CN105007586A - 无线传感网smac协议的双因子自适应竞争窗口调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线传感网媒体访问控制协议SMAC的双因子自适应竞争窗口调整方法。在该方法中，引入冲突空闲比cf和节点信道占用比重Co两个因子来衡量无线传感网信道占用情况和公平性，根据这两个因子自适应调整无线传感网媒体访问控制协议SMAC的竞争窗口。冲突空闲比cf为一段时间内信道发生冲突和空闲的比值，用于反映信道在此段时间内的拥塞空闲情况。节点信道占用比重Co为一段时间内节点自身占用信道的时间和监听到邻居占用信道的时间的比值，用来权衡节点对信道的使用权的公平性。本发明综合考虑信道状态和公平性，合理调整竞争窗口，能够有效提高网络的吞吐量，减少网络时延以及减少冲突导致的能量消耗，改善网络的整体性能。

Description

无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络通信技术领域，更具体地，涉及一种无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sonsor Network，WSN)是一种将数量庞大的微型传感器节点无规则地部署在一定的地理区域或者特定的监控区域所形成的无线网络。网络中的每个节点都具有无线收发、计算处理的功能，节点间以无线通信互连和多跳传输数据，形成一个无中心、灵活组网的自组织网络，经常用于在无人值守的监控区域内将对象的信息通过节点间的协助感知、采集和处理，数据经过融合后发给管理节点。当前，作为WSN关键技术的网络通信协议，数据链路层MAC(Media Access Control)协议成为其重点研究的内容之一。在实际应用中，能耗效率也已经成为了WSN中MAC协议最主要的设计目标。因此针对于WSN传感器节点资源的有限性，如何设计一个提高整体网络能耗效率的MAC协议具有非常重要的意义。

无线传感网媒体访问控制协议SMAC(sensor MAC)的设计思想是以最小化能耗为主要的考虑因素，而为了使节点获得更长的生存时间，无线传感网络中的一些应用会适当牺牲MAC协议的网络吞吐量、时延等性能指标，而且SMAC虽然采取了周期的侦听睡眠，自适应侦听、串扰避免等多个机制减少了能量的消耗，但SMAC协议的许多机制的考量比较僵硬化，不能很好的应对实时变化的动态网络，在节省能量的同时也产生一系列相应的问题。因为SMAC协议是采取固定的同步周期长度的同步机制和具有固定竞争窗口的随机退避机制，因而不能根据网络的实时状态进行相对的调整，僵硬化地应对网络的拥塞情况，从而造成网络的吞吐量减少，时延和能耗的增加。

发明内容

本发明为克服上述现有技术存在的网络的吞吐量少、时延和能耗高的缺陷，提供一种吞吐量多、时延和能耗低的无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，所述方法包括具体步骤：

S1：计算无线传感器网络中各个节点的冲突空闲比cf（collision free rate）的值，判断信道状态，用以自适应调整竞争窗口，冲突空闲比cf指的是在一个同步周期内，节点在网络数据传输过程中出现冲突的平均时长t_col和处于空闲的平均时长t_free的比值，即

S2：根据节点的冲突空闲比cf判断节点信道使用情况，并根据节点信道使用情况调整竞争窗口；

S3：根据节点占用信道总时长t_ocp和其他节点占用信道的总时长t_other调整竞争窗口；

S4：根据节点占用信道比重Co（node channel occupancy rate）对该节点的竞争窗口进行微调，其中

在一种优选的方案中，步骤S1中，计算无线传感器网络中各个节点的冲突空闲比cf的值的具体方法包括以下步骤：

S101：将无线传感器网络中的各个节点初始化；

S102：判断虚拟簇内一个同步周期长度是否结束，若未结束，则累加本周期当前队列中数据包的缓存，用于一个周期结束后计算平均的队列缓存长度；否则，发送SYNC包以唤醒节点，并自适应调整同步周期长度；

S103：计算冲突空闲比cf的值，判断信道状态，用以自适应调整竞争窗口，cf的计算公式为：

cf＝0.8*cf_meta+0.2*cf，

${\mathrm{cf}}_{meta}=E\[{\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n\right)}\]=\frac{{\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n\right)}}{syncperiod},$

${\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n\right)}=\mathrm{\θ}\×{\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n-1\right)}+(1-\mathrm{\θ})\×\frac{t_{col}^{\left(n\right)}}{t_{free}^{\left(n\right)}},$

其中，cf_meta为冲突空闲比中间值，θ为影响因子，表示历史环境对于参数值的影响程度，syncperiod表示同步周期，表示第n次传输的冲突空闲比中间值，表示第n次传输中出现冲突的平均时长，表示第n次传输中空闲的平均时长。

