CN105472718B - 无线传感网络中基于流量自适应的低功耗mac层通信方法 - Google Patents

无线传感网络中基于流量自适应的低功耗mac层通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，包括：在发送节点存在要发送数据发送时，记录重发数据的次数，并判断其与所设定数据重传阀值大小；当小于数据重传阀值时，进入异步阶段，包括：发送节点将要发送数据分组后编码，并在编码分组的头部加上接收节点目的地址后作为前导码持续发送预设发送时间；接收节点接收到编码分组后，判断编码分组头部中的目的地址；当大于或等于数据重传阀值时，进入同步阶段，包括：发送节点发送RTS帧作为前导码，接收节点接收到RTS帧后，判断此帧目的地址。本发明根据网络中通信量来选择不同的休眠机制，在降低网络功耗上显示出了强大的优越性，且极大的增加了网络吞吐量和降低了网络延时。

Description

无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感网络中MAC层通信方法，尤其涉及基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，属于无线传感网络的技术领域。
背景技术
传感器节点的无线通信模块包括发送状态、接收状态、侦听状态和休眠状态四种状态。单位时间内消耗的能量按照上述顺序依次减少：无线通信模块在发送状态消耗能量最多，在休眠状态消耗能量最少，接收状态和侦听状态下的能量消耗相似但稍小于发送状态。所以，为了减少节点的功耗，当有数据收发时，节点就开启无线通信模块进行发送或侦听，如果没有数据需要收发，节点控制无线通信模块进入休眠状态。
无线传感器网络节点的能量效率主要由以下因素决定。
第一个因素是分组冲突，由于分组在传输过程中发生冲突，从而必须进行数据重传，因此增加了数据传输的能量消耗和数据延时。
第二个因素是串听，由于无线信道的广播性，且无线网络中存在隐藏节点问题，节点能够接收到邻居节点发送的所有报文，包括并非发送给自己的报文，对这些报文的接收消耗了不必要的额外能量。
第三个因素是控制信息开销，由于节点在传输数据时会加入一些额外的控制信息，加长了数据帧长度，数据量的增加造成了额外的能量开销。
最后也是最主要的因素就是空闲侦听，处于空闲状态的节点既不发送数据，也不接收数据，但是还要监听信道，以便接收发给自己的数据包，这种监听会浪费很大一部分能量，特别是在数据传输率低的WSN中。这也是无线传感器网络中最大的开销。
基于上述原因，针对无线传感器网络业务量小的特点，无线传感器网络协议为了减少能量的消耗，在MAC层可采用“休眠唤醒”交替的无线信道使用策略。
目前，在传感器网络层通信协议设计中，主要通过节点休眠进行节能。而采用休眠方式最大的问题在于，节点休眠时无法接收数据。如果没有较好的协议设计，节点就无法及时唤醒进行数据接收。MAC层通信协议设计的主要任务是对节点唤醒和休眠的时间进行调度，以保证目标节点不会因休眠而错过数据接收。
目前节点的休眠策略有两种调度方式：
(1)基于同步策略的MAC层协议。此类协议需要在节点之间进行精确的时钟同步，并约定在某一特定时间唤醒进行数据传输。具备的优点：利用周期性的睡眠、侦听减少了空闲监听所造成的能量浪费，通过让相邻节点同步减少了控制消耗，利用RTS/CTS机制减少了数据冲突的几率；为了减少碰撞和避免串音，采用与802.11MAC协议类似的物理载波侦听机制，以及RTS/CTS的通告机制。为了节点之间进行精确的时钟同步，各节点在每次唤醒后，首先需要广播或接收同步报文，并根据同步报文更新自己的时钟。RTS/CTS的通告机制和同步机制的使用虽然有效的减少了空闲监听和串听，但是它是以增加网络开销和网络协议处理的复杂度为代价。
