CN110381558B - 一种基于冲突检测的mac机制切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，属于无线传感器网络领域，所述方法包括：接收端传感器节点机制切换，在冲突次数Nc达到设定的最大次数NMAX时，接收端传感器节点广播一个通知需要进行切换的信息帧，同时接收端节点MAC层由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据接收；发送端传感器节点接收到信息帧时，由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据发送。本发明在隐藏终端引起持续冲突时，将传感器节点切换为允许多节点并行传输的机制，解决了无线传感器网络中隐藏终端带来的持续冲突问题，保证了传感器数据的正确传输，有效提高了无线传感器网络的传输性能。

Description

一种基于冲突检测的MAC机制切换方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，更具体地，涉及一种基于冲突检测的MAC机制切换方法。
背景技术
基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络是把低功耗、低成本、长寿命周期作为主要目标，以达到大规模无线传感器网络互联互通的目的，可广泛应用于环境监控、农业生产、军事应用等许多领域。然而，面临多跳拓扑、电磁干扰和节点移动等环境的挑战时，无线传感器网络的性能随之产生极大的变化。在这种恶劣的环境中，数据包传输失败的概率会大大增加。传输失败的原因可以分为来自PHY(物理层)的非冲突错误和来自MAC(媒体访问控制层)的冲突错误。
非冲突错误包括路径损耗、多径衰落、阴影衰落和IEEE 802.11干扰等；冲突错误主要由隐藏终端问题引起，隐藏终端广泛存在于多跳网络中，隐藏终端会导致数据包的持续冲突，影响数据的正确接收，引起数据帧的频繁重传，而连续且大量的重传，使媒体访问控制层认为接收节点失效，继而向网络层传输链路失败信号，网络层收到该信号后再次进行路由选择过程，这将导致网络冲突的进一步加剧，甚至导致整个传感器网络的瘫痪，因此，判断持续冲突继而完成MAC机制的切换对提高网络性能、保证传感器数据的正确传输至关重要。
目前，为提高网络性能而研究并设计的MAC机制主要集中于TDMA和CSMA/CA的混合应用，也有部分是基于FDMA/CSMA的混合MAC机制，但是都没有很好的解决隐藏终端问题。有研究采用了FDMA/TDMA的混合MAC机制，使用该混合机制不会出现隐藏终端问题，但是会带来很大的额外开销，并且可扩展性和灵活性差，不适用于拓扑结构多变的多跳网络。又有研究考虑在PHY层进行改进，例如Zigzag解码，但是该类研究中的相关计算需要底层协议的支持，并且计算次数多，不符合IEEE802.15.4标准的低成本、低能耗的设计目标。因此，上述研究都无法有效解决无线传感器网络中隐藏终端带来的持续冲突问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，旨在解决现有传输机制不能针对隐藏终端造成的持续冲突进行切换，导致传感器网络大量数据包传输失败，造成无线传感器网络性能降低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，包括：
(1)接收端传感器节点机制切换；
(1.1)对接收端传感器节点进行初始化，将冲突次数Nc设置为0；
(1.2)判断数据包是否是由隐藏终端造成的冲突错误；若是则进入步骤(1.3)，若否则返回执行步骤(1.2)；
(1.3)将当前冲突与前一次冲突的时间间隔Timer与最大时间阈值TMAX进行比较；若时间间隔Timer超出最大时间阈值TMAX，则将所述冲突次数Nc设置为1，将所述时间间隔Timer清零，并返回执行步骤(1.2)；若时间间隔Timer小于最大时间阈值TMAX，则进入步骤(1.4)；
(1.4)对所述冲突次数Nc加1，将所述时间间隔Timer清零，并判断所述冲突次数Nc是否达到设定的最大次数NMAX；若是则进入步骤(1.5)；若否则返回执行步骤(1.2)；
(1.5)接收端传感器节点广播一个通知需要进行切换的信息帧，同时接收端节点MAC层由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据接收；
(2)发送端传感器节点接收到所述信息帧时，由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据发送。
进一步地，步骤(1.1)中所述对接收端传感器节点进行初始化，具体包括：
(1.1.1)在发送端和接收端对设定的负载内容分别进行点对点数据传输和无空闲信道监听的星型拓扑数据传输；其中，点对点传输中发生的非冲突错误数据包对应第一标签，无空闲信道监听的星型传输中发生的冲突错误数据包对应第二标签；