引入影响因子θ，可以通过人为设定调整θ的大小来决定历史环境对于参数值的影响程度，冲突空闲比中间值cf_meta通过对θ值进行加权计算，能够更好的权衡当前传输与前几次传输之间的影响程度。为了避免传感网络中由于节点竞争窗口的不断改变而产生较大的网络波动，自适应竞争窗口的调节会在一个同步周期结束之后。所以，节点在一个完整的网络数据传输过程中会统计t_free和t_col等数值，直到出现三种情况：节点在接收到最后一个分段的确认字符ACK(Acknowledgement)、请求发送报文RTS(Request To Send)已经达到最大的重传次数、数据报文DATA已经达到了最大的重传次数，之后需要t_free和t_col来计算冲突空闲比的中间值cf_meta；在网络数据完整传输过程中要进行统计各种时间参数，在每次网络数据完整传输过程中进行统计t_free、t_col、t_ocp、t_other等数值，统计出冲突空闲比cf，来判断信道状态，进而自适应调整竞争窗口值。

在一种优选的方案中，步骤S2中，根据节点信道使用情况调整竞争窗口的具体方法包括以下步骤：

S201：判断冲突空闲比cf>＝B+ω是否成立，若成立，则说明信道拥塞，CW_data＝int(min(CW_data*(α+θ),CWmax))，其中，CW_data表示竞争窗口，CWmax表示竞争窗口的最大值，B为网络比较拥塞且冲突几率较大时的阈值，ω为平滑网络抖动的调节因子，α为固定取值的调节因子，网络负载越大，α取值越大，跳转到步骤S3；若不成立，则跳转到步骤S202；

为均衡网络的波动，引入调节因子ω，可以人为设置调节因子ω的大小。这样，根据cf的数值判断整体网络冲突情况，分别以乘数、加性、不变和除法形式动态调整竞争窗口，从而减少节点冲突的发生，合理使用信道，增大吞吐量，有效减少能耗。

S202：判断cf<B+ω且cf>＝C+ω是否成立，若成立，则说明信道轻微拥塞，CW_data＝int(min(CW_data+1,CWmax))，其中，C为网络达到饱和吞吐量时冲突空闲比的最优值，跳转到步骤S3；若不成立，则跳转到步骤S203；

S203：判断cf<C+ω且cf>＝C-ω是否成立，若成立，则说明信道良好，CW_data＝CW_data，跳转到步骤3；若不成立，则说明信道空闲，ＣＷ_data＝int(max(CW_data*(α-θ),CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值，然后跳转到步骤S3。

在一种优选的方案中，步骤S3中，根据节点占用信道总时长t_ocp和其他节点占用信道的总时长t_other调整竞争窗口的具体方法包括以下步骤：

S301：在考虑节点信道状态后，进行衡量信道使用的公平性，判断t_ocp＝0&&t_other！＝0是否成立，若成立，说明信道完全由其他节点占用，需对竞争窗口进行较大减幅，CW_data＝int(max(CW_data/(α+θ),CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值；若不成立，则跳转到步骤S302；

S302：判断t_ocp！＝0&&t_other＝＝0是否成立，若成立，则说明本节点占用节点的时间较长，应增大本节点的竞争窗口，CW_data＝int(min(CW_data*(α+θ),CWmax))，CWmax表示竞争窗口的最大值；若不成立，则跳转到步骤S303；

S303：判断t_ocp！＝0&&t_other！＝0是否成立，若不成立，则CW_data＝CW_data；若成立，则说明属于正常状态，转到步骤S4；

在一种优选的方案中，步骤S4中，根据节点占用信道比重Co对该节点的竞争窗口进行微调的具体方法包括以下步骤：

S401：为衡量节点间的公平性，判断Co>β是否成立，其中，β为节点信道占用比重的调节门限值，若判断成立，则节点占用信道时长相对过长，将竞争窗口进行微调增大，CW_data＝int(min(CW_data+2,CWmax))，CWmax表示竞争窗口的最大值，否则转到步骤S402；

