CN102695265A

CN102695265A - 一种基于无线传感器网络的混合机制mac协议通信方法

Info

Publication number: CN102695265A
Application number: CN2012100045272A
Authority: CN
Inventors: 郑国强; 沈森; 付江涛; 王雯霞; 李佩佩; 彭勃; 张前进; 付磊; 李敏; 周立鹏
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-09
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-01-09
Also published as: CN102695265B

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法，本发明通过设置周期预约时段，利用设置节点的拥有时隙，使节点在拥有时隙到来时才参与竞争信道的预约，每个预约时隙设置一个载波侦听的最大窗口时间，利用节点激活唤醒的随机侦听减少节点的预约消息发送碰撞概率及空闲侦听的时间，实现在单周期的单跳或多跳的数据时隙预约，减少了控制开销和数据传递的时延；节点在周期数据时段，根据在预约时段对各数据时隙的预约情况激活唤醒，节点仅在被预约的数据时隙唤醒侦听，实现在单周期数据的单跳或多跳传递，而在没有被预约的数据时隙节点处于睡眠状态，提高了节点的能效利用率，能很好地满足数据传递的及时性要求。

Description

一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法，属于无线通信网络领域。

背景技术

介质访问控制(Media Access Control,MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，决定无线信道的使用方式，直接影响无线资源的使用效率、网络吞吐量和时延等重要性能，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

无线传感器网络的功能是由众多节点协作实现的，在局部范围需要MAC协议协调节点间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。从通信网络看，无线传感器网络是一种特定的自组织网络。无线传感器网络的MAC协议设计存在着自组织网络中的共性问题，同时，又具有节点资源受限、网络负载低及业务流的方向性相对固定等特殊性。因此，为无线自组织网络设计的MAC协议并不能简单地直接用于无线传感器网络，无线传感器网络的MAC协议设计面临着新的挑战，需要重点考虑以下几方面的问题。

1 节点资源受限

Figure 2012100045272100002DEST_PATH_IMAGE002

节点能量的限制：无线传感器网络一般采用电池供电，并且工作于无人职守的环境中，无法更换电池或补充能源。所以，节能成为无线传感器网络设计的重要目标，需要在满足应用要求的前提下尽可能延长网络的寿命。

Figure 2012100045272100002DEST_PATH_IMAGE004

节点的计算和存储能力限制：受体积、成本等因素的影响，无线传感器节点的计算和存储能力有限，这就要求无线传感器网络的MAC协议设计要尽可能简单，减少计算和存储量。

2 多跳信道共享

无线传感器网络的信道共享方式为多跳共享方式，源节点通信覆盖范围外的节点不受源节点发送数据的影响，它们也可以发送数据信息，这也称为信道的空间复用方式。信道共享提高了频谱的利用率，增加了网络的吞吐量，但也带来了以下的问题：

消息的碰撞；

隐藏和暴露终端问题；

Figure 2012100045272100002DEST_PATH_IMAGE006

串音问题。

3 业务流的特殊性

无线传感器网络主要面向监测类的应用，其业务特征与无线自组织网络相比，有以下特点。

业务单一、业务量小；

业务流向具有方向性；

业务分布在时间和空间上的差异。

4 拓扑的动态适应性

无线传感器网络的规模庞大，网络是自组织的，由于节点的移动、新节点加入、节点故障或死亡、链路故障等，易造成网络拓扑结构的动态性变化。因此，无线传感器网络的MAC协议必须具备可扩展性、分布性和自组织性，能够适应拓扑的动态性。

由于受到以上因素的影响，无线传感器网络MAC协议与传统无线网络关注的因素正好相反。传统无线网络的MAC协议设计的重点目标是提高节点使用带宽的公平性、带宽利用率及网络的实时性，而无线传感器网络MAC协议的设计把能量有效性放在首位，其次才考虑协议的可扩展性、延时、信道利用率、吞吐率、适应性等。

针对无线传感器网络的不同应用，目前研究人员提出了多种不同机制的MAC协议。包括基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议及竞争和基于混合机制的MAC协议。

基于竞争类的MAC协议都是随机接入的，当节点有数据发送请求时，通过竞争的方式占用无线信道，当数据发生冲突时，按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃数据的发送。典型的基于竞争的MAC协议有S-MAC、T-MAC、AS-MAC协议等。这类协议不需要网络节点严格的时间同步，具有执行简单、扩展性好及适应拓扑变化能力强等优点；但这类协议的缺点也很明显，随机竞争容易产生消息的碰撞，造成能量的浪费。

