CN105163394A - 用于无线传感器网络的服务感知sq-mac协议的实现方法 - Google Patents
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Abstract
用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，采用周期工作机制，一个周期包括同步阶段、分配阶段和数据阶段。本发明有益效果：本发明所述的SQ-MAC协议的实现方法在时隙分配的过程中通过伪调度机制实现无碰撞通信并且为高优先级业务提供更多的时隙用于数据传递；在信道竞争过程中采用自适应退避机制为高优先级业务提供较低的竞争窗口；在数据调度的过程中使用虚拟多队列公平调度机制保障高优先级业务的服务质量要求；从而使高优先级业务数据占用的更多的网络资源。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术，具体地说是用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法。
背景技术
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统。
随着科学技术的发展，WSN的相关技术日益成熟，由传统WSN所获取的简单数据，已经不能满足人们的全面需求，业务类型的多样化成为WSN的一个发展方向，但大多数传统MAC协议都假定使用单一的尽力而为(BestEffort,BE)数据传输模型，多种业务类型公平的竞争网络资源，缺乏对不同业务类型进行区分服务的功能，不利于服务质量要求较高的业务类型传输，所以研究服务感知MAC协议具有相对积极的意义。
根据信道的分配方式，WSN的MAC协议通常可分为竞争类、调度类以及混合类。文献提出一种基于竞争的服务感知MAC协议，具有较好的动态适用性，但节点之间没有任何时间同步机制，容易出现节点早睡和空闲侦听的问题，而且数据队列存在不公平的问题，低优先级队列的数据会容易遭受较大的时延。文献提出一种基于调度的服务质量感知MAC协议，能够保障业务类型的服务质量，但子节点由它们的父节点进行时间同步，同步错误容易出现叠加，且不适用于大型WSN。文献提出混合类MAC协议，I-MAC，只需要轻量级的时间同步，并且使用了一种新的时隙调度算法提高了网络性能，但在动态环境中更新邻居信息和进行时隙分配是个巨大的挑战。
此外研究得知，能耗是WSN的首要考虑因素，所以在MAC协议的设计过程中除过考虑相关应用的要求外，还要考虑节能。S-MAC是第一个针对WSN的节能需求而提出的MAC协议，针对节点无关消耗的一些主要因素（空闲监听、冲突、串音等）采取了虚拟簇、CSMA/CA、周期性侦听/睡眠等机制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，通过自适应退避机制、伪调度机制、虚拟多队列公平调度机制使MAC协议在具有区分服务功能的同时，实现了低碰撞、低功耗和自适应的优点。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，采用周期工作机制，一个周期包括同步阶段、分配阶段和数据阶段；
在同步阶段，节点利用同步帧的交换形成虚拟簇，在网络初始化完成后，通过节点定期广播自己的同步帧，维持同一虚拟簇的时间同步；
在分配阶段，需要发送数据的节点与对应的目的节点通过交换对应的RTSn/CTSn完成时隙分配，其中使用的时隙数S由用户根据网络的节点密度进行设定，而分配阶段的时间长度与时隙数S成正比；在网络空载的情况下，协议预定了节点在网络无碰撞并且信道环境良好的理想情况下从竞争信道到成功发送RTSn所需的最长时间：T hall ，不需要发送数据的节点如果侦听到信道持续T hall 空闲，转入睡眠。
在数据阶段，协议将数据阶段分割成一系列大小相同的时隙，即数据阶段的时间长度等于时隙数S与时隙长度T st 的乘积；预约时隙成功的节点在对应的时隙唤醒进行数据交换；协议预定了一个控制帧等待时间：T wc ，为节点在理想情况下发送RTS/CTS控制帧所需的时间，若时隙预约失败，源节点在发送RTS后和目的节点在唤醒后需要对信道保持T wc 时间的空闲侦听，如果信道持续空闲，节点转入睡眠。
本发明所述的SQ-MAC协议采用伪调度机制、自适应退避机制和虚拟多队列公平调度机制进行管理。
本发明所述的伪调度机制为节点在分配阶段通过交换RTSn/CTSn完成时隙分配，每组相关节点拥有单独的时隙，从而实现在数据阶段的理论上的无碰撞通信。
