CN104703273A - 一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，在该方法中，节点依据距离基站的不同距离而选择不同的Quorum时隙数量，距离基站最近的节点选择最小的Quorum时隙数量，离基站越远的节点选择的Quorum时隙数量逐渐增大。采用这样的方法后，由于节点选择的Quorum时隙数量越多，则节点间相交工作时隙增多,可减少数据转发延迟。本发明的协议对比以往研究中采用相同Quorum时隙数量，或者依据节点的负载分配相应Quorum时隙数量的方法能够减少网络延迟，或者在网络延迟保持不变的情况下能够提高网络寿命。经过理论分析证明，本发明介质访问控制(medium access control,MAC)方法具有更小的网络延迟，能够减少网络延迟为6.7％以上。

Description

一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是一种同步无线传感器网络MAC方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，而无线传感器的供能往往是通过电池作为其能源的，所以如何合理利用以及分配能耗显得至关重要。

介质访问控制(medium access control,MAC)协议是无线传感器网络中一种基础协议。其作用是保证节点正常的数据操作与环境监测的同时尽可能的减少能量消耗，从而极大化网络寿命。在无线传感器网络中，为了减少节点的能量消耗通常采用一种方法是让节点周期性的工作(work)与睡眠(sleep)。由于传感器器节点处于工作状态时的能量消耗是处于睡眠状态时的上100倍甚至上1000倍。因而为了节省能量，应该尽可能的让节点处于睡眠状态。但是节点处于睡眠会影响其功能，因为节点在睡眠状态时不能对周围环境进行感知与监测，也不能进行数据传输。特别是在分布式无线传感器网络中，每个节点都是独立的决定是否工作还是睡眠。这就有可能造成节点在欲进行数据传输时，节点的处于工作时隙与其所有的下一跳节点的工作时隙没有相交时隙(intersection slot)从而使得其数据不能向前传输。特别是在占空比(指节点在一个时间周期内处于工作的时间与工作周期长度的比值，duty cycle)比较小的网络中，要保证相邻路由路径的任意二个节点间存在相交的工作时隙是传感器网络介质访问协议设计的重要课题。传感器节点的工作时隙越多，则节点之间相交的工作时隙越多，但，节点的工作时隙越多，则节点的能量消耗越大，影响网络寿命。反之，降低节点的占空比，虽然能够节省能量，但是有可能导致节点之间没有相交的工作时隙，因而导致路由不能建立。而另一方面，在节点的占空比确定的情况，不同节点选择工作时隙的方法不同也影响节点的介质访问协议的性能。不好的节点工作时隙选择方法会导致节点间的相交工作时隙的数量不等，影响数据的传输与网络延迟。因而，设计优秀的节点工作时隙选择方法是一个挑战性的任务。

基于Quorum的系统提供了一种介质访问方法的方法。其中用的最多的方法是一种gridQuorum方法。在grid Quorum方法中，一个周期被分为n个时隙(slot)，时隙是时间的基本单位。n个时隙按时间顺序被排列成的矩阵。节点A选择其中的m₁行时隙作为工作时隙，节点在这些选择的时隙上保持工作状态(称为Quorum Time Slot(QTS))。而节点B选择矩阵中的m₂列作为工作时隙。这样节点A与节点B必定有m₁×m₂个相交工作时隙(intersection slot)。从而可以保证节点A与节点B之间进行数据通信。显然Quorum系统设计的目标是使得任意2个节点间的相交工作时隙越多，而节点的占空比越小。

但上述方法各节点采用相同的Quorum时隙数量，节点间相交工作时隙较少,数据转发延迟较多，能量利用率较小(往往小于50％)。

发明内容

本发明提供一种能减少网络延迟、提高能量利用率的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法。

为实现上述目的，本发明提供一种基于Quorum系统的无线传感器网络的介质访问控制方法，包括如下步骤：步骤一、形成节点环号，基站节点将自己的环号设置为0，其它节点由近及远分别设置连续的环号，节点环号相同的节点称为同一环的节点；步骤二、无线传感器网络的每一个节点依据其所在环的环号，选择基于Quorum的系统；步骤三、依据节点的剩余能量增加节点的工作时隙，依据距离基站的不同距离而选择不同的Quorum时隙数量，距离基站最近的节点选择最小的Quorum时隙数量，离基站越远的节点选择的Quorum时隙数量逐渐增大；基于上述的Quorum时隙分配方法，采用现有提出的路由方法进行数据路由，能降低网络延迟。