(1.1.2)对接收的数据包中各个字节的错误信息与数据包对应标签进行互信息计算和重要性排序，选出前m个重要性最高的字节，作为m个冗余域块的位置，所有冗余域块组成冗余域；
(1.1.3)将冗余域对应的错误信息及对应标签输入设定的分类器进行训练，得到冲突错误分类模型；
(1.1.4)随机生成m个字节内容作为m个冗余域块的内容。
进一步地，在步骤(1.2)之前，所述方法还包括：
(101)使所述传感器节点侦听信号，等待接收发送端传感器节点发送的数据包，并判断是否有数据包到达；有则接收数据包并进入步骤(102)，无则继续侦听信号，等待接收数据；
(102)对接收的数据包进行地址校验，判断所述数据包地址是否与接收端传感器节点匹配；若是则进入步骤(103)，若否则丢弃此数据包，并返回执行步骤(101)；
(103)对接收的数据包进行CRC校验，判断数据内容是否正确；若是则向发送端传感器节点回传ACK帧，并返回执行步骤(101)；若否则进入步骤(1.2)。
进一步地，步骤(101)中发送端传感器节点发送的数据包中插入内容已知的冗余域块。
进一步地，步骤(1.2)中所述判断数据包是否是由隐藏终端造成的冲突错误，具体包括：
(1.2.1)提取错误数据包中的冗余域信息并与正确的冗余域内容进行对比；
(1.2.2)将对比结果输入所述冲突错误分类模型，获得数据包错误原因。
进一步地，步骤(1.3)中所述最大时间阈值TMAX为：
TMAX＝aMaxFrameRetryDuration*4；
其中，aMaxFrameRetryDuration为数据包一次失败重传最大时间间隔；
aMaxFrameRetryDuration＝InitialBackoffPeriod+CCA+PPDU+macACKWaitDuration
InitialBackoffPeriod为随机退避时长，CCA为空闲信道检测时间，PPDU为数据包在空中传输的所用时长，macACKWaitDuration为ACK最大等待时长。
进一步地，步骤(1.7)中设定的最大次数NMAX＝10。
进一步地，步骤(1.8)中切换的多节点并行传输机制为CDMA，该机制是在码域内实现资源动态分割，其信道利用率不受网络带宽和网络规模影响，可以实现多节点并行传输。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
(1)本发明在隐藏终端引起持续冲突时，将传感器节点切换为允许多节点并行传输的机制，解决了无线传感器网络中隐藏终端带来的持续冲突问题，保证了传感器数据的正确传输，有效提高了无线传感器网络的传输性能。
(2)本发明提供的自适应切换机制设置TMAX和NMAX两个阈值条件，在低负载或者偶发冲突下采用IEEE802.15.4标准的CSMA/CA机制，只在流量大且网络发生持续冲突时才进行MAC机制切换，可排除低负载下少量的、偶发的冲突包干扰，造成不必要的开销，从而保障了无线传感器网络低成本、低能耗的设计目标，相比其他混合MAC机制，本发明的切换机制鲁棒性更高。
附图说明
图1为本发明提供的基于冲突检测的MAC机制切换方法流程图；
图2为隐藏节点冲突重传示意图；
图3为隐藏节点持续冲突示意图；
图4为本发明提供的基于冲突检测的MAC机制切换方法与其它机制在不同发包率下的吞吐量。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，包括：
(1)接收端传感器节点机制切换；
(1.1)对接收端传感器节点进行初始化，将冲突次数Nc设置为0；
具体地，步骤(1.1)中对接收端传感器节点进行初始化，具体包括：
(1.1.1)在发送端和接收端对设定的负载内容分别进行点对点数据传输和无空闲信道监听的星型拓扑数据传输；其中，点对点传输中发生的非冲突错误数据包对应第一标签，无空闲信道监听的星型传输中发生的冲突错误数据包对应第二标签；
(1.1.2)对接收到的数据包中各个字节的错误信息与数据包对应标签进行互信息计算和重要性排序，选出前m个重要性最高的字节，作为m个冗余域块的位置，所有冗余域块组成冗余域；
(1.1.3)将冗余域对应的错误信息及对应标签输入设定的分类器进行训练，得到冲突错误分类模型；
(1.1.4)随机生成m个字节内容作为m个冗余域块的内容。
(1.2)判断数据包是否是由隐藏终端造成的冲突错误；若是则进入步骤(1.3)，若否则返回执行步骤(1.2)；
具体地，判断数据包是否是由隐藏终端造成的冲突错误，具体包括：
(1.2.1)提取错误数据包中的冗余域信息并与正确的冗余域内容进行对比；
(1.2.2)将对比结果输入所述冲突错误分类模型，获得数据包错误原因。
在步骤(1.2)之前，本发明方法还可包括：
(101)使所述传感器节点侦听信号，等待接收发送端传感器节点发送的数据包，并判断是否有数据包到达；有则接收数据包并进入步骤(102)，无则继续侦听信号，等待接收数据；
具体地，发送端传感器节点发送的数据包中插入内容已知的冗余域块。
