CN104302010A - 一种同步无线传感器网络的mac协议通信方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置，本发明在节点生命期内采用周期调度的工作方式，将节点每个循环周期分为同步时段、忙音侦听/发送时段、信道预约时段、睡眠时段，使得节点在每个时段能根据局部的侦听结果，执行不同的操作，降低节点空闲侦听的时间，实现在一个循环周期的数据多跳预约连续传递，适应数据发送及时性的要求，使得节点周期侦听/睡眠的占空比随着业务的变化动态变化，大大地节省了节点的能量消耗。同时，通过在信道预约时段的中继节点选择，将信道预约和路由选择结合在一起，减少了控制开销，实现简单。

Description

一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置

技术领域

本发明涉及一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，属于无线传感器网络领域。

背景技术

无线传感器网络由于采用电池供电，因此网络寿命受到能量的限制。为了节省能量，无线传感器网络的MAC协议通常采用周期侦听/睡眠的机制来节省能量，这类协议有SMAC、TMAC、PMAC、ASMAC、RMAC等多种，SMAC、TMAC、PMAC协议通常在一个周期数据只能传递一跳，自适应的ASMAC协议能传递至多两跳，但它采用串音侦听和所有邻居节点唤醒又增加了网络的能量消耗。因此这类协议造成数据传递过程的断断续续，使得数据传递的多跳时延较大，不适应对及时性要求高的无线传感器网络应用。RMAC协议利用侦听期间发送控制报文预约信道，可以实现在一个周期的数据多跳传递，但数据多跳传递的跳数直接与节点在每周期的侦听时间成比例，每周期的侦听时间越长，可以预约的跳数就越多，但节点的占空比增大，增加了节点的能量消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置，用以解决现有MAC协议在多跳传输时能量消耗大的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，包括如下步骤：

网络初始化：将节点的一个循环工作周期依次分为同步时段T_sync、忙音侦听/发送时段T_tone、信道预约时段T_rc和睡眠时段T_sleep；

在同步时段T_sync：进行同步；

在忙音侦听/发送时段T_tone：侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；

在信道预约时段T_rc：源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间T_delay；

在睡眠时段T_sleep：在睡眠延迟时间T_delay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据。

在忙音侦听/发送时段T_tone：侦听信道，若有数据需要发送且信道空闲，则设置节点为源节点；若有数据发送且信道忙、或者无数据发送且信道忙，则设置节点为候选中继节点；若无数据发送且信道空闲，则设置节点为睡眠节点。

在信道预约时段T_rc，源节点若侦听到信道忙，则设置节点为候选中继节点。

候选中继节点通过比较侦听的RCF帧信息中包含的跳距Hop与当前节点距离SINK节点的跳距H竞争中继节点，若Hop大于H，当前节点成为中继节点。

所述网络初始化具体为：在网络初始化时段T_init：由SINK节点发起，确定网络节点距离SINK节点的跳距；设置节点的工作周期T、启动工作时间t_start、每个周期的同步时间T_sync、周期忙音侦听/发送时间T_tone、周期信道预约时间T_rc和周期睡眠时间T_sleep，并更新网络节点到SINK节点的跳距H。

忙音侦听/发送时段T_tone的具体方法为：

节点进入忙音侦听/发送时段T_tone后，设置并启动对应忙音侦听/发送时段T_tone时间的计时器T₂，激活处于侦听状态；

若节点有数据需要发送，则在时间窗[0，T_CS]内随机产生一个退避时间T_r-1,节点对信道侦听T_r-1,时间；侦听结束后，若节点侦听信道空闲，则立即发送持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为源节点，发送忙音信号结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；若节点侦听信道忙，则在侦听信道忙的持续时间为T_CS后，立即发送一个持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；

若节点没有数据需要发送，节点侦听信道为忙的持续时间为T_CS，则节点立即切换进入发送状态，发送一个持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送忙音时间结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；若节点侦听到的忙音信号持续时间小于T_CS，则节点继续执行侦听直至计时器T₂计时结束；若计时器T₂计时结束，没有侦听到任何信号，则将节点设置为睡眠节点。