基于调度的MAC 协议就是预先为每个节点分配用于发送或接收数据的独立时间片，而在其它时间段节点进入睡眠状态。基于调度的MAC协议的主要优点有以下几个方面：避免了竞争机制中的消息碰撞重传问题；不存在节点竞争信道的开销，因此，减少了数据传输过程中的控制开销；节点接入信道的方式是确定性的，因此，对于要求实时服务的应用可以提供确定上限的时延；节点空闲监听的时间大大减少。但这类协议也存在如下的缺点：网络节点之间需要严格的时间同步；当新节点加入或旧节点失效时，很难调整MAC协议时间帧的大小和时间片的分配，可扩展性较差；对节点移动、节点失效引起的网络拓扑变化的适应性较差；对于业务量的变化不敏感。但由于基于调度的MAC协议的固有节能特性，不少研究者针对TDMA 协议的不足，同时结合具体的无线传感器网络应用，提出了多种基于调度的无线传感器网络MAC协议。典型的MAC协议有LMAC协议、TRAMA协议、DMAC协议等。

基于竞争的MAC 协议和基于调度的MAC 协议各有其应用的场合和优缺点，基于竞争的MAC协议具有适应网络变化能力强的优点，工作方式灵活，节点间无需精确的同步，但它的最大缺陷在于节点因数据传递冲突的能量消耗通常比较大。而基于调度机制的MAC协议，解决了数据传递的冲突问题，但适应网络变化的能力差。为了利用两种协议的优点，研究人员提出了采用混合机制的MAC协议。来提高网络的性能。ZMAC协议是典型的基于混合机制的MAC协议，运用CSMA作为基本机制，在竞争增大时使用TDMA机制来避免信道冲突。ZMAC协议将竞争和调度机制相结合，既降低了节点发送数据时的冲突发生概率，又提高了协议对网络变化的适应性，同时对节点同步的要求大大降低了，并能提供均衡的网络性能。但ZMAC协议需要为每个节点分配一个拥有时隙，实现复杂，这又限制了ZMAC协议的应用。

无线传感器网络能量有限的特点，决定了MAC协议的设计必须以节能为主要目标。在基于竞争类的MAC协议如S-MAC采用多种节能措施节省能量，其中周期休眠减少空闲侦听的机制具有显著的节能效果，使得S-MAC协议的能效性得到了显著的提高，但S-MAC对时延敏感的业务具有的延迟影响是无法克服的；而在基于调度机制的MAC协议如TRAMA，每个节点仅在属于自己的时隙收发数据，在其它时隙处于睡眠状态，有效地避免了冲突，但节点间的时间同步、时隙分配算法及对网络拓扑动态变化的适应性差等问题使得这类协议的应用受到限制，同时也不能满足网络对时延敏感业务的应用要求；结合竞争和调度优点所提出的混合机制MAC协议如Z-MAC仅是放宽了对节点间同步的要求、对网络变化的适应性适当增强，但复杂性增加了，数据传递的时延性能并没有实质改善，并且增加了控制开销。

发明内容

本发明的目的是解决多跳无线传感器网络的数据传递时延与能耗的矛盾问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法，该方法的具体步骤如下：

1）.将节点的时间轴分为周期性的预约时段和数据时段，预约时段分为若干短的预约时隙，数据时段分为若干短的数据传递时隙；

2）.根据上层协议和无线传感器网络的同步算法，更新节点一跳邻居节点列表，并使它与其两跳以内的邻居节点之间时间同步；

3）.每个节点随机选择一个预约时隙作为节点的拥有时隙，在节点的拥有时隙到来时才开始对数据时隙的预约，并具有高优先级，在每个预约时隙到来时，节点根据其业务到达情况、业务特征和激活侦听或发送预约消息RM的结果，实现对数据时段的不同数据时隙的预约；

4）.节点根据在预约时段对各个数据时隙的预约情况决定在每个数据时隙到来时是否激活唤醒，仅在预约的数据时隙到来时激活侦听，并基于载波侦听的结果，执行基于RTS/CTS/DATA/ACK的数据发送和接收操作，或者睡眠直至本数据时隙结束，完成数据的传递。

