CN111601387B - 一种面向数能一体化无线传感器网络的介质访问控制机制 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向数能一体化无线传感器网络的介质访问控制(Media Access Control,MAC)机制，应用于无线传感器网络领域，针对现有技术存在的问题；本发明引入无线数能同传技术，改变传统IEEE 802.15.4协议的超帧结构，优化无线接入点的GTS时隙分配方案，将终端节点的剩余能量、前后两次采集数据的数值差异以及新采集数据的生命有效期作为判决条件来指导GTS时隙的分配，引入机器学习的支持向量机算法，根据历史数据进行有监督学习得到一个支持向量机的学习器模型，并将该学习器模型的决策边界值作为GTS时隙申请基准值，通过与该基准值的比较来决定GTS时隙申请方案。

Description

一种面向数能一体化无线传感器网络的介质访问控制机制
技术领域
本发明属于无线传感器网络领域，特别涉及一种无线传感器网络的MAC层机制。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种无线分布式传感网络，其中的传感器节点(Sensor Node，SN)可以感知和检查外部世界环境，采集环境参数，定期向无线接入点(Access Point，AP)传输采集到的各项数据，便于无线接入点监测和统计整个外部世界的环境状态。各传感器节点和无线接入点之间通过无线方式通信互联，一般采用 IEEE 802.15.4协议来实现无线通信，形成一个多跳自组织网络。随着现代科技的飞速发展，无线终端传感器节点一般要求位置灵活，且可移动，所以大多是无源设备，自带一个可充电电池用于供电。这种传统的无线传感器网络，供电方式一直是一个非常重要的课题，因为无论是通过更换电池来供电，还是使用无线充电的方式来进行电力供应，都会与传感器节点的位置可移动特性产生冲突，非常不方便。
传统无线传感器网络的MAC层采用传统IEEE 802.15.4协议进行无线通信，一个超帧周期分为活跃期和非活跃期，其中活跃期包含16个时隙，仅有第一个时隙是无线接入点下行发送信标帧，其他15个时隙默认均为无源传感器节点上行传输数据；而非活跃期各节点均进入低功耗模式，用于保留能量。所以对于无源的传感器节点来说，传统的超帧周期会导致能量被快速大量消耗。
同时，各传感器节点有采集到的新数据需要上传时，如果无线接入点分配了非竞争接入期(Contention Free Period，CFP)的保证时隙(Guaranteed Time-Slot，GTS)，则使用 GTS时隙进行通信，否则就只能在竞争接入期(Contention Access Period，CAP)中去竞争上报。对于无线接入点，分配GTS时隙默认遵循先到先服务原则(First Come FirstServed， FCFS)，并不考虑申请节点的实际情况；而终端节点进行GTS时隙申请需要消耗额外的能量，如果某终端节点希望通过GTS时隙进行通信，就一定会去进行GTS时隙申请，并不会考虑此次申请是否具有成功的可能性，这使得大量的能量浪费在GTS时隙申请的过程中，导致能量利用率较低。
所以，在现有的针对无线传感器网络的研究中，常常存在以下四个方面的不足。
1、无源终端传感器节点的供电方式不方便，与其位置可移动特性产生冲突；
2、采用传统IEEE 802.15.4协议进行无线通信时，一个超帧周期内的绝大部分时隙都被安排来进行上行数据传输，仅有一个时隙被安排用于下行传输信标帧，导致无源终端传感器节点的能量消耗非常大；
3、在使用传统IEEE 802.15.4协议的网络中，无线接入点对于GTS时隙的分配方案默认为遵循先到先服务原则，并没有考虑到GTS时隙申请节点的能量状态和数据紧急程度(即前后两次采集的数值变化和新采集数值的生命有效期)，使得具有保障性质的GTS时隙并没有得到最佳的利用；
