CN102638901B - 适用于工业监测的无线传感器网络自适应mac协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议。本协议：1）采用三层网络拓扑结构；2）协议提出了时隙长度分配算法；3）MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4）最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制。本发明在提高周期性感知数据传输可靠性的同时，降低了整个网络的能耗和发送时延，以及提高了MAC协议的扩展性。

Description

适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议

技术领域

本发明涉及一种适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，属于无线传感器网络技术。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)以其低成本、低功耗等特点被广泛应用于工业现场监测过程中。在无线传感器网络中媒体介质访问控制(Medium Access Control，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。

目前，无线传感器网络MAC协议主要有三类：第一类是基于竞争的MAC协议，其基本思想是当数据需要发送时，传感器节点通过竞争接入信道；如果发生冲突，则采用某种策略重新发送数据，直至数据发送成功或放弃发送。该类协议通常采用载波侦听工作模式，并结合冲突避免机制、握手信号和退避接入机制来减少冲突的可能性。其优点是协议简单、扩展性好、易于实现；缺点是存在碰撞、串音、公平性差、空闲侦听、能耗大等问题。第二类是基于调度的MAC协议，其基本思想是采用某种调度算法使每个传感器节点只在给定的时间段接入信道进行通信，没有参与通信的节点进入休眠状态达到节能目的，其主要优点是可以实现无冲突通信、占空比可控性好、网络能耗低等，缺点是扩展性差、对节点同步要求高、调度维护开销大等。第三类是混合MAC协议，其基本思想是结合基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议的优点，同时避免各自缺点，在特定条件采取某种协议为主，其他协议为辅的方式。其优点有利于网络的整体性能优化，缺点在于实现算法通常比较复杂。

上述无线传感器网络MAC协议在设计时主要从网络的能耗、可扩展性、时延、其他网络效率等方面出发，但是存在缺陷的是无法保证周期性感知数据传输可靠性。特别在工业现场复杂恶劣的环境、多径干扰、电磁干扰等使数据传输的可靠性显得更加重要。针对上述问题，本发明提出了一种适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，能够根据现场环境变化或突发状况自适应调整传感器节点发送数据的时隙长度，保证数据传输的可靠性，并兼顾整个网络的能耗、时延和扩展性。

发明内容

本发明的目的是克服已有无线传感器网络MAC协议的不足之处，针对已有技术的缺陷，提供了一种适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，能在对无线通信链路进行质量评估的基础上，根据节点单次通信的时间，预测出数据可靠传输所需的时隙长度，在保证数据传输可靠性前提下，兼顾整个网络的能耗、时延、吞吐量、扩展性等性能。

为达到上述目的，本发明的构思是：

传感器节点周期的采集感知数据，在簇头分配的时隙内进行数据传输，在传输过程中由于工业现场环境干扰等原因，使通信信道受到影响，从而影响节点数据的传输，在时隙结束时还未发送数据成功则产生丢包，影响对工业现场的监测。如果扩大时隙长度，则会导致在环境状况良好时，使节点在时隙结束前完成了数据的成功发送和应答帧的接收，一方面增大传感器节点的能耗，另一方面降低了MAC协议的扩展性，使得整个网络的时延进一步增大。所以需要根据现场环境变化或突发状况估计通信链路质量，自适应调整传感器节点发送数据的时隙长度，保证数据传输的可靠性，并兼顾整个网络的能耗、时延和扩展性。

本发明的协议作以下假设：                                               有一个外部的信标源实现了本地时钟同步（本发明的MAC协议不需要考虑MAC层同步功能）；网络拓扑结构中的簇头节点和冗余簇头节点通过有线电源供电（本发明的MAC协议不需要考虑簇头节点的能耗问题）；每个簇采用不同信道进行通信（本发明的MAC协议簇与簇工作在不同的信道）。

根据上述发明构思，本发明采用以下技术方法：适用于工业监测得无线传感器网络自适应MAC协议其特征在于：1）采用三层网络拓扑结构；2）协议提出了时隙长度分配算法；3）MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4）最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制。

上述适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于网络拓扑结构：采用基于网关节点，簇头节点、冗余簇头节点，传感器节点的三层网络拓扑结构。

网关节点是一种复杂的网络连接设备，主要负责整个网络与工业环境中的其他网络的协议转换与数据映射，实现不同协议网络之间的互连。

簇头节点可以作为网络管理代理，负责构建由传感器节点和簇头节点构成的星型结构，监测星型子网通信性能，负责汇聚和转发子网成员的数据。

冗余簇头节点主要用于收集和转发传感器节点转发的数据。在传感器节点首次向簇头节点发送数据未成功的情况下，将数据发送给冗余簇头节点，再由冗余簇头节点将数据转发给簇头节点，提高数据传输的可靠性。