(102)对接收的数据包进行地址校验，判断所述数据包地址是否与接收端传感器节点匹配；若是则进入步骤(103)，若否则丢弃此数据包，并返回执行步骤(101)；
(103)对接收的数据包进行CRC校验，判断数据内容是否正确；若是则向发送端传感器节点回传ACK帧，并返回执行步骤(101)；若否则进入步骤(1.2)。
(1.3)将当前冲突与前一次冲突的时间间隔Timer与最大时间阈值TMAX进行比较；若Timer超出TMAX，则将所述冲突次数Nc设置为1，将所述时间间隔Timer清零，返回执行步骤(1.2)；若Timer小于TMAX，则进入步骤(1.4)；
具体地，如图2所示，一对隐藏终端节点发出的数据包x1和y1发生冲突，接收端无法收到正确数据，于是两个节点重新传输数据内容，而新的数据包x2和y2再次发生冲突。由于隐藏终端无法相互监听，冲突将继续发生。数据包一次失败重传最大时间间隔可通过下式计算得到：
aMaxFrameRetryDuration＝InitialBackoffPeriod+CCA+PPDU+macACKWaitDuration
其中，InitialBackoffPeriod为随机退避时长，CCA为空闲信道检测时间，需要0.128ms，PPDU为数据包在空中传输所用时长，与传感器网络设置的数据包负载大小有关，macACKWaitDuration为ACK最大等待时长。
本发明实施例中InitialBackoffPeriod最大为23-1＝7个退避单位，即2.24ms，CCA需要0.128ms，macACKWaitDuration为0.864ms，需要说明，上述数值为数据包以非时隙CSMA/CA机制传输时的取值，本发明不限于此，实际应用中，各参数根据数据包实际采用的传输机制取值。
基于IEEE 802.15.4标准的CSMA/CA机制所允许的最大重传次数仅为3次，超过这个次数后数据包将被丢弃，因此，加上首次发包，同一个数据包最多会传输4次，这种情况下的数据包传输最大耗时为：TMAX＝aMaxFrameRetryDuration*4，将此最长耗时的值设为TMAX。
(1.4)对冲突次数Nc加1，将所述时间间隔Timer清零，并判断所述冲突次数Nc是否达到设定的最大次数NMAX；若是则进入步骤(1.5)；若否则返回执行步骤(1.2)；
具体地，如图3所示，当同一个数据包传输4次仍失败后会被丢弃，节点继续发送下一个数据包，但如果网络流量增大，将导致发包率也增大，使得数据发送间隔减小，新发送的数据包可能会继续冲突，从而引发数据包的持续冲突。一个数据包从开始发送到最后失败丢弃，发送端发包次数N＝4；包被丢弃后再发送新的数据包，又继续冲突，若最后又被丢弃，此时N＝8；再次的新数据包冲突，N＝9；若继续冲突下去，隐藏终端的存在将使得数据传输无法正常进行。数据包的多次冲突重传，表明网络负载大，原有CSMA/CA机制已经不能维持网络的正常运行，因此设置NMAX＝10，表明至少第三个包已经冲突且重传一次了，在这种持续冲突的情况下，需要切换MAC机制，以适应此时的高负载传输。
(1.5)接收端传感器节点广播一个通知需要进行切换的信息帧(切换帧)，同时接收端节点MAC层由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据接收；
具体地，切换的多节点并行传输机制为CDMA，该机制是在码域内实现资源动态分割，其信道利用率不受网络带宽和网络规模影响，可以实现多节点并行传输。
(2)发送端传感器节点接收到切换帧时，由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据发送。
为检验本发明提出的基于冲突检测的MAC机制切换方法运作效果，本发明实施例使用TI(Texas Instruments)公司CC2530芯片作为无线传感器节点的核心芯片，模拟冲突和非冲突场景下的数据包传输，实验地点及参数如表1所示。
表1
场景 传输功率 收发距离 障碍或干扰 发包数目
喻家山 -18dBm variable 树木 10000
宿舍楼 4dBm variable 墙壁 10000
地下仓库 -6dBm 5m 手推车 10000
办公室内 variable 5m WiFi干扰 10000
隐藏终端 -6dBm 6m 隐藏节点 10000
每个场景均进行多次实验，发包率50pps，最终获得各类场景下的非冲突错误包12648个，以及冲突场景的错包7520个。非冲突场景下，传感器节点未判断出持续冲突，故MAC层始终采用低功耗CSMA/CA机制传输；而冲突场景下的多次实验中，传感器节点均判断出持续冲突，实现MAC机制的自适应切换，达到设计目的。