周期信道预约时段T_rc的具体方法为：

节点进入周期信道预约时段T_rc，首先设置并启动对应周期信道预约时段T_rc的计时器T₃；

源节点在周期信道预约时段T_rc，激活侦听，并在侦听时间窗[0，T_WIN]内产生一个随机时间T_RL，节点对信道侦听T_RL的时间；若侦听信道空闲，则发送一个信道预约帧RCF，RCF帧中包括当前发送节点的类型TYPE、节点距离SINK的跳距Hop、预约跳距MH，MH初始设置为0，之后节点在延迟一个最小帧间间隔时间T_SIFS后进入侦听状态，设置节点在进入睡眠时段后的睡眠延迟时间为：T_delay＝MH·(T_data+T_SIFS)，然后节点进入睡眠状态；若没有侦听到消息或消息无法识别，则将节点设置为睡眠节点，然后节点进入睡眠状态；若侦听信道忙，则节点将自己设置为候选中继节点；

候选中继节点在周期信道预约时段T_rc，激活侦听，若节点没有侦听到任何消息，则将节点设置为睡眠节点；若节点侦听到信道RCF帧，则竞争中继节点；

中继节点在周期信道预约时段T_rc，激活侦听，若侦听到RCF帧，设置节点在进入周期睡眠时段后的睡眠延迟时间为：T_delay＝(MH-1)·(T_data+T_SIFS)；

睡眠节点，设置其在进入周期睡眠时段后的睡眠延迟时间为：T_delay＝T_sleep。

周期睡眠时段T_sleep的具体方法为：

节点进入周期睡眠时段T_sleep；首先设置并启动对应T_sleep时段的计时器T₄，根据在T_rc时段所设置的节点睡眠延迟时间T_delay，节点在睡眠T_delay时间后激活，节点激活后，若节点为发送数据的源节点，则节点激活后进入发送状态，并立即开始发送数据DATA消息，发送完后节点经T_SIFS时间后转入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点为中继节点，则节点激活后进入接收状态；若节点在接收状态接收到数据消息DATA，则接收完成后，经T_SIFS时间后节点转入发送状态，将接收的数据DATA继续转发，转发完成后，经T_SIFS时间转入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点在接收状态没有接收到消息或接收的消息无法识别，则节点在T_DATA时间后进入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点为睡眠节点，则节点在本时段始终处于睡眠状态，直至本时段工作结束。

一种同步无线传感器网络的MAC协议通信装置，包括：

用于网络初始化，将节点的一个循环工作周期至少依次分为同步时段T_sync、忙音侦听/发送时段T_tone、信道预约时段T_rc和睡眠时段T_sleep的单元；

用于在同步时段T_sync进行同步的单元；

用于在忙音侦听/发送时段T_tone，侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点的单元；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；

用于在信道预约时段T_rc，源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间T_delay的单元；

用于在睡眠时段T_sleep，在睡眠延迟时间T_delay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据的单元。

本发明在节点生命期内采用周期调度的工作方式，将节点每个循环周期分为同步时段、忙音侦听/发送时段、信道预约时段、睡眠时段，使得节点在每个时段能根据局部的侦听结果，执行不同的操作，降低节点空闲侦听的时间，实现在一个循环周期的数据多跳预约连续传递，适应数据发送及时性的要求，使得节点周期侦听/睡眠的占空比随着业务的变化动态变化，大大地节省了节点的能量消耗。同时，通过在信道预约时段的中继节点选择，将信道预约和路由选择结合在一起，减少了控制开销，实现简单。