4、在使用传统IEEE 802.15.4协议的网络中，如果终端节点存在数据需要发送，并且希望通过GTS时隙的方式进行通信，默认就一定会进行GTS时隙申请；GTS时隙申请需要消耗额外的能量，但是终端节点进行GTS时隙申请时，并没有考虑到此次GTS时隙申请是否具有成功的可能性，这就使得大量能量浪费在无意义的GTS时隙申请的过程中，总体能量利用率较低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种面向数能一体化无线传感器网络的MAC层机制，引入无线数能同传技术，改变传统IEEE 802.15.4协议的超帧结构，优化无线接入点的 GTS时隙分配方案，引入机器学习的支持向量机(Support Vector Machine，SVM)算法计算得到竞争上报基准值，通过与基准值的比较来判定竞争方案。
本发明采用的技术方案为：一种面向数能一体化无线传感器网络的介质访问控制机制，包括：
S1、构建数能一体化无线传感器网络，包括：
修改传统IEEE 802.15.4协议的超帧结构，使一个超帧周期内的时隙顺序为：信标帧附加阶段、信标帧、非竞争接入期、竞争接入期，所述信标帧附加阶段分配给无线接入点，所述无线接入点还包括在下行传输时进行无线数能同传；
还包括无源终端传感器节点，所述终端传感器节点向无线接入点发起GTS时隙申请，所述无线接入点计算该GTS时隙申请所对应的无源终端传感器节点的排序优先级；
S2、收集所述步骤S1构建的数能一体化无线传感器网络的历史工作数据，在无线接入点上根据收集到的历史工作数据训练支持向量机模型；
S3、无线接入节点基于支持向量机模型计算得出GTS时隙申请基准值；无线接入点在下行传输时，将GTS时隙申请基准值传输给各无源终端传感器节点，各无源终端传感器节点根据GTS时隙申请基准值决定是否进行GTS时隙申请。
所述无线接入点在信标帧附加阶段下行广播数据帧，如果此时无线接入点并没有有效数据需要发送，则广播空帧。
所述无线接入点在信标帧附加阶段广播信标帧，所述信标帧中规定各时隙的同步信息。
所述无线接入点在信标帧附加阶段广播的信标帧中还包括：时隙长度信息、非竞争阶段的分配结果。
步骤S1中无源终端传感器节点向无线接入点发起GTS时隙申请之前，还包括采集三个参数，所述三个参数包括该无源终端传感器节点自身当前的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期，并将这三个参数写入GTS时隙申请数据帧。
步骤所述无源终端传感器节点的排序优先级，具体为：无线接入点会将收集到的每个 GTS时隙申请数据帧都存储到数据缓冲区中，在下一个超帧周期开始之前，读取数据缓冲区的所有GTS时隙申请数据帧，根据GTS时隙申请节点的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期参数来判定能量状态和数据紧急程度，计算无源终端传感器节点的排序优先级。
步骤S2中无源终端传感器节点根据GTS时隙申请基准值决定是否进行GTS时隙申请，具体为：无源终端传感器节点根据当前超帧周期接收到的支持向量机模型，计算其自身的 GTS时隙申请状态值，然后将计算得到的GTS时隙申请状态值与当前超帧周期接收到的GTS时隙申请基准值进行比较，若计算得到的GTS时隙申请状态值大于或等于GTS时隙申请基准值时，则继续进行GTS时隙申请，否则就认为此时进行GTS时隙申请必定失败，放弃此次GTS时隙申请的机会。
其中无源终端传感器节点通过将其采集自身的数据变化绝对值，剩余能量百分比，和数据生命有效期，这三个参数输入当前超帧周期接收到的支持向量机模型，从而得到其自身的GTS时隙申请状态值。
本发明的有益效果：本发的一种面向数能一体化无线传感器网络的介质访问控制机制，包括以下优点：
利用无线数能同传技术解决了无源终端传感器节点供电不方便的问题，既能保证有效供电，又能支持无源终端传感器节点的可移动特性和无源特性；
通过删去传统IEEE 802.15.4协议的超帧周期的非活跃期阶段，并新增信标帧附加阶段专用于无线接入点下行广播无线传能，增加了下行广播的时隙数，同时也就增加无线能量供应，使网络的能量供应更加充足，延长了无源终端节点的生命周期和整体网络寿命；