所述的步骤1）具体包括如下步骤：

根据网络应用要求和业务特征，采用无线传感器网络的数据分发协议将节点的周期工作时间、每周期的预约时段时间长度、每周期的数据传递时段的时间长度、每个短的预约时隙的时间长度、每个短的数据时隙的时间长度、每个时隙的载波侦听的最大窗口时间长度参数分发给所有节点，并建立一跳的邻居节点记录表；

根据节点的工作参数，设置节点的周期工作时间、以及每个周期的周期性的时隙预约时段时间和数据传递时段时间，并将时隙预约时段分为若干短的预约时隙，数据传递时段分为若干短的数据传递时隙；

设置节点按统一的时间启动开始工作。

所述的步骤2）的具体步骤包括：

利用无线传感器网络的同步算法或采用S-MAC协议的通告同步报文机制使两跳的邻居节点之间保持同步；

利用上层协议和在通告同步报文时采用捎带机制，更新节点的一跳邻居节点记录表。

所述的步骤3）的具体步骤如下：

1.设置预约时隙个数计数器k等于1，将表示业务数据时延敏感度的TL的缺省值设置为0，并随机从K个预约时隙中选择一个作为节点的拥有时隙；

2.判断当前是否有业务数据需要发送，若节点有业务数据需要发送，则根据所要发送业务数据对时延敏感度的要求高低设置TL的值，若节点没有业务数据需要发送，则按步骤4执行；

3.节点在当前预约时隙激活侦听，若TL=H，则节点在当前的预约时隙激活唤醒后立即发送预约消息RM，其中包含TL，并在发送预约消息RM后将节点的TL设置为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，若TL=L，且当前预约时隙是节点的拥有时隙，节点在当前预约时隙激活唤醒后先在[0，T _CS/2]时间内随机侦听载波一定时间，在侦听载波结束后，若信道空闲则立即发送包含TL信息的预约消息RM，并在发送RM后节点将TL设置为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，否则，若信道忙，则节点取消发送预约消息的企图，继续侦听载波并按步骤4执行，若TL=L，且当前预约时隙的编号小于节点的拥有时隙编号，取消发送预约消息，进入步骤4，若TL=L，且当前预约时隙的编号大于节点的拥有时隙编号，节点在当前预约时隙激活唤醒后先在[T _CS/2，T _CS]时间内随机侦听载波一定时间，在侦听载波结束后，若信道空闲，则立即发送包含TL信息的预约消息RM，并在发送预约消息RM后节点将TL为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，否则，节点取消发送预约消息，继续侦听载波进入步骤4；

4.预约时隙到来时没有业务数据需要发送的节点，即TL等于0，则节点激活唤醒后先执行侦听载波T _CS的时间，若在T _CS时间内节点侦听到预约信息RM，且它是预约的目的接收节点，则首先从预约信息RM中提取出预约的数据时隙编号和TL，将节点在预约的数据接收时隙设置为预约数据接收时隙，并根据预约消息中的TL设置节点当前的TL，若预约信息RM中包含的TL为H，则将设置节点的TL为H，并设置节点下一跳的预约数据时隙为DSLOT_N+1，否则不进行任何设置，然后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；若节点在T _CS时间内侦听到发生碰撞的消息，无法识别，则设置节点在本周期数据时段的每个数据时隙都为预约接收数据时隙，然后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；若节点在T _CS时间内没有侦听到任何消息，即信道空闲，则在T _CS时间结束后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；

5.更新k等于k加1，重复执行步骤2、步骤3、步骤4，直至本周期预约时段的K个预约时隙结束，节点完成预约时段的数据时隙预约，进入数据时段。

所述的步骤4）的具体步骤如下：

a）设置数据时隙个数计数器m等于1；

b）节点的激活唤醒：若当前数据时隙是节点在预约时段预约的发送数据时隙，则节点激活唤醒，并在[0，T _CS]时间内随机设置节点的侦听时间，侦听结束后转向执行步骤c）,若当前数据时隙是节点在预约时段预约的接收数据时隙，则节点激活唤醒后处于侦听状态，并转向执行步骤d），若当前数据时隙在预约时段没有被预约，则节点处于休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后转向执行步骤e）；