附图说明

图1是本发明中节点工作过程流程示意图；

图2是本发明实施例中节点的生命周期工作时序图；

图3是本发明实施例的一次数据多跳传递的节点拓扑关系图；

图4是对应图3的数据多跳传递时序示意图；

图5是节点类型转化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

如图1、2为本发明的工作过程流程示意图；图2是节点的生命周期节点时序图，包括初始化时段和一个循环周期，之后的循环周期省略。本发明是基于MAC协议的一种改进，节点在生命期内采用周期调度的工作方式。一个循环周期包括同步时段、忙音侦听/发送时段、信道预约时段、睡眠时段，下面进行具体介绍。

初始化：

1.1网络部署后，SINK节点发送一个启动激活消息StartActive，采用洪泛协议把该消息传递到网络中的所有节点。StartActive消息中包括一个跳距字段Hop、启动工作时间t_start、循环周期时间T、初始化工作时间T_init、循环周期各时段的时间T_sync、T_tone、T_rc、T_sleep以及发送数据消息的时间T_DATA、节点状态转换时间T_SIFS、T_DIFS、T_cs、T_RCF、T_WIN等，跳距字段Hop的值为当前节点距离SINK节点的跳距H，网络部署之前所有节点的H设置为任意负数，SINK节点的H设置为0；各时间的设置由用户根据网络的应用要求、节点的无线性能、采用的同步协议及网络的部署等确定。

1.2在洪泛StartActive消息过程中，节点根据接收到的StartActive消息中跳距字段Hop的值及节点距离SINK节点的跳距H，更新节点距离SINK的跳距H。若当前节点的跳距H为任意负数，则将节点距离SINK节点的跳距H更新为StartActive消息中的跳距字段Hop的值加1，并将StartActive消息中的跳距字段Hop的值更新为节点更新后的H，然后节点继续洪泛StartActive消息；若当前节点的跳距H为正数，且H小于或等于StartActive消息中跳距字段Hop的值加1，则维持节点的跳距H不变，并丢弃该StartActive消息，不再转发；若当前节点的跳距H为正数，且H大于当前接收StartActive消息中跳距字段Hop的值加1，则将节点当前的H用StartActive消息中跳距字段Hop的值加1进行更新，并将StartActive消息中跳距字段Hop的值更新为Hop+1，节点将更新后的StartActive消息采用洪泛方法继续发送。

1.3若在接收StartActive消息后，节点的跳距H发生更新，则根据接收StartActive消息中包含的各时间字段值，设置节点的启动工作时间、工作周期T及每周期的同步时间T_sync、忙音侦听/发送时间T_tone、信道预约时间T_rc和睡眠时间T_sleep。

同步时段：

2.1节点进入同步时段T_sync后，激活处于侦听状态，设置并启动对应同步时段T_sync时间的计时器T₁。

2.2根据应用的设置和要求，执行类似SMAC协议的同步维持协议或无线传感器网络的专用同步协议如TPSN等。

2.3若记录同步时段T_sync时间的计时器T1计时结束，则该时段工作结束；否则，节点继续侦听，直至记录该时段T_sync时间的计时器T1计时结束，该时段工作结束。

忙音侦听/发送时段：

3.1节点进入忙音侦听/发送时段T_tone后，设置并启动对应忙音侦听/发送时段T_tone时间的计时器T₂，激活处于侦听状态。

3.2若节点有数据需要发送，则在时间窗[0，T_CS]内随机产生一个退避时间T_r-1,节点对信道侦听T_r-1,时间。侦听结束后，若节点侦听信道空闲，则立即发送持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为发送数据的源节点，发送忙音信号结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；若节点侦听信道忙，则将当前节点的数据发送推迟到下个周期，在侦听信道忙的持续时间为T_CS后，切换节点进入发送状态，立即发送一个持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束。

3.3若节点没有数据需要发送，则节点持续执行对信道的侦听，根据在当前时段侦听的结果分别执行如下的操作：

3.3.1若节点侦听信道为忙的持续时间为T_CS，则节点立即切换进入发送状态，发送一个持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为发送数据的候选中继节点，发送忙音时间结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；