本发明所述的自适应退避机制为节点根据业务和通信环境的不同在信道竞争过程中对竞争窗口（ContentionWindow,CW）进行调整；
所述的节点使用的调整过的竞争窗口进行信道竞争发送RTSn。
所述的虚拟多队列公平调度机制分为多队列机制和公平调度机制两部分；
所述的多队列机制为节点使用多数据队列的结构管理进入队列的数据包；
所述的公平调度机制数据为队列进行数据包的调度。
本发明所述的RTSn/CTSn为协议在分配阶段为实现时隙分配而定义的控制帧，包含节点所选时隙的信息。
本发明的有益效果是：本发明所述的SQ-MAC协议的实现方法在时隙分配的过程中通过伪调度机制实现无碰撞通信并且为高优先级业务提供更多的时隙用于数据传递；在信道竞争过程中采用自适应退避机制为高优先级业务提供较低的竞争窗口；在数据调度的过程中使用虚拟多队列公平调度机制保障高优先级业务的服务质量要求；从而使高优先级业务数据占用的更多的网络资源。
附图说明
图1为本发明SQ-MAC的周期工作机制图；
图2为本发明定义的RTSn/CTSn控制帧结构图；
图3本发明数据阶段时隙的区域划分图；
图4为单数据队列构造图；
图5为多数据队列构造图；
图6为多跳交叉网络拓扑图；
图7为本发明实施例部分仿真参数设置表；
图8为本发明实施例中数据包的平均递送率仿真结果图；
图9为本发明实施例中数据包的平均时延仿真结果图；
图10为本发明实施例中网络的平均总能耗仿真结果图；
图11为本发明随机退避算法的马尔科夫模型。
具体实施方式
如图所示，用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，采用周期工作机制，一个周期包括同步阶段、分配阶段和数据阶段；
在同步阶段，节点利用同步帧的交换形成虚拟簇，在网络初始化完成后，通过节点定期广播自己的同步帧，维持同一虚拟簇的时间同步；
在分配阶段，需要发送数据的节点与对应的目的节点通过交换对应的RTSn/CTSn完成时隙分配，其中使用的时隙数S由用户根据网络的节点密度进行设定，而分配阶段的时间长度与时隙数S成正比；在网络空载的情况下，协议预定了节点在网络无碰撞并且信道环境良好的理想情况下从竞争信道到成功发送RTSn所需的最长时间：Thall，不需要发送数据的节点如果侦听到信道持续Thall空闲，转入睡眠。
在数据阶段，协议将数据阶段分割成一系列大小相同的时隙，即数据阶段的时间长度等于时隙数S与时隙长度Tst的乘积；预约时隙成功的节点在对应的时隙唤醒进行数据交换；协议预定了一个控制帧等待时间：Twc，为节点在理想情况下发送RTS/CTS控制帧所需的时间，若时隙预约失败，源节点在发送RTS后和目的节点在唤醒后需要对信道保持Twc时间的空闲侦听，如果信道持续空闲，节点转入睡眠。
进一步，所述的RTSn/CTSn为协议在分配阶段为实现时隙分配而定义的控制帧，包含节点所选时隙的信息。
所述的SQ-MAC协议采用伪调度机制、自适应退避机制和虚拟多队列公平调度机制进行管理。
进一步，所述的伪调度机制为节点在分配阶段通过交换RTSn/CTSn完成时隙分配，每组相关节点拥有单独的时隙，从而实现在数据阶段的理论上的无碰撞通信。
进一步，所述的自适应退避机制为节点根据业务和通信环境的不同在信道竞争过程中对竞争窗口（ContentionWindow,CW）进行调整；
进一步，所述的节点使用的调整过的竞争窗口进行信道竞争发送RTSn。
进一步，所述的虚拟多队列公平调度机制分为多队列机制和公平调度机制两部分；
进一步，所述的多队列机制为节点使用多数据队列的结构管理进入队列的数据包；
进一步，所述的公平调度机制数据为队列进行数据包的调度。
由于高优先级的流媒体业务（以下用RT表示）对服务质量的要求较高，如果高优先级的流媒体业务拥有更多的时隙就会获得更多的发送机会，它的延迟、递送率等性能指标也会随之上升，本发明将数据阶段的时隙分为如图3所示的两部分：第一部分的时隙只分配给高优先级的流媒体业务使用，而在第二部分时隙高优先级的流媒体业务与低优先级的非实时业务（以下用NRT表示）都可以使用，也就是说高优先级的流媒体业务最多可以使用S个时隙，而低优先级的非实时业务最多只能使用C(S>C)个时隙，SQ-MAC协议根据应用的相关要求对不同业务类型占用时隙的比例进行划分。
伪调度机制简要工作过程如下所示，在分配阶段，需要发送数据的节点首先根据业务类型初始化时隙数X（业务类型对应的第一个可用时隙），这样节点的可预约时隙范围为[X,S]，在侦听到其他节点的RTSn/CTSn后根据记录的信息进行判断：
