CN108834219A - 基于流量自适应的无线传感器网络s-mac协议优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于流量自适应的无线传感器网络S‑MAC协议优化方法，其特点是：包括多因素交叉控制的退避机制、基于流量自适应的占空比机制和基于流量自适应的功率控制机制。具有科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

Description

基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法。

背景技术

介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议是无线传感器网络中的核心技术之一，对传感器网络的性能有较大影响。为了使无线传感器网络节能高效，许多MAC协议被提出。MAC协议协调分配众多节点接入公用的信道，决定了节点的信道获取方式，是决定无线传感器网络系统性能的基础协议之一。同时由于MAC协议直接操作传感器节点的最大能耗部件—射频模块，因而研究高效MAC协议是延长节点生命周期和提高节点工作效率的有效途径。

目前MAC协议主要有三种工作方式：基于竞争的MAC协议、基于预留的MAC协议和混合MAC协议。由于基于竞争的MAC协议采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access)方式接入信道，其性能与预留的MAC协议相比，不需要严格的时钟同步，利用的信道带宽窄，信道利用率高，而且在同等条件下，单位时间内发送的数据量多。与混合MAC协议相比，基于竞争的MAC协议能更好地适应簇结构，具有良好的稳定性以及适应性。S-MAC(Sensor MAC)协议是一个非常经典的基于竞争的MAC协议，后续提出的很多MAC协议都是在此协议基础上进行改进的。S-MAC协议通过采用周期性侦听休眠机制，减少空闲侦听所消耗的能量；通过采用流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；通过采用消息分割和突发传递机制，减少控制消息的开销。因而S-MAC协议具有很好的节能特性，但是它依然存在一些问题，主要体现在：

(1)S-MAC协议采用的是二进制指数退避机制(BEB)，该机制只是简单地根据传输成功与否对竞争窗口进行调节，无法适应网络的动态变化。同时，由于节点在每次成功传输时，竞争窗口复位到最小值，使得该节点在下次传输中相对于其他节点更容易竞争到信道，甚至会造成信道长时间的独占，造成节点之间的不公平，进而影响网络整体的吞吐量。此外，长时间占用信道的节点能量消耗过快，竞争不到信道的节点能耗很少，造成了网络能量消耗的不均匀，严重缩短整体网络的生存周期。

(2)S-MAC协议采用的是固定时间的占空比机制，这是S-MAC协议关键的节能手段之一。但是节点的休眠周期长度是固定的，在网络流量变化的环境中不具有良好的适应性，会导致很多不必要的能量浪费。

(3)S-MAC协议采用的是固定功率发送机制，并没有考虑网络流量对发送功率的影响。如果每一个节点都以很大的功率进行数据的传输，传输距离就会变的相对较远，传输半径内覆盖的节点数目就会有很多，这样会加剧节点之间的冲突，降低数据的传输效率，并造成节点能量的大量浪费。另一方面，如果节点发送功率太小，无线传感器网络的连通性就得不到保证，可能会出现有的传感器节点不能与外界节点进行通信，使得网络性能受到严重影响。

发明内容

本发明的目的是，针对节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量对节点退避时间的影响以及网络平均流量因子对节点占空比和发送功率的影响，提出一种科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期的基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法。

本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法，其特征是，它包括的内容有：多因素交叉控制的退避机制、基于流量自适应的占空比机制和基于流量自适应的功率控制机制，

1)所述的多因素交叉控制的退避机制

节点综合考虑了节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量三个控制因素，当节点竞争信道失败次数越多时，节点接入信道的意愿越强烈，相应的节点的退避时间越小，且比缓冲区队列长度和节点的剩余能量有较高的优先级，当数据发生冲突时，节点重新根据节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量三个控制因素得到其退避时间，直到数据发送成功，结束计算过程，退避时间T_backoff表示为：

其中，N为节点竞争信道失败次数；CW为竞争窗口值，根据节点周围邻居节点的个数来确定取值；η为权重因子；L为节点目前缓冲区队列长度值；L_max为节点缓冲区队列长度最大值；E_residual为节点当前的剩余能量；E_initial为节点的初始能量；T_aSlot是由物理层决定的一个时隙的长度；

2)所述的基于流量自适应的占空比机制

选取网络平均流量因子作为控制因素，动态地调整节点的占空比，占空比D_new表示为：

其中，D为节点的初始占空比，设定为10％；D_min为节点占空比的最小值；D_max为节点占空比的最大值；L和H为网络平均流量因子l的两个阈值，其中L＜H，网络平均流量因子l表示为：

其中，L_max节点缓冲区队列所能缓存数据包个数的最大值，L_i为当节点i缓冲区队列中数据包的个数，n为节点周围邻节点的个数；

3)所述的基于流量自适应的功率控制机制

利用Friis公式和节点的接收功率门限值，求得两节点发送功率的最小值，这里选用一个指数函数与发送功率最小值相乘，指数函数的取值范围为1,2.71，其中在指数函数中引入网络平均流量因子作为控制因素，功率P表示为：

P＝min[P_tmin×e^1-l,P_max] (4)

其中，P_tmin为节点利用Friis公式求得的两节点发送功率的最小值，l为网络平均流量因子，其取值为0≤l≤1，因此，e^1-l的取值范围为1≤e^1-l≤2.71，可取期间任意数值，P_max为节点发送功率的最大值。