利用终端节点的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期这三个参数来衡量终端节点的能量状态和数据紧急程度，并将这些参数写入GTS时隙申请数据帧中，用于无线接入点判断GTS时隙申请节点的状态，并作为GTS时隙分配的判决依据，使得具有保障性质的GTS时隙更优先地被剩余能量充足、数据紧急程度高(即前后两次采集的数值变化量大，新采集数值的生命有效期短)的终端节点使用；
通过支持向量机的监督学习方法得出的基准值来识别出必定失败的GTS时隙并规避，有效减少了无意义的能量浪费，从而降低了无源终端传感器节点的能量消耗；
通过与支持向量机的监督学习方法得出的基准值进行比较，保证无源终端传感器节点的每次GTS时隙申请都是有一定把握能够成功的，从而增大了能源利用率。
附图说明
图1为本发明的方案流程图；
图2为本发明的步骤2的具体流程图；
图3为本发明的步骤3的具体流程图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的技术方案包括以下3个步骤：
1、构建数能一体化无线传感器网络
11、在传统无线传感器网络的基础上引入无线数能同传技术，形成数能一体化传输的无线传感器网络，利用无线接入点的有源特性，在下行传输中实现无线数能同传，从而在给无源终端传感器节点发送信标帧或其他命令帧的同时，实现电能供应。
改变传统IEEE 802.15.4协议的超帧结构和顺序，使一个超帧周期内的时隙顺序依次为信标帧附加阶段、信标帧、非竞争接入期、竞争接入期，同时将新增的信标帧附加阶段分配给无线接入点，专门用于下行广播来进行无线能量供应，如果没有数据需要传输则传输空帧，这样一个超帧周期内，最前面的时隙都用来下行无线数能同传，给无源终端传感器节点进行能量供应，降低传感器节点一开始上行传输就使能量耗尽的风险，同时也把非竞争接入期提前，预防某节点本来已经被分配了非竞争接入期的GTS时隙，还依然在竞争接入期进行竞争上报的能量浪费。
12、终端传感器节点在进行GTS时隙申请之前，会采集其自身当前的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期，并将这三个参数写入GTS时隙申请数据帧，一同发给无线接入点；无线接入点会将收集到的每个GTS时隙申请数据帧都存储到数据缓冲区中，在下一个超帧周期开始之前，读取数据缓冲区的所有GTS时隙申请数据帧，根据GTS时隙申请节点的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期参数来判定能量状态和数据紧急程度，并由此排序决定GTS时隙的分配结果。
2、收集无线传感器网络的历史工作数据存入无线接入点，关注每次无源终端传感器节点进行GTS时隙申请时，该节点的数据变化量，剩余能量百分比和数据有效期状态，以及该节点该次GTS时隙申请的结果，通过在无线接入点引入机器学习的支持向量机算法来训练模型，学习出一个GTS时隙申请的基准值；
3、通过信标帧将该基准值下行发送给无源终端传感器节点，只有当某无源终端传感器节点根据自身的数据变化量，剩余能量百分比，以及数据有效期计算出来的GTS时隙申请状态值大于接收到的GTS时隙申请基准值时，该终端节点才会继续进行GTS时隙申请，否则就认为此时进行GTS时隙申请一定失败，放弃该周期的GTS时隙申请机会，从而节约了能量开销。
步骤1的传统IEEE 802.15.4协议的超帧结构的时隙顺序依次为信标帧、竞争接入期、非竞争接入期和非活跃期，所有阶段的时隙同步依靠无线接入点在信标帧阶段下行广播信标帧来规定，信标帧中会包含所有时隙同步信息，时隙长度信息和非竞争阶段的分配结果。
按照步骤1所述将超帧结构的时隙结构修改之后，无线接入点依然会在信标帧阶段广播信标帧，并在信标帧中规定了各时隙的同步信息。另外，新增的信标帧附加阶段规定为全部分配给无线接入点，所有无源终端传感器节点在该阶段都将保持等待接收状态，与信标帧阶段相同。如果此时无线接入点并没有有效数据需要发送，可以直接发送空帧。
