CN105208671B - 用于无线传感器网络的高信道利用率h-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高信道利用率H‑MAC协议的实现方法，所述H‑MAC协议将节点持续发送短前导的最长时间Tsl作为一个时间区间，并将其分割成不断循环的前导部分和预约部分。本发明有益效果：本发明所述的H‑MAC协议采用低功耗侦听技术(LPL)与随机退避机制相结合的新的信道竞争机制，提高信道利用率；利用随机唤醒机制决定节点的工作时间表，减少数据碰撞的概率；采用唤醒时刻预测机制预测目的节点的唤醒时刻，减少节点的空闲侦听时间。

Description

用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法
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高信道利用率H-MAC协议的实现方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一个由传感器节点组成的多跳自组织网络系统，目前广泛应用于应用军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域[1]。信道接入协议(Media Access Control, MAC)控制通信模块的工作，对上层协议有着决定性的影响，所以通过改进MAC协议来优化通信模块的工作，是提高WSN网络性能的一条较好的途径。
根据协议对时钟的要求，MAC协议可以分为同步类和异步类。同步类MAC协议要求在WSN内实现一定程度的时间同步，如S-MAC需要实现同一虚拟簇的时间同步，而TDMA需要实现整个WSN的时间同步。同步类MAC协议一般具有较好的网络性能，但时间同步算法一般比较复杂，导致网络的扩展性较差并额外增加了网络的能耗。
异步类MAC协议对时间同步没有任何要求，此类MAC协议通常采用低功耗侦听技术(Low Power Listening, LPL)进行信道占用。LPL也就是前导采样机制，B-MAC首先使用LPL技术实现低功耗通信，并采用空闲信道评估机制(Clear Channel Assessment, CCA)进行信道裁决，源节点在发送数据包前需要先发送一段固定长度的前导，如果目的节点唤醒后侦听到前导，则保持活跃状态，直到接收到数据或信道变得再次空闲为止，B-MAC不需要任何时间同步信息，但存在着前导过长和邻居节点串音等问题。针对B-MAC前导长度固定的问题，X-MAC将B-MAC的长前导修改为一系列固定间隙的短前导，并利用由接收节点主动发送提前ACK进行数据交换的方法进一步减少前导的长度，X-MAC明显减少了前导的长度，经过仿真验证其传输性能优于B-MAC，但X-MAC在网络流量较大时，对网络的信道利用率较低。
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高信道利用率H-MAC协议的实现方法，提高信道利用率，在优化数据递送率和时延的前提下，降低网络能耗。
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高信道利用率H-MAC协议的实现方法，所述H-MAC协议将节点持续发送短前导的最长时间Tsl作为一个时间区间，并将其分割成不断循环的前导部分和预约部分；
所述前导部分包括侦听时隙Tcs、竞争时隙Tco和前导发送时隙Tpr，所述侦听时隙Tcs为用于节点侦听载波，以确认信道是否空闲所需的时间，竞争时隙Tco为节点随机退避竞争信道所需的时间，前导发送时隙Tpr为节点用来发送短前导所需的时间；
所述预约部分包括侦听时隙Tcs和提前ACK发送时隙Tac，所述提前ACK发送时隙Tac为节点用来发送ACK所需的时间。
本发明所述的前导部分为需要发送数据的节点经过竞争发送包含目的节点信息的短前导所需要的时间，预约部分为节点侦听到目的节点为自己的短前导时，回复包含自身节点信息的提前ACK消息所需要的时间。
本发明不需要发送数据的节点不需要执行前导部分，在唤醒后进行信道侦听。
本发明所述的H-MAC协议采用随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的新的信道竞争机制、随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制。