本发明的有益效果是：本发明利用远基站区域剩余的能量，增加节点的工作时隙，从而使得节点的工作时隙数量增多，相应的提高了占空比，使得网络节点间的相交工作时隙增加，从而减少网络延迟。

附图说明

图1为本发明实施例基本SG quorum系统S-clique、G-clique、SG quorum及新SG quorum系统S-clique、G-clique、SG quorum的工作时隙示意图。

图2为本发明实施例节点的剩余能量示意图。

图3为本发明实施例节点能够增加的QTS数量示意图。

图4为本发明实施例整个网络加权延迟对比示意图。

图5为本发明实施例能够减少的加权延迟的比例示意图。

图6为本发明实施例在不同数据产生率λ的能量利用率对比示意图。

图7为本发明实施例在不同Beacon窗口大小τ_d的能量利用率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。图中，min QTS是指采用满足数据传输最小Quorum时隙数量的方法，same QTS是指整个网络采用相同Quorum时隙数量的方法，AQM是指Adjustable Quorum based MAC Protocol，即自适应时隙数量调整的MAC协议。

本实施例，Quorum系统是指:对于给定的一个正整数n，以及一个通用集合U＝{0,1,...,n-1},而Q＝{Q₁,Q₂,....Q_q}，即Q是U的子集集合，而Q_i是Q的一个元素。如果满足Q的任意2个元素的交集不为空，即则称Q是通用集合U＝{0,1,...,n-1}下的一个Quorum系统。

协议采用的S-clique(p,m)(S(p,m))为：对于给定的一个正整数n，以及一个通用集合U＝{0,1,...,n-1}.令S-clique表示为S(p,m)如下式(1)所示：

例如：当n＝16，S(2,2)＝{2,3,4,5,10,11,12,13}，如图1(a)所示。

协议采用的G-clique(q,m)(G(q,m))为：对于给定的一个正整数n，以及一个通用集合U＝{0,1,...,n-1}。令0≤q≤n-1，G-clique表示为G(q,m)如下式(2)所示：

$G(q,m)=\{(j\sqrt{n}+\mathrm{im}+q)\left(\mathrm{mod}n\right):i=0,..m-1,j=0,..\sqrt{n}-1\}---\left(2\right)$

例如：当n＝16,G(4,1)＝{0,4,8,12}，如图1(b)所示。

SG quorum系统SG(p,q,m₁,m₂)设计为：对于给定的正整数m₁,m₂,p,q， V和T是通用集合U＝{0,1,...,n-1}下的二个非空子集，如果V是一个S(p,m₁)clique,而T是一个G(q,m₂)(或者反之)，那么(V,T)就称为SG quorum系统SG(p,q,m₁,m₂)。

例如：当n＝16,S-clique(2,2)和G-clique(4,1)就构成SG-grid(2,4,2,1)，如图1(c)所示。

在本实施例中，无线传感器网络中所有的传感器节点部署于一个圆形区域，基站节点位于圆形区域中心，所有传感器节点的分布符合节点密度为ρ的齐次泊松分布，无线传感器网络中的传感器节点独立的选择工作时隙。本实施例主要包括如下内容。

节点环号的形成。首先，基站节点将自己的环号设置为0，其它节点将自己的环号设置为无穷大。然后，基站向外广播自己到到达基站的跳数(0)，在基站广播范围内的节点侦听到基站的广播消息后，将广播中到达基站的跳加1后与自己保存的当前到达基站的跳数相比较，如果广播中到达基站的跳数加1小于自己保存的到达基站的跳数，则将自己到达基站的环号更新为广播消息中到达基站的跳数加1。每个更新后的节点随后广播更新后的到达基站的跳数。以上过程一直进行下去，直到节点到达基站的跳数不再更新为止。这时，每个节点到达基站的跳数就是节点的环号。节点环号相同的节点称为同一环的节点。在数据路由时，每个节点采用最短路由策略,即每次选择比自己到达基站跳数少的节点做为下一跳节点,如进行就能够建立路由路径。