由于引入了无线数能同传技术，无线接入点每次下行传输任何帧时，都会同时无线传输一定量的能量过去，所有无源终端传感器节点都将接收到无线接入点下行广播的数据帧，于是同时也将接收到无线传输过来的能量，并将能量灌入其自身携带的可充电电池，完成充电，实现电能的获取和储存。
如图2所示，步骤12的具体实现过程为：
终端传感器节点i第j次采集到环境数据时，如果希望通过GTS时隙的方式进行通信，会首先采集其自身当前的剩余能量百分比
Figure BDA0002504067850000051
Figure BDA0002504067850000052
表示终端传感器节点i第j次采集到环境数据时，其自身的剩余能量，第j次采集到的环境数据与上次传给无线接入点时采集到的环境数据之间的变化绝对值
Figure BDA0002504067850000061
(具体计算公式为：
Figure BDA0002504067850000062
若此前还没有给无线接入点传过数据，则将此次采集到的环境数据
Figure BDA0002504067850000063
直接作为变化绝对值
Figure BDA0002504067850000064
)，以及此次采集到的环境数据的生命有效期
Figure BDA0002504067850000065
并将以上三个参数写入GTS时隙申请的数据帧中一同发送给无线接入点。
无线接入点接收到GTS时隙申请数据帧后，会将该帧解调并获取到其中的节点号i、剩余能量百分比
Figure BDA0002504067850000066
数据变化量
Figure BDA0002504067850000067
和数据有效期
Figure BDA0002504067850000068
并将这四个参数存储到数据缓冲区中。
当下一个超帧周期快要开始时，无线接入点会去读取自己的数据缓冲区，获取到所有的GTS时隙申请数据，并计算每一个GTS时隙申请节点的排序优先级，具体的排序计算公式为：
Figure BDA0002504067850000069
其中，ε表示一个极小的正数，可取10-8，专用于防止分母为零的情况。rank(x)表示排序函数，根据自变量x的大小进行排序，x越大，排序结果越靠前，x越小，排序结果越靠后。
根据以上的排序判决公式，无线接入点对所有的GTS时隙申请进行排序。若一个超帧周期的非竞争接入期包含有n个GTS时隙，无线接入点就将下一个超帧周期的n个GTS 时隙分配给排序结果最靠前的n个申请节点，并将分配结果写入信标帧。当无线接入点把信标帧广播出去之后，再将数据缓冲区清空，等待下一个超帧周期的GTS时隙申请。
如图3所示，步骤2的具体实现过程为：
搭建根据步骤1改进后的数能一体化无线传感器网络，进行多次实验，收集实验中每一个无源终端传感器节点的每一次GTS时隙申请的数据，将收集到的数据整理成GTS时隙申请历史数据集DataSetGTS Application，储存到无线接入点中，用来在无线接入点上训练一个支持向量机模型modelsvm，进行监督学习，将学习后得到的模型的决策边界输出，作为竞争上报基准值Cr。
需要收集的数据包括：传感器节点i第j次采集到的环境数据与上次传给无线接入点时采集到的环境数据之间的变化绝对值
Figure BDA0002504067850000071
(具体计算公式为：
Figure BDA0002504067850000072
若此前还没有给无线接入点传过数据，则将此次采集到的环境数据
Figure BDA0002504067850000073
直接作为变化绝对值
Figure BDA0002504067850000074
)，传感器节点i此时的剩余能量百分比
Figure BDA0002504067850000075
(其中Emax表示电池的最大容量)，传感器节点i此次采集到的环境数据的生命有效期
Figure BDA0002504067850000076
以及传感器节点i此次GTS时隙申请的结果
Figure BDA0002504067850000077