S402：判断Co<＝β&&Co>1/β是否成立，若成立，则说明节点信道占用处于一个均衡水平，整体网络公平性较好，CW_data＝CW_data；若不成立，则说明其他节点占用信道时长相对过大，进行微调以减少本节点的竞争窗口，CW_data＝int(max(CW_data-2,CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明针对于无线传感网SMAC协议的退避机制不能适应网络负载的动态变化的不足，提出一种无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，在该方法中，引入冲突空闲比cf和节点信道占用比重Co两个因子来衡量无线传感网信道占用情况和公平性，根据这两个因子自适应调整无线传感网媒体访问控制协议SMAC的竞争窗口。冲突空闲比cf为一段时间内信道发生冲突和空闲的比值，用于反映信道在此段时间内的拥塞空闲情况。节点信道占用比重Co为一段时间内节点自身占用信道的时间和监听到邻居占用信道的时间的比值，用来权衡节点对信道的使用权的公平性。本发明综合考虑信道状态和公平性，合理调整竞争窗口，能够有效提高网络的吞吐量，减少网络时延以及减少冲突导致的能量消耗，改善网络的整体性能。

附图说明

图1为本发明SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法的流程图。

图2为本发明双因子自适应竞争窗口调整机制示意图。

图3为多跳拓扑下DEACW不同发包间隔的吞吐量变化情况。

图4为多跳拓扑下DEACW不同发包间隔的平均时延变化情况。

图5为多跳拓扑下DEACW不同发包间隔的能量消耗变化情况。

图6为多跳拓扑下DEACW不同发包间隔的能耗效率变化情况。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1-2所示，一种无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，所述方法包括具体步骤：

S1：计算无线传感器网络中各个节点的冲突空闲比cf的值，判断信道状态，用以自适应调整竞争窗口，冲突空闲比cf指的是在一个同步周期内，节点在网络数据传输过程中出现冲突的平均时长t_col和处于空闲的平均时长t_free的比值，即 $cf=\frac{t_{col}}{t_{free}};$

计算无线传感器网络中各个节点的冲突空闲比cf的值的具体方法包括以下步骤：

S101：将无线传感器网络中的各个节点初始化；

S102：判断虚拟簇内一个同步周期长度是否结束，若未结束，则累加本周期当前队列中数据包的缓存，用于一个周期结束后计算平均的队列缓存长度；否则，发送SYNC包以唤醒节点，并自适应调整同步周期长度；

S103：计算冲突空闲比cf的值，判断信道状态，用以自适应调整竞争窗口，cf的计算公式为：

cf＝0.8*cf_meta+0.2*cf，

${\mathrm{cf}}_{meta}=E\&lsqb;{\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n\right)}\&rsqb;=\frac{{\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n\right)}}{syncperiod},$

${\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n\right)}=\mathrm{\&theta;}\&times;{\mathrm{cf}}_{meta}^{\left(n-1\right)}+(1-\mathrm{\&theta;})\&times;\frac{t_{col}^{\left(n\right)}}{t_{free}^{\left(n\right)}},$

其中，cf_meta为冲突空闲比中间值，θ为影响因子，表示历史环境对于参数值的影响程度，syncperiod表示同步周期，表示第n次传输的冲突空闲比中间值，表示第n次传输中出现冲突的平均时长，表示第n次传输中空闲的平均时长。

引入影响因子θ，可以通过人为设定调整θ的大小来决定历史环境对于参数值的影响程度，冲突空闲比中间值cf_meta通过对θ值进行加权计算，能够更好的权衡当前传输与前几次传输之间的影响程度。为了避免传感网络中由于节点竞争窗口的不断改变而产生较大的网络波动，自适应竞争窗口的调节会在一个同步周期结束之后。所以，节点在一个完整的网络数据传输过程中会统计t_free和t_col等数值，直到出现三种情况：节点在接收到最后一个分段的确认字符ACK、请求发送报文RTS已经达到最大的重传次数、数据报文DATA已经达到了最大的重传次数，之后需要t_free和t_col来计算冲突空闲比的中间值cf_meta；在网络数据完整传输过程中要进行统计各种时间参数，在每次网络数据完整传输过程中进行统计t_free、t_col、t_ocp、t_other等数值，统计出冲突空闲比cf，来判断信道状态，进而自适应调整竞争窗口值。

S2：根据节点的冲突空闲比cf判断节点信道使用情况，并根据节点信道使用情况调整竞争窗口；

根据节点信道使用情况调整竞争窗口的具体方法包括以下步骤：

S201：判断冲突空闲比cf>＝B+ω是否成立，若成立，则说明信道拥塞，CW_data＝int(min(CW_data*(α+θ),CWmax))，其中，CW_data表示竞争窗口，CWmax表示竞争窗口的最大值，B为网络比较拥塞且冲突几率较大时的阈值，ω为平滑网络抖动的调节因子，α为固定取值的调节因子，网络负载越大，α取值越大，本实施例中令B+ω＝0.05，α+θ＝1.1，然后跳转到步骤S3；若不成立，则跳转到步骤S202；

