CN103260229A - 基于预测和反馈的无线传感器网络mac协议 - Google Patents
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Abstract
基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议,属于无线传感器网络技术。为了解决目前基于竞争的无线传感器网络MAC协议造成网络的整体服务质量大幅度降低的问题。它是基于预测和反馈的退避方法实现的,即发送节点在退避阶段对信道的忙闲状况进行记录,进而合理地推测整个网络的拥塞程度,成功发送数据分组后自适应地改变竞争窗口值以适应当前网络负载状况。并采用自适应调整占空比的方法,传感器节点在发送数据分组时对其发送的分组个数进行记录,在一个同步周期结束后计算出该周期内数据分组发送速率并自适应调整占空比。它适用于网络流量负载变化的无线传感器网络中。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议,属于无线传感器网络技术。
背景技术
无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点广泛应用于各个领域。在无线传感器网络中,使用无线信道的方式取决于介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议,MAC协议可以保证数据的可靠传送,并对有限的无线通信资源进行高效合理的分配。MAC协议作为构造底层基础网络结构的关键技术,很大程度上影响着无线传感器网络性能,是保证WSN安全高效通信的重要网络协议。
根据介质接入方式的不同可以把无线传感器网络MAC协议划分为三类:第一类是基于预分配的MAC协议,其基本思想是相邻传感器节点在进行通信时,数据分组在传送过程中被安排在不同的时间、频段和编码上。此类MAC协议的优点是能够实现无冲突通信、能量消耗低、占空比可控性好等,缺点是扩展性差、对节点同步要求高、调度维护开销大等。第二类是基于竞争的MAC协议,其基本思想是采用按需分配的方式,让所有传感器节点共同享用同一个信道,通过特定的竞争机制选举出成功获取信道使用权的节点,赢得使用权后开始其数据通信过程。如果在传送过程中数据包发生了碰撞丢失,则按照某种策略重传,直至传送成功或被丢弃。此类协议通常采用载波侦听的工作模式,并结合周期性侦听/睡眠机制、RTS/CTS/ACK冲突避免机制和退避算法机制来降低发生冲突的概率。优点是协议简单、扩展性好、易于实现;缺点是存在碰撞、串音干扰、公平性差、空闲侦听、能耗大等问题。第三类是混合MAC协议,其基本思想是结合基于预分配的MAC协议和基于竞争的MAC协议的优点,同时避免各自缺点,在特定条件下采取某种协议为主,其他协议为辅的方式。此类协议的优点是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。
目前比较流行的基于竞争的无线传感器网络MAC协议如SMAC及其相关改进协议,其设计的主导思想是通过牺牲公平性和其他网络性能来换取对能量的节省。这样做虽然在一定程度上达到节省能量的目的,但是会造成网络的整体服务质量大幅度降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前基于竞争的无线传感器网络MAC协议造成网络的整体服务质量大幅度降低的问题,本发明提供一种基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议。
本发明的基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议,它包括如下步骤:
步骤一:将新加入到无线传感器网络的节点的退避窗口值CW初始化为最小退避窗口值CWmin,转入步骤二;
步骤二:判断所述节点是否有数据包要进行传送,若否,则该节点进入睡眠状态,直到NAV计时器为0时结束睡眠状态,然后重复步骤二;若是,该节点进入侦听状态,在一个DIFS时间间隔内,所述侦听状态若没有侦听到其他节点正在使用无线信道,进入步骤三;