在无线接入点上训练支持向量机模型modelsvm的具体时间为：网络组建好之后，无线接入点开始发送第一个超帧周期的信标帧之前。
在该数能一体化无线传感器网络组建好之后，无线接入点迅速使用初始的GTS时隙申请历史数据集
Figure BDA0002504067850000078
进行模型训练，待模型训练完成之后，得到训练好的支持向量机模型
Figure BDA0002504067850000079
并将输出的决策边界作为GTS时隙申请基准值
Figure BDA00025040678500000710
然后再进入第一个超帧周期。
步骤3具体为：
在第一个超帧周期的信标帧阶段，无线接入点下行广播信标帧时，会将训练好的支持向量机模型
Figure BDA00025040678500000711
以及GTS时隙申请基准值
Figure BDA00025040678500000712
写入信标帧，下行广播给所有的无源终端传感器节点。
在数能一体化无线传感器网络的所有超帧周期内，传感器节点一旦有数据希望通过 GTS时隙进行通信，都会首先采集自身的数据变化绝对值，剩余能量百分比，和数据生命有效期，然后根据当前超帧周期接收到的支持向量机模型进行计算，得到此时自身的GTS时隙申请状态值，然后将计算得到的GTS时隙申请状态值与当前超帧周期接收到的GTS 时隙申请基准值进行比较，当计算得到的GTS时隙申请状态值大于等于GTS时隙申请基准值时，才会继续进行GTS时隙申请，否则就认为此时进行GTS时隙申请必定失败，放弃此次GTS时隙申请的机会。
具体的：对于无源终端传感器节点的每次GTS时隙申请，假设当前为数能一体化无线传感器网络的第k个超帧周期，当前GTS时隙申请为传感器节点i第j次进行GTS时隙申请，传感器节点i会首先采集此次的环境数据
Figure BDA00025040678500000713
和上次传给无线接入点的环境数据
Figure BDA00025040678500000714
计算得到数据变化绝对值
Figure BDA00025040678500000715
再采集此时其自身的剩余能量百分比
Figure BDA0002504067850000081
以及环境数据生命有效期
Figure BDA0002504067850000082
根据当前超帧周期接收到的支持向量机模型
Figure BDA0002504067850000083
进行计算，输入数据变化绝对值
Figure BDA0002504067850000084
剩余能量百分比
Figure BDA0002504067850000085
和环境数据生命有效期
Figure BDA0002504067850000086
输出此时的GTS时隙申请状态值
Figure BDA0002504067850000087
再将该GTS时隙申请状态值
Figure BDA0002504067850000088
与当前超帧周期接收到的GTS时隙申请基准值
Figure BDA0002504067850000089
进行比较，若
Figure BDA00025040678500000810
则继续完成GTS时隙申请，若
Figure BDA00025040678500000811
则放弃此次GTS时隙申请的机会，认为此次GTS时隙申请必定失败。
该网络工作期间的所有GTS时隙申请数据都会被收集，假设当前数能一体化无线传感器网络的第k个超帧周期，当该超帧周期结束之后，所有收集到的GTS时隙申请相关数据都会被加入到GTS时隙申请历史数据集
Figure BDA00025040678500000812
中，生成新的GTS时隙申请历史数据集
Figure BDA00025040678500000813
重新储存到无线接入点处。当下一次网络开始之后，无线接入点会使用更新后的GTS时隙申请历史数据集
Figure BDA00025040678500000814
进行重新训练，得到全新的支持向量机模型
Figure BDA00025040678500000815
以及全新的GTS时隙申请基准值
Figure BDA00025040678500000816
