CN111556586B - 一种分簇wsn中采用超帧的自适应媒体接入控制方法 - Google Patents

一种分簇wsn中采用超帧的自适应媒体接入控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分簇WSN中采用超帧的自适应媒体接入控制方法，主要解决现有技术在大规模场景下功耗高、灵活性差的问题。其方案是：针对分簇拓扑设计基于簇容量自适应的超帧结构；优化多种多媒体接入控制MAC帧；设置超帧结构中发送和接收MAC帧机制；对非竞争期和竞争期的时长基于簇容量自适应，每个簇头周期性发送信标帧，以标志本簇非竞争期、竞争期和休眠期的开始时间；所有簇内节点在信标帧到达时唤醒，在非竞争期发送完本节点数据后休眠；簇头节点在竞争期结束后休眠；数据帧在非竞争期发送；入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧、簇头轮换确认帧和应答帧在竞争期内发送。本发明功耗低，适应性强，可用于大规模物联网场景。

Description

一种分簇WSN中采用超帧的自适应媒体接入控制方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种采用超帧的自适应媒体接入控制方法，具体涉及一种分簇WSN中采用超帧的自适应媒体接入控制方法，可用于大规模物联网场景，实现网络中节点的动态性、自组织、对等性，满足网络中高密度、低功耗的需求。
背景技术
无线传感器网络WSN是一种新型的信息传感与采集系统，具有大规模、低成本、低功耗等特点，在智能交通、环境保护、工业监测、环境监测等多个领域拥有重大应用前景与商业价值。WSN中的无线传感器节点随机部署在固定区域内，通过无线的方式将信息传送到服务中心，从而实现对环境资源的感知。由于无线信道资源的限制，能源消耗成为制约大规模，高密度WSN性能的关键因素。
分簇是目前在大规模WSN中非常流行的一种拓扑结构，一方面，分簇可以增加网络中传感器的最大连接数量，另一方面，分簇采用分布式管理思想，相比于集中式管理，它可以降低网络中管理开销和通信能耗。为了满足大规模、高密度、节点随机分布的分簇WSN的功耗需求，节能成为最关键的因素，由于MAC层被认为是WSN能量浪费的根源，因此关于媒体接入控制方法的研究越来越受到重视。现有媒体接入控制方法中，Zigbee采用IEEE802.15.4作为MAC层协议，实现了用较低的复杂度在无线信道环境下可靠传输数据，其定义了四种MAC帧结构，即信标帧、数据帧、命令帧和确认帧，其中信标帧，能够进行节点同步并对超帧结构进行相应的描述，数据帧用于传输数据，命令帧用于处理所有MAC对等的实体控制传输，确认帧用于确认各种帧的接收。IEEE 802.15.4的超帧结构包括竞争期、非竞争期和非活跃期，信标帧在超帧第一个时隙的起始时刻发送，超帧的竞争期紧接信标帧，其后为非竞争期，其竞争期和非竞争期时长不能根据簇容量自适应，且未考虑分簇WSN对于簇头轮换的实际需求，实际最高支持节点数目仅百级，连接能力有限，适用性较差。
发明内容
本发明的目的在于针对IEEE 802.15.4应用在WSN中，无法实现自适应调节超帧周期以及簇头轮换，导致在大规模、高密度、节点随机分布的场景下的适用性差的不足，提出一种分簇WSN中采用超帧的自适应媒体接入控制方法，实现网络中节点的动态性、自组织、对等性，满足WSN中高密度、低功耗的需求。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)设计基于簇容量自适应的超帧结构：
所述超帧结构，包括发送和接收不同MAC帧的非竞争期、竞争期和休眠期，设计如下：
(1a)设置非竞争期时长：
Figure BDA0002497781180000021
并在非竞争期，将簇内节点按照簇ID依次分配上传时隙，实现快速无冲突的数据上传，其中：α是关系系数，Rb是分组的传输速率，M为簇容量，lm为簇内成员周期发送的业务数据中的平均分组长度；
(1b)设置竞争期时长：
Figure BDA0002497781180000022
并在竞争期，采用竞争方式将节点接入信道，其中：β是关系系数，N为网络中包含的节点数量；
(1c)根据节点的业务和能量特性设置固定的休眠期时长TSleep，在休眠期不进行节点数据上传；