1、检查控制帧记录的源节点和目的节点是否为自己的目的节点，如果是放弃本次时隙分配；
2、检查控制帧记录的目的节点是否为自己当前所属虚拟簇的节点，如果是就将控制帧记录的时隙数从当前可预约时隙中删除，如果当前可预约时隙数为0，节点放弃本次时隙预约。
节点成功接入信道后，将预约当前可预约时隙中最小的时隙，如果接收到目的地址为自己的RTSn，就发送对应的CTSn。
进一步，自适应退避机制为节点根据业务和通信环境的不同在信道竞争过程中对竞争窗口（ContentionWindow,CW）进行调整。
对采用CSMA/CA机制的竞争类MAC协议而言，源节点在竞争信道时需要使用CW进行随机退避，也就是说，节点接入信道的概率受到随机退避时CW大小的影响，节点的CW越小，节点越容易接入信道。SQ-MAC通过为不同优先级的业务设定不同大小的CW实现区分服务，此外，WSN的业务应用一般具有突发性，这就要求MAC协议要具有较好的动态适应能力，为此本发明针对高优先级的流媒体业务和低优先级的非实时的业务类型提出相对应的自适应CW算法。考虑到分配阶段的时间长度有限，节点在随机退避期间，如果侦听到其他节点发送的RTSn/CTSn，并不重置自己的退避计时器，而是暂时冻结退避计时器，经过伪调度机制分析后，如果需要继续竞争信道且分配阶段未结束，则在信道空闲后，恢复退避计时器。
算法1：竞争窗口（即CW）自适应算法伪代码:
1:CWcur=[CWmax+CWmin/2]
2:ObservetheresultofRTSnsend
3:IfRTSnSuccess
CWmod=int[rand[RTdown,1]]*(CWmin-CWcur)]
CWmod=int[rand[0,NRTdown]]*(CWmin-CWcur)]
4:IfRTSnFail
CWmod=int[rand[0,RTup]]*(CWmax-CWcur)]
CWmod=int[rand[NRTup,1]]*(CWmax-CWcur)]
5:CWcur=CWcur+CWmod
其中Cwcur为CW的当前值，Cwmin为CW的最小值，Cwmax为CW的最大值，节点根据每次在分配阶段RTSn的发送结果对CWcur进行动态调整，其中RTdown>NRTdown，RTup<NRTup，也就是说针对高优先级RT业务的CW增长的慢，减少的快，而针对低优先级NRT业务的CW增长的快，减少的慢，发送RT业务的节点始终拥有相对较高的概率接入信道。
进一步，虚拟多队列公平调度机制分为多队列机制和公平调度机制两部分。
协议将不同的业务类型划分为不同的优先级，我们可以选择将所有的业务放在同一个数据队列或者为每个业务提供单独的数据队列。如果使用如图4所示的单队列会出现队列过长的现象，节点需要消耗多余的资源进行管理。针对单队列调度的缺点，SQ-MAC协议采用如图5所示的虚拟多队列机制进行数据包管理，此外，协议使用先入先出队列规则，不需要进行数据包的检索。
在数据包调度过程中，节点如果每次都选取高优先级业务，会严重影响低优先级业务的延时和递送率，为此SQ-MAC根据数据包进入队列的时间，提出了一种公平数据调度机制。节点根据数据包的权重大小确定下一个发送的数据包。
算法2：数据队列权重算法伪代码
1:Recordthetimeofthedatapacketintothequeue(IT)
2:Weight=DW*IT
3:Checktheweightoffirstpacketineachqueue
4:Sendtheminimumweightofpacket
其中IT为数据进入队列时的时间，DW为协议为不同业务设定的队列变量，DW(RT)<DW(NRT)，所以该算法既保障RT业务优先级的同时，避免NRT业务出现过度延迟的现象。
SQ-MAC协议性能理论分析
下面通过数学模型分析SQ-MAC递送率、时延、能耗等主要性能指标，在理论上分析该协议的性能。
递送率
在分配阶段SQ-MAC通过竞争接入信道进行时隙分配，从而实现在数据阶段的无碰撞数据交换，因此本节通过研究节点在发送RTSn/CTSn控制帧进行时隙预约时的退避过程，从而分析协议的递送率。
假设网络内w个传感器节点，信道条件理想，并且网络处于饱和状态（每个节点的队列中都有待发送的数据包）。论文假定时间t为单个退避时隙的时间长度，使用随机变量表示在t时刻CW尺寸大小，b(t)表示在t时刻CW的当前值，从而构建二维离散时间Markov链。其余参数定义如下所示：
k：CW的当前值；
