTS交互换机制，通过RTS/CTS机制来解决“隐藏节点”问题。网络中的所有节点在传送数据分组前都需执行载波侦听。若节点(数据发送者，称之为源节点)无法竞争到当前信道使用权，则节点进入睡眠期，直至目的节点(数据接受者)信道空闲，源节点节点结束睡眠并再次侦听信道。当节点实行全网广播时，其并不执行RTS/CTS机制，只有节点在有数据要发送，它才会遵循RTS/CTS/DATA/ACK的交互机制来确保数据传送过程中的不受干扰和正确性。

当节点有数据要发送时，本发明会采用虚拟载波侦听的技术，即在每个待传送分组中都设置有一个信道占用持续时间字段，该字段表示此次数据传送占用信道的时间，所有接受到该分组的中间节点都将根据该字段值来设置自身的网络分配矢量(NAV，Network Allocation Vector)及对应计数器。当有节点要发送数据时，它会首先查看自身的NAV，若NAV不为零，代表此时信道忙。只有当物理和虚拟载波侦听均显示信道空闲时，节点才会完成对信道空闲与否的确认。

对于数据传送，本发明采用不同于固定占空比的存储-转发机制，其采用两次握手(DATA/ACK)机制，通过增加数据帧中数据发送窗口数，即引入新的数据传送期实现了单轮节点工作循环中发送更多数据分组的能力。

图5为本发明之无线传感器网络媒体访问控制协议的数据帧格式。“工作循环”和“空闲循环”表示节点的本轮循环中是否有通信任务。在空闲循环，节点在经过前期的时间同步，立即对信道进行RST/CTS分组侦听，然后转入睡眠期；当工作循环到来，除在首次数据通信时采用四次握手(RTS/CTS/DATA/ACK)机制，因与本次通信无关的相邻节点均进入了睡眠期(被动睡眠模式)，而本次通信双方经首次通信方对相应的RTS/CTS分组已经做了保存，从而本轮循环接下来的新增数据发送期的通信，节点将无需再做RTS/CTS握手和载波侦听。对那些错过了首次四次握手通信的节点，只能等待本轮循环结束，新的有工作循环到来。

网络中的每个节点，在时间同步末期都应依据自身MAC层分组就绪队列中的分组数来计算本轮中通信所需的数据发送窗口。为了让接收端得知发送端是否需要新增发送窗口，本发明之数据帧在DATA字段中专门留出1比特来做为信号位(sign)，接收端则根据来自于源端帧的此位来判断是否要为源端发送预留新增数据发送期，否则进入睡眠期。

综上所述，由于无线通信任务的很大一部分能量浪费在空闲侦听上，针对这种状况，当前的MAC协议多数采用了睡觉策略，以便把消耗在空闲侦听的能量降到最低。为了降低消耗在空闲侦听上的能量，MAC协议均通常采用了主动睡眠和被动睡眠两种模式的睡眠策略。前者是正常睡眠周期到来，节点进入睡眠期的模式；后者是当节点收到来自其邻节点但目标并非自身的请求/允许(RTS/CTS，Request to Send/Clear to Send)分组时，节点进入睡眠期。当主动睡眠时，一个活跃期结束仍有通信任务，节点将占用整个睡眠期继续工作，直至通信任务结束，若还有剩余时间则进入空闲侦听期。在这种情况下，不可避免的仍有空闲侦听的能量耗费。本发明之媒体访问控制协议在保持被动睡眠模式不变的情况下，对主动睡眠模式进行了重新设计——新增一主动睡眠窗口，即一旦节点于睡眠期结束通信，若本睡眠期还有时间剩余，则节点立即进入睡眠态，直至下一活跃期的到来，本发明尤其适用于网络节点能量有限的各种无线网络。一旦部署，基于本发明之媒体访问控制协议的网络链路层，节点进入睡眠状态的可能性极大化，从而减少了耗费在空闲侦听的能量，延长了整个网络生命周期；进行数据传送时，当前MAC协议多采用固定占空比的存储-转发机制。这种机制限定节点在一轮工作循环中只能发送一个数据分组。这种方案在网络高流量数据载荷时，可能会因MAC层分组队列过长出现分组丢失而造成网络数据分发率降低，或因数量过多，分组得不到及时转发而造成端到端通信延迟时间延长等情况。针对这种缺陷，本发明之媒体访问控制协议保持单轮工作周期时间长度不变的前提下，采用两次握手(DATA/ACK)机制，通过增加数据帧中数据发送窗口数，即引入新的数据传送期实现了单轮节点工作循环中发送更多数据分组的能力，这使得本发明尤其是用于适用网络流量高负荷的网络。通过改变占空比，增加单轮工作周期中的数据发送窗口的同时，尽量简化握手过程，进一步节省了能量；另外，本发明节点同步策略简单而有效，避免了网络中不同节点拥有多个时间表的现象。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种无线传感器网络的媒体访问控制协议，包括节点同步、侦听/睡眠期、碰撞避免期及数据传送期，该媒体访问控制协议对该睡眠期包括主动睡眠与被动睡眠两种模式，其特征在于：该主动睡眠模式增加一主动睡眠窗口，当节点结束该睡眠期的通信任务时，若该睡眠期还有时间剩余，则该节点仍有进入睡眠态的机会，直至下一侦听期的到来。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：该媒体访问控制协议于该数据传送期增加数据发送窗口数，引入新的数据传送期以实现单轮节点工作循环中发送更多数据分组，该新的数据传送期采用两次握手机制。

3.如权利要求1所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：该媒体访问控制协议的初始阶段，由该传感器网络的汇聚节点向全网广播具有同步时刻表的SYNC短帧来实现和维护相邻节点的时间同步。

4.如权利要求3所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：该汇聚节点的邻居节点保持清醒状态直到收到来自于该SYNC短帧为止，一旦邻节点收到该SYNC短帧，该邻节点立刻以该SYNC短帧中指定的时刻表更新自己的计时器，并转发该SYNC短帧，同时向全网公告下次唤醒自己的时间。

5.如权利要求4所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：该媒体访问控制协议的侦听期进一步包括接受SYNC帧的侦听期和接收RTS帧的监听期，以便节点在接受该SYNC短帧的同时，还能接收来自其他节点的正常数据帧。

6.如权利要求1所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：该媒体访问控制协议在该碰撞避免期采用物理与虚拟载波侦听和RTS/CTS交互换机制。

7.如权利要求6所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：当节点有数据要发送时，在每个待传送分组中均设置有一个信道占用持续时间字段，该字段表示此次数据传送占用信道的时间，所有接受到该分组的中间节点都将根据该字段值来设置自身的网络分配矢量及对应计数器。

8.如权利要求7所述的无线传感器网络的媒体访问控制协议，其特征在于：

当作为数据发送者的源节点要发送数据时，该源节点首先查看自身的网络分配矢量，若其网络分配矢量不为零，代表此时信道忙，若作为数据发送者的该源节点无法竞争到当前信道使用权，则该源节点进入睡眠期，直至目的节点信道空闲，该源节点结束睡眠并再次侦听信道。