节点依据自己所在的环号选择S-clique还是G-clique。设定，如果节点的环号是奇数则选择S(p,m)，如下式

其中， $1\≤m\≤\sqrt{n},.0\≤p\≤\sqrt{n}-1.$

例如：n＝16，G(4,1)＝{0,4,8,12}，如图1(b)所示，也就是第0,4,8,12时隙为工作时隙，节点在这几个时隙处于工作状态，而在其它时隙处于睡眠状态。

如果节点的环号是偶数则选择G(q,m)，如下式

$G(q,m)=\{(j\sqrt{n}+\mathrm{im}+q)\left(\mathrm{mod}n\right):i=0,..m-1,j=0,..\sqrt{n}-1\}$

其中0≤q≤n-1

例如：当n＝16，S(2,2)＝{2,3,4,5,10,11,12,13}，如图1(a)所示。也就是第2,3,4,5,10,11,12,13时隙为工作时隙，节点在这几个时隙处于工作状态，而在其它时隙处于睡眠状态。

奇数环的节点与偶数环的节点在数据传输时是路由的上下游关系。而他们分别选择S-clique与G-clique必定构成SG(p,q,m₁,m₂)。例如：当n＝16S-clique(2,2)和G-clique(4,1)就构成SG-grid(2,4,2,1)，如图1(c)所示。这样整个网络节点都选定了自己的工作时隙，这样整个网络的不同环的节点就形成了基本的quorum系统。

每个节点依据式(3)计算节点的剩余能量，如图2所示。依据节点的剩余能量计算出能够增加的QTS数量，如图3所示。并将增加选择相应的QTS。设第1环选取的工作时隙的个数而其它环的节点剩余的能量用来增加QTS数量,那么在不降低网络寿命的前提下，第i环可以增加的工作时隙个数为下式：

${\mathrm{\ξ}}_i^{\mathrm{\Δ}}=\frac{E_{\mathrm{left}}^i}{({\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_b-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_s){\mathrm{\τ}}_d}---\left(3\right)$

其中：

$E_{\mathrm{left}}^i=({\mathrm{\π}}_t^1-{\mathrm{\π}}_t^i)\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_t+({\mathrm{\π}}_r^i-{\mathrm{\π}}_r^i)\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_r+({\mathrm{\π}}_B^1-{\mathrm{\π}}_B^i)(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}{\mathrm{\τ}}_d+{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_s(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_d))+(n-k_1\sqrt{n}-n+k_i\sqrt{n})\mathrm{\τ}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}_s$

${\mathrm{\π}}_t^i=\frac{\mathrm{\δ}\×n\×B_i^t}{\mathrm{B\τ}},{\mathrm{\π}}_r^i=\frac{\mathrm{\δ}\×n\×B_i^r}{\mathrm{B\τ}},{\mathrm{\π}}_B^i=k_i\sqrt{n}-{\mathrm{\π}}_t^i-{\mathrm{\π}}_r^i$

其中，为节点处于Beacon窗口状态的能量消耗率；节点为睡眠状态时的能量消耗率,为节点发送数据的能量消耗率,为节点接收数据的能量消耗率,B为节点的数据传送数量单位是bps,τ是一个时隙的时间长度，单位是秒，τ_d是Beacon窗口的时间长度,δ是数据包的大小，单位是bits。λ是数据产生速度，指在一个时隙τ中产生λ个数据。是第i环节点在一个周期内需要发送的数据量，是第i环节点在一个周期内接收的数据量。

依据公式(3)计算出能够增加的工作状态时隙数量后,将节点的时隙增加相应的工作时隙数，增加原则是从前往后查找不是工作时隙的时隙，将其转换为工作时隙。

最后形成的依据节点和剩余能量增加工作时隙后，形成新的SG quorum系统的MAC协议。新的S-clique、G-clique、SG(p,q,m₁,m₂)的工作时隙如图1(d)、1(e)、1(f)所示，这时，协议的相交工作时隙为{0,1,4,5,12}共5个相交工作时，是基于SG-quorum系统的2.5倍，从而大大减少了网络延迟。操作时，当节点有数据发送时，必须等到节点为工作时隙时才向中继节点发起数据发送请求，如果有中继节点也正好位于工作状态，则进行数据路由。

