CN104219778B - 一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，主要包含参数初始化、权重系数、随机退避、空闲信道扫描和参数更新5个步骤，本发明方案使得每个传感器节点均维持一个权重系数，这使得节点竞争接入时间与本身能量收集速率成反比，提高了不同位置数据传输公平性。

Description

一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法
技术领域
本发明涉及一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，属于无线传感器网络技术。
背景技术
缩略语和关键术语定义
无线传感器网络
无线传感器网络作为物联网的“神经末梢”，已被广泛应用于环境监测、工业控制、医疗健康、智能家居、战场监视、目标定位和目标跟踪等民用和军事领域。由于传感器节点通常由电池供电，能量十分有限，一旦节点能量耗尽，节点将停止工作，能量受限是无线传感器网络面临的最大问题。针对上述问题，人们对能量高效的网络协议进行了广泛和深入的研究。但是一些新兴的无线传感器网络应用要求传感器节点在部署之后，能够持续工作更长的时间，如几年或者几十年。典型应用有环境监测和关键设备、建筑物的结构健康监测。在这些应用中，一般很难、甚至不可能跟换电池或对电池充电。
能量收集技术的发展使微型传感器节点通过收集能量收集设备提供能量成为可能。可收集的环境能量主要有太阳能、风能、热电能、机械振动和RF能量。目前已有的商业能量收集设备有TI的基于太阳能收集的开发板套件、基于热电能的能量收集设备和Powercast公司的RF能量收集设备等。基于能量收集的无线传感器网络是指由能收集环境能量的传感器节点组成的无线传感器网络。节点能通过能量收集技术补充能量，这从本质上讲，使得节点能量不会枯竭。但是由于环境能量收集速率随着时间、空间和环境能量源等随机浮动，这给基于能量收集的无线传感器网络设计提出了新的挑战。
特别是，与太阳能、机械振动能量等环境能量不同，RF能量收集速率与接收节点到射频发射节点的距离成反比，从而使得不同位置传感器节点的能量供应不一样，进一步影响不同位置节点数据传输公平性。
IEEE 802.15.4时隙CSMA-CA基本原理
IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。媒体接入控制协议，主要包含带冲突避免的载波监听多路接入算法(CSMA-CA)和时隙带冲突避免的载波监听多路接入算法。在非信标网络中，采用非时隙CSMA-CA信道接入机制，采用该机制的设备，每次发送数据帧或MAC层命令时，要随机等待一定时间，若退避时间后，若发现信道空闲，就会发送数据帧或者MAC层命令；如果设备发现信道正忙，则随机等待一定时间，再次尝试接入信道。对于信标网络，采用时隙的CSMA-CA信道接入机制，与非时隙CSMA-CA不同的是，每次信道接入必须在退避时隙边界位置开始。本发明主要考虑时隙CSMA-CA信道接入机制。
图1给出时隙CSMA-CA信道接入机制的流程图。针对每次竞争接入，每个传感器节点需维护3个变量：退避次数(NB)、退避指数(BE)、竞争接入窗口(CW)。退避次数NB记录当前传输已经退避次数，每次进行新的传输前，数值为0。退避指数BE和节点接入信道前需等待的退避周期数有关，在电池寿命扩展子域为0的时隙系统中，BE初始化为macMinBE；在电池寿命扩展子域(BLE)为1时，BE初始化为macMinBE与2的最小值。竞争接入窗口(CW)为每次退避成功后节点执行空闲信道检测(CCA)的次数，每次信道检测到非空闲时，重新初始化为2。
现有技术方案的缺点
在以电池供电的无线传感器网络中，该技术方案保证数据传输的公平性。但是对于RF能量收集的无线传感器网络，由于节点能量供应受节点的能量收集速率的影响，即受到达RF发射节点的距离影响，从而使得不同位置传感器节点存在数据传输不公平性的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中RF能量收集无线传感器网络，由于节点能量收集速率与到RF发射节点的距离相关，导致不同位置节点数据传输不公平性问题，提出一种基于能量收集速率的竞争接入算法的解决方案；在该解决方案中，每个传感器节点维持一个权重系数，使得节点竞争接入时间与本身能量收集速率成反比，从而提高不同位置数据传输公平性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，可以称之为D-MAC机制，主要包含参数初始化、权重系数、随机退避、空闲信道扫描和参数更新5个步骤；首先给无线传感器网络中的每一个节点定义一个权重系数，第i个节点的权重系数wi的计算公式为：