(2)基于异步策略的MAC层通信协议。此类协议并不要求节点同时唤醒进行数据传输，也就无需在节点间进行同步。具备的优点：不要求各传感器节点同时唤醒进行数据传输，因此不需要发送同步报文，同时由于时钟不同步，不再采用RTS/CTS的通告机制来同步休眠时间。因此不需要增加RTS/CTS的通告机制和同步机制，降低了协议的复杂度。缺点：为了避免节点因休眠而错过接收数据，有两类解决办法。一类是在传输数据之前，发送节点连续发送信号，直到接收节点唤醒进行数据传输。二是发送节点并不连续发送信号，而是保持监听状态，节点在唤醒时发送一个信号报文，发送节点探测到目的节点的信号时传输数据。但是无论哪种解决办法，都需要发送额外的唤醒信号，增加了网络消耗和时延。
当无线传感器网络中的通信量低时，数据出现碰撞的几率相对较小，消耗在数据碰撞上的功耗可以忽略不计，采用基于异步策略的MAC层通信协议比采用基于同步策略的MAC层通信协议在功耗和延迟方面显示出更好的性能；当无线传感器网络中的通信量高时，数据出现碰撞的几率很大，如果不采取减少碰撞的措施，整个网络的因由碰撞产生的功耗将和时延会很大，严重影响网络寿命和网络通信质量，此时采用基于同步策略的MAC层通信协议比采用基于异步策略的MAC层通信协议在功耗和延迟方面显示出更好的性能。
传感器网络通常工作在低通信流量的情境下，但当某一事件发生时，通信流量会剧增，即“长时间低通信流量偶有高通信流量”。基于同步策略的MAC层协议和基于异步策略的MAC层通信协议各自存在缺陷，因此不能有效结合“长时间低通信流量偶有高通信流量”的特点来实时调整休眠机制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，解决现有的无线传感网络中无法根据通信流量进行实时调整休眠机制的问题。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，包括步骤：
在发送节点存在要发送数据向接收节点发送时，记录发送节点重发数据的次数，并判断其与所设定数据重传阀值的大小；
当所记录发送节点重发数据的次数小于数据重传阀值时，无线传感网络进入异步阶段，包括：
发送节点将要发送数据分组后编码，在每个编码分组的头部加上接收节点的目的地址，并将全部编码分组作为前导码持续发送预设发送时间；
接收节点接收到编码分组后，判断编码分组头部中的目的地址：在编码分组头部中的目的地址与本接收节点的地址不同时，丢弃编码分组后该接收节点进入休眠状态；在编码分组头部中的目的地址与本接收节点的地址相同时，该接收节点接收至少为发送节点所分组的个数的编码分组后向发送节点回复ACK确认包，并对所接收的编码分组解码；
当所记录发送节点重发数据的次数大于数据重传阀值时，无线传感网络进入同步阶段，包括：
发送节点发送RTS帧作为前导码，其中RTS帧中包含接收节点的目的地址和要发送数据的长度；
接收节点接收到RTS帧后，判断此帧中的目的地址：在目的地址与本接收节点的地址不同时，根据要发送数据的长度设定本节点需要休眠的时长并进入休眠状态；在目的地址与本接收节点的地址相同时，该接收节点向发送节点发送一个CTS帧后接收数据。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述异步阶段中发送节点的预设时间由计算所得：
Tp＝Tw+αmTe
其中，Tp是发送节点的预设发送时间；Tw是接收节点的唤醒间隔；m是发送节点所分组个数；Te是发送一个编码分组的时间；α是一个大于1的常数。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述异步阶段还包括发送节点收到来自接收节点的ACK确认包后立即停止发送。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述同步阶段中，根据要发送数据的长度设定本节点需要休眠的时长并进入休眠状态，具体为：确定要发送数据的长度；将帧丢弃及根据要发送数据的长度设定本节点需要休眠的时长后，进入休眠状态；经过预设休眠时长后，该接收节点被自动唤醒。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述同步阶段中，发送节点所发送RTS帧的长度大于或等于接收节点的唤醒间隔。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