本发明提供了一种基于Quorum系统的无线传感器网络的介质访问控制(medium accesscontrol,MAC)协议，通过让不同环的节点分别选择选择S-clique与G-clique，形成FG(p,q,m₁,m₂)。对比以往的Quorum系统，本发明的优点在于：

(1)本发明设计了S-clique与G-clique，通过让不同环的传感器节点分别选择S-clique或者G-clique，从而形成基本SG quorum系统,然后在此基础上利用节点的剩余能量来增加节点的工作时隙。对比以往的基于Quorum系统的MAC协议，能够增大节点的QTS,从而使得节点的相交工作时隙增大,减小协议的网络敏感性(网络敏感性(network sensibility)是指节点相交工作时隙间的最大距离)。

如图1所示，本发明的协议中相交工作时隙(Intersection Slot)是5，而原有协议的相交工作时隙为2，大大增加了相交工作时隙。而原协议的网络敏感性为8，本发明的协议减少网络敏感性，其值为7。

(2)本发明提出的MAC协议具有更少的网络延迟。

由于增加了节点间的相交工作时隙，从而使得节点有数据需要传送时，需要等待更小时就会有等到相交工作时隙可以转发数据，因而有较小和网络延迟；

依据式(3)，第k环和第k-1环可增加的QTS数量分别为因而第k环和第k-1环的占空比(duty cycle)分别为从而可以得到本发明的延迟为下式：

$d_i^{\mathrm{\Δ}}=\underset{i=1}{\overset{(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left({\mathrm{i\ϵ}}^{\′}{(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})}^{(i-1)}{P}_k^{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\right)+\underset{i=(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})n}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(i{(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})}^{(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})n}{P}_k^{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}\right)+(1-P_k^{{\mathrm{\ζ}}^{\′}})$

$P_k^{{\mathrm{\ζ}}^{\′}}=\frac{n(1-{(1-{\mathrm{\ζ}}^{\′})}^{\mathrm{\υ}})}{\left({\mathrm{\ρ\πr}}^2\right){\mathrm{\μ}}_k},u_k=\frac{\mathrm{\δ}\×n\×B_k^t}{\mathrm{B\τ}}+\frac{\mathrm{\δ}\×n\×B_k^r}{\mathrm{B\τ}}$

其中，B为节点的数据传送数量单位是bps,τ是一个时隙的时间长度，单位是秒，δ是数据包的大小，单位是bits。λ是数据产生速度，指在一个时隙τ中产生λ个数据。是第k环节点在一个周期内需要发送的数据量，是第k环节点在一个周期内接收的数据量。

而原有协议中的延迟为：

$d_i=\underset{i=1}{\overset{(1-\mathrm{\ϵ})n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(\mathrm{i\ϵ}{(1-\mathrm{\ϵ})}^{(i-1)}{P}_k^{\mathrm{\ζ}}\right)+\underset{i=(1-{\mathrm{\ϵ}}^{\′})n}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\left(i{(1-\mathrm{\ϵ})}^{(1-\mathrm{\ϵ})n}{P}_k^{\mathrm{\ζ}}\right)+n(1-P_k^{\mathrm{\ζ}})$

其中ε＝ζ＝m_k/n。显然，ε'>ε，ζ'>ζ。因而本发明的MAC协议的延迟小于以往策略。

(3)本发明提出的MAC协议具有很高的能量利用率。

本发明提出的MAC协议是充分利用节点的剩余能量来增加节点的工作时隙，因而只要有能量剩余就能够用来增加QTS，因而从理论上来说，节点的能量利用率为100％。而在以往的协议中，其能量利用率往往小于50％。

为验证本发明方法的可行性与高效性，我们对提出的协议进行了理论分析与实验对比。得到图4到图7的实验结果。

图4给出了整个网络加权延迟的对比.从实验结果可以看出本发明提出的AQM协议的延迟要小于其它方法。图5给出了AQM协议减少延迟的比例。从实验结果可以看出,本发明的AQM协议可以减少的延迟为6.7％到12.8％。