3.3.2若节点侦听到的忙音信号持续时间小于T_CS，则节点继续执行侦听直至计时器T₂计时结束，本时段工作结束；

3.3.3若计时器T₂计时结束，没有侦听到任何信号，说明信道为空闲状态，则将节点设置为睡眠节点，本时段工作结束。

信道预约时段：

4.1当计时器T₂计时结束，节点进入信道预约时段T_rc。首先设置并启动对应信道预约时段T_rc的计时器T₃。根据在T_tone时段所设置的节点类型不同，节点分别执行下列步骤；

4.2若节点为发送数据的源节点，则在进入信道预约时段T_rc后，节点立即激活侦听，并在侦听时间窗[0，T_WIN]内产生一个随机时间T_RL，节点对信道侦听T_RL的时间。侦听结束后，根据侦听的结果，节点执行如下操作：

若侦听信道空闲，则节点在延迟一个帧间间隔时间T_DIFS后，发送一个RCF帧（信道预约帧RCF），RCF帧中包括当前发送节点的类型TYPE、节点距离SINK的跳距Hop、预约跳距MH（初始设置为0），之后节点在延迟一个最小帧间间隔时间T_SIFS后进入侦听状态，转入步骤4.5执行；若侦听信道忙，则节点将自己设置为候选中继节点，推迟本节点的数据发送到下个周期，并转入步骤4.3执行。

4.3若节点为候选中继节点，则节点进入激活侦听状态。若节点持续侦听到计时器T₃计时结束时，没有侦听到任何消息，则将节点设置为睡眠节点，并转入步骤4.4；若节点在预约时段T_rc内侦听到RCF帧，则立即根据RCF帧中包含的信息转入步骤4.5执行竞争中继节点的操作。

4.4若节点为睡眠节点，则设置节点在进入睡眠时段后的睡眠延迟时间为：

T_delay＝T_sleep

然后节点进入睡眠状态，直至本时段工作结束。

5对发送RCF帧的源节点，若侦听到RCF帧头部的1比特帧边界序列，则设置节点在进入睡眠时段后的睡眠延迟时间为：

T_delay＝MH·(T_data+T_SIFS)

然后节点进入睡眠状态直至本时段的计时器T₃计时结束；若没有侦听到消息或消息无法识别，则将节点设置为睡眠节点，然后转向执行步骤4.4。

对中继节点，若侦听到RCF帧头部的1比特帧边界序列，则设置节点在进入睡眠时段后的睡眠延迟时间为：

T_delay＝(MH-1)·(T_data+T_SIFS)

然后节点进入睡眠状态直至本时段的计时器T₃计时结束；若没有侦听到消息或消息无法识别，则将节点设置为睡眠节点，然后转向执行步骤4.4。

对候选中继节点，则根据侦听的RCF消息中包含的跳距Hop与当前节点距离SINK的跳距H大小不同，分别执行如下操作：

若Hop小于或等于H，则将该节点设置为睡眠节点，转向执行步骤4.4；

若Hop大于H，则节点在时间窗[0，T_WIN]内产生一个随机数T_rt，然后节点持续侦听T_rt的时间。侦听T_rt时间结束后，若节点侦听信道为空闲，则节点更新RCF帧中的Hop为当前节点的H、预约跳距MH更新为原MH加1，更新节点的类型为中继节点，并在延迟最小帧间间隔时间T_SIFS后，发送更新后的RCF帧，然后节点转入侦听状态，继续执行步骤4.5；若节点侦听信道忙，则节点将自己设置为睡眠节点，然后转向执行步骤4.4。

睡眠时段：

5.1当计时器T₃计时结束，节点进入睡眠时段T_sleep。首先设置并启动对应T_sleep时段的计时器T₄。根据在T_rc时段所设置的节点睡眠延迟时间T_delay，节点在睡眠T_delay时间后激活。