本发明所述的新的信道竞争机制为节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)进行信道竞争；
本发明所述的节点发送连续短前导竞争信道，在没有接收到其他节点的短前导之前，不需要进行随机退避，在接收到其他短前导后，对预约部分进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导时隙进行信道竞争，即前导部分和预约部分的时间可变。
本发明所述的随机唤醒机制为节点以自己的ID作为随机数种子(seed)，并使用如下所示的公式生成对应的唤醒时刻序列w(t)：
R(t)=rand(seed),R(t)∈[0,1]，W(t)= Tsl*(t-1)+ Tsl*R(t),
其中t为序列的项数，在每次随机唤醒后增加1,节点在初始化完成后，根据W(t)记录的唤醒时刻进行随机唤醒。
本发明所述的唤醒时刻预测机制为节点利用邻居列表预测对应的目的节点的唤醒时刻。
本发明的有益效果是：本发明所述的H-MAC协议采用低功耗侦听技术(LPL)与随机退避机制相结合的新的信道竞争机制，提高信道利用率；利用随机唤醒机制决定节点的工作时间表，减少数据碰撞的概率；采用唤醒时刻预测机制预测目的节点的唤醒时刻，减少节点的空闲侦听时间。
附图说明
图1为本发明H-MAC协议的时序图；
图2为本发明信道占用流程图；
图3为随机唤醒机制示意图；
图4为本发明实施例部分仿真参数设定表；
图5为本发明实施例采用的单跳网络拓扑图；
图6为本发明实施例采用的多跳网络拓扑图；
图7为单跳拓扑网络中递送率的变化图；
图8为多跳拓扑网络中递送率的变化图；
图9为单跳拓扑网络中时延的变化图；
图10为多跳拓扑网络中时延的变化图；
图11为单跳拓扑网络中能耗的变化图；
图12为多跳拓扑网络中能耗的变化图。
具体实施方式
如图1 所示，用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述H-MAC协议将节点持续发送短前导的最长时间Tsl作为一个时间区间，并将其分割成不断循环的前导部分和预约部分；
所述前导部分包括侦听时隙Tcs、竞争时隙Tco和前导发送时隙Tpr，所述侦听时隙Tcs为用于节点侦听载波，以确认信道是否空闲所需的时间，竞争时隙Tco为节点随机退避竞争信道所需的时间，前导发送时隙Tpr为节点用来发送短前导所需的时间；
所述预约部分包括侦听时隙Tcs和提前ACK发送时隙Tac，所述提前ACK发送时隙Tac为节点用来发送ACK所需的时间。
进一步，所述的前导部分为需要发送数据的节点经过竞争发送包含目的节点信息的短前导所需要的时间，预约部分为节点侦听到目的节点为自己的短前导时，回复包含自身节点信息的提前ACK消息所需要的时间。
进一步，不需要发送数据的节点不需要执行前导部分，在唤醒后进行信道侦听。
进一步，所述的H-MAC协议采用随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的新的信道竞争机制、随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制。
进一步，所述的新的信道竞争机制为节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)进行信道竞争；
进一步，所述的节点发送连续短前导竞争信道，在没有接收到其他节点的短前导之前，不需要进行随机退避，在接收到其他短前导后，对预约部分进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导时隙进行信道竞争，即前导部分和预约部分的时间可变。
进一步，所述的随机唤醒机制为节点以自己的ID作为随机数种子(seed)，并使用如下所示的公式生成对应的唤醒时刻序列w(t)：
R(t)=rand(seed),R(t)∈[0,1]，W(t)= Tsl*(t-1)+ Tsl*R(t),
其中t为序列的项数，在每次随机唤醒后增加1,节点在初始化完成后，根据W(t)记录的唤醒时刻进行随机唤醒。
进一步，所述的唤醒时刻预测机制为节点利用邻居列表预测对应的目的节点的唤醒时刻。
信道竞争机制中节点的简要竞争过程如图2所示，需要发送数据的节点在睡眠时间结束后，唤醒发送短前导，在预约部分侦听到目的节点的提前ACK后，发送数据，然后进入睡眠；由于时间不同步，节点在任何时刻都可能接收到其他节点的短前导，如果侦听到目的地址为自己的短前导后，在发送提前ACK后，等待接收数据；考虑到可能出现多个节点发送短前导的情况，并且Tpr为固定值，所以节点在侦听到其他节点发送的短前导消息后，对所处的时隙进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导部分进行信道竞争。节点在预约部分保持Tac(Tac>Tpr)时间的空闲侦听以保障接收到提前ACK或者短前导；