c）节点发送数据：若侦听信道空闲，则立即发送RTS控制消息，并在接收到CTS消息后开始发送数据DATA，直至发送数据DATA结束，收到ACK确认消息，节点进入休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后执行步骤e）,若侦听信道忙，则转向执行步骤d）；

d）节点接收数据：若节点在T _CS时间内侦听到RTS消息，则立即发送CTS应答消息，并等待接收数据DATA直至完成数据DATA的接收后，发送ACK确认消息；若在侦听T _CS时间内没有侦听到RTS消息，则在侦听载波T _CS时间结束后，节点进入休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后转向执行步骤e）；

e）更新m等于m加1，重复执行步骤b）、步骤c）、步骤c），直至本周期数据时段的M个数据时隙结束，节点完成数据时段的数据传递，进入下一周期。

本发明的有益效果是: 本发明通过设置周期预约时段，利用设置节点的拥有时隙，使节点在拥有时隙到来时才参与竞争信道的预约，每个预约时隙设置一个载波侦听的最大窗口时间，利用节点激活唤醒的随机侦听减少节点的预约消息发送碰撞概率及空闲侦听的时间，适应网络业务的变化，并可根据业务对时延敏感度的不同要求，实现在单周期的单跳或多跳的数据时隙预约，提高了信道的利用率，减少了控制开销和数据传递的时延；节点在周期数据时段，根据在预约时段对各数据时隙的预约情况激活唤醒，节点仅在被预约的数据时隙唤醒侦听，实现在单周期数据的单跳或多跳传递，而在没有被预约的数据时隙节点处于睡眠状态，提高了节点的能效利用率，能很好地满足数据传递的及时性要求。

附图说明

图1是本发明节点生命期的工作过程示意图；

图2是本发明网络节点时间轴的单周期组成示意图；

图3是本发明的周期预约时段实现流程图；

图4是本发明的周期数据时段实现流程图；

图5是本发明的网络节点拓扑实例图；

图6是本发明单周期实现单跳数据传递的工作过程实例图；

图7是本发明单周期实现多跳数据传递的工作过程实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

结合图2说明多跳无线传感器网络的混合机制MAC协议实现方法的步骤为：网络初始化、周期状态更新和同步、周期预约时段和周期数据时段，其中网络初始化用于设置有关参数和建立网络，仅在网络布置时执行一次，以后不再执行；周期状态更新和周期同步目的是为了维护一跳邻居节点的纪录表，使两跳的邻居节点间维持时间同步；周期预约时段实现节点的随机竞争信道预约，由若干个预约时隙组成，每个预约时隙设置一个节点唤醒侦听的最大时间窗T _CS，用以在发送数据时随机侦听信道、在发送预约消息RM及侦听消息RM来完成对数据时隙的预约；周期数据时段根据对各个数据时隙的预约来执行唤醒侦听及数据的发送和接收，由若干个数据时隙组成，每个数据时隙在预约唤醒时也设置一个节点唤醒侦听的最大时间窗T _CS，用以随机侦听信道的空闲、发送或侦听RTS，完成基于RTS/CTS/DATA/ACK的数据传递过程。下面说明各阶段工作时间的具体设置。

网络初始化的时间T ₀：网络初始化阶段的目的是分发网络有关参数，建立网络节点的一跳邻居节点记录表，实现两跳邻居节点间的时间同步。由于这个阶段只在网络初始布置时执行一次，其执行时间对网络的应用并不构成严重影响，在网络生命期中T ₀可以忽略不计。

周期状态更新和同步时间T _SS：周期状态更新和同步的目的是维护和更新节点的一跳邻居节点记录表及两跳节点间的时间同步,由于节点的同步可以利用无线传感器网络的同步算法或采用S-MAC协议的通告同步报文机制实现、状态更新可以利用上层协议和在通告同步报文时采用捎带机制实现，且仅是局部的状态更新和同步，所以T _SS这个阶段占整个周期的时间可以不予考虑。

周期预约时段T _W：周期预约时段的目的是为了实现对数据时隙的预约，考虑无线传感器网络的业务较低、节点密度高、业务的发生具有突发性等特点，将预约时段划分为若干个短的预约时隙，用公式表示如下：

T _W=K·T _RC

其中，T _RC为每个预约时隙的时间，且T _RC满足下式：

T _RC>T _CS+T _RM

其中，T _CS为节点激活唤醒侦听载波的最大窗口时间；T _RM为发送或接收预约消息RM的时间，使在每个预约时隙可以有一个节点成功预约到信道,设置激活唤醒侦听时间窗T _CS的目的是为了减少节点间进行信道预约的碰撞，减少节点的空闲侦听。