其中：ki为常量系数，di为第i个节点到RF发射点的距离；有上式可以看出，权重系数wi与传感器节点到RF发射点的距离的平方成反比，且仅和自己到RF发射点的距离有关；
该方法具体包括如下步骤：
(1)参数初始化，电池寿命扩展子域BLE＝0的时隙系统中，令退避次数NB＝0、退避指数BE＝macMinBE、竞争接入窗口CW＝2；确定无线传感器网络中每个节点的权重系数，同时确定第一个退避周期的边界；
(2)当某一节点进入退避状态时，该节点从中随机选择一个整数n，并以单位退避周期时间为单位进行退避，即以n倍的单位退避周期时间作为退避时间进行退避；
(3)退避时间到达后，节点在退避周期边界执行空闲信道估计：若检测到信道忙，则进入步骤(4)；若检测到信道空闲，则进入步骤(5)；
(4)更新参数，令NB＝NB+1、CW＝2、BE＝min(BE+1,macMaxBE)；如果NB大于最大退避次数macMaxCSMABackoffs，则认为信道接入失败，算法终止；如果NB小于等于最大退避次数macMaxCSMABackoffs，则进入步骤(2)；
(5)更新参数，令CW＝CW-1，判断CW是否为0：若CW不为0，则进入步骤(3)；若CW为0，则信道接入成功。
相比较于现有技术，本发明方案使得每个传感器节点均维持一个权重系数，这使得节点竞争接入时间与本身能量收集速率成反比，提高了不同位置数据传输公平性。
优选的，在执行步骤(1)～(5)之前，首先对RF发射点的发射功率进行预判，若RF发射点的功率小于设定阈值，则开始执行步骤(1)～(5)。经多次试验发现：当RF发射点的功率小于设定阈值，即节点能量收集速率较小时，本发明方案的公平性指标优于IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA机制；当RF发射点的功率大于阈值，即节点能量收集速率较大时，本发明方案的公平性指标低于IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA机制。因此可以实现设定一个阈值，根据RF发射点与设定的阈值的大小关系，决定具体采用本发明方案还是传统方案，以整体提高系统的公平性。
优选的，在执行步骤(1)～(5)之前，首先对传感器节点收集的能量值进行预判，若传感器节点收集的能量达到阈值，则开始执行步骤(1)～(5)，其中阈值的选取标准为相应场景下发送一个数据包所需的能量；取ki为100。
有益效果：本发明提供的基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，与现有的竞争接入算法时隙CSMA-CA算法相比，本发明方案提高了低速率下RF能量收集无线传感器网络节点传输数据量的公平性；同时，本发明方案中，节点权重系数只使用局部信息，不需要全局的能量收集速率信息，即其仅与节点本身的能量收集速率有关，不需要知道网络中其它节点的能量收集速率；而且相对于需要全局信息的权重系数，本发明方案，提高了传输数据量的公平性。
附图说明
图1为时隙CSMA-CA流程图；
图2为D-MAC流程图；
图3为网络拓扑；
图4为时隙CSMA-CA和D-MAC公平性对比；
图5为D-MAC下需要全局信息的权重系数和需要部分信息的权重系数公平性对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，可以称之为D-MAC机制，主要包含参数初始化、权重系数、随机退避、空闲信道扫描和参数更新5个步骤。具体包括如下步骤：
首先给无线传感器网络中的每一个节点定义一个权重系数，第i个节点的权重系数wi的计算公式为：
其中：ki为常量系数，di为第i个节点到RF发射点的距离；有上式可以看出，权重系数wi与传感器节点到RF发射点的距离的平方成反比，且仅和自己到RF发射点的距离有关。
可知的现有技术中，需要全局信息的权重系数定义如下：
其中：ki为常量系数，di为第i个节点到RF发射点的距离，n为网络中节点数目。由上式可以看出，权重系数与每个节点相对于RF发射点的距离均有关系，相对于本发明方案来说，计算量大、计算复杂。
该方法具体包括如下步骤：
(1)参数初始化，电池寿命扩展子域BLE＝0的时隙系统中，令退避次数NB＝0、退避指数BE＝macMinBE、竞争接入窗口CW＝2；确定无线传感器网络中每个节点的权重系数，同时确定第一个退避周期的边界；
(2)当某一节点进入退避状态时，该节点从中随机选择一个整数n，并以单位退避周期时间为单位进行退避，即以n倍的单位退避周期时间作为退避时间进行退避；
(3)退避时间到达后，节点在退避周期边界执行空闲信道估计：若检测到信道忙，则进入步骤(4)；若检测到信道空闲，则进入步骤(5)；
