CN109874152A - 基于优先级的体内无线纳米传感器网络mac协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法，其特征在于，引入排队机制为网络中的节点动态分配时隙，包括以下步骤：(1)纳米控制节点唤醒网络中的纳米传感器节点；(2)纳米传感器节点向纳米控制节点发送时隙申请；(3)纳米控制节点根据节点数据优先级和到达时间为传感器节点动态分配时隙；(4)纳米传感器节点在自身对应的时隙传输数据。本方法能有效避免数据包的碰撞，降低平均端到端时延以及提升平均吞吐量，并且能实现优先处理优先级高的业务。

Description

基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法。

背景技术

体内无线纳米传感器网络是一种结合纳米技术的新型传感器网络，该网络由大量嵌入式纳米传感器节点自组织形成。这些节点各自执行感知任务，通过协作通信的方式共享感知到的信息，并通过网关设备与互联网通信。纳米传感器节点采集数据后，需要按照一定的方式接入信道并将数据传输出去。在此过程中，需要由MAC(Medium Access Control，介质访问控制)协议保证各节点有序、公平地共享无线信道。

纳米设备间的通信可以通过收发电磁辐射来实现，太赫兹频带(Terahertz Band，0.1-10THz)的电磁波比其他频带的电磁波更适合应用于人体内，因为太赫兹波具有三方面的优势：太赫兹波能量较低，不会引起生物组织的电离；太赫兹波波长短，在人体内受散射影响较小；太赫兹带信道容量大，能满足人体内传输的高速和实时业务，以及具有多种QoS需求的业务。

太赫兹波的波长很短，因此对应的天线和收发系统尺寸很小。使用石墨烯制造的纳米天线和纳米收发器可以工作在太赫兹频带，这为太赫兹无线纳米传感器网络在体内的应用提供了硬件支持。

考虑到太赫兹波的体内传输特性和纳米设备资源的有限性，无线纳米传感器网络中经典的MAC协议无法直接应用于体内无线纳米传感器网络。

发明内容

本发明针对无线传感器网络的MAC协议存在无法直接应用于体内的问题，提出一种基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法。

该方法包括以下步骤：

步骤一：纳米控制节点唤醒网络中的纳米传感器节点；

步骤二：纳米传感器节点向纳米控制节点发送时隙申请；

步骤三：纳米控制节点根据节点数据优先级和到达时间为传感器节点动态分配时隙；

步骤四：纳米传感器节点在自身对应的时隙传输数据。

本发明纳米控制节点和纳米传感器节点之间的通信采用太赫兹波作为载波，并采用TS-OOK(Time Spread On-Off Keying，时移开关键控)调制技术。

本方法能有效避免数据包的碰撞，降低平均端到端时延以及提升平均吞吐量，并且能实现优先处理优先级高的业务。

附图说明

图1为本发明的主流程图。

图2为本发明的节点分布图。

具体实施方式

本发明的主流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：纳米控制节点唤醒网络中的纳米传感器节点。

步骤一中，纳米控制节点通过广播信标的方式唤醒网络中的纳米传感器节点。信标中包含自身ID、位置、剩余能量，时间戳信息以及时隙申请阶段单个时隙的长度信息。需要发送信息的纳米节点收到信标后，根据时间戳校正本地时间。

时隙申请阶段单个时隙的长度t_slot可由式(1)计算。

其中N是网络中传感器节点的个数；max()是求最大值函数；d_i表示传感节点和控制节点之间的距离；L_i表示传感节点发送的时隙申请数据包的大小，所有节点的时隙申请数据包大小相同；C_s(d_i)表示节点对应的信道容量；v为信号在介质中的传播速度。

步骤2：纳米传感器节点向纳米控制节点发送时隙申请。

纳米节点根据控制节点的时间戳校正本地时间后，需要发送数据的节点根据数据紧急程度和节点剩余能量计算出数据优先级作为时隙申请数据包的数据部分，并按节点ID顺序依次占用时隙申请阶段的时间，将时隙申请发给控制节点；没有信息发送需求的纳米节点不发送信息。

时隙申请数据包中包含自身ID和数据优先级信息。数据优先级DP是数据紧急程度和纳米传感器剩余能量的联合态，可以由式(2)表示。

P表示节点数据的紧急程度，p₀＝0表示数据紧急程度为“紧急”，p₁＝1表示数据紧急程度为“警告”，p₂＝2表示数据紧急程度为“正常”。“紧急”是指人体生理参数超过了参考值阈值，此类数据对时延的容忍度较低；“警告”是指人体生理参数值高于正常范围的最大值或低于正常范围的最小值，但尚未超过阈值；“正常”是指人体生理参数处于正常范围，此类数据对时延的容忍度较高。

E表示纳米传感器剩余能量，e₀＝0表示节点剩余能量极低，e₁＝1表示节点剩余能量较低，e₂＝2表示节点剩余能量正常。“能量极低”是指节点剩余能量只够发送一个数据包；“能量较低”是剩余能量低于阈值，但还能维持一段时间的正常运行；“能量正常”是指节点剩余能量充足。

具体的优先级规则如表1所示。

表1优先级规则

(P,E)	DP
		(p<sub>0</sub>,e<sub>0</sub>)	0
(p<sub>0</sub>,e<sub>1</sub>)	1
		(p<sub>0</sub>,e<sub>2</sub>)	2
(p<sub>1</sub>,e<sub>0</sub>)	1
		(p<sub>1</sub>,e<sub>1</sub>)	2
(p<sub>1</sub>,e<sub>2</sub>)	3
		(p<sub>2</sub>,e<sub>0</sub>)	2
(p<sub>2</sub>,e<sub>1</sub>)	3
		(p<sub>2</sub>,e<sub>2</sub>)	4