为均衡网络的波动，引入调节因子ω，可以人为设置调节因子ω的大小。这样，根据cf的数值判断整体网络冲突情况，分别以乘数、加性、不变和除法形式动态调整竞争窗口，从而减少节点冲突的发生，合理使用信道，增大吞吐量，有效减少能耗。

S202：判断cf<B+ω且cf>＝C+ω是否成立，若成立，则说明信道轻微拥塞，CW_data＝int(min(CW_data+1,CWmax))，其中，C为网络达到饱和吞吐量时冲突空闲比的最优值，本实施例中令C+ω＝0.03，然后跳转到步骤S3；若不成立，则跳转到步骤S203；

S203：判断cf<C+ω且cf>＝C-ω是否成立，若成立，则说明信道良好，CW_data＝CW_data，跳转到步骤3；若不成立，则说明信道空闲，CW_data＝int(max(CW_data*(α-θ),CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值，本实施例中令C-ω＝0.0001，α-θ＝0.9，然后跳转到步骤S3。

S3：根据节点占用信道总时长t_ocp和其他节点占用信道的总时长t_other调整竞争窗口；

根据节点占用信道总时长t_ocp和其他节点占用信道的总时长t_other调整竞争窗口的具体方法包括以下步骤：

S301：在考虑节点信道状态后，进行衡量信道使用的公平性，判断t_ocp＝＝0&&t_other！＝0是否成立，若成立，说明信道完全由其他节点占用，需对竞争窗口进行较大减幅，CW_data＝int(max(CW_data/(α+θ),CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值；若不成立，则跳转到步骤S302；

S302：判断t_ocp！＝0&&t_other＝＝0是否成立，若成立，则说明本节点占用节点的时间较长，应增大本节点的竞争窗口，CW_data＝int(min(CW_data*(α+θ),CWmax))，CWmax表示竞争窗口的最大值；若不成立，则跳转到步骤S303；

S303：判断t_ocp！＝0&&t_other！＝0是否成立，若不成立，则CW_data＝CW_data；若成立，则说明属于正常状态，转到步骤S4；

S4：根据节点占用信道比重Co对该节点的竞争窗口进行微调，其中 $Co=\frac{t_{ocp}}{t_{other}}.$

根据节点占用信道比重Co对该节点的竞争窗口进行微调的具体方法包括以下步骤：

S401：为衡量节点间的公平性，判断Co>β是否成立，其中，β为节点信道占用比重的调节门限值，若判断成立，则节点占用信道时长相对过长，将竞争窗口进行微调增大，CW_data＝int(min(CW_data+2,CWmax))，CWmax表示竞争窗口的最大值，否则转到步骤S402；

S402：判断Co<＝β&&Co>1/β是否成立，若成立，则说明节点信道占用处于一个均衡水平，整体网络公平性较好，CW_data＝CW_data；若不成立，则说明其他节点占用信道时长相对过大，进行微调以减少本节点的竞争窗口，CW_data＝int(max(CW_data-2,CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值。

本发明针对于无线传感网SMAC协议的退避机制不能适应网络负载的动态变化的不足，提出一种无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，在该方法中，引入冲突空闲比cf和节点信道占用比重Co两个因子来衡量无线传感网信道占用情况和公平性，根据这两个因子自适应调整无线传感网媒体访问控制协议SMAC的竞争窗口。冲突空闲比cf为一段时间内信道发生冲突和空闲的比值，用于反映信道在此段时间内的拥塞空闲情况。节点信道占用比重Co为一段时间内节点自身占用信道的时间和监听到邻居占用信道的时间的比值，用来权衡节点对信道的使用权的公平性。本发明综合考虑信道状态和公平性，合理调整竞争窗口，能够有效提高网络的吞吐量，减少网络时延以及减少冲突导致的能量消耗，改善网络的整体性能。

本发明方法在进行NS2仿真实验时选取多跳传输拓扑场景或节点密集拓扑等场景，可采用恒定比特流CBR(Constant Bit Rate)模型产生网络数据流，可采用UDP协议(User Datagram Protocol)作为传输层代理，以发包间隔的大小来模拟网络负载状况，发包间隔越小，则说明节点在单位时间发送的数据更多，网络负载越大。对于使用多跳拓扑结构来模拟仿真实验，拓扑结构可由10个节点构成，每节点之间的间距为200m，则数据每转发一次就需要进行一跳。