在所述侦听状态若侦听到其他节点正在使用无线信道,则根据侦听到RTS/CTS携带的duration字段中记录的此次通信欲占用信道的时间更新NAV的值,进入睡眠状态,直到NAV计时器为0时结束睡眠状态,然后重复步骤二;
步骤三:在区间(0,CW)之间选取一个随机整数,将该整数赋值给本次退避过程的随机退避总时隙数Cbackoff,并将Cbackoff赋值给退避计时器,同时,初始化信道占用计数器Coccupied的值为0,启动退避计时器,所述节点对无线信道状态进行侦听,转入步骤四;
步骤四:判断所述无线信道状态是否空闲,若否,则转入步骤五,若是,则所述退避计时器的值减1,进入步骤六,
步骤五:将退避计时器挂起,同时将信道占用计数器Coccupied加1,并根据侦听过程中收到的控制帧中携带的duration字段更新NAV的值,进入睡眠状态直至NAV计时器为0时,启动退避计时器和无线收发器进入侦听状态,转入步骤四;
步骤六:判断退避计时器的值是否为0,若否,则转入步骤四,若是,转入步骤七;
步骤七:根据随机退避总时隙数Cbackoff和此时的信道占用计数器Coccupied的值计算出时隙利用率并根据时隙利用率和所述节点的当前退避窗口值CW所在退避区间,评估无线信道的拥塞程度,根据评估结果对退避窗口的最优值CWinit进行更新,转入步骤八;
步骤八:将步骤七得到的退避窗口的最优值CWinit放到RTS帧和后续数据帧中,所述节点利用所述信道将数据包进行数据分组传送;当数据分组传送成功,则所述节点将步骤七得到的退避窗口的最优值CWinit赋值给当前退避窗口值CW,转入步骤二;当数据分组传送不成功,则所述节点将重传次数加1,并判断重传次数是否大于规定的上限值,若重传次数大于规定的上限值,则所述节点将该数据分组丢弃并向网络层返回传送不成功的消息,将CWinit赋值给CW,转入步骤二;若重传次数没有大于规定的上限值,则所述节点按照公式CW=min{2(CW+1)-1,CWmax}更新当前退避窗口值CW,并转入步骤三;
所述无线传感器网络MAC协议还包括所述节点自适应调整占空比的方法,它包括如下步骤:
步骤A:所述节点启动后,设置同步周期定时器DSMACGeneTimer()的周期为TSCYCLE,转入步骤B;每个同步周期包括TSCYCLE个时间间隙;
步骤B:在当前时间间隙内,所述定时器的值减1,判断所述定时器是否为0,若是,转入步骤c;若否,转入下一个时间间隙,重复该步骤;
步骤c:节点记录在同步周期TSCYCLE内发送数据包的个数totalpackets,求出数据包发送速率l,在定时器DSMACGeneTimer()的触发事件DSMAC::setMySched()函数中依据公式根据DUTYnew=5l+5自适应地调整占空比DUTYnew并对占空比DUTYnew进行同步更新,同时将数据包个数totalpackets复位为0。
根据公式 进行更新,
其中CWmin为最小退避窗口值,CWmax为最大退避窗口值,
CWth1和CWth2分别表示退避窗口值,且CWmin<CWth1<CWth2<CWmax,INT[]表示取整。
本发明的优点在于,本发明能够根据实时网络状况自适应调整竞争窗口值和占空比以保证数据的可靠传输,并兼顾能量节省和其他网络性能,在网络中流量负载较低时能够有效减少能量消耗,而在高负载和突发流量环境下也能表现出良好的适应性。这样本发明就提高了网络的整体服务质量。
附图说明
图1为发明所述的基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议中随机退避的通信方法的流程示意图。
图2为发明所述的基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议中自适应调整占空比的方法的流程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1和图2说明本实施方式,本实施方式所述的基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议,它包括如下步骤:
步骤一:将新加入到无线传感器网络的节点的退避窗口值CW初始化为最小退避窗口值CWmin,转入步骤二;