周期数据时段T _D：周期预约时段的目的是为了实现数据传递，与S-MAC在每个周期仅传递一个数据报文的情况不同，这里为了分解本地数据传递的碰撞及实现时延敏感业务单周期的多跳数据传递，将数据时段根据网络的业务特点和时延要求划分为若干个数据时隙，在每个数据时隙可以完成基于RTS/CTS/DATA/ACK的数据传递过程。因此，周期数据时段的时间为：

T _D=M·T _SR

其中，M表示数据时隙的个数，T _SR为每个数据时隙的时间，且满足下式：

T _SR>T _CS+T _RTS+T _CTS+T _DATA+T _ACK

上式中，T _RTS、T _CTS、T _DATA和T _ACK分别为传递RTS、CTS、DATA和ACK消息所需的时间。

因此，节点的周期工作时间T为：

T=T _SS+T _W+T _D≈K·T _RC+M·T _SR

根据上述分析，由于节点在预约时段采用分时隙的随机侦听、发送预约消息RM对数据时隙进行提前预约，在无业务的情况下节点每个预约时隙的侦听最大时间窗为T _CS，每个预约时隙节点的工作时间是根据对信道随机侦听的结果不同发生变化的，节点在数据时段是根据在预约时段对数据时隙的预约来激活唤醒的，在无业务的情况下整个数据时段将处于睡眠状态，节点仅在预约的数据时隙唤醒侦听，并根据侦听的结果执行不同的操作。因此，每个周期节点激活工作的时间占整个周期的时间长度的比值P _DC（称为占空比）是随业务不断发生变化的，其变化范围的计算公式如下：

K·T _CS/T≤P _DC≤1

其中，K为周期预约时段的预约时隙的个数，T为周期的工作时间；

结合图2~图7说明本发明根据图1所示的节点工作时间划分方法，执行网络初始化、周期状态更新和同步、周期预约时段和周期数据时段的具体步骤如下：

1.网络初始化阶段

网络工作参数分发：网络布置后，根据网络应用要求和业务特征，采用无线传感器网络的数据分发协议将节点的周期工作时间、每周期的预约时段时间长度、每周期的数据传递时段的时间长度、每个短的预约时隙的时间长度、每个短的数据时隙的时间长度、每个时隙的载波侦听的最大窗口时间长度等参数分发给所有节点，并建立一跳的邻居节点记录表；

设置节点工作参数：根据节点的工作参数，设置节点的周期工作时间、以及每个周期的周期性的时隙预约时段时间和数据传递时段时间，并将时隙预约时段分为若干短的预约时隙，数据传递时段分为若干短的数据传递时隙；

启动节点工作：设置节点按统一的时间启动开始工作。

2.周期状态更新和同步阶段

由于无线传感器网络节点易出现故障、布置环境恶劣易造成数据链路的失效、节点的电池寿命有限等，因此网络拓扑是不断发生变化的。另外由于节点的时钟受到外部环境的影响以及存在的时间飘逸、抖动，随着时间的推移存在着同步的误差及失步，因此，为了维持节点间的同步必须不断地采用同步算法维护节点间的同步。为了减少控制开销和实现的复杂度，仅让节点维护局部的邻居节点状态信息和实现局部两跳范围内的节点同步。

在节点执行网络初始化时间T ₀结束或执行周期数据时段时间T _D结束后，节点开始执行周期状态更新和同步。

节点在进入周期状态更新和同步阶段的工作过程如下：

首先设置周期状态更新和同步的时间为T _ss，并开始计时；然后利用无线传感器网络的同步算法或采用S-MAC协议的通告同步报文机制使两跳的邻居节点之间保持同步；

利用上层协议和在通告同步报文时采用捎带机制，更新节点的一跳邻居节点记录表；

计时时间T _ss到，周期状态更新和同步过程结束，节点的工作进入预约时段。

3.周期预约时段

周期预约时段由若干个预约时隙组成，每个预约时隙设置一个节点激活侦听载波的最大时间窗T _cs，根据业务特征和随机选择节点的拥有时隙，使节点对信道进行载波侦听的退避时间不同，从而使节点在每个预约时隙参与竞争预约时隙时具有不同的优先级，然后节点根据侦听的结果决定节点是否发送或继续侦听预约消息RM或在最大时间窗T _cs结束后进入睡眠状态，只有在某个预约时隙侦听到或发送了预约消息RM的节点才成功地预约了预约消息RM中选定的数据时隙。

