CN103281731A - 一种基于竞争的mac资源管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于竞争的MAC资源管理方法，该方法通过调节竞争窗口CW对优先级不同的业务实行区分退避，实现业务优先级区分服务，优先级高的业务退避时间短，接入信道快，优先级低的业务相对优先级高的业务退避时间长一点，接入信道相对慢点，这样在多个业务同时接入信道时，可以按需分配信道带宽，而不会出现低优先业务得不到服务的情况，保证了不同的业务得到它们应有的QoS服务，降低了无线传感器网络冲突碰撞带来的能量消耗，增加网络吞吐量，减少了业务的延迟时间。

Description

一种基于竞争的MAC资源管理方法

技术领域

本发明属于短距离无线通信技术领域，涉及有效的无线传感器网络中一种基于竞争的MAC资源管理方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过短距离无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的、互联互通的传感网络系统。其目的是通过各种微型传感器协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，由嵌入式计算对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息发送给远程观察者，使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。传感器网络因具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在家庭网络、环境检测、城市交通、生物医疗、抢险救灾、空间探索、危险区域远程控制等诸多领域。

在无线传感器网络中，媒介访问控制(medium access control，MAC)协议决定了无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源(如能耗，带宽)。无线传感器网络MAC协议处于传感器网络协议栈的底层，对无线传感器网络的性能有很大的影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

传感器节点体积很小，携带的电池的电量十分有限，而在大多数应用中，又无法给电池充电或更换新电池，因此传感器节点常常由于电池的电量耗尽而失效或废弃。所以在传感器网络设计过程中，任何资源管理算法或协议的使用都是要以节能为前提的。目前无线传感器网络中基于竞争的MAC资源管理算法大多数是集中在能耗资源的管理上面，而且目前的无线传感器网络基于竞争的MAC资源管理算法支持的业务类型相对比较单一，少有算法是既能节能，又可以保证各种不同业务的带宽，还可以支持多业务的QoS（Quality of Service，服务质量）。

根据无线传感器网络MAC层的不同特性的特点，可以将MAC层资源管理算法分为3类：

一类是基于竞争的MAC资源管理算法。竞争算法无须全局网络信息，扩展性好、易于实现，但能耗大。基于竞争的MAC资源管理算法曾尝试通过使各传感器节点以最小复杂度、独立地进行运算的策略来保存能量、提高吞吐量、控制延时时间等。其基本思想是：传感器节点需要发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了冲突，就按照某种策略（如，IEEE8021.11MAC协议的分布式协调工作模式DCF采用的是二进制退避重传机制）重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送为止。目前已提出了多种适用于无线传感器网络的基于竞争MAC资源管理算法，这些算法往往都是在原有的算法上进行某一方面或者几个方面的改进，使得改进的算法运用在无线传感器网络中使网络的某些性能会有所提高。因为无线传感器网络是资源严重受限的网络，现有的改进算法都不太能可能使得无线传感器网络的各项QoS（如，吞吐量，时延等）和能耗指标达到最优，只能在有不同指标的应用中使用合理的改进算法，使得该应用的无线传感器网络在它所要求的QoS性能指标达到最优。这样的基于竞争的MAC资源管理算法有：

1）SMAC：它是在IEEE802.11基础上做的改进，更适合无线传感器网络；其引入了周期工作/睡眠机制、竞争退避机制、RTS/CTS/DATA传输机制、消息分割机制来节省能量，但是由于睡眠机制的引入，使得网络的时延有所上升，吞吐量有所下降，而且还不能根据网络中的业务量变化进行适应性调整。

2）TMAC：它是在SMAC的基础上提出的，可以根据通信流量动态调整活动时间，但该算法引入了“早睡”问题，增加了通信时延。

3）Wise-MAC：它采用前导码采用技术控制节点处于空闲侦听状态时的能量消耗，与SMAC和TMAC相比，节能效果更加显著，但该算法会占用无线传感器节点本就不多的存储空间，增加算法实现的复杂度，在节点密度较高的网络内这种情况更加突出。

4）PMAC：它根据检测到的网络状况和流的权重来动态调整节点的竞争窗口CW值为最佳值；该算法在公平性和吞吐量性能方面得到了大幅度提高，但时延增加了，算法实现复杂度增加了。

5）FCR：它是在竞争节点还没在碰撞发生时就增加自己的竞争窗口CW，以此降低网络中的碰撞概率，同时又使系统相邻两次发送之间的退避时间尽可能少，从而提高系统吞吐量；但该算法不能保证高优先级业务的QoS，公平性差。