传感器节点负责采集现场数据，并通过簇头节点将数据传送到网关节点。

上述适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于所述时隙长度分配算法，具体步骤如下：

（1）通过公式计算均值链路质量指示，表示第k次的LQI采样值，和分别表示第k-1次和k次的均值LQI；常量反映了对最近采样信息的重视程度，通过以指数加权的方式对过去的数据进行加权。根据传感器节点在正常环境下，传感器节点在某一固定位置固定发射功率下的数据成功发送的RSSI门限值为，当某次RSSI的测量值大于门限值时环境状况良好不需要补偿，小于门限值时环境状况产生干扰需要补偿，通过实际测量的RSSI值对进行补偿，通过式：

对进行补偿得到链路估计器，其中反映了当环境产生干扰时，最近采样的LQI值重要性增加；

（2）当在以下时，包接收率几乎全为0 ,当在以上时，包接收率几乎全为1，而当在之间时PRR随着的增大而上升，所以通过式获得预测出数据包成功接收率，其中表示拟合系数；

（3）数据包从发送端到接受端在无线通信模块和无线信道的传递过程中，可以把传输时间分为：发送时间：在应用层上构造分组并把分组传递到MAC层的时间；访问时间：在分组到达MAC层之后，分组等待网络传输信道空闲的时间；传输时间：在物理层上传输分组的时间，还包括了对分组的编码和把分组转换成电磁波形式的时间；传播时间：从发送端到接收端无线传输的时间；接收时间：接收端将分组按照比特方式进行接收，并且把分组传到MAC层的时间；接收处理时间：把接收到的比特还原成发送者发送的分组，然后把分组传送到应用层的时间。

传感器节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间有：发送端节点发送时间，访问信道时间，按照比特传输数据的长度字节和1个字节传输时间，数据在无线链路上的传播时间。接收端接收处理数据的时间，接收端回复应答帧的访问时间，应答帧按照比特传输数据的长度字节和1个字节传输时间，数据在无线链路上的传播时间，发送端接收处理应答帧的时间。得出传感器节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间，即时隙长度：，，当工业现场环境产生干扰影响信道质量时，影响传感器节点传输是访问信道的过程；

（4）利用步骤（2）中传感器节点一次发送数据包接收率，则发送数据包接收成功服从几何分布，节点i次数据发送过程中，前i-1次发送失败，第i次发送成功的概率：，在传感器节点尝试发送的最大次数，计算其数据包接收成功的期望发送次数：。得到节点尝试访问信道的次数：；

（5）在传感器节点以及通信链路没有收到环境的干扰时，传感器节点能够在步骤（3）中的传输时间内，完成数据的发送和应答帧的接收。但是在在链路质量受到影响时步骤（3）中的访问信道时间和会受到影响，需要重新估算完成数据发送和应答帧接收所需的时间，进而调整时隙长度。根据步骤（4）预测的访问信道次数，调整后时隙长度计算式。

根据时隙长度分配算法制定分配帧，给簇内传感器节点分配时隙，传感器节点接收并处理时隙分配帧，具体操作步骤如下：

（1）将时隙长度处理成微时隙结构，微时隙的时间长度为，每个传感器节点的时隙长度包含若干个微时隙；

（2）簇头节点给簇内个传感器节点和1个冗余簇头节点，广播时隙分配帧，其帧结构帧长度：1字节；帧控制：2字节；帧序号：1字节；目的地址：2字节；源地址：2字节；时隙分配段：字节；帧校验：2字节；

（3）在步骤（2）中的时隙分配段，时隙分配段包含字节，第个字节的8位数据表示对应传感器节点号为的微时隙个数；

（4）传感器节点在接收到时隙分配帧以后，读取前个字节的值，计算微时隙个数总和，读取第个字节的值，最后得到传感器节点的时隙的时间偏移量为，时隙长度；

（5）冗余簇头节点在接收到时隙分配帧以后，读取时隙分配段中所有字节的值，计算微时隙个数总和，冗余簇头节点在时间后，如有数据需要转发，开始向簇头节点转发数据；如果没有数据需要转发则进入休眠。

传感器节点在分配时隙时间结束前，完成数据的发送和应答帧的接收，提前进入休眠节省能耗，具体操作步骤如下：

（1）传感器节点在相应的时隙起始时刻，开启定时器用于记录活动时间；

（2）如果传感器节点发送成功并收到应答帧，获取收到应答帧时刻的定时器时间，节点提前进入休眠；

（3）如果传感器节点发送成功，如果未收到簇头节点发来的应答帧则将数据转发给冗余簇头节点，转发成功获取定时器时间，节点提前进入休眠。转发失败则继续转发直到时隙结束；