节点在进入预约时段的工作过程如下：

1）.初始化和设置节点的拥有时隙，设置预约时隙个数计数器k等于1，将表示业务数据时延敏感度的TL的缺省值设置为0，并随机从K个预约时隙中选择一个作为节点的拥有时隙；

2）.判断是否有业务数据到达需要发送及业务数据时延敏感度TL的设置。首先判断当前是否有业务数据需要发送，若节点有业务数据需要发送，则根据所要发送业务数据对时延敏感度的要求高低设置TL的值：若业务数据对时延敏感度要求高，设置TL等于H，若业务数据对时延敏感度要求低，设置TL等于L；若节点没有业务数据需要发送，则按步骤4）执行；

3）.节点在当前预约时隙激活侦听，有数据需要发送的节点，根据业务对时延敏感度TL设置不同，分别执行如下操作：若TL=H，则节点在当前的预约时隙激活唤醒后立即发送预约消息RM，其中包含TL，预约的数据时隙编号若已经设置则按设置值进行预约，若没有设置，则将其设置为具有最小编号的空闲时隙，将设置后的预约时隙编号包含在发送的预约消息RM中发送出去，并在发送预约消息RM后将节点的TL设置为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点；若TL=L，且当前预约时隙是节点的拥有时隙，则节点在当前预约时隙激活唤醒后先在[0，T _cs/2]时间内随机侦听载波一定时间，在侦听载波结束后：若信道空闲则立即发送包含TL信息的预约消息RM，其中预约消息RM中包含的预约数据时隙编号是节点从当前的空闲时隙中随机选取的，并在发送RM后节点将TL设置为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，否则，若信道忙，则节点取消发送预约消息的企图，继续侦听载波并按步骤4）执行；若TL=L，且当前预约时隙的编号小于节点的拥有时隙编号，即还没有到达节点的拥有时隙，则节点在当前预约时隙激活唤醒后处于侦听状态，并取消发送预约消息的企图，按步骤4）执行；若TL=L，且当前预约时隙的编号大于节点的拥有时隙编号，即已经经过了节点的拥有时隙，则节点在当前预约时隙激活唤醒后先在[T _cs/2，T _cs]时间内随机侦听载波一定时间，在侦听载波结束后：若信道空闲，则立即发送包含TL信息的预约消息RM，其中预约消息RM中包含的预约数据时隙编号是节点从当前的空闲时隙中随机选取的，并在发送预约消息RM后节点将TL设置等于0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，否则，节点取消发送预约消息的企图，继续侦听载波并进入步骤4）；

4）.预约时隙到来时没有业务数据需要发送的节点，即TL等于0，则节点激活唤醒后先执行侦听载波T _cs的时间，若在T _cs时间内节点侦听到预约信息RM，且它是预约的目的接收节点，则首先从预约信息RM中提取出预约的数据时隙编号DSLOT_N和TL，将节点在预约的数据接收时隙DSLOT_N设置为预约数据接收时隙，并根据预约消息中的TL设置节点当前的TL：若预约信息RM中包含的TL为H，则将设置节点的TL为H，并设置节点下一跳的预约数据时隙为DSLOT_N+1，否则不进行任何设置，然后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；若节点在T _cs时间内侦听到发生碰撞的消息，无法识别，则设置节点在本周期数据时段的每个数据时隙都为预约接收数据时隙，然后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；若节点在T _cs时间内没有侦听到任何消息，即信道空闲，则在T _cs时间结束后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；

5）.更新k等于k加1，重复执行步骤2）、步骤3）和步骤4），直至本周期预约时段的K个预约时隙结束，节点完成本周期预约时段的数据时隙预约，进入数据时段。

4.周期数据时段

周期数据预约时段由若干个数据时隙组成，每个数据时隙可以完成基于RTS/CTS/DATA/ACK的一次数据传递过程，但每个数据时隙是根据预约时段的预约情况来执行唤醒及数据传递的，没有预约的数据时隙节点完全睡眠，节点仅在预约的数据时隙到来时唤醒侦听，根据侦听的结果执行数据传递。为了避免数据传递过程中的冲突，每个数据时隙也设置一个节点激活侦听载波的最大时间窗T _cs，激活唤醒的节点根据对信道侦听的结果执行数据发送、接收或放弃数据发送/接收并进入睡眠状态。