(1)本发明所提供的无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，根据网络中通信量来选择不同的休眠机制：在通信量低的时候使用类似于基于异步策略的MAC层通信协议的休眠机制；在通信量高的时候使用类似于基于同步策略的MAC层通信协议的休眠机制，不仅能根据网络通信量来选择最有利于当时网络情境的休眠机制，并且针对原有休眠机制的缺陷，做了相对应的改进，来实时调整以便采用最合适的休眠机制。不仅在降低网络功耗上显示出了强大的优越性，而且极大的增加了网络吞吐量和降低了网络延时，使整个无线传感器网络在功耗、吞吐量和时延方面得到了进一步的改善。
(2)以及，在本发明中所述异步阶段，极大减少了串音所带来的功耗。此外目的接收节点只要正确接收足够的编码分组，就可根据接收到的编码分组解码出原始数据，而在编码分组发送过程对于那些丢失的分组不用做任何处理(例如超时重传等)。这种方法，不仅充分利用了前导码传输数据的潜能，减少了因不必要数据发送而带来的额外开销，而且不需要对丢失的编码分组做任何处理，避免了因超时重传等机制带来的开销。除此之外，发送节点在收到目的节点的ACK确认包之后，就可以立即停止编码分组的发送，而不必持续发送时间超过唤醒间隔，从而减少了发送节点的功耗，和网络资源的占用。
(3)并且，在本发明中所述同步阶段：无需进行网络同步，即节点不必每次唤醒后首先进行同步信息的发送和更新，不仅减少了网络中资源的占用，而且降低了节点因维护同步信息表而带来的功耗。此外，由于所有非目的节点根据发送节点要发送的数据的大小来设定自己的休眠时间，降低了网络的时延。
附图说明
图1为本发明MAC层通信方法的流程示意图。
图2为本发明异步阶段数据发送过程示意图。
图3为本发明异步阶段中基于前导码编码的数据编码过程。
图4为本发明同步阶段数据发送过程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1所示，本发明设计了一种无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，该方法中在传感器节点的无线通信模块中增加一个低功耗的流量状态寄存器TSR和一个超低功耗(功耗可以忽略不计)的网络分配矢量定时器NVA，流量状态寄存器TSR用于记录发送节点重发数据的次数n，网络分配矢量定时器NVA用于设定需要的休眠的时间t。可知，流量状态寄存器TSR只有在无线通信模块处于发送状态时启用，而网络分配矢量定时器NAV只在无线通信模块处于休眠状态时启用。本发明的MAC层通信协方法为“异步”和“同步”两个阶段进行。
当无线传感器网络开启，各节点完成网络初始化设置，其中流量状态寄存器TSR＝0，网络分配矢量定时器NVA＝0，设定判断网络流量高低的数据重传阀值为N。在数据发送时启动流量状态寄存器TSR，在一个休眠唤醒周期内，数据每需要重发一次，流量状态寄存器TSR中的次数就增加一次。
当发送节点有要发送数据发送给接收节点时，首先判断流量状态寄存器TSR中重发数据的次数n的值。
如果发送节点重发数据的次数n小于数据重传阀值N，则无线传感器网络进入异步阶段。该异步阶段数据发送过程如图2所示，具体为：发送节点并不是像传统的基于异步策略的MAC层通信协议所述在发送一个足够长的前导码之后直接发送数据，而是将要发送数据分成m个组，对这m个分组进行编码，并在每个编码分组的头部加上接收节点的目的地址，将这些短的编码分组作为前导码持续发送预设发送时间Tp。
所有处于唤醒状态的接收节点接收到编码组后，首先判断编码分组头部中的目的地址。如果在编码分组头部中的目的地址与本接收节点的地址不同时，将编码分组丢弃后，该接收节点进入休眠状态。在编码分组头部中的目的地址与本接收节点的地址相同时，目的接收节点接收到至少为发送节点所分组个数m个的编码分组后给发送节点回复一个ACK确认包，并对接收的编码分组进行相对应的解码即可。而发送节点收到来自接收节点的ACK确认包后，立即停止发送。
基于前导码编码的异步阶段数据编码过程，如图3所示，发送节点对要发送的数据进行分组并编码作为前导码，本发明的MAC层通信方法中，不限于本实施例所采用的前导码编码方式，可以采用线性编码，也可以采用非线性编码，而本实施例中所使用的是喷泉码，产生的编码分组相互独立，接收端可以根据接收到的发送节点所分组个数m个独立的编码分组解码出m个原始数据分组。