6）REBS：它根据节点的剩余能量来动态分配节点的接入优先级，以降低节点碰撞概率并延长网络工作时间，但公平性降低，不能保证各业务的QoS。

7）SDDB：它为不同的业务提供不同优先级的接入，保证高级业务的实时性，主要考虑业务QoS方面的要求，没有仔细考虑信道吞吐量，算法复杂度，能耗等性能。

一类是基于调度的MAC资源管理算法；调度算法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；

一类是混合型MAC资源管理算法。混合算法具有上述两种MAC资源管理的优点，但通常比较复杂，实现难度大。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于竞争的MAC资源管理方法，该方法不仅节能，还可以保证不同业务的带宽要求和QoS。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于竞争的MAC资源管理方法。

一种基于竞争的MAC资源管理方法，该方法适用于有效的无线传感网络，包括：

S1，当站点中有数据等待传输时，首先判断该站点是否为第一次传输数据；如果是，则定义该数据的优先级别为i，其中i大于或等于0，并设置其初始竞争窗口CW[i]值为CWmin，初始重传次数NB[i]为0；否则，设定该数据的优先级别为i后，设置其初始竞争窗口CW[i]=α[i]×CW[i],初始重传次数NB[i]同样设为0，其中α[i]<α[i+1]<=1；所述站点为无线传感网络中的传感器节点；

S2，站点初始化设定完毕后，判断当前信道是否空闲；如果空闲，则执行步骤S8；否则，执行步骤S3；

S3，依据数据的优先级别，定义数据的退避时延backoffTimer[i],并开始退避；

S4，当退避时延BackoffTimer的时间出现期满的情形，判断当前是否存在碰撞；如果没有，则执行步骤S8；否则执行步骤S5；

S5，依据不同的优先级别，设置该数据重新发送时的竞争窗口CW[i]值，使CW[i]=β[i]×CW[i]，其中，β[i]>β[i+1]>1；重新进行退避,并且数据每重传一次，重传次数NB[i]加1；

S6，判断重传次数NB[i]是否超过极限值NBmax；如何没有超过极限值NBmax，则返回执行步骤S3重新开始退避，否则执行步骤S7；

S7，丢弃该数据；

S8，将当前数据发送出去；

S9，当前数据发送完毕后，判断是否有新数据需要发送；如果有，则返回执行步骤S1，开始新一轮的数据传送过程；否则站点执行步骤S10；

S10，站点进入结束状态。

如上所述，本发明所述的基于竞争的MAC资源管理方法，具有以下有益效果：

本发明所述的基于竞争的MAC资源管理方法不仅可以解决无线传感器网络的碰撞、空闲侦听以及串音问题，还可以解决节点需要持续侦听信道浪费大量能量的问题，以及还可以实现多业务优先级区分服务，实现能量的节省，增大系统吞吐量，减少业务的延迟时间。

附图说明

图1为本发明所述的基于竞争的MAC资源管理方法的流程示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例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露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明针对现有技术的不足，在保证无线传感器网络的节能基础之上，提出一种有效的无线传感器网络中基于竞争的MAC资源管理方法。该方法不仅能实现无线传感器网络中的那些传统算法可以实现的节能，还可以保证各种不同业务（音视频类、数据类、突发业务类等）的带宽要求，以及上述多业务的QoS还可以得到支持。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例一

为了使无线传感器网络不同业务按照各自的业务得到不同的QoS服务，有必要先对网络内的各种不同的业务进行优先级等级的划分。根据无线传感器网络的数据传输模型的不同可以将业务类型分为查询报告类、控制类和网络管理类三种，其中查询报告类业务优先级高于控制类和网络管理类业务优先级，也就是说查询报告类业务对QoS有较高的要求，优先级为高；控制类和网络管理类业务为普通业务，对QoS要求一般，不是很高，优先级相对查询报告类来说为低优先级业务。

本实施例提供一种基于竞争的MAC资源管理方法，如图1所示，该方法用于有效的无线传感器网络中，具体实现过程如下：

S1，当站点（或称传感器节点）中有数据等待传输时，首先判断该站点是否为第一次传输数据（data）；如果是，则定义该数据的优先级别为i(i>=0)，并设置其初始竞争窗口CW[i]值为CWmin,初始重传次数NB[i]为0；否则，设定该数据的优先级别为i后，设置其初始竞争窗口CW[i]=α[i]×CW[i],即此次数据传输的竞争窗口为前一次数据传输的竞争窗口的α[i]倍，初始重传次数NB[i]同样设为0，其中α[i]<α[i+1]<=1；优先级别为i取整数值。