图6和图7给出了在原来协议下能量有效利用率的情况。由于在本发明的AQM协议中，节点只要有能量剩余就可以用来增加QTS，因而从理论上来说其能量有效利用率为100％，因而图6和图7实验结果中的能量有效利用率也就相对于其方法只是本发明的AQM协议能量利用率的比例。从实验结果可见，原有的协议中,其能量有效利用率大多为20％-50％左右，因而本发明的AQM协议相对于原有的协议,其能量有效利用率提高了2-5倍左右。

Claims (5)

1.一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、形成节点环号，基站节点将自己的环号设置为0，其它节点由近及远分别设置连续的环号，节点环号相同的节点称为同一环的节点；

步骤二、无线传感器网络的每一个节点依据其所在环的环号，选择基于Quorum的系统；

步骤三、依据节点的剩余能量增加节点的工作时隙，依据距离基站的不同距离而选择不同的Quorum时隙数量，距离基站最近的节点选择最小的Quorum时隙数量，离基站越远的节点选择的Quorum时隙数量逐渐增大；

基于上述的Quorum时隙分配方法，采用现有提出的路由方法进行数据路由，能降低网络延迟。

2.根据权利要求1所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其特征在于，步骤一中形成节点环号的具体步骤为：首先，基站节点将自己的环号设置为0，其它节点将自己的环号设置为无穷大，然后，基站向外广播自己到到达基站的跳数0，在基站广播范围内的节点侦听到基站的广播消息后，将广播中到达基站的跳加1后与自己保存的当前到达基站的跳数相比较，如果广播中到达基站的跳数加1小于自己保存的到达基站的跳数，则将自己到达基站的环号更新为广播消息中到达基站的跳数加1，每个更新后的节点随后广播更新后的到达基站的跳数；以上过程一直进行下去，直到节点到达基站的跳数不再更新为止，这时，每个节点到达基站的跳数就是节点的环号，节点环号相同的节点称为同一环的节点。

3.根据权利要求1所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其特征在于，步骤二中所述基于Quorum的系统为SG quorum系统，节点依据自己所在的环号选择S-clique还是G-clique，如果节点的环号是奇数则选择S(p,m)，如下式

其中， $1\≤m\≤\sqrt{n},0\≤p\≤\sqrt{n}-1;$

如果节点的环号是偶数则选择G(q,m)，如下式

$G(q,m)=\{(j\sqrt{n}+\mathrm{im}+q)\left(\mathrm{mod}n\right):i=0,..m-1,j=0,..\sqrt{n}-1\}$

其中 $1\≤m\≤\sqrt{n},0\≤q\≤n-1;$

这样整个网络节点都选定了自己的工作时隙，这样整个网络的不同环的节点就形成了基本的quorum系统。

4.根据权利要求1所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其特征在于，步骤三中增加节点的工作时隙的具体步骤为：每个节点计算节点的剩余能量，依据节点的剩余能量计算出能够增加的QTS数量，将节点的时隙增加相应的工作时隙数，增加原则是从前往后查找不是工作时隙的时隙，将其转换为工作时隙。

5.根据权利要求4所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其特征在于，节点剩余能量的计算方式为：设第1环选取的工作时隙的个数而其它环的节点剩余的能量用来增加QTS数量,那么在不降低网络寿命的前提下，第i环可以增加的工作时隙个数为下式：

其中：

${\mathrm{\π}}_t^i=\frac{\mathrm{\δ}\×n\×B_i^t}{\mathrm{B\τ}},{\mathrm{\π}}_r^i=\frac{\mathrm{\δ}\×n\×B_i^r}{\mathrm{B\τ}},{\mathrm{\π}}_B^i=k_i\sqrt{n}-{\mathrm{\π}}_t^i-{\mathrm{\π}}_r^i$

其中，为节点处于Beacon窗口状态的能量消耗率，节点为睡眠状态时的能量消耗率,为节点发送数据的能量消耗率,为节点接收数据的能量消耗率,B为节点的数据传送数量单位是bps,τ是一个时隙的时间长度，单位是秒，τ_d是Beacon窗口的时间长度，δ是数据包的大小，单位是bits，λ是数据产生速度，指在一个时隙τ中产生λ个数据，是第i环节点在一个周期内需要发送的数据量，是第i环节点在一个周期内接收的数据量。