节点在进入数据时段的工作过程如下：

a.设置数据时隙个数计数器m等于1；

b.节点的激活唤醒：若当前数据时隙是节点在预约时段预约的发送数据时隙，则节点激活唤醒，并在[0，T _cs]时间内随机设置节点的侦听时间，侦听结束后转向执行步骤c；若当前数据时隙是节点在预约时段预约的接收数据时隙，则节点激活唤醒后处于侦听状态，并转向执行步骤d；若当前数据时隙在预约时段没有被预约，则节点处于休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后转向执行步骤e；

c.节点发送数据：若侦听信道空闲，则立即发送RTS控制消息，并在接收到CTS消息后开始发送数据DATA，直至发送数据DATA结束、收到ACK确认消息，节点进入休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后执行步骤4,若侦听信道忙，则转向执行步骤d；

d.节点接收数据：若节点在T _cs时间内侦听到RTS消息，则立即发送CTS应答消息，并等待接收数据DATA直至完成数据DATA的接收后，发送ACK确认消息,若在侦听T _cs时间内没有侦听到RTS消息，则在侦听载波T _cs时间结束后，节点进入休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后转向执行步骤e；

e.更新m等于m加1，重复执行步骤b、步骤c和步骤d，直至本周期数据时段的M个数据时隙结束，节点完成数据时段的数据传递，进入下一周期。

本发明的效果利用图6和图7进行了说明，它们是根据图5网络布置图中数据传递的过程给出的。在图5所示的网络布置图中节点A和F是产生业务数据的节点，A节点的业务数据在上一周期的数据传递阶段到达，F节点的业务数据在当前周期的预约时段进行过程中到达。

图6说明了在当前周期数据仅传递一跳的数据传递过程，但允许本地多对节点之间进行数据传递。在图6中，节点A和F的业务数据对时延敏感度的要求为低的正常情况，即设置TL为L，这时节点在当前周期只能完成一跳的数据传递。从网络图5中可以看出，数据发送节点A、数据发送节点F和数据接收节点B位于一跳范围内，对S-MAC 协议来说，在一个周期不能实现两个发送节点A和F同时向一个接收节点B的数据传递，否则就产生数据传递过程的碰撞；从图6可以看出，本发明可以利用在预约时段的提前预约，将两个数据传递安排在不同的数据时隙进行，从而避免了S-MAC协议中的碰撞问题发生。

图7说明了本发明在当前周期实现数据多跳传递的情况，这时节点A的业务数据对时延敏感度的要求为高的情况，即设置TL为H，而节点FF的业务数据对时延敏感度的要求为低的正常情况；预约时段预约时隙数和数据时段数据时隙数均为4。在图5中给出了在节点A向汇聚节点传递数据过程中当前路径上的节点B、C、D、E。

从图7可以看出，本发明利用业务数据对时延敏感度的要求高低不同，分别执行不同的信道预约机制，对时延敏感度要求高的数据业务可以在一个周期执行多跳的数据传递，其对信道的预约具有高优先级，而对时延敏感度要求低的数据业务仅执行一跳的数据传递，其对信道的预约具有低的优先级，从而满足业务数据传递对时延敏感度的不同要求，减少空闲侦听和数据碰撞的能量消耗，提高数据传递的及时性。

Claims

1.一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法,其特征在于：该通信方法的具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法,其特征在于：所述的步骤1）具体包括如下步骤：

A.根据网络应用要求和业务特征，采用无线传感器网络的数据分发协议将节点的周期工作时间、每周期的预约时段时间长度、每周期的数据传递时段的时间长度、每个短的预约时隙的时间长度、每个短的数据时隙的时间长度和每个时隙的载波侦听的最大窗口时间长度参数分发给所有节点，并建立一跳的邻居节点记录表；

B.根据节点的工作参数，设置节点的周期工作时间、以及每个周期的周期性的时隙预约时段时间和数据传递时段时间，并将时隙预约时段分为若干短的预约时隙，数据传递时段分为若干短的数据传递时隙；