（4）如果传感器节点在尝试相应的发送次数后仍未发送成功，则将数据转发给冗余簇头节点，发送成功获取定时器时间，则提前进入休眠；如果仍未发送成功则继续转发直到时隙结束。

本发明与现有技术相比较，具体如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：的有益效果是能够克服已有无线传感器网络MAC协议的不足之处，通过均值LQI和RSSI补偿的方法估计链路质量，有效预测数据包接收率，根据环境状况自适应调整时隙长度，解决了无线传感器网络中周期性感知数据发送的可靠性，时延和MAC协议的扩展性等问题，采用提前休眠的方法进一步降低网络能耗，为无线传感器网络对周期性感知数据的传输提供技术支撑。

附图说明

图1是适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议网络拓扑图。

图2是无线通信过程中传输时间分类。

图3是时隙分配帧的帧结构图。

图4是时隙长度分配算法流程图。

图5是传感器节点处理时隙分配帧算法流程图。

图6是提前进入休眠工作流程图。

图7是适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明进行详细说明如下：

实施例一：网络拓扑形成阶段

参见图1，适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议1）采用三层网络拓扑结构；2）协议提出了时隙长度分配算法；3）MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4）最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制，采用网络拓扑结构，包括网关节点，簇头节点、冗余簇头节点和传感器节点。在网络拓扑形成阶段，传感器节点和冗余簇头节点向簇头节点发送入网请求，收到簇头回复的入网确认即为入网成功并分配相应的节点ID号；完成入网以后，簇头节点向网关发送子网信息，网关回复确认并分配簇ID号和各自的工作信道，簇头节点通知簇内传感器节点和冗余簇头节点新的工作信道。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

参见图4，所述时隙分配的算法的具体实施步骤如下：

（1）如图4流程簇头节点获取均值LQI，簇头节点分配给簇内传感器节点固定的时隙长度，传感器节点在对应时隙内连续发送测试数据，簇头节点收集数据得到该传感器节点的均值LQI；

（2）如图4流程簇头节点接收传感器节点发送的感知数据，获取数据帧中的LQI和RSSI值；

（3）如图4流程通过RSSI判断是否需要对进行补偿，代入式求出的值；

（4）如图4流程根据，代入式求出包接收率，其中表示拟合系数；

（5）如图4流程根据代入求出传感器节点尝试访问信道的次数；

（6）如图4流程根据传感器节点尝试访问信道的次数，计算出簇头节点给传感器节点分配的时隙长度。

实施例三：本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：

参加图3，所述簇头节点发送时隙分配帧的具体步骤如下：

（1）如图4流程根据求出的时隙长度计算获取微时隙的个数；

（2）如图3所示的时隙分配帧的帧结构，簇头节点通过计算出的每个节点的微时隙个数，按照节点的ID号顺序组成时隙分配段；

（3）如图3所示的时隙分配帧的封装格式，簇头节点以广播方式进行发送。

实施例四：本实施例与实施例三基本相同，特别之处如下：

参见图5，所述传感器节点接收处理时隙分配帧的具体步骤如下：

（1）如图5所示流程传感器节点在收到时隙分配帧以后，读取时隙分配帧时隙分配段中的传感器节点号对应的前，并进行累加得到，读取号对应的第个字节；

（2）如图5所示流程根据微时隙的时间，计算获得传感器节点对应的时隙时间偏移值为，时隙长度；

实施例五：本实施例与实施例四基本相同，特别之处如下：

参见图6，所述传感器节点提前进入休眠的具体步骤如下：

（1）如图6所示流程根据时隙长度设置定时器计时值，开启定时器；

（2）如图6所示流程传感器节点开始发送数据；

（3）如图6所示流程传感器节点在最大重发次数前发送数据成功，并且收到簇头节点的应答帧，此时获取定时器的计时值，则停止定时器，提前进入休眠；

（4）如图6所示流程传感器节点在最大重发次数前发送数据成功，但未收到簇头节点的应答帧，此时将数据转发给冗余簇头节点，转发成功，此时获取定时器的计时值，节点提前进入休眠；

（5）如图6所示流程传感器节点在最大重发次数前发送数据成功，但未收到簇头节点的应答帧，此时将数据转发给冗余簇头节点，转发未成功，则继续尝试转发，在时隙结束前转发成功则进入流程，到时隙结束仍未成功则放弃发送进入休眠；