c：CW随机变化后的尺寸大小，为一个不确定数；
a：CW发生随机变化的次数，为一个不确定数；
m：CW的最大值，m=CWmax；
n：CW的最小值，n=CWmin。
定义控制帧失败概率P：节点发送控制帧失败的概率，由于假定信道条件良好，所以接入信道发送失败的原因主要是因为分组碰撞，本文默认为一个常量。本节对节点的随机退避机制进行建模，如图11所示。在这个Markov链中，节点的状态由整数对定义，描述为如下:
控制帧发送前：
(1)
表示从状态到状态的转移概率，式(1)表示退避计时器在每个时刻t开始的时候减1。
控制帧发送后：
（2）
（3）
（4）
（5）
式(2)表示控制帧发送成功，c随机减少，k的值等概率的从选取。式（3）表示控制帧发送失败，c随机增加，k的值等概率的从选取。式（4）表示控制帧发送失败，但c已经到达最大值，k的值等概率的从选取。式（5）表示控制帧发送成功，但c已经到达最小值，k的值等概率的从选取。
由马尔科夫链的各态遍历性可知的平稳分布就是极限分布，所以定义极限分布：
（6）
为的平稳分布，则满足以下性质：
（7）
（8）
，（9）d为CW发生随机变化的次数，为一个不确定数。
根据马尔科夫链的正则性，可得的表达式：
（10）
将Markov归一化，所有的由和P表示，所以与P的关系式：
（11）
定义控制帧发送成功概率q：在网络稳定的状态下节点在随机选取的退避时隙发送控制帧的概率，理论上q等于节点在各个退避阶段的退避计时器递减为0并成功发送控制帧的概率之和。
（12）
这样的话，如果该网络内有w个节点，节点发送控制帧失败的概率等于在当前时隙剩余（w/m）-1个节点中至少有一个节点发送控制帧的概率，即控制帧发送失败的概率P为：
（13）
数据包的传输过程就是由节点间的转发完成的，所以数据包的递送率由单个节点发送数据包的递送率决定。节点在分配阶段完成时隙分配后，在数据阶段理论上实现无碰撞数据交换，所以节点发送数据的递送率由节点发送RTSn/CTSn控制帧的递送率q决定。对不同业务类型而言，由于RTdown>NRTdown，RTup<NRTup，即在CW增长过程中RT业务的d要大于NRT业务的d，而在CW减少过程中RT业务的d要小于NRT业务的d，所以P RT <P NRT ，即RT业务的递送率要大于NRT业务的递送率。
时延
本文假定在数据阶段实现无碰撞，数据包端到端时延就等于从数据包成功进入源节点数据队列到目的节点成功接收数据包之间的时间。
对RT业务而言，时延表达式如式（14）所示，其中，为RT业务的队列延迟；z为RTSn控制帧重传上限；T sync 为节点在同步阶段所需的时间；为工作周期时间长度；T st 为时隙时间长度。
（14）
对RT业务而言，时延表达式如式（15）所示，其中，为NRT业务的队列延迟。
（15）
由于协议采用了优先级队列，所以节点在进行数据调度时，RT业务与NRT业务相比，更容易被发送，即，此外根据伪调度机制的分析，得知。对比式（14）与式（15），发现不同优先级业务的时延也不相同，即。
能耗
节点最主要的无关能耗是空闲侦听，因此本节通过分析节点侦听时间来评估SQ-MAC的能耗。
在网络理想的情况下，对SA-MAC协议进行分析，其侦听时间如式（16）所示，其中，为节点在分配阶段所消耗的时间，包括侦听，退避和接收发送RTSn/CTSn的时间。
(16)
在网络空载的情况下，，因此节点的侦听时间为：
(17)
在网络饱和的情况下，发送单个数据包节点需要进行空闲侦听的总时间为:
(18)
分析得知，对不同优先级业务类型而言，能耗也不相同，在网络空载的情况下，由于节点只进行T hall 时间的空闲侦听，所以。在网络饱和的情况下，由于，所以。
实施例
为进一步研究SQ-MAC协议的性能，本文利用网络模拟软件NS2对SQ-MAC协议的性能进行仿真验证。本文采用如图6所示的多跳交叉网络拓扑：这种拓扑实际就是将两个多跳的链状网络拓扑进行正交叠加，主要用于考察MAC避免和分解数据报文碰撞的能力。
在仿真中，源节点产生的为CBR业务流，并不停地向SINK节点发送，并假定在多跳交叉网络中两个源节点产生的业务是同时发生的，网络的路径长度即跳数为6，通过改变CBR流的业务到达时间间隔改变网络负载，业务到达时间间隔从1s变化到10s，表明数据量由高到低，设定时隙数S=6，C=3，其他参数如图7所示。