步骤二:判断所述节点是否有数据包要进行传送,若否,则该节点进入睡眠状态,直到NAV计时器为0时结束睡眠状态,然后重复步骤二;若是,该节点进入侦听状态,在一个DIFS时间间隔内,所述侦听状态若没有侦听到其他节点正在使用无线信道,进入步骤三;
在所述侦听状态若侦听到其他节点正在使用无线信道,则根据侦听到RTS/CTS携带的duration字段中记录的此次通信欲占用信道的时间更新NAV的值,进入睡眠状态,直到NAV计时器为0时结束睡眠状态,然后重复步骤二;
步骤三:在区间(0,CW)之间选取一个随机整数,将该整数赋值给本次退避过程的随机退避总时隙数Cbackoff,并将Cbackoff赋值给退避计时器,同时,初始化信道占用计数器Coccupied的值为0,启动退避计时器,所述节点对无线信道状态进行侦听,转入步骤四;
步骤四:判断所述无线信道状态是否空闲,若否,则转入步骤五,若是,则所述退避计时器的值减1,进入步骤六,
步骤五:将退避计时器挂起,同时将信道占用计数器Coccupied加1,并根据侦听过程中收到的控制帧中携带的duration字段更新NAV的值,进入睡眠状态直至NAV计时器为0时,启动退避计时器和无线收发器进入侦听状态,转入步骤四;
步骤六:判断退避计时器的值是否为0,若否,则转入步骤四,若是,转入步骤七;
步骤七:根据随机退避总时隙数Cbackoff和此时的信道占用计数器Coccupied的值计算出时隙利用率并根据时隙利用率和所述节点的当前退避窗口值CW所在退避区间,评估无线信道的拥塞程度,根据评估结果对退避窗口的最优值CWinit进行更新,转入步骤八;
步骤八:将步骤七得到的退避窗口的最优值CWinit放到RTS帧和后续数据帧中,所述节点利用所述信道将数据包进行数据分组传送;当数据分组传送成功,则所述节点将步骤七得到的退避窗口的最优值CWinit赋值给当前退避窗口值CW,转入步骤二;当数据分组传送不成功,则所述节点将重传次数加1,并判断重传次数是否大于规定的上限值,若重传次数大于规定的上限值,则所述节点将该数据分组丢弃并问网络层返回传送不成功的消息,将CWinit赋值给CW,转入步骤二;若重传次数没有大于规定的上限值,则所述节点按照公式CW=min{2(CW+1)-1,CWmax}更新当前退避窗口值CW,并转入步骤三;
所述无线传感器网络MAC协议还包括所述节点自适应调整占空比的方法,它包括如下步骤:
步骤A:所述节点启动后,设置同步周期定时器DSMACGeneTimer()的周期为TSCYCLE,转入步骤B;每个同步周期包括TSCYCLE个时间间隙;
步骤B:在当前时间间隙内,所述定时器的值减1,判断所述定时器是否为0,若是,转入步骤c:若否,转入下一个时间间隙,重复该步骤;
步骤c:节点记录在同步周期TSCYCLE内发送数据包的个数totalpackets,求出数据包发送速率l,在定时器DSMACGeneTimer()的触发事件DSMAC::setMySched()函数中依据公式根据DUTYnew=5l+5自适应地调整占空比DUTYnew并对占空比DUTYnew进行同步更新,同时将数据包个数totalpackets复位为0。
由于本实施方式中发送节点需要侦听无线信道的拥塞程度,本本实施方式的参数设置如下表所示。
退避窗口CW的变化范围在CWmin和CWmax之间,本发明提出了两个中间阈值CWth1和CWth2用于动态分级调整退避窗□,CWth1和CWth2的引入可以对当前网络拥塞状况进行进一步的剖析预测,使网络获得很好的冲突避免,其中CWmin<CWth1<CWth2<CWmax。
Coccupied能够反映出当前WSN中无线信道的竞争状况。当网络负载较低时,退避阶段几乎没有任何传感器节点使用信道,所以几乎没有退避计时器被冻结的情况,Coccupied接近为0;当网络负载流量很大时,节点在退避阶段会多次监听到信道中有数据分组正在进行传输,导致退避计时器经常被挂起,Coccupied增加很快以至可能达到最大值Cbackoff。
从定义可知能够反映出当前网络中节点竞争无线信道资源的拥塞状况,由于0≤Coccupied≤Cbackoff,所以其中Cbackoff加1是为了避免Cbackoff为0时分母为0错误。当越大接近于1时,表示信道忙计数器的值接近于初始退避窗口值,即退避计时器不断被挂起,网络中数据包碰撞冲突十分严重;当越小接近于0时,则表示网络中无线信道较为空闲,基本上没有计时器挂起。