为了进一步检验本发明提出的基于冲突检测的MAC机制切换方法的运作效果，在Matlab中对不同发包率下单独运作的CSMA/CA机制、CSMA/TDMA混合MAC机制、特定发包率下CSMA/CDMA切换的MAC机制和本发明提出的MAC机制切换方法(图中表示为SWT-mechanism，TMAX设置30ms，NMAX设置为10)进行对比，不同发包率下四种机制的吞吐量对比如图4所示，从图中可以看出CSMA/CA机制(星型曲线)只适用于低流量传输；CSMA/TDMA混合机制(矩形曲线)无法对含有隐藏终端的节点切换网络状态；CSMA/CDMA(圆形曲线)机制无法确定最佳切换点；而本发明提出的切换方法(三角形曲线)可以运用于含有隐藏终端的数据传输中，并且利用此切换方法可在网络发生持续冲突时进行机制切换，具体切换点随着网络的传输状态实时变化，从而达到无线网络可根据数据传输情况自适应切换MAC机制的目的，有效提升了无线传感器网络的传输性能。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，其特征在于，包括：
(1)接收端传感器节点机制切换；
(1.1)对接收端传感器节点进行初始化，将冲突次数Nc设置为0；
(1.2)判断数据包是否是由隐藏终端造成的冲突错误；若是则进入步骤(1.3)，若否则返回执行步骤(1.2)；
(1.3)将当前冲突与前一次冲突的时间间隔Timer与最大时间阈值TMAX进行比较；若Timer超出TMAX，则将所述冲突次数Nc设置为1，将所述时间间隔Timer清零，并返回执行步骤(1.2)；若Timer小于TMAX，则进入步骤(1.4)；最大时间阈值TMAX为：
TMAX＝aMaxFrameRetryDuration*4；
其中，aMaxFrameRetryDuration为数据包一次失败重传最大时间间隔；
aMaxFrameRetryDuration＝InitialBackoffPeriod+CCA+PPDU+macACKWaitDuration
InitialBackoffPeriod为随机退避时长，CCA为空闲信道检测时间，PPDU为数据包在空中传输的所用时长，macACKWaitDuration为ACK最大等待时长；
(1.4)对所述冲突次数Nc加1，将所述时间间隔Timer清零，并判断所述冲突次数Nc是否达到设定的最大次数NMAX；若是则进入步骤(1.5)；若否则返回执行步骤(1.2)；设定的最大次数NMAX＝10；
(1.5)接收端传感器节点广播一个通知需要进行切换的信息帧，同时接收端节点MAC层由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据接收；
(2)发送端传感器节点接收到切换帧时，由CSMA/CA机制切换为允许多节点并行传输的机制进行数据发送。
2.根据权利要求1所述的一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，其特征在于，步骤(1.1)中所述对接收端传感器节点进行初始化，具体包括：
(1.1.1)在发送端和接收端对设定的负载内容分别进行点对点数据传输和无空闲信道监听的星型拓扑数据传输；其中，点对点传输中发生的非冲突错误数据包对应第一标签，无空闲信道监听的星型传输中发生的冲突错误数据包对应第二标签；
(1.1.2)对接收的数据包中各个字节的错误信息与数据包对应标签进行互信息计算和重要性排序，选出前m个重要性最高的字节，作为m个冗余域块的位置，所有冗余域块组成冗余域；
(1.1.3)将冗余域对应的错误信息及对应标签输入设定的分类器进行训练，得到冲突错误分类模型；
(1.1.4)随机生成m个字节内容作为m个冗余域块的内容。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，其特征在于，在步骤(1.2)之前，所述方法还包括：
(101)使所述传感器节点侦听信号，等待接收发送端传感器节点发送的数据包，并判断是否有数据包到达；有则接收数据包并进入步骤(102)，无则继续侦听信号，等待接收数据；
(102)对接收的数据包进行地址校验，判断所述数据包地址是否与接收端传感器节点匹配；若是则进入步骤(103)，若否则丢弃此数据包，并返回执行步骤(101)；
(103)对接收的数据包进行CRC校验，判断数据内容是否正确；若是则向发送端传感器节点回传ACK帧，并返回执行步骤(101)；若否则进入步骤(1.2)。
4.根据权利要求3所述的一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，其特征在于，步骤(101)中发送端传感器节点发送的数据包中插入内容已知的冗余域块。
5.根据权利要求2所述的一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，其特征在于，步骤(1.2)中所述判断数据包是否是由隐藏终端造成的冲突错误，具体包括：
(1.2.1)提取错误数据包中的冗余域信息并与正确的冗余域内容进行对比；
(1.2.2)将对比结果输入所述冲突错误分类模型，获得数据包错误原因。
6.根据权利要求1所述的一种基于冲突检测的MAC机制切换方法，其特征在于，步骤(1.5)中切换的多节点并行传输机制为CDMA。
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