（6）如图6所示流程传感器节点在最大重发次数时发送数据失败，则转发数据给冗余簇头节点，转发成功，此时获取定时器的计时值，节点提前进入休眠；

（7）如图6所示流程传感器节点在最大重发次数时发送数据失败，则转发数据给冗余簇头节点，转发成功，则继续尝试转发，在时隙结束前转发成功则进入流程，到时隙结束仍未成功则放弃发送进入休眠。

Claims (1)

1.适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议的确定方法，其特征在于：

a.  采用三层网络拓扑结构，所述三层网络拓扑结构由网关节点（1）、簇头节点（2）、冗余簇头节点（3），传感器节点（4）构成，传感器节点（4）负责感知数据，在传感器节点（4）向簇头节点（2）发送数据未成功时，将数据转发给冗余簇头节点（3），再由冗余簇头节点（3）将数据发给簇头节点（2），最后由簇头节点（2）将数据汇聚到网关节点（1）；

b.  协议提出了时隙长度分配算法，所述时隙长度分配算法的具体操作步骤如下：

（1）通过均值链路质量指示                                                和信号接收强度指示RSSI补偿的方法对链路质量进行估计，通过式：

计算出链路质量估计值，其中表示最近一次LQI采样值的重要程度，表示正常环境下RSSI的门限值，表示第k次的LQI采样值，和分别表示第k-1次和k次的均值LQI；

（2）当在以下时，包接收率几乎全为0 ；当在以上时，包接收率几乎全为1；当在之间时包接收率PRR随着的增大而上升，所以通过式预测出数据包成功接收率，其中表示拟合系数；

（3）节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间：发送端节点发送时间，访问信道时间，按照比特传输数据的长度字节和1个字节传输时间，数据在无线链路上的传播时间；接收端接收处理数据的时间，接收端回复应答帧的访问时间，应答帧按照比特传输数据的长度字节和1个字节传输时间，数据在无线链路上的传播时间，发送端接收处理应答帧的时间；得出传感器节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间，即时隙长度：，当工业现场环境产生干扰影响信道质量时，影响传感器节点传输是访问信道的时间；

（4）利用步骤（2）中节点一次发送数据包接收率，则发送数据包接收成功服从几何分布，节点i次数据发送过程中，前i-1次发送失败，第i次发送成功的概率：，在传感器节点尝试发送的最大次数，计算其数据包接收成功的期望发送次数：；

得到节点尝试访问信道的次数：；

（5）在传感器节点以及通信链路没有受到环境的干扰时，传感器节点能够在步骤（3）中的传输时间内，完成数据的发送和应答帧的接收；

但是在链路质量受到影响时步骤（3）中的访问信道时间和会受到影响，需要重新估算完成数据发送和应答帧接收所需的时间，进而调整时隙长度；

根据步骤（4）预测的访问信道次数，调整后时隙长度计算式：；

c.  MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理，采用所述的时隙长度分配算法，由簇头广播时隙分配帧给簇内传感器节点分配时隙，传感器节点接收并处理时隙分配帧，具体操作步骤如下：

（1）将时隙长度处理成微时隙结构，微时隙的时间长度为，每个传感器节点的时隙长度包含若干个微时隙；

（2）簇头广播时隙分配帧；

（3）在步骤（2）时隙分配帧的时隙分配段中，第个字节表示传感器节点的微时隙个数；

（4）传感器节点在接收到时隙分配帧以后，计算时隙分配段前个字节微时隙个数总和，获得第个字节的值，传感器节点的时隙的时间偏移量为，时隙长度；

（5）冗余簇头接收到时隙分配帧后，计算时隙分配段所有字节的微时隙个数总和，冗余簇头在时间后开始向簇头转发数据；

d.  最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制；如果传感器节点在分配时隙结束前，完成数据的发送和应答帧的接收，提前进入休眠节省能耗，具体操作步骤如下：

（1）传感器节点在相应的时隙起始时刻，开启定时器用于记录活动时间；

（2）如果传感器节点发送成功并收到应答帧，获取收到应答帧时刻的计时时间，节点提前进入休眠；

（3）如果传感器节点发送成功，未收到应答帧则将数据转发给冗余簇头，转发成功获取计时时间，节点提前进入休眠；

转发失败则继续转发直到时隙结束；

（4）如果传感器节点在尝试相应的发送次数后仍未发送成功，则将数据转发给冗余簇头，发送成功获取计时时间，节点提前进入休眠；如果仍未发送成功则继续转发直到时隙结束。