发送节点的预设发送时间Tp可由下面公式计算得出：
Tp＝Tw+αmTe (1)
其中，Tp是发送节点的预设发送时间；Tw是接收节点的唤醒间隔；m是发送节点所分组个数；Te是发送一个编码分组的时间；α是一个大于1的常数。
发送节点的预设时间Tp比接收节点的唤醒间隔Tw大是为了是接收节点能接收到足够多的编码分组，从而可以成功解码出发送节点发送的原始数据。如果接收节点唤醒的时间比发送节点开始发送编码分组的时间晚，那么接收节点接收m个编码分组的时间是mTe，所以发送节点的预设时间Tp至少持续Tw+mTe。
考虑到编码分组在传输过程中丢失的情况，用常数α来提高协议的鲁棒性。可以明显的看出，增大常数α虽然可以增大接收节点成功接收足够多编码分组的可能性，但是同时增加了传感器节点功耗。发送节点对本地数据进行分组时，要选择合适的分组长度，分组长度过大，非目的接收节点的接收一个编码分组就会消耗过多的不必要的功耗，即增加了网络的串音功耗；分组长度过短，不仅对于编码技术是一项挑战，同时由于发送节点发送编码分组时需要在每个编码分组的头部加上目的地址，从而增加了网络功耗。
由此，使得非目的接收节点接收到一个编码分组后，即可根据目的地址将编码分组丢弃后按照自己的休眠机制进入休眠状态，极大减少了串音所带来的功耗。此外目的接收节点只要正确接收足够的编码分组，就可根据接收到的编码分组解码出原始数据，而在编码分组发送过程对于那些丢失的分组不用做任何处理，例如超时重传等。这种方法，不仅充分利用了前导码传输数据的潜能，减少了因不必要数据发送而带来的额外开销，而且不需要对丢失的编码分组做任何处理，避免了因超时重传等机制带来的开销。
除此之外，发送节点在收到目的节点的ACK确认包之后，就可以立即停止编码分组的发送，而不必持续发送时间超过唤醒间隔，从而减少了发送节点的功耗，和网络资源的占用。
之后数据发送重复上述过程，直至发送节点重发数据的次数n≥数据重传阀值N，然后转入“同步”阶段。
如果发送节点重发数据的次数n大于或等于数据重传阀值N，则无线传感器网络进入同步阶段。该同步阶段数据发送过程如图4所示，具体为：当发送节点数据重传次数n大于或等于系统设置的阀值N时，本发明的MAC层通信方法认为数据重发是由于网络中通信量大而引起的数据丢失，当发送节点有数据要发送时，既不再像“异步”阶段那样，将本地数据分组后进行编码，也不像传统的基于同步策略的MAC层通信协议所述需要进行同步，然后再进行数据的发送，而是首先发送一个足够长度Tr的RTS帧(请求发送)作为前导码，其中RTS帧中包含接收节点的目的地址和要发送数据的长度L，由于RTS帧长度Tr足够大，所有与发送节点相邻的节点都能接收到这个RTS帧。
当接收节点接收到RTS帧后，首先判断此帧中的目的地址，如果在目的地址与本接收节点的地址不同时，接着确定帧中的标明的要发送数据的长度L，将帧丢弃后将本节点需要休眠的时长设定为要发送数据的长度L后，进入休眠状态；网络分配矢量定时器NVA本身是一个定时器，用来指定预计要占用信道多少时间，以微秒(μs)为单位，在本专利中，网络分配矢量定时器NVA中记录的就是节点需要休眠的时长。传感器节点会将网络分配矢量定时器NAV设定为预计使用信道的时间。传感器节点进入休眠状态后网络分配矢量定时器NAV的数值将会随着时间减少。只要网络分配矢量定时器NAV的数值不为零，就代表信道处于使用状态，此即虚拟载波监听功能。当网络分配矢量定时器NAV为零时，虚拟载波监听功能会显示信道处于空闲状态，即经过预设休眠时长后，该接收节点被自动唤醒。如果目的地址与本接收节点的地址相同时，该接收节点给发送节点发送一个CTS(允许发送)帧，然后做好接收数据的准备。
为了使每个接收节点都可以接收到发送节点发送的RTS帧，以便接收数据或是设置自己的休眠时间，需要使得发送节点所发送RTS帧的长度Tr≥接收节点的唤醒间隔Tw，Tw是传感器节点的唤醒间隔。