(4)更新参数，令NB＝NB+1、CW＝2、BE＝min(BE+1,macMaxBE)；如果NB大于最大退避次数macMaxCSMABackoffs，则认为信道接入失败，算法终止；如果NB小于等于最大退避次数macMaxCSMABackoffs，则进入步骤(2)；
(5)更新参数，令CW＝CW-1，判断CW是否为0：若CW不为0，则进入步骤(3)；若CW为0，则信道接入成功。
下面结合实施例进行具体说明。
如图3所示，为本实施例采用的网络拓扑结构，传感器节点从距离Sink节点2m至10m，每隔1m排列。实施例的仿真平台为OPNET 14.5Educational Version+VisioStudio2010。场景设置为：每个传感器节点包到达过程为泊松过程，平均到达时间间隔为0.01s；每个传感器节点收集能量到达阈值为0.1mJ，才开始尝试传输数据；取ki为100。
D-MAC机制应用到系统的过程为：
1)节点参数初始化，获取到达RF发射节点的距离，计算权重系数；初始化D-MAC算法中相关参数，NB＝0、BE＝macMinBE(BLE＝0)、CW＝2；
2)节点进入等待状态直到电池能量到达阈值，当节点数据队列有数据等待传输时，节点使用D-MAC机制竞争接入信道；
3)节点按照D-MAC机制，接入信道，如果接入信道成功，则传输数据，数据传输完毕后，返回步骤2)；如果接入信道失败，则直接返回2)。
在该实施例设置的同样实验场景下，比较时隙CSMA-CA和D-MAC算法下的网络性能，如图4所示，以及D-MAC下，需要局部信息的权重系数和需要全局信息的权重系数的网络性能，如图5所示。网络性能定义为，节点数据传输公平性，可由下式计算。
其中，Ti为Si节点传输的数据量，n为传感器节点的个数。
由图4，与现有的竞争接入算法时隙CSMA-CA算法相比，当RF发射功率小于一定值，即节点能量收集速率较小时，D-MAC公平性指标优于IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA机制；但当RF发射功率大于一定值，D-MAC公平性指标低于IEEE 802.15.4时隙CSMA/CA。由图5，在D-MAC中，与需要全局信息的权重系数相比，本方案提出的只需要节点自身的信息的权重系数，提高了不同位置数据传输的公平性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，其特征在于：首先给无线传感器网络中的每一个节点定义一个权重系数，第i个节点的权重系数wi的计算公式为：
<mrow> <msub> <mi>w</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <msup> <msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中：ki为常量系数，di为第i个节点到RF发射点的距离；
该方法具体包括如下步骤：
(1)参数初始化，电池寿命扩展子域BLE＝0的时隙系统中，令退避次数NB＝0、退避指数BE＝macMinBE、竞争接入窗口CW＝2，macMinBE为退避指数最小值；确定无线传感器网络中每个节点的权重系数，同时确定第一个退避周期的边界；
(2)当某一节点进入退避状态时，该节点从中随机选择一个整数n，并以单位退避周期时间为单位进行退避，即以n倍的单位退避周期时间作为退避时间进行退避；
(3)退避时间到达后，节点在退避周期边界执行空闲信道估计：若检测到信道忙，则进入步骤(4)；若检测到信道空闲，则进入步骤(5)；
(4)更新参数，令NB＝NB+1、CW＝2、BE＝min(BE+1,macMaxBE)，macMaxBE为退避指数最大值；如果NB大于最大退避次数macMaxCSMABackoffs，则认为信道接入失败，算法终止；如果NB小于等于最大退避次数macMaxCSMABackoffs，则进入步骤(2)；
(5)更新参数，令CW＝CW-1，判断CW是否为0：若CW不为0，则进入步骤(3)；若CW为0，则信道接入成功。
2.根据权利要求1所述的基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，其特征在于：在执行步骤(1)～(5)之前，首先对RF发射点的发射功率进行预判，若RF发射点的功率小于设定阈值，则开始执行步骤(1)～(5)。
3.根据权利要求1所述的基于能量收集速率的无线传感器网络竞争接入方法，其特征在于：在执行步骤(1)～(5)之前，首先对传感器节点收集的能量值进行预判，若传感器节点收集的能量达到阈值，则开始执行步骤(1)～(5)，其中阈值的选取标准为相应场景下发送一个数据包所需的能量；取ki为100。
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