当节点成功发送数据包或重传次数增至上限值时,应将其退避窗口复位到最优退避窗口初始值CWinit,使节点在下次传送数据分组时可以成功竞争到无线信道资源,新的CWinit是以当前退避窗口CW以及其所在的退避窗口区间为基础进行计算的,根据信道利用率得到一个基于信道评估的量,使得CW能够动态调整。
当节点发送数据包失败,而且重传次数尚未增至上限值时,说明此时网络负载比较大,造成传输过程中数据包碰撞增加,此时应倍增CW直至CWmax:
CW=min{2(CW+1)-1,CWmax}
本实施方式中,一个同步周期包括多个基本周期,一个基本周期包括侦听状态和睡眠状态,一个同步周期结束后,自适应调整侦听和睡眠的占空比。
相邻节点之间通过发送SYNC帧定期更新侦听/睡眠调度信息的周期即为同步周期。用SYNCPERIOD表示,默认值是10。同步周期长度为Tscycle,单位是s,计算方法如下所示:
Tscycle=SYNCPERIOD×(Tlisten+Tsleep)=SYNCPERIOD×Tframe
单位时间内发送数据比特数目即数据包发送率,用l表示。单位是kbit/s,一个同步周期时间内发送数据包的个数用totalpackets表示,规定一个数据包的大小为m字节。则l为:
本实施方式中,沿用SMAC的周期长度,约为1.4s,带宽为20kbps,因此发送一个字节所需的时间Tbit为
在NS-2中,SMAC协议里规定数据包最大为1000bytes,为了方便计算,规定所有数据包大小均为250bytes,每个数据包的发送时间约为250×0.4ms=0.1s。
当l=1时,每秒发送数据包的个数s为1000/(250×8)=0.5,则每个Tframe周期内发包个数约为0.7个,故发包时间为0.07s,占空比Datycycle为:
当l=2时,每秒发送数据包的个数s=1,每个Tframe周期内发包个数约为1.4个,故发包时间为0.14s,占空比Dutycycle为10%。
依此类推,可知占空比与数据包发送率成线性关系,故
DUTYnew=al+b
综上所述得到a=5,又因为上述计算是在不考虑冲突的情况下得到的,因此在考虑冲突情况下本文设定参数b也设为是5。可得下式:
DUTYnew=5l+5
具体实施方式二:本实施方式是对具体实施方式一所述的基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议的进一步限定,所述步骤六中,根据时隙利用率和所述节点当前退避窗口值CW所在退避区间,评估无线信道的拥塞程度,根据评估结果对CWinit进行更新的方法为:
根据公式 进行更新,
其中CWmin为最小退避窗口值,CWmax为最大退避窗口值,
CWth1和CWth2分别表示退避窗口值,且CWmin<CWth1<CWth2<CWmax,INT[]表示取整。
当退避窗口值CW在(CWmin,CWth1)区间时,说明此时节点刚刚开始竞争信道进行数据传输,网络负载较低,为了减少因退避等待带来的延时问题,其更新规则为以便更快的进入到下一次数据传送过程中,加1是为了防止为0时产生退避窗口值为0的异常;而当退避窗口值CW在(CWth2,CWmax)区间时,表示现在WSN中数据流量负载很大,竞争加剧导致退避窗口增大,所以在其更新规则的基础上再加2,来减少高流量状况下的潜在冲突。因此分级退避使得本实施方式的方法更加方便灵活,进一步符合了基于预测和反馈PF-MAC协议的中心设计思想。
为了验证本发明的SMAC协议的有效性,将对本发明烦人MAC协议与原SMAC协议、IEEE802.11协议进行模拟仿真,并通过配置不同MAC协议在相同仿真网络环境中表现出来的差异性来进一步说明本发明的MAC协议的可行性和优越性。
其中仿真场景布置为:
在1200×1200m范围内随机布置101个无线传感器节点,编号从0到100。节点1与100、节点2与99之间分别形成一对CBR数据流传输链路。为了得到不同网络流量下对网络性能的影响,分别采用S-MAC协议、PF-MAC协议和IEEE802.11各作十组实验,在前五组实验中只有一条数据流启动,启动时发包率为1kbps,此后每组发包率依次线性递增1kbps直至5kbps,后五组实验中两条CBR数据流一起启动,启动时发包率为6kbps,此后每组发包率依次线性递增1kbps直至10kbps,各个实验仿真时间均为300s。这样就构成了一个负载越来越大的场景,来演示PF-MAC机制在负载变化的网络中的相关性能。