不需要发送数据的节点唤醒后对信道进行空闲侦听，在侦听到目的地址为自己的短前导后，发送提前ACK后等待接收数据。节点需要保持空闲侦听直到接收到其他节点的提前ACK；
由于节点可能失效和网络空载，规定节点只需要进行Tsl时间的信道竞争或者空闲侦听。考虑到隐藏节点可能会干扰源节点数据的发送，为此H-MAC采用快速重传机制，源节点在发送完数据包后，需要进行略大于Tcs时间的空闲侦听，如果侦听到信道忙碌，则保持侦听，如果再次接收到目的节点的提前ACK，就进行数据重传。目的节点在等待数据超时后，进行Tcs时间空闲侦听，如果信道空闲，直接发送提前ACK并等待接收数据。
为准确预测邻居节的唤醒时刻，节点维持了一个邻居列表，其中包含4个变量，随机数序列R(t)，由于处理器产生的随机数是由固定的公式生成的一系列伪随机数列，所以节点能够根据邻居节点的seed推测出其R(t)；邻居节点随机唤醒时刻信息：T last ，初始化值为0；T last 时刻邻居节点对应的项数tb以及本地节点为邻居节点记录的当前项数tc，其中tb初始化值为0，tc初始化值为本地节点的项数tt。
H-MAC在提前ACK消息和数据包中加入了本节节点当前项数tt的信息和下一个唤醒时刻W(tt)与发送该消息的时刻之间的差值：T ex ，如果T ex <T da ，那么消息中包含的tt和T ex 将修改为(tt+1)和W(tt+1)对应的差值。
节点根据本地观测实时对邻居列表的各项参数进行更新，其规则如下：
1.侦听到提前ACK消息后，无论其目的节点是否为自己，根据其记录的源节点，对对应的邻居节点进行更新，T last =T cur +T ex -T ac ，其中T cur 为节点接收到该消息时的本地时间；tb=tc=tt。
2.数据交换完成后，T last =T cur +T ex -T da ，其中T da 为节点发送数据所需的时间，tb=tc =tt。
3.当节点到达T last 时刻，对应的tc加1，然后以邻居节点对应的T last 作为定时器的起点，以T sl (1-R(tc-1)+R(tc)) 作为定时器的基准，每当定时器超时就将邻居节点的tc加1。
节点需要向某个邻居节点发送数据时，利用算法1所示的伪代码预测目的节点的唤醒时间，其中为考虑到时钟漂移等因素预设定的值，其大小为的倍数；Re为数据包重传次数。
算法1 唤醒时刻预测算法定理
1: Check the information of destination node
2:If tc=tb
Twake= Tlast-Tcd *Re
3: else
Twake =Tlast+(Tsl-Tsl*R(tb))+Tsl*(tc-tb-1)+Tsl*R(tc)-Tcd*Re
4:If Twake<Tcur
Twake=Tcur
源节点根据本地观测利用算法1预测目的节点的唤醒时间T wake ，在数据发送失败后，逐渐增加信道侦听时间，直到数据发送成功或者被丢弃。
实施例
为进一步验证本发明所述H-MAC协议的性能，本文利用网络模拟软件NS2对本发明H-MAC协议和B-MAC协议的性能进行仿真验证。为保障两个协议的可比性，对网络进行如图4所示的仿真参数设置表所示。
由于这里重点考虑MAC协议的性能，在仿真中，分别采用图5所示的单跳网络拓扑图和图6所示的多跳网络拓扑图对协议的性能进行分析。
在单跳网络拓扑中，随机选取一个节点作为测试节点，其他节点作为干扰节点，通过改变数据包的到达时间间隔改变网络负载，其中干扰节点的发送间隔固定为5s，当测试节点的数据发送间从1s增加到10s，对协议的仿真性能进行分析。图7描述了递送率的变化，在网络负载较大的情况下，单跳网络中的暴露节点，使得节点长时间无法接入信道，造成大量数据被数据队列丢弃，而H-MAC的随机唤醒机制减少了暴露节点的影响，使得H-MAC的递送率比B-MAC高出近2倍，随着负载的减少，两种协议的递送率趋近一致。图9描述了时延的变化，由于H-MAC使用随机退避机制允许多个节点竞争信道并使用随机唤醒机制减少网络碰撞，从而提高了信道利用率，数据包的平均时延也随之减少，与B-MAC相比，H-MAC的时延减少了近40%。图11描述了网络总能耗的变化，由于H-MAC采用唤醒时刻预测机制，减少了节点的空闲侦听时间，所以H-MAC的能耗比B-MAC减少了近30%，在网络负载较大时，H-MAC的节能效果尤为明显。