(2)优化多种媒体接入控制MAC帧的结构：
(2a)设置多种媒体接入控制MAC帧，其包括管理帧、控制帧和数据帧，该管理帧包括信标帧、入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧；该控制帧包括应答帧；
(2b)对(2a)设置的帧结构进行优化：
(2b1)设计多种媒体接入控制MAC帧通用的帧控制域，包括协议版本域、帧类型域、重试域和功控管理域；
(2b2)信标帧采用动态帧体，增加簇头轮换域和前周期接收确认域，所述帧体在网络初始化阶段为空，在初始化结束后，帧体包括非竞争期开始时间域、每个簇内节点分得的非竞争期时长域、竞争期开始时间域、休眠期开始时间域、簇头轮换域和前周期接收确认域，其中，前周期接收确认域用于对上一个信标帧周期内所有簇内节点的数据信息进行统一回复，以节省开销；
(2b3)增加入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧。
(3)设置超帧结构中发送和接收MAC帧的机制：
(3a)在超帧结构的开始，簇头节点发送信标帧，用于同步和控制信道时间的划分，标志本簇的非竞争期、竞争期和休眠期的开始时间，所有簇内节点在信标帧到达时唤醒；
(3b)在非竞争期，簇内节点发送数据帧，发送完本节点数据后进入休眠，簇头节点按照时隙接收该数据帧；
(3c)在竞争期，簇头节点接收部分管理帧，包括：入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧、簇头轮换确认帧和应答帧；其中，入簇请求帧和入簇回复帧用于发起和处理节点的入簇请求，簇头轮换帧和簇头轮换确认帧用于提供簇投轮换功能，在当前簇头失效时提供替代簇头；应答帧用于确认帧的接收；簇头节点在竞争期结束后进入休眠；
(3d)在休眠期，不进行MAC帧的发送和接收。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，本发明的MAC帧相较于IEEE 802.15.4 MAC帧增加了簇头轮换功能，本发明的MAC帧结构中增加簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧，且信标帧中的簇头轮换域可提供簇投轮换功能，在当前簇头失效时提供替代簇头，满足大规模WSN对簇头轮换的需求。
第二，本发明的超帧结构针对分簇拓扑，提出了基于簇容量自适应的非竞争期和竞争期，以减小通信过程中的能量消耗。本发明的超帧结构先开始非竞争周期，与先开始竞争期的IEEE 802.15.4超帧结构相比，保证了大规模、周期性业务的低时延上传，设计的多种帧分别在不同时期发送，提高接入节点的数量，增强超帧结构在大规模、高密度、节点随机分布的场景下的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明自适应媒体接入控制方法的实现流程图；
图2本发明中的超帧结构框图；
图3为本发明中帧控制域结构图；
图4为本发明中的信标帧结构图；
图5为本发明中的入簇请求帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧结构图；
图6为本发明中的入簇回复帧结构图；
图7为为本发明中的数据帧结构图；
图8为本发明中的应答帧结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明的分簇WSN中采用超帧的自适应媒体接入控制方法，包括如下步骤：
步骤1，设计基于簇容量自适应的超帧结构。
参照图2，所述超帧结构，包括发送和接收不同MAC帧的非竞争期、竞争期和休眠期，其设计如下：
(1.1)设置非竞争期时长：
Figure BDA0002497781180000041
并在非竞争期，将簇内节点按照簇ID依次分配上传时隙，实现快速无冲突的数据上传，其中：α是关系系数，Rb是分组的传输速率，M为簇容量，lm为簇内成员周期发送的业务数据中的平均分组长度。
(1.2)设置竞争期时长：
Figure BDA0002497781180000042
并在竞争期，采用竞争方式将节点接入信道，其中：β是关系系数，N为网络中包含的节点数量。
(1.3)根据节点的业务和能量特性设置固定的休眠期时长TSleep，在休眠期不进行节点数据上传。