在仿真结束后要对不同MAC协议在相同网络环境中所表现出的性能参数进行详细的对比分析。
本发明的MAC协议不仅在退避方法上的改进,还在占空比方法的上进行了改进,所以其在保证较低的能量消耗的同时,还显著改善了延迟和碰撞冲突问题(网络延迟和数据包丢包率降低),有效保证节点工作的实时性,使得整个网络具有较高的吞吐量。本发明提出的改进协议相对于现有存在的MAC协议在仿真环境中表现出更好的适应性和网络性能。
Claims (2)
1.基于预测和反馈的无线传感器网络MAC协议,其特征在于,
它包括如下步骤:
步骤一:将新加入到无线传感器网络的节点的退避窗口值CW初始化为最小退避窗口值CWmin,转入步骤二;
步骤二:判断所述节点是否有数据包要进行传送,若否,则该节点进入睡眠状态,直到NAV计时器为0时结束睡眠状态,然后重复步骤二;若是,该节点进入侦听状态,在一个DIFS时间间隔内,所述侦听状态若没有侦听到其他节点正在使用无线信道,进入步骤三;
在所述侦听状态若侦听到其他节点正在使用无线信道,则根据侦听到RTS/CTS携带的duration字段中记录的此次通信欲占用信道的时间更新NAV的值,进入睡眠状态,直到NAV计时器为0时结束睡眠状态,然后重复步骤二;
步骤三:在区间(0,CW)之间选取一个随机整数,将该整数赋值给本次退避过程的随机退避总时隙数Cbackoff,并将Cbackoff赋值给退避计时器,同时,初始化信道占用计数器Coccupied的值为0,启动退避计时器,所述节点对无线信道状态进行侦听,转入步骤四;
步骤四:判断所述无线信道状态是否空闲,若否,则转入步骤五,若是,则所述退避计时器的值减1,进入步骤六,
步骤五:将退避计时器挂起,同时将信道占用计数器Coccupied加1,并根据侦听过程中收到的控制帧中携带的duration字段更新NAV的值,进入睡眠状态直至NAV计时器为0时,启动退避计时器和无线收发器进入侦听状态,转入步骤四;
步骤六:判断退避计时器的值是否为0,若否,则转入步骤四,若是,转入步骤七;
步骤七:根据随机退避总时隙数Cbackoff和此时的信道占用计数器Coccupied的值计算出时隙利用率,并根据时隙利用率和所述节点的当前退避窗口值CW所在退避区间,评估无线信道的拥塞程度,根据评估结果对退避窗口的最优值CWinit进行更新,转入步骤八;
步骤八:将步骤七得到的退避窗口的最优值CWinit放到RTS帧和后续数据帧中,所述节点利用所述信道将数据包进行数据分组传送;当数据分组传送成功,则所述节点将步骤七得到的退避窗口的最优值CWinit赋值给当前退避窗口值CW,转入步骤二;当数据分组传送不成功,则所述节点将重传次数加1,并判断重传次数是否大于规定的上限值,若重传次数大于规定的上限值,则所述节点将该数据分组丢弃并向网络层返回传送不成功的消息,将CWinit赋值给CW,转入步骤二;若重传次数没有大于规定的上限值,则所述节点按照公式CW=min{2(CW+1)-1,CWmax}更新当前退避窗口值CW,并转入步骤三;
所述无线传感器网络MAC协议还包括所述节点自适应调整占空比的方法,它包括如下步骤:
步骤A:所述节点启动后,设置同步周期定时器DSMACGeneTimer()的周期为TSCYCLE,转入步骤B;每个同步周期包括TSCYCLE个时间间隙;
步骤B:在当前时间间隙内,所述定时器的值减1,判断所述定时器是否为0,若是,转入步骤c;若否,转入下一个时间间隙,重复该步骤;
步骤c:节点记录在同步周期TSCYCLE内发送数据包的个数totalpackets,求出数据包发送速率l,在定时器DSMACGeneTimer()的触发事件DSMAC::setMySched()函数中依据公式根据DUTYnew=5l+5自适应地调整占空比DUTYnew并对占空比DUTYnew进行同步更新,同时将数据包个数totalpackets复位为0。
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