对于初次组建数能一体化无线传感器网络的第一个超帧周期，则只能使用通过历史实验采集到的初始GTS时隙申请历史数据集
Figure BDA00025040678500000817
而此后依次加入的GTS时隙申请数据都是使用本发明所提方法采集到的数据。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种面向数能一体化无线传感器网络的MAC层机制，其特征在于，包括：
S1、构建数能一体化无线传感器网络，包括：
修改传统IEEE 802.15.4协议的超帧结构，使一个超帧周期内的时隙顺序为：信标帧附加阶段、信标帧、非竞争接入期、竞争接入期，所述信标帧附加阶段分配给无线接入点，所述无线接入点还包括在下行传输时进行无线数能同传；
还包括无源终端传感器节点，所述终端传感器节点向无线接入点发起GTS时隙申请，所述无线接入点计算该GTS时隙申请所对应的无源终端传感器节点的排序优先级；
步骤S1中无源终端传感器节点向无线接入点发起GTS时隙申请之前，还包括采集三个参数，所述三个参数包括该无源终端传感器节点自身当前的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期，并将这三个参数写入GTS时隙申请数据帧；
所述无源终端传感器节点的排序优先级，具体为：无线接入点会将收集到的每个GTS时隙申请数据帧都存储到数据缓冲区中，在下一个超帧周期开始之前，读取数据缓冲区的所有GTS时隙申请数据帧，根据GTS时隙申请节点的剩余能量百分比、数据变化量和数据有效期参数来判定能量状态和数据紧急程度，计算无源终端传感器节点的排序优先级；具体的排序计算公式为：
Figure FDA0003666138250000011
其中，ε表示一个极小的正数，取值为10-8，rank(x)表示排序函数；
根据以上的排序判决公式，无线接入点对所有的GTS时隙申请进行排序；若一个超帧周期的非竞争接入期包含有n个GTS时隙，无线接入点就将下一个超帧周期的n个GTS时隙分配给排序结果最靠前的n个申请节点，并将分配结果写入信标帧；
S2、收集所述步骤S1构建的数能一体化无线传感器网络的历史工作数据，在无线接入点上根据收集到的历史工作数据训练支持向量机模型；
S3、无线接入节点基于支持向量机模型计算得出GTS时隙申请基准值；无线接入点在下行传输时，将GTS时隙申请基准值传输给各无源终端传感器节点，各无源终端传感器节点根据GTS时隙申请基准值决定是否进行GTS时隙申请；
步骤S3中无源终端传感器节点根据GTS时隙申请基准值决定是否进行GTS时隙申请，具体为：无源终端传感器节点根据当前超帧周期接收到的支持向量机模型，计算其自身的GTS时隙申请状态值，然后将计算得到的GTS时隙申请状态值与当前超帧周期接收到的GTS时隙申请基准值进行比较，若计算得到的GTS时隙申请状态值大于或等于GTS时隙申请基准值时，则继续进行GTS时隙申请，否则就认为此时进行GTS时隙申请必定失败，放弃此次GTS时隙申请的机会。
2.根据权利要求1所述的一种面向数能一体化无线传感器网络的MAC层机制，其特征在于，所述无线接入点在信标帧附加阶段下行广播数据帧，如果此时无线接入点并没有有效数据需要发送，则广播空帧。
3.根据权利要求2所述的一种面向数能一体化无线传感器网络的MAC层机制，其特征在于，所述无线接入点在信标帧附加阶段广播信标帧，所述信标帧中规定各时隙的同步信息。
4.根据权利要求3所述的一种面向数能一体化无线传感器网络的MAC层机制，其特征在于，所述无线接入点在信标帧附加阶段广播的信标帧中还包括：时隙长度信息、非竞争阶段的分配结果。
5.根据权利要求4所述的一种面向数能一体化无线传感器网络的MAC层机制，其特征在于，无源终端传感器节点通过将其采集自身的数据变化绝对值，剩余能量百分比，和数据生命有效期，这三个参数输入当前超帧周期接收到的支持向量机模型，从而得到其自身的GTS时隙申请状态值。
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