步骤2，优化多种媒体接入控制MAC帧的结构。
(2.1)设置多种媒体接入控制MAC帧，其包括管理帧、控制帧和数据帧，该管理帧包括信标帧、入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧；该控制帧包括应答帧。
(2.2)对(2.1)设置的帧结构进行优化：
(2.2.1)参照图3，设计多种媒体接入控制MAC帧通用的帧控制域，包括协议版本域、帧类型域、重试域和功控管理域。各类型帧的帧控制域功能相同，帧控制域中的帧类型域编码不同，即均用于明确协议版本号、帧的种类、重发帧类型，及发送帧的节点状态。所述协议版本域，表示所使用的网络层协议版本号，所述帧类型域，表示帧的种类，例如，0000表示该帧为信标帧，0001表示该帧为入簇请求帧，0010该帧为入簇回复帧，0011表示该帧为簇头轮换请求帧，0100表示该帧为簇头轮换确认帧，0101表示该帧为应答帧，0111表示该帧为数据帧；所述重试域表示该帧是否是重发帧，例如0代表该帧不是重发帧，1代表该帧为重发帧；所述功控管理域，表示发送帧的节点状态，该节点状态包括能量充足和省电模式，例如0表示能量充足，1表示省点模式。
(2.2.2)参照图4，信标帧结构包括帧控制域、同步时长域、目的地址域、信标帧周期域、帧体和帧校验序列域，由簇头发出，用于同步和控制信道时间划分。信标帧采用动态帧体，增加簇头轮换域和前周期接收确认域，所述帧体在网络初始化阶段为空，在初始化结束后，帧体包括非竞争期开始时间域(B-CFP)、每个簇内节点分得的非竞争期时长域(T-Slot)、竞争期开始时间域(B-CAP)、休眠期开始时间域(B-Sleep)、簇头轮换域和前周期接收确认域，其中，前周期接收确认域用于对上一个信标帧周期内所有簇内节点的数据信息进行统一回复，以节省开销；
(2.2.3)增加入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧。
参照图5，所述入簇请求帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧，其均包括：帧控制域、同步域、源地址域、目的地址域和帧校验序列域；
参照图6，所述入簇回复帧，其包括：帧控制域、同步域、源地址域、目的地址域、簇内ID域和帧校验序列域，且该帧是在簇头同意节点加入本簇时才被发送。所述簇内ID域，用于明确簇头按照顺序分配给簇内节点的标号。
所述各类型帧的同步域、源地址域、目的地址域、帧校验序列域，及作用均相同，即：所述同步域，用于实现簇头节点与簇内节点的同步，所述源地址域，用于明确发送帧的最初地址，所述目的地址域，用于明确最终接收帧的地址，所述帧校验序列域，用于在传输过程中保证帧的正确性。
步骤3，设置超帧结构中发送和接收MAC帧的机制。
(3.1)在超帧结构的开始，簇头节点发送信标帧，用于同步和控制信道时间的划分，标志本簇的非竞争期、竞争期和休眠期的开始时间，所有簇内节点在信标帧到达时唤醒；
(3.2)在非竞争期，簇内节点发送数据帧，发送完本节点数据后进入休眠，簇头节点按照时隙接收该数据帧；参照图7，所述数据帧，其包括：帧控制域、同步域、源地址域、目的地址域、帧体、帧校验序列域，用于节点在簇内及簇间传递数据。
(3.3)在竞争期，簇头节点接收部分管理帧，包括：入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧、簇头轮换确认帧和应答帧；其中，入簇请求帧和入簇回复帧用于发起和处理节点的入簇请求，簇头轮换帧和簇头轮换确认帧用于提供簇投轮换功能，在当前簇头失效时提供替代簇头；参照图8，所述应答帧，其包括：帧控制域、同步域、源地址域、帧校验序列域，用于确认帧的正确接收；簇头节点在竞争期结束后进入休眠；
(3.4)在休眠期，不进行MAC帧的发送和接收。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种分簇WSN中采用超帧的自适应媒体接入控制方法，其特征在于：包括如下：
(1)设计基于簇容量自适应的超帧结构：
所述超帧结构，包括发送和接收不同MAC帧的非竞争期、竞争期和休眠期，设计如下：
(1a)设置非竞争期时长：
Figure FDA0003527497430000011
