CN105704842A - 一种事件驱动的无线传感器网络实时mac协议 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议，该方法采用集中式方法，并且集成了预约调度技术、无冲突调度技术以及基于优先级的调度算法。该方法利用冲突干扰图，根据当前网络的拓扑构建请求计划，用于节点发送预约请求，实现时隙的预留，减少了预约请求的传输延时并且避免了数据冲突。基站根据收到预约请求的优先级高低构建调度计划，为节点实时分配时隙，减小了高优先级事件延时；调度计划中不需调度的节点，进入睡眠状态，减少了节点能量的消耗。

Description

一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议
技术领域
本发明涉及一种实时MAC协议，具体为一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议。
背景技术
大部分事件驱动型无线传感器网络包含数量众多的传感器节点，有且只有一个基站，其中传感器节点部署在监测现场，节点部署后一般不再移动，数目按照应用系统的大小决定，而基站部署在监测区域以外的固定位置。基于事件驱动的无线传感器网络要求事件消息能够实时、准确地传送到基站。比如，在未来智能医疗中，当病人病情突然恶化时，如果传感器采集到的病人生命特征信息不能及时传到医疗控制中心，或者控制中心发出的医疗指令不能及时传到智能医疗机器人，那么会错过治疗时机，从而危及病人生命。由此可见，提供实时可靠的消息传输是事件驱动的无线传感器网络的一个极为重要的要求，保证消息的实时性是保证系统实时性的关键，对无线传感器网络的发展和应用具有重大影响。
传感器网络的性能如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议。在传感器节点中，无线通信模块被认为是传感器节点中能量消耗的主要所在，而由于媒质接入控制(MediumAccessControl,MAC)子层直接与物理层接口，即MAC协议直接控制着无线通信模块的活动，因此MAC协议的节能效率的好坏将严重影响网络的生命周期。MAC协议的研究包括基于竞争的MAC协议和基于TDMA的MAC协议两类，其中基于TDMA的MAC协议调度节点在不同时隙内收发数据，避免了与邻居节点发生碰撞；同时，节点仅在其分配的时隙内打开无线收发器，进行可能的通信，大大减少了空闲监听的时间，因此TDMA协议具有内在的节能特性，从而得到了广泛的关注。传统的TDMA调度仅适用于连续数据收集的网络应用，如温度、湿度地连续监控等。由于传感器始终有数据需要传送，因此TDMA调度可以获得较高的信道利用率。但是对于无线传感器网络中的另一类典型应用——基于事件驱动的应用，如地震监控、火灾预警、目标跟踪等应用中存在一定局限。此时，传感器仅在某些特定的事件发生时才有数据需要传输(定义有数据需要传输的节点为源节点)，而传统的TDMA协议不适合此类应用，存在着带宽利用率低，能量浪费大的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议，提出了有效实时消息调度策略，解决因信道竞争而带来的不确定延迟问题及消息的相互干扰而使消息失真或丢失的问题，提供实时、可靠的消息传输。
本发明是这样来实现的，一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议，其特征在于提供解决因信道竞争而带来的不确定延迟问题及消息的相互干扰而使消息失真或丢失的问题，提供实时、可靠的消息传输，简单来说就是要实现无冲突的调度。它是针对保证消息的实时性而设计的，该协议在网络拓扑初始化时，通过构建冲突干扰图，采用了预约机制，构建一个无冲突的请求计划，使得节点能够无冲突地发送预约请求(包括事件ID，事件优先级，节点ID等)，节点有事件需要传输时，并不立即调度，而是先发送一个预约请求，将事件信息汇报给上一层的父节点，基站收到所有的预约请求后，再根据预约请求中事件的优先级、动态分配时隙给各请求节点和监测到事件的传感器节点等信息为各个事件的传输分配时间片，构建一个调度计划，实现了无冲突调度，并且互不干扰的事件能够并行发送，保证了消息的实时性，同时提高了信道利用率。
所述的调度方法包括
1)网络模型：采用通信干扰图(InterferenceCommunicationgraph)——IC(E,V)作为系统网络模型，用于事件传输是否冲突，在网络拓扑形成的初始化阶段构成，只要网络拓扑不便，IC图就不会改变；
2)预约机制，节点有事件需要传输时，并不立即调度，而是先发送一个预约请求，将事件信息汇报给上一层的父节点，基站收到所有的预约请求后，再根据预约请求中事件的优先级和监测到事件的传感器节点等信息为各个事件的传输分配时间片；
3)调度周期时隙划分策略，收到所有预约请求之后，基站根据预约请求中的事件优先级来为各节点分配时隙。
通信干扰图(InterferenceCommunicationgraph)——IC(E,V)
本发明采用通信干扰图(InterferenceCommunicationgraph)——IC(E,V)作为系统网络模型，其中E表示节点集，V表示边集。IC图中有两种有向边：通信边和干扰边。通信边表示节点b发送的数据包被a接收。通信边的子集形成一个用于数据聚合的路由树。干扰边表示b节点发送数据包时会对节点a接收数据产生干扰，但是a、b两个节点并不能通信。IC图可用于判定两个传输是否能并行进行，如果两个传输和满足：a、b、c、d是四个不同的节点且和既不是干扰边也不是通信边，即节点a和c不会分别影响节点d、b接收数据。则认为这两个传输无冲突，即和可以并行执行。IC图在网络初始化时构建，并以分布式方式存储，各节点知道和自身相关的通信边和干扰边。