图3-6为本发明方法的仿真结果图。本发明SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法DEACW相对于SMAC在总体时延上性能有所提升，在负载较重时，DEACW能依据网络的冲突状况和信道的公平性进行竞争窗口的调整，减少相同时间内竞争节点的数量，从而减少冲突概率、降低时延而增大吞吐量。DEACW在负载较轻时，能够很好的减少发送数据和空闲侦听的能耗；而在负载较重时，能够降低节点的空闲时长从而减少空闲侦听的时长，因此会减少单位数据的能耗。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，其特征在于，所述方法包括具体步骤：

S1：计算无线传感器网络中各个节点的冲突空闲比cf的值，冲突空闲比cf指的是在一个同步周期内，节点在网络数据传输过程中出现冲突的平均时长t_col和处于空闲的平均时长t_free的比值，即

S2：根据节点的冲突空闲比cf判断节点信道使用情况，并根据节点信道使用情况调整竞争窗口；

S3：根据节点占用信道总时长t_ocp和其他节点占用信道的总时长t_other调整竞争窗口；

S4：根据节点占用信道比重Co对该节点的竞争窗口进行微调，其中 

2.根据权利要求1所述的无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，其特征在于，步骤S1中，计算无线传感器网络中各个节点的冲突空闲比cf的值的具体方法包括以下步骤：

S101：将无线传感器网络中的各个节点初始化；

S102：判断虚拟簇内一个同步周期长度是否结束，若未结束，则累加本周期当前队列中数据包的缓存，用于一个周期结束后计算平均的队列缓存长度；否则，发送SYNC包以唤醒节点，并自适应调整同步周期长度；

S103：计算冲突空闲比cf的值，cf的计算公式为：

cf＝0.8*cf_meta+0.2*cf，

其中，cf_meta为冲突空闲比中间值，θ为影响因子，表示历史环境对于参数值的影响程度，syncperiod表示同步周期，表示第n次传输的冲突空闲比中间值，表示第n次传输中出现冲突的平均时长，表示第n次传输中空闲的平均时长。

3.根据权利要求1所述的无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，其特征在于，步骤S2中，根据节点信道使用情况调整竞争窗口的具体方法包括以下步骤：

S201：判断冲突空闲比cf>＝B+ω是否成立，若成立，CW_data＝int(min(CW_data*(α+θ),CWmax))，其中，CW_data表示竞争窗口，CWmax表示竞争窗口的最大值，B为网络比较拥塞且冲突几率较大时的阈值，ω为平滑网络抖动的调节因子，α为固定取值的调节因子，网络负载越大，α取值越大，跳转到步骤S3；若不成立，则跳转到步骤S202；

S202：判断cf<B+ω且cf>＝C+ω是否成立，若成立，CW_data＝int(min(CW_data+1,CWmax))，其中，C为网络达到饱和吞吐量时冲突空闲比的最优值，跳转到步骤S3；若不成立，则跳转到步骤S203；

S203：判断cf<C+ω且cf>＝C-ω是否成立，若成立，CW_data＝CW_data，跳转到步骤3；若不成立，CW_data＝int(max(CW_data*(α-θ),CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值，然后跳转到步骤S3。

4.根据权利要求1所述的无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，其特征在于，步骤S3中，根据节点占用信道总时长t_ocp和其他节点占用信道的总时长t_other调整竞争窗口的具体方法包括以下步骤：

S301：判断t_ocp＝＝0&&t_other！＝0是否成立，若成立，CW_data＝int(max(CW_data/(α+θ),CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值；若不成立，则跳转到步骤S302；

S302：判断t_ocp！＝0&&t_other＝＝0是否成立，若成立，CW_data＝int(min(CW_data*(α+θ),CWmax))，CWmax表示竞争窗口的最大值；若不成立，则跳转到步骤S303；

S303：判断t_ocp！＝0&&t_other！＝0是否成立，若不成立，则CW_data＝CW_data；若成立，转到步骤S4。

5.根据权利要求1所述的无线传感网SMAC协议的双因子自适应竞争窗口调整方法，其特征在于，步骤S4中，根据节点占用信道比重Co对该节点的竞争窗口进行微调的具体方法包括以下步骤：

S401：判断Co>β是否成立，其中，β为节点信道占用比重的调节门限值，若判断成立，将竞争窗口进行微调增大，CW_data＝int(min(CW_data+ 2,CWmax))，CWmax表示竞争窗口的最大值，否则转到步骤S402；

S402：判断Co<＝β&&Co>1/β是否成立，若成立，CW_data＝CW_data；若不成立，进行微调以减少本节点的竞争窗口，CW_data＝int(max(CW_data-2,CWmin))，CWmin表示竞争窗口的最小值。