本发明的基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法，在退避时间选取阶段，引入节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量作为控制因素，当节点竞争信道失败次数越多时，节点接入信道的意愿越强烈，相应的节点的退避时间越小，且比缓冲区队列长度和节点的剩余能量有较高的优先级，从而实现动态地调整退避时间；在占空比选取阶段，引入网络平均流量因子作为控制因素，并根据网络平均流量因子所属范围，动态地改变占空比，使占空比在初始占空比的上下变动；在发送功率选取阶段，根据Friis公式和接收功率门限值计算节点的最小发送功率，然后选用一个以网络平均流量因子作为控制因素的指数函数与最小发送功率相乘，使发送功率能够动态地调整。具有科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

附图说明

图1为基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法流程图。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的一种基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法，包括的内容有：多因素交叉控制的退避机制、基于流量自适应的占空比机制和基于流量自适应的功率控制机制。

开始后，对于所述多因素交叉控制的退避机制，节点综合考虑了节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量三个控制因素，当节点竞争信道失败次数越多时，节点接入信道的意愿越强烈，相应的节点的退避时间越小，且比缓冲区队列长度和节点的剩余能量有较高的优先级，当数据发生冲突时，节点重新根据节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量三个控制因素得到其退避时间，直到数据发送成功，结束计算过程，退避时间T_backoff表示为：

其中，N为节点竞争信道失败次数；CW为竞争窗口值，根据节点周围邻居节点的个数来确定取值，取值为[32,64,128……，1024]；η为权重因子；L为节点目前缓冲区队列长度值；L_max为节点缓冲区队列长度最大值；E_residual为节点当前的剩余能量；E_initial为节点的初始能量；T_aSlot是由物理层决定的一个时隙的长度。

节点确定退避时间之后，以广播的形式发送带有缓冲区队列长度值的数据包，以便后续网络平均流量因子l的计算。

对于所述基于流量自适应的占空比机制，该机制选取网络平均流量因子作为控制因素，动态地调整节点的占空比，占空比D_new表示为：

其中，D为节点的初始占空比，设定为10％；D_min为节点占空比的最小值；D_max为节点占空比的最大值；L和H为网络平均流量因子l的两个阈值，其中L＜H，网络平均流量因子l表示为：

其中，L_max节点缓冲区队列所能缓存数据包个数的最大值，L_i为当节点i缓冲区队列中数据包的个数，n为节点周围邻节点的个数。

如果一个节点在选择它自己的时间调度表之前，接收到了一个来自邻节点的时间调度表，它就遵循这个邻节点的时间调度表，即成为跟随节点，此外，跟随节点等待随机的时延并广播这个时间调度表，如果一个节点在选择它自己的时间调度表之后可能又收到了邻节点的时间调度表，在这种情况下，该节点称为边界节点，此时，拥有相同时间调度表的节点构成一个虚拟簇。

对于所述基于流量自适应的功率控制机制，该机制利用Friis公式和节点的接收功率门限值，求得两节点发送功率的最小值，这里选用一个指数函数与发送功率最小值相乘，指数函数的取值范围为[1,2.71]，其中在指数函数中引入网络平均流量因子作为控制因素，功率P表示为：

P＝min[P_tmin×e^1-l,P_max] (4)

其中，P_tmin为节点利用Friis公式求得的两节点发送功率的最小值，l为网络平均流量因子，其取值为0≤l≤1，因此，e^1-l的取值范围为1≤e^1-l≤2.71，可取期间任意数值，P_max为节点发送功率的最大值。

节点确定了发送功率之后，就会发送数据，节点每发送一次数据要判断是否发生冲突，如果发生冲突，则节点重新确定退避时间，进行新的一轮的数据发送，如果节点没有发生冲突，当发送完成之后，节点进入休眠状态。

本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

本发明的具体实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，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，这里无需对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法，其特征是，它包括的内容有：多因素交叉控制的退避机制、基于流量自适应的占空比机制和基于流量自适应的功率控制机制，

1)所述的多因素交叉控制的退避机制

节点综合考虑了节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量三个控制因素，当节点竞争信道失败次数越多时，节点接入信道的意愿越强烈，相应的节点的退避时间越小，且比缓冲区队列长度和节点的剩余能量有较高的优先级，当数据发生冲突时，节点重新根据节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量三个控制因素得到其退避时间，直到数据发送成功，结束计算过程，退避时间T_backoff表示为：

其中，N为节点竞争信道失败次数；CW为竞争窗口值，根据节点周围邻居节点的个数来确定取值；η为权重因子；L为节点目前缓冲区队列长度值；L_max为节点缓冲区队列长度最大值；E_residual为节点当前的剩余能量；E_initial为节点的初始能量；T_aSlot是由物理层决定的一个时隙的长度；

2)所述的基于流量自适应的占空比机制

选取网络平均流量因子作为控制因素，动态地调整节点的占空比，占空比D_new表示为：

其中，D为节点的初始占空比，设定为10％；D_min为节点占空比的最小值；D_max为节点占空比的最大值；L和H为网络平均流量因子l的两个阈值，其中L＜H，网络平均流量因子l表示为：

其中，L_max节点缓冲区队列所能缓存数据包个数的最大值，L_i为当节点i缓冲区队列中数据包的个数，n为节点周围邻节点的个数；

3)所述的基于流量自适应的功率控制机制

利用Friis公式和节点的接收功率门限值，求得两节点发送功率的最小值，这里选用一个指数函数与发送功率最小值相乘，指数函数的取值范围为1,2.71，其中在指数函数中引入网络平均流量因子作为控制因素，功率P表示为：

P＝min[P_tmin×e^1-l,P_max] (4)

其中，P_tmin为节点利用Friis公式求得的两节点发送功率的最小值，l为网络平均流量因子，其取值为0≤l≤1，因此，e^1-l的取值范围为1≤e^1-l≤2.71，可取期间任意数值，P_max为节点发送功率的最大值。