IC图考虑到了链路的不对称性和WSN中不规则的节点通信范围和干扰范围，IC图以分布式的方式存储在各节点，每个节点只需知道与它自身输入输出相关的通信边和干扰边。
预约机制
我们可以构建一个请求计划，请求计划就是节点发送预约请求的顺序步骤，请求计划中属于同一步的传输不能冲突。这样既能保证节点的发送满足父节点的传输在子节点之后，又能保证最大化的无冲突并行传输，提高信道的利用率。
假设网络内所有节点都知道完整的IC图，在DEDR-MAC中有2个节点集合，completed集合和eligible集合。一旦节点被分配到了计划中，节点就进入completed集合。相应地，该节点的子节点进入eligible集合。请求计划的分配从eligible集合中优先级最高的节点开始，节点的优先级主要是由节点的深度决定，深度越低优先级越高，其次是节点的子节点数目，子节点数目越多节点优先级越高，若两个节点的深度和子节点数目都相同，则节点ID小的优先级更高。在协议初始化时，completed集合默认包含基站，eligible集合中节点默认为基站的子节点。请求计划的构建分为两个阶段，第一阶段从基站相关的传输开始分配，得到的其实是一个反序的请求计划，所以在第二阶段将该计划翻转就得到了真正的请求计划。
时隙分配算法
收到所有预约请求之后，基站根据预约请求中的事件优先级来为各节点分配时隙，构建相应的调度计划，具体步骤如下：
1.将收到事件按优先级顺序排好，选择优先级最高的事件n。
2.将传输事件n需要的传输对按顺序放入计划中，从计划的第一步开始。
3.如果在分配某一传输对时，和计划中已分配的传输相冲突，则向后顺延一步。
4.重复步骤1～3，直到所有事件都分配完毕。
本发明的技术效果是：本发明不仅保证实时任务总能被优先处理，提高了资源利用率和系统的实时性能，还能有效地保证最大化的无冲突并行传输，提高信道的利用率。
附图说明
图1为通信干扰图示例，实线表示通信边，虚线表示干扰边，箭头表示单向，旁边为当前节点检测到事件的优先级，数字越小优先级越高。
图2为本发明时隙分配算法的伪代码图。
具体实施方式
如图1所示，基站a默认在completed集合中，eligible集合中包含a的五个子节点b、c、d、e、f，在eligible集合中节点b的优先级最高，因此被放入计划中的第一步，节点b进入completed集合中，b的子节点加入eligible集合。接着c成为eligible集合中优先级最高的节点，因为和冲突，所以放入第二步中。同理，分别放入第3、4、5步中。在完成的分配后，节点i成为eligible集合中优先级最高的节点。因为和无冲突，所以放入第二步中。在分配时，由于节点的发送必须满足子节点在父节点之前的先后关系，故最早只能从第三步开始分配，但和冲突，放入第四步中的话又会和冲突，最后将放入不会发生冲突的第五步中。在IC图中的所有的节点都进入completed集合后，得到了反序的请求计划，将它翻转过来就是真正的请求计划，即表1。
表1请求计划
收到所有预约请求之后，基站根据预约请求中的事件优先级来为各节点分配时隙。图5所示为时隙分配算法的伪代码，该算法运行在计算周期，最后得到的是调度周期的时隙划分，也就是调度计划。
仍以图1为例，节点旁数字表示节点当前监测到的事件ID，假定ID越小则优先级越低。事件1的优先级最高，因此首先将时隙1和时隙2分配给事件1的和接着为事件2分配，由于和冲突，所以不能放入时隙2中，将时隙3分配给同理为剩余事件分配好时隙后，就得到了当前事件的调度计划(如表2)。
表2调度计划
本发明针对基于事件驱动的无线传感器网络的特点，以保证消息调度的实时性为目标，采用一种新的预约机制，提出了一种简单有效的，有计划的调度方式，避免了节点冲突的情况，提高了信道利用率，同时避免了高优先级事件被低优先级事件干扰而增加延时的情况发生。调度周期中，事件的传输并不是连续的，因此节点在不需要调度时，可以进入睡眠状态，从而达到节约能量的效果。在所有节点调度结束后，再次进入请求周期，降低了睡眠延时。

Claims (2)

1.一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议，其特征在于：该协议在网络拓扑初始化时，通过构建冲突干扰图，采用了预约机制，构建一个无冲突的请求计划，使得节点能够无冲突地发送预约请求，节点有事件需要传输时，并不立即调度，而是先发送一个预约请求，将事件信息汇报给上一层的父节点，基站收到所有的预约请求后，再根据预约请求中事件的优先级、动态分配时隙给各请求节点和监测到事件的传感器节点信息为各个事件的传输分配时间片，从而构建一个调度计划，保证了无冲突调度。
2.如权利要求1所述的一种事件驱动的无线传感器网络实时MAC协议，其特征在于：所述的调度方法包括
1）网络模型：采用通信干扰图(InterferenceCommunicationgraph)——IC(E,V)作为系统网络模型，用于判断事件传输是否冲突；
2）预约机制：在发送事件前先发送一个预约请求，将所有事件信息融合后汇报发送给基站；
3）时隙划分策略：根据节点需要和事件优先级动态分配时隙。
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