S2，站点初始化设定完毕后，判断当前信道是否空闲；如果空闲，则执行步骤S8；否则，执行步骤S3；

S3，依据数据的优先级别，定义好数据的退避时延backoffTimer[i],并开始退避；

S4，当退避时延BackoffTimer的时间出现期满（expiring）的情形，判断当前是否存在碰撞；如果没有，则执行步骤S8发送该站点上数据；否则执行步骤S5；本步骤解决了无线传感器网络的碰撞、空闲侦听以及串音问题；

S5，依据不同的优先级别，设置该数据重新发送时的竞争窗口CW值，使CW[i]=β[i]×CW[i]，即此次数据传输的竞争窗口为前一次数据传输的竞争窗口的β[i]倍，其中β[i]>β[i+1]>1；重新进行退避,并且数据每重传一次，重传次数NB[i]加1；

S6，判断重传次数NB[i]是否超过极限值NBmax；如何没有超过极限值NBmax，则返回执行步骤S3重新开始退避，否则执行步骤S7；

S7，丢弃该数据；

S8，将当前数据发送出去；

S9，当前数据发送完毕后，判断是否有新数据需要发送.如果有，则返回执行步骤S1，开始新一轮的数据传送过程；否则站点执行步骤S10；

S10，站点进入结束状态。

本发明所述的基于竞争的MAC资源管理方法不仅可以解决无线传感器网络的碰撞、空闲侦听以及串音问题，还可以解决节点需要持续侦听信道浪费大量能量的问题，最后还可以实现多业务优先级区分服务，实现能量的节省，增大系统吞吐量，减少业务的延迟时间。

本发明为了保障无线传感器网络中多种业务共同传输的要求，合理退避，通过调节CW（Contention Window，竞争窗口）对优先级不同的业务实行区分退避，实现业务优先级区分服务，优先级高的业务退避时间短，接入信道快，优先级低的业务相对优先级高的业务退避时间长一点，接入信道相对慢点，这样在多个业务同时接入信道时，可以按需分配信道带宽，而不会出现低优先级业务得不到服务的情况，该算法还可以保证不同的业务得到它们应有的QoS服务，降低无线传感器网络冲突碰撞带来的能量消耗，增加网络吞吐量，减少延迟时间。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

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。任何熟悉此技术的人士皆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或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (2)

1.一种基于竞争的MAC资源管理方法，该方法适用于有效的无线传感网络，其特征在于，所述基于竞争的MAC资源管理方法包括：

S1，当站点中有数据等待传输时，首先判断该站点是否为第一次传输数据；如果是，则定义该数据的优先级别为i，其中i大于或等于0，并设置其初始竞争窗口CW[i]值为CWmin，初始重传次数NB[i]为0；否则，设定该数据的优先级别为i后，设置其初始竞争窗口CW[i]=α[i]×CW[i],初始重传次数NB[i]同样设为0，其中α[i]<α[i+1]<=1；

S2，站点初始化设定完毕后，判断当前信道是否空闲；如果空闲，则执行步骤S8；否则，执行步骤S3；

S3，依据数据的优先级别，定义数据的退避时延backoffTimer[i],并开始退避；

S4，当退避时延BackoffTimer的时间出现期满的情形，判断当前是否存在碰撞；如果没有，则执行步骤S8；否则执行步骤S5；

S5，依据不同的优先级别，设置该数据重新发送时的竞争窗口CW[i]值，使CW[i]=β[i]×CW[i]，其中，β[i]>β[i+1]>1；重新进行退避,并且数据每重传一次，重传次数NB[i]加1；

S6，判断重传次数NB[i]是否超过极限值NBmax；如何没有超过极限值NBmax，则返回执行步骤S3重新开始退避，否则执行步骤S7；

S7，丢弃该数据；

S8，将当前数据发送出去；

S9，当前数据发送完毕后，判断是否有新数据需要发送；如果有，则返回执行步骤S1，开始新一轮的数据传送过程；否则站点执行步骤S10；

S10，站点进入结束状态。

2.根据权利要求1所述的基于竞争的MAC资源管理方法，其特征在于：所述站点为无线传感网络中的传感器节点。

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