图8描述了数据包的平均递送率的变化，从图中发现在发送间隔较小时，由于SQ-MAC减少了节点在进行数据交换时发生数据碰撞的概率，所以SQ-MAC-RT与S-MAC相比提高了近180%。由于RT业务与NRT业务相比，拥有更多的时隙可以用来进行数据发送，所以在网络负载较大的情况下NRT业务更容易被节点的队列丢弃，因此RT业务的递送率比NRT业务提高了近15%，随着发送间隔的增加，网络的负载逐渐减少，所有业务的递送率趋近一致。
图9描述了数据包平均时延的变化，从图中发现，与S-MAC相比，由于SQ-MAC将数据交换的过程平均到了整个数据阶段，在同样的时间内SQ-MAC可以发送更多的数据，所以SQ-MAC-RT的时延减少了近60%。由于RT业务与NRT业务相比，接入信道的概率更高，可用时隙的数量更多，时隙更靠前，所以RT业务的时延要比NRT业务减少了近25%。
从图10描述的网络平均总能耗的仿真结果中发现，与S-MAC相比，由于SQ-MAC使不需要进行数据交换的节点在数据阶段进入了睡眠状态，从而减少了节点空闲侦听的时间，所以SQ-MAC-RT减少了大约20%的能耗，此外RT业务与NRT业务相比，在网络负载一定的情况下，节点为了尽快发送RT业务，比NRT业务进行了更多次数的信道接入，更多时间的空闲侦听，所以RT业务的能耗要比NRT业务高出了近18%。
本发明在S-MAC的基础上提出一种新的服务感知MAC协议：SQ-MAC，该协议通过自适应退避机制、伪调度机制和虚拟多队列公平调度机制使MAC协议在具有区分服务功能的同时，实现了低碰撞、低功耗和自适应的优点。本发明通过理论分析和仿真实验证明了SQ-MAC在报文递送率、时延和能量消耗等方面均优于S-MAC。
Claims (6)
1.用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，其特征在于：采用周期工作机制，一个周期包括同步阶段、分配阶段和数据阶段；
在同步阶段，节点利用同步帧的交换形成虚拟簇，在网络初始化完成后，通过节点定期广播自己的同步帧，维持同一虚拟簇的时间同步；
在分配阶段，需要发送数据的节点与对应的目的节点通过交换对应的RTSn/CTSn完成时隙分配，其中使用的时隙数S由用户根据网络的节点密度进行设定，而分配阶段的时间长度与时隙数S成正比；在网络空载的情况下，协议预定了节点在网络无碰撞并且信道环境良好的理想情况下从竞争信道到成功发送RTSn所需的最长时间：T hall ，不需要发送数据的节点如果侦听到信道持续T hall 空闲，转入睡眠；
在数据阶段，协议将数据阶段分割成一系列大小相同的时隙，即数据阶段的时间长度等于时隙数S与时隙长度T st 的乘积；预约时隙成功的节点在对应的时隙唤醒进行数据交换；协议预定了一个控制帧等待时间：T wc ，为节点在理想情况下发送RTS/CTS控制帧所需的时间，若时隙预约失败，源节点在发送RTS后和目的节点在唤醒后需要对信道保持T wc 时间的空闲侦听，如果信道持续空闲，节点转入睡眠。
2.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的RTSn/CTSn为协议在分配阶段为实现时隙分配而定义的控制帧，包含节点所选时隙的信息。
3.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的SQ-MAC协议采用伪调度机制、自适应退避机制和虚拟多队列公平调度机制进行管理。
4.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的伪调度机制为节点在分配阶段通过交换RTSn/CTSn完成时隙分配，每组相关节点拥有单独的时隙，从而实现在数据阶段的理论上的无碰撞通信。
5.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的自适应退避机制为节点根据业务和通信环境的不同在信道竞争过程中对竞争窗口（ContentionWindow,CW）进行调整；
所述的节点使用的调整过的竞争窗口进行信道竞争发送RTSn。
6.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的服务感知SQ-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的虚拟多队列公平调度机制分为多队列机制和公平调度机制两部分；
所述的多队列机制为节点使用多数据队列的结构管理进入队列的数据包；
所述的公平调度机制数据为队列进行数据包的调度。
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