由于发送节点的RTS帧的长度大于或等于接收节点的唤醒间隔，所以所有的节点都可以接收到此帧，这些节点可以根据RTS帧中来设定自己的休眠时间，并在数据传输完成以后自动唤醒。这种方法无需进行网络同步，即节点不必每次唤醒后首先进行同步信息的发送和更新，不仅减少了网络中资源的占用，而且降低了节点因维护同步信息表而带来的功耗。此外，由于所有非目的节点根据发送节点要发送的数据的大小来设定自己的休眠时间，而不是采用固定的休眠时间，降低了网络的时延。
尽管在本阶段，发送节点在发送数据之前需要首先需要发送一个长RTS帧作为前导码，占用了网络资源，但是传感器网络中高通信量情况来源于突发事件的发生，并且突发事件发生的几率相对较少，所以此种情况下因长前导码带来的与数据传输无关的网络资源的占用可以忽略不计。
之后数据收发重复上述过程，直至发送节点重发数据的次数n<数据重传阀值N，然后转入“异步”阶段。
此外，无论是在“异步”阶段，还是在“同步”阶段，发送节点发送数据成功后，都会进入侦听状态，监听信道中是否有数据发送，若有数据发送，则作为接收节点重复上述过程，否则根据自身的休眠机制，进入休眠状态。
由上可知，本发明MAC层通信方法充分利用了同步网络和异步网络的优点，并且改进两者的缺陷，不仅能根据网络通信量来选择最有利于当时网络情境的休眠机制，并且针对原有休眠机制的缺陷，做了相对应的改进，使整个无线传感器网络在功耗、吞吐量和时延方面得到了进一步的改善。
本发明不仅在降低网络功耗上显示出了强大的优越性，而且相对于现有的MAC层通信方法，在降低传感器网络功耗、增加网络吞吐量、降低网络时延方面有了加大的提高，更广泛的适用于无线传感器网络的不同通信情境。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (3)

1.无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，其特征在于，包括步骤：
在发送节点存在要发送数据向接收节点发送时，记录发送节点重发数据的次数，并判断其与所设定数据重传阀值的大小；
当所记录发送节点重发数据的次数小于数据重传阀值时，无线传感网络进入异步阶段，包括：发送节点将要发送数据分组后编码，在每个编码分组的头部加上接收节点的目的地址，并将全部编码分组作为前导码持续发送预设发送时间；
接收节点接收到编码分组后，判断编码分组头部中的目的地址：在编码分组头部中的目的地址与本接收节点的地址不同时，丢弃编码分组后该接收节点进入休眠状态；在编码分组头部中的目的地址与本接收节点的地址相同时，该接收节点接收至少为发送节点所分组的个数的编码分组后向发送节点回复ACK确认包，并对所接收的编码分组解码；并且，发送节点收到来自接收节点的ACK确认包后立即停止发送；
当所记录发送节点重发数据的次数大于或等于数据重传阀值时，无线传感网络进入同步阶段，包括：
发送节点发送RTS帧作为前导码，其中RTS帧中包含接收节点的目的地址和要发送数据的长度；
接收节点接收到RTS帧后，判断此帧中的目的地址：在目的地址与本接收节点的地址不同时，根据要发送数据的长度设定本节点需要休眠的时长并进入休眠状态；在目的地址与本接收节点的地址相同时，该接收节点向发送节点发送一个CTS帧后接收数据，其中发送节点所发送RTS帧的长度大于或等于接收节点的唤醒间隔。
2.根据权利要求1所述无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，其特征在于，所述异步阶段中发送节点的预设时间由计算所得：
Tp＝Tw+αmTe
其中，Tp是发送节点的预设发送时间；Tw是接收节点的唤醒间隔；m是发送节点所分组个数；Te是发送一个编码分组的时间；α是一个大于1的常数。
3.根据权利要求1所述无线传感网络中基于流量自适应的低功耗MAC层通信方法，其特征在于，所述同步阶段中，根据要发送数据的长度设定本节点需要休眠的时长并进入休眠状态，具体为：
确定要发送数据的长度；
将帧丢弃及根据要发送数据的长度设定本节点需要休眠的时长后，进入休眠状态；
经过预设休眠时长后，该接收节点被自动唤醒。
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