5.2节点激活后，根据节点的类型不同，分别执行如下不同的操作：

若节点为发送数据的源节点，则节点激活后进入发送状态，并立即开始发送数据DATA消息，发送完后节点经T_SIFS时间后转入睡眠状态，直至本时段工作结束。

若节点为中继节点，则节点激活后进入接收状态。若节点在接收状态接收到数据消息DATA，则接收完成后，经T_SIFS时间后节点转入发送状态，将接收的数据DATA继续转发，转发完成后，经T_SIFS时间转入睡眠状态，直至本时段工作结束。若节点在接收状态没有接收到消息或接收的消息无法识别，则节点在T_DATA时间后进入睡眠状态，直至本时段工作结束。

若节点为睡眠节点，则节点在本时段始终处于睡眠状态，直至本时段工作结束。

如图5为节点类型转化（源节点、候选中继节点、中继节点、睡眠节点）以及转化（带箭头的连线）示意图，连线上的步骤标号与以上实施例中的步骤标号相对应。

如图3、4为源节点S到汇聚节点SINK的一次数据传递过程，图3中仅给出了成功进行数据转发的中间节点A、B、C，其它的邻居节点没有画出，即A为源节点S的一跳中继节点，B为源节点S的两跳中继节点，C为源节点S的三跳中继节点，SINK为源节点S的四跳中继节点，这里即为最终目的节点。从图4的执行过程看，源节点的数据可以在一个同步周期内从S传递到目的节点SINK，共传递了4跳（图4中未画出SINK节点）。

对于SMAC类协议，即使改进后具有自适应侦听功能的SMAC协议，在一个侦听周期也至多能将数据传递2跳，因此与SMAC类协议相比，本发明的方法显著减少了数据传递的多跳时延，提高了信道的利用率。另外，本发明的方法通过发送和侦听忙音把节点分类，利用发送预约信道帧实现对信道的提前预约，减少了SMAC协议采用RTS/CTS/DATA/ACK握手数据传递机制的控制开销，同时多跳的连续预约克服了SMAC协议的多跳断续性，因此显著减少了节点的空闲侦听和节点间传递的控制信息，节省了能量。

以上给出了了一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的思路在于如下基本方案：

一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法：

网络初始化：将节点的一个循环工作周期依次分为同步时段T_sync、忙音侦听/发送时段T_tone、信道预约时段T_rc和睡眠时段T_sleep；

在同步时段T_sync：进行同步；

在忙音侦听/发送时段T_tone：侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；

在信道预约时段T_rc：源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间T_delay；

在睡眠时段T_sleep：在睡眠延迟时间T_delay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据。

对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

网络初始化：将节点的一个循环工作周期依次分为同步时段T_sync、忙音侦听/发送时段T_tone、信道预约时段T_rc和睡眠时段T_sleep；

在同步时段T_sync：进行同步；

在忙音侦听/发送时段T_tone：侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；

在信道预约时段T_rc：源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间T_delay；

在睡眠时段T_sleep：在睡眠延迟时间T_delay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据。

2.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，在忙音侦听/发送时段T_tone：侦听信道，若有数据需要发送且信道空闲，则设置节点为源节点；若有数据发送且信道忙、或者无数据发送且信道忙，则设置节点为候选中继节点；若无数据发送且信道空闲，则设置节点为睡眠节点。

3.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，在信道预约时段T_rc，源节点若侦听到信道忙，则设置节点为候选中继节点。

4.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，候选中继节点通过比较侦听的RCF帧信息中包含的跳距Hop与当前节点距离SINK节点的跳距H竞争中继节点，若Hop大于H，当前节点成为中继节点。

5.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，所述网络初始化具体为：在网络初始化时段T_init：由SINK节点发起，确定网络节点距离SINK节点的跳距；设置节点的工作周期T、启动工作时间t_start、每个周期的同步时间T_sync、周期忙音侦听/发送时间T_tone、周期信道预约时间T_rc和周期睡眠时间T_sleep，并更新网络节点到SINK节点的跳距H。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，忙音侦听/发送时段T_tone的具体方法为：