在多跳网络拓扑中，通过改变源节点和sink节点之间的跳数，从而研究传输距离及隐藏节点对协议性能的影响，在仿真中，设定源节点的报文到达时间间隔为5s。图8描述了递送率的变化，随着跳数的增加，越来越多的数据包由于数据碰撞的原因被丢失，而H-MAC的随机唤醒机制减少了隐藏节点的影响，所以与B-MAC相比，H-MAC递送率更高且减少的幅度更小。图10描述了时延的变化，由于H-MAC具有较高的信道率和较低的数据碰撞概率，所以与B-MAC相比，H-MAC的多跳时延更低且增加的幅度更小。图12描述了网络能耗的变化，虽然隐藏节点增加了节点的空闲侦听时间，但H-MAC只增加T cd 倍数的空闲侦听时间，所以与B-MAC相比，H-MAC的能耗更低且增加的幅度更小。
本发明提出一种高信道利用率的MAC协议，该协议使用节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的信道竞争机制，随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制，在提高信道利用率的前提下，时MAC协议具有低碰撞、低功耗和自适应的优点。仿真表明无论在单跳还是多跳环境下，H-MAC的递送率、时延和能耗等性能指标均优于B-MAC。

Claims (6)

1.用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述H-MAC协议将节点持续发送短前导的最长时间T sl 作为一个时间区间，并将其分割成不断循环的前导部分和预约部分；
所述前导部分包括侦听时隙T cs 、竞争时隙T co 和前导发送时隙T pr ，所述侦听时隙T cs 为用于节点侦听载波，以确认信道是否空闲所需的时间，竞争时隙T co 为节点随机退避竞争信道所需的时间，前导发送时隙T pr 为节点用来发送短前导所需的时间；
所述预约部分包括侦听时隙T cs 和提前ACK发送时隙T ac ，所述提前ACK发送时隙T ac 为节点用来发送ACK所需的时间；
所述的H-MAC协议采用随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的新的信道竞争机制、随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制；所述的随机唤醒机制为节点以自己的ID作为随机数种子(seed)，并使用如下所示的公式生成对应的唤醒时刻序列W(t)：
R(t)=rand(seed),R(t)∈[0,1]，W(t)= T sl *(t-1)+ T sl *R(t),
其中t为序列的项数，在每次随机唤醒后增加1,节点在初始化完成后，根据W(t)记录的唤醒时刻进行随机唤醒。
2.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的前导部分为需要发送数据的节点经过竞争发送包含目的节点信息的短前导所需要的时间，预约部分为节点侦听到目的节点为自己的短前导时，回复包含自身节点信息的提前ACK消息所需要的时间。
3.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：不需要发送数据的节点不需要执行前导部分，在唤醒后进行信道侦听。
4.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的新的信道竞争机制为节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)进行信道竞争。
5.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的节点发送连续短前导竞争信道，在没有接收到其他节点的短前导之前，不需要进行随机退避，在接收到其他短前导后，对预约部分进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导时隙进行信道竞争，即前导部分和预约部分的时间可变。
6.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于：所述的唤醒时刻预测机制为节点利用邻居列表预测对应的目的节点的唤醒时刻。
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