并在非竞争期，将簇内节点按照簇ID依次分配上传时隙，实现快速无冲突的数据上传，其中：α是关系系数，Rb是分组的传输速率，M为簇容量，lm为簇内成员周期发送的业务数据中的平均分组长度；
(1b)设置竞争期时长：
Figure FDA0003527497430000012
并在竞争期，采用竞争方式将节点接入信道，其中：β是关系系数，N为网络中包含的节点数量；
(1c)根据节点的业务和能量特性设置固定的休眠期时长TSleep，在休眠期不进行节点数据上传；
(2)优化多种媒体接入控制MAC帧的结构：
(2a)设置多种媒体接入控制MAC帧，其包括管理帧、控制帧和数据帧，该管理帧包括信标帧、入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧；该控制帧包括应答帧；
(2b)对(2a)设置的帧结构进行优化：
(2b1)设计多种媒体接入控制MAC帧通用的帧控制域，包括协议版本域、帧类型域、重试域和功控管理域，含义如下：
所述协议版本域，表示所使用的网络层协议版本号；
所述帧类型域，表示帧的种类；
所述重试域，表示帧是否是重发帧；
所述功控管理域，表示发送帧的节点状态，该节点状态包括能量充足和省电模式；
(2b2)信标帧采用动态帧体，增加簇头轮换域和前周期接收确认域，所述帧体在网络初始化阶段为空，在初始化结束后，帧体包括非竞争期开始时间域、每个簇内节点分得的非竞争期时长域、竞争期开始时间域、休眠期开始时间域、簇头轮换域和前周期接收确认域，其中，前周期接收确认域用于对上一个信标帧周期内所有簇内节点的数据信息进行统一回复，以节省开销；
(2b3)增加入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧，各类型帧的结构如下：
所述入簇请求帧、簇头轮换请求帧和簇头轮换确认帧，其均包括：帧控制域、同步域、源地址域、目的地址域和帧校验序列域；
所述入簇回复帧，其包括：帧控制域、同步域、源地址域、目的地址域、簇内ID域和帧校验序列域，且该帧是在簇头同意节点加入本簇时才被发送；
所述各类型帧的同步域、源地址域、目的地址域、帧校验序列域，及作用均相同，即：
所述同步域，用于实现簇头节点与簇内节点的同步；
所述源地址域，用于明确发送帧的最初地址；
所述目的地址域，用于明确最终接收帧的地址；
所述帧校验序列域，用于在传输过程中保证帧的正确性；
(3)设置超帧结构中发送和接收MAC帧的机制：
(3a)在超帧结构的开始，簇头节点发送信标帧，用于同步和控制信道时间的划分，标志本簇的非竞争期、竞争期和休眠期的开始时间，所有簇内节点在信标帧到达时唤醒；
(3b)在非竞争期，簇内节点发送数据帧，发送完本节点数据后进入休眠，簇头节点按照时隙接收该数据帧；
(3c)在竞争期，簇头节点接收部分管理帧，包括：入簇请求帧、入簇回复帧、簇头轮换请求帧、簇头轮换确认帧和应答帧；其中，入簇请求帧和入簇回复帧用于发起和处理节点的入簇请求，簇头轮换帧和簇头轮换确认帧用于提供簇投轮换功能，在当前簇头失效时提供替代簇头；应答帧用于确认帧的接收；簇头节点在竞争期结束后进入休眠；
(3d)在休眠期，不进行MAC帧的发送和接收。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：各类型帧的帧控制域功能相同，帧控制域中的帧类型域编码不同，即均用于明确协议版本号、帧的种类、重发帧类型，及发送帧的节点状态；帧类型域编码分别如下：
入簇请求帧的帧类型域编码为0001；
入簇回复帧的帧类型域编码为0010；
簇头轮换请求帧的帧类型域编码为0011；
簇头轮换确认帧的帧类型域编码为0100。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述入簇回复帧中的簇内ID域，用于明确簇头按照顺序分配给簇内节点的标号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(3b)中的数据帧，用于节点在簇内及簇间传递数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(3c)中的应答帧，用于确认帧的正确接收。
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