步骤3：纳米控制节点根据节点数据优先级和到达时间为传感器节点动态分配时隙。

步骤3-1：纳米控制节点统计申请时隙的纳米传感器节点数，若申请时隙的纳米传感器节点数为0，则表示当前网络中没有待发送数据，为避免纳米传感器节点的频繁请求导致的能量消耗，纳米控制节点将数据传输阶段的长度设置为缺省时间T_min并广播；若申请时隙的节点数不为0，则进入步骤3-2。

步骤3-2：纳米控制节点根据纳米传感器节点的优先级和数据包到达时间对纳米传感器节点进行排序，排序算法如下所述：

P_matrix是纳米控制节点维护的一个二维数组，行数为5，分别对应数据的5个优先级，每行存储的元素为按到达时间升序排列的数据包对应的节点ID；

P_queue是一个长为M的一维数组，P_queue从第一行开始按从左到右从上到下的顺序读取P_matrix矩阵的值。

P_queue数组的下标表示传输时隙ID，数组元素值存储的是纳米传感器节点的ID，即P_queue是最终的时隙分配哈希表。

步骤3-3：纳米控制节点将时隙分配表作为数据部分封装成时隙分配数据包，并广播给网络中的纳米传感器节点。

步骤4：纳米传感器节点在自身对应的时隙传输数据。

收到控制节点广播的时隙分配数据包之后，无数据传输需求的纳米传感器节点在整个数据传输阶段保持休眠；有数据传输需求的纳米传感器节点读取时隙分配数据包的数据部分，并在自身对应的时隙发送数据。

Claims (5)

1.一种基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法，其特征在于引入排队机制为网络中的节点动态分配时隙，包括以下步骤：

步骤一：纳米控制节点唤醒网络中的纳米传感器节点；

步骤二：纳米传感器节点向纳米控制节点发送时隙申请；

步骤三：纳米控制节点根据节点数据优先级和到达时间为传感器节点动态分配时隙；

步骤四：纳米传感器节点在自身对应的时隙传输数据。

2.如权利要求1所述的基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法，其特征在于，所述步骤一中，纳米控制节点通过广播信标的方式唤醒网络中的纳米传感器节点。信标中包含自身ID、位置、剩余能量，时间戳信息以及时隙申请阶段单个时隙的长度信息。需要发送信息的纳米节点收到信标后，根据时间戳校正本地时间；

时隙申请阶段单个时隙的长度t_slot可由式(1)计算

其中N是网络中传感器节点的个数；max()是求最大值函数；d_i表示传感节点和控制节点之间的距离；L_i表示传感节点发送的时隙申请数据包的大小，所有节点的时隙申请数据包大小相同；C_s(d_i)表示节点对应的信道容量；v为信号在介质中的传播速度。

3.如权利要求1所述的基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法，其特征在于，所述步骤二中，时隙申请数据包中包含自身ID和数据优先级信息。数据优先级是数据紧急程度和纳米传感器剩余能量的联合态。

4.如权利要求1或者3所述的基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法，其特征在于，所述纳米控制节点根据节点数据优先级：

时隙申请数据包中包含自身ID和数据优先级信息。数据优先级DP是数据紧急程度和纳米传感器剩余能量的联合态，可以由式(2)表示

P表示节点数据的紧急程度，p₀＝0表示数据紧急程度为“紧急”，p₁＝1表示数据紧急程度为“警告”，p₂＝2表示数据紧急程度为“正常”；“紧急”是指人体生理参数超过了参考值阈值，此类数据对时延的容忍度较低；“警告”是指人体生理参数值高于正常范围的最大值或低于正常范围的最小值，但尚未超过阈值；“正常”是指人体生理参数处于正常范围，此类数据对时延的容忍度较高；

E表示纳米传感器剩余能量，e₀＝0表示节点剩余能量极低，e₁＝1表示节点剩余能量较低，e₂＝2表示节点剩余能量正常；“能量极低”是指节点剩余能量只够发送一个数据包；“能量较低”是剩余能量低于阈值，但还能维持一段时间的正常运行；“能量正常”是指节点剩余能量充足；

具体的优先级规则如表1所示

表1 优先级规则

(P,E) DP (p₀,e₀) 0 (p₀,e₁) 1 (p₀,e₂) 2 (p₁,e₀) 1 (p₁,e₁) 2 (p₁,e₂) 3 (p₂,e₀) 2 (p₂,e₁) 3 (p₂,e₂) 4

5.如权利要求4所述的基于优先级的体内无线纳米传感器网络MAC协议方法，其特征在于，所述步骤二中，纳米控制节点根据到达时间为传感器节点动态分配时隙；具体为：

步骤3-1：纳米控制节点统计申请时隙的纳米传感器节点数，若申请时隙的纳米传感器节点数为0，则表示当前网络中没有待发送数据，为避免纳米传感器节点的频繁请求导致的能量消耗，纳米控制节点将数据传输阶段的长度设置为缺省时间T_min并广播；若申请时隙的节点数不为0，则进入步骤3-2。

步骤3-2：纳米控制节点根据纳米传感器节点的优先级和数据包到达时间对纳米传感器节点进行排序，排序算法如下所述：

P_matrix是纳米控制节点维护的一个二维数组，行数为5，分别对应数据的5个优先级，每行存储的元素为按到达时间升序排列的数据包对应的节点ID；

P_queue是一个长为M的一维数组，P_queue从第一行开始按从左到右从上到下的顺序读取P_matrix矩阵的值。

P_queue数组的下标表示传输时隙ID，数组元素值存储的是纳米传感器节点的ID，即P_queue是最终的时隙分配哈希表。

步骤3-3：纳米控制节点将时隙分配表作为数据部分封装成时隙分配数据包，并广播给网络中的纳米传感器节点。