C.设置节点按统一的时间启动开始工作。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法，特征在于：所述的步骤2）的具体步骤包括：

4.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法,其特征在于：所述的步骤3）的具体步骤如下：

a.设置预约时隙个数计数器k等于1，将表示业务数据时延敏感度的TL的缺省值设置为0，并随机从K个预约时隙中选择一个作为节点的拥有时隙；

b.判断节点当前是否有业务数据需要发送，若节点有业务数据需要发送，则根据所要发送业务数据对时延敏感度的要求高低设置TL的值，若节点没有业务数据需要发送，则直接进入步骤d；

c.判断TL的值，若TL为H，则节点在当前的预约时隙激活唤醒后立即发送预约消息RM，其中包含TL，并在发送预约消息RM后将节点的TL设置为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，若TL=L，且当前预约时隙是节点的拥有时隙，节点在当前预约时隙激活唤醒后先在[0，T _CS /2]时间内随机侦听载波一定时间，在侦听载波结束后，若信道空闲则立即发送包含TL信息的预约消息RM，并在发送RM后节点将TL设置为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，否则，若信道忙，则节点取消发送预约消息的企图，继续侦听载波并进入到步骤d，若TL=L，且当前预约时隙的编号小于节点的拥有时隙编号，取消发送预约消息，进入步骤d，若TL=L，且当前预约时隙的编号大于节点的拥有时隙编号，节点在当前预约时隙激活唤醒后先在[T _CS /2，T _CS]时间内随机侦听载波一定时间，在侦听载波结束后，若信道空闲，则立即发送包含TL信息的预约消息RM，并在发送预约消息RM后节点将TL为0，将节点在所预约的数据时隙设置为数据发送节点，否则，节点取消发送预约消息，继续侦听载波进入步骤d；

d.预约时隙到来时没有业务数据需要发送的节点，即TL等于0，则节点激活唤醒后先执行侦听载波T _CS的时间，若在T _CS时间内节点侦听到预约信息RM，且它是预约的目的接收节点，则首先从预约信息RM中提取出预约的数据时隙编号和TL，将节点在预约的数据接收时隙设置为预约数据接收时隙，并根据预约消息中的TL设置节点当前的TL，若预约信息RM中包含的TL为H，则将设置节点的TL为H，并设置节点下一跳的预约数据时隙为DSLOT_N+1，否则不进行任何设置，然后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；若节点在T _CS时间内侦听到发生碰撞的消息，无法识别，则设置节点在本周期数据时段的每个数据时隙都为预约接收数据时隙，然后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；若节点在T _CS时间内没有侦听到任何消息，即信道空闲，则在T _CS时间结束后节点进入休眠状态直至本预约时隙结束；

e.更新k等于k加1，重复执行步骤b、步骤c 和步骤d，直至本周期预约时段的K个预约时隙结束，节点完成预约时段的数据时隙预约，进入数据时段。

5.根据权利要求3或4所述的基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法,其特征在于：所述的步骤4）的具体步骤如下：

a）. 设置数据时隙个数计数器m等于1；

b）.节点的激活唤醒：若当前数据时隙是节点在预约时段预约的发送数据时隙，则节点激活唤醒，并在[0，T _CS]时间内随机设置节点的侦听时间，侦听结束后转向执行步骤c）；若当前数据时隙是节点在预约时段预约的接收数据时隙，则节点激活唤醒后处于侦听状态，并转向执行步骤d）；若当前数据时隙在预约时段没有被预约，则节点处于休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后转向执行步骤e）；

c）.若侦听信道空闲，则立即发送RTS控制消息，并在接收到CTS消息后开始发送数据DATA，直至发送数据DATA结束、收到ACK确认消息，节点进入休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后执行步骤e）；若侦听信道忙，则转向执行步骤d）；

d）.若节点在T _CS时间内侦听到RTS消息，则立即发送CTS应答消息，并等待接收数据DATA直至完成数据DATA的接收后，发送ACK确认消息；若在侦听T _CS时间内没有侦听到RTS消息，则在侦听载波T _CS时间结束后，节点进入休眠状态，直至当前数据时隙结束，然后转向执行步骤e）；

e）.更新m等于m加1，重复执行步骤b）、步骤c）、步骤d），直至本周期数据时段的M个数据时隙结束，节点完成数据时段的数据传递，进入下一周期。