节点进入忙音侦听/发送时段T_tone后，设置并启动对应忙音侦听/发送时段T_tone时间的计时器T₂，激活处于侦听状态；

若节点有数据需要发送，则在时间窗[0，T_CS]内随机产生一个退避时间T_r-1,节点对信道侦听T_r-1,时间；侦听结束后，若节点侦听信道空闲，则立即发送持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为源节点，发送忙音信号结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；若节点侦听信道忙，则在侦听信道忙的持续时间为T_CS后，立即发送一个持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；

若节点没有数据需要发送，节点侦听信道为忙的持续时间为T_CS，则节点立即切换进入发送状态，发送一个持续时间为T_CS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送忙音时间结束后节点进入睡眠状态直至计时器T₂计时结束；若节点侦听到的忙音信号持续时间小于T_CS，则节点继续执行侦听直至计时器T₂计时结束；若计时器T₂计时结束，没有侦听到任何信号，则将节点设置为睡眠节点。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，周期信道预约时段T_rc的具体方法为：

节点进入周期信道预约时段T_rc，首先设置并启动对应周期信道预约时段T_rc的计时器T₃；

源节点在周期信道预约时段T_rc，激活侦听，并在侦听时间窗[0，T_WIN]内产生一个随机时间T_RL，节点对信道侦听T_RL的时间；若侦听信道空闲，则发送一个信道预约帧RCF，RCF帧中包括当前发送节点的类型TYPE、节点距离SINK的跳距Hop、预约跳距MH，MH初始设置为0，之后节点在延迟一个最小帧间间隔时间T_SIFS后进入侦听状态，设置节点在进入睡眠时段后的睡眠延迟时间为：T_delay＝MH·(T_data+T_SIFS)，然后节点进入睡眠状态；若没有侦听到消息或消息无法识别，则将节点设置为睡眠节点，然后节点进入睡眠状态；若侦听信道忙，则节点将自己设置为候选中继节点；

候选中继节点在周期信道预约时段T_rc，激活侦听，若节点没有侦听到任何消息，则将节点设置为睡眠节点；若节点侦听到信道RCF帧，则竞争中继节点；

中继节点在周期信道预约时段T_rc，激活侦听，若侦听到RCF帧，设置节点在进入周期睡眠时段后的睡眠延迟时间为：T_delay＝(MH-1)·(T_data+T_SIFS)；

睡眠节点，设置其在进入周期睡眠时段后的睡眠延迟时间为：T_delay＝T_sleep。

8.根据权利要求1-5任一项所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，周期睡眠时段T_sleep的具体方法为：

节点进入周期睡眠时段T_sleep；首先设置并启动对应T_sleep时段的计时器T₄，根据在T_rc时段所设置的节点睡眠延迟时间T_delay，节点在睡眠T_delay时间后激活，节点激活后，若节点为发送数据的源节点，则节点激活后进入发送状态，并立即开始发送数据DATA消息，发送完后节点经T_SIFS时间后转入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点为中继节点，则节点激活后进入接收状态；若节点在接收状态接收到数据消息DATA，则接收完成后，经T_SIFS时间后节点转入发送状态，将接收的数据DATA继续转发，转发完成后，经T_SIFS时间转入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点在接收状态没有接收到消息或接收的消息无法识别，则节点在T_DATA时间后进入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点为睡眠节点，则节点在本时段始终处于睡眠状态，直至本时段工作结束。

9.一种同步无线传感器网络的MAC协议通信装置，其特征在于，包括：

用于网络初始化，将节点的一个循环工作周期至少依次分为同步时段T_sync、忙音侦听/发送时段T_tone、信道预约时段T_rc和睡眠时段T_sleep的单元；

用于在同步时段T_sync进行同步的单元；

用于在忙音侦听/发送时段T_tone，侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点的单元；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；

用于在信道预约时段T_rc，源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间T_delay的单元；

用于在睡眠时段T_sleep，在睡眠延迟时间T_delay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据的单元。