專利名稱：：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)及其mac通訊協(xié)議的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)；本發(fā)明還涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議。
背景技術(shù)：
：無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，wirelesssensornetworks)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是從傳感器網(wǎng)絡(luò)開始的。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。使用具有簡單信息信號獲取能力的傳統(tǒng)傳感器，采用點對點傳輸、連接傳感控制器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)；第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有獲取多種信息信號的綜合能力，采用串，并接口(如Rs-232、RS-485)與傳感控制器相聯(lián)，構(gòu)成有綜合多種信息的傳感器網(wǎng)絡(luò)；第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代后期和本世紀(jì)初，用具有智能獲取多種信息信號的傳感器，采用現(xiàn)場總線連接傳感控制器，構(gòu)成局域網(wǎng)絡(luò)，成為智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)；第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)正在研究開發(fā)，目前成形并大量投入使用的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn).用大量的具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器，采用自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)，與傳感器網(wǎng)絡(luò)控制器連接，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。參考圖2傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本組成包括如下4個基本單元傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(接收發(fā)送器)是一個重要的物理基礎(chǔ)，構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)的一部分。它必須擁有足夠的能量，可以將從傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量有限的節(jié)點上傳來的信息轉(zhuǎn)發(fā)到傳輸介質(zhì)(Internet網(wǎng)或通訊衛(wèi)星)上。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分組成。分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)；傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理;在分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持了傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題之一是功耗管理。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是節(jié)點中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。MAC協(xié)議直接控制射頻模塊.對節(jié)點功耗有重要影響。傳感器節(jié)點無效功耗主要有以下四個來源。①空閑偵聽節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻模塊必須一直處于接收狀態(tài)，消耗大量的能源。這是無效功耗的最主要來源；②沖突同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)幀，信號相互干擾，接收方無法準(zhǔn)確接收，重發(fā)造成能量浪費(fèi)；③串?dāng)_(overhearing):接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數(shù)據(jù)屬于無效功耗；④控制開銷控制報文不傳送有效數(shù)據(jù)，消耗的能量對用戶來說是無效的。由于上述原因，傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議一般采用了"偵聽/休眠"交替的信道偵聽機(jī)制，節(jié)點空閑時自動轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)，以減少空閑偵聽。IEEE802.15.4是美國電氣電子工程師學(xué)會(IEEE)制定的標(biāo)準(zhǔn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)是它的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一。IEEE802。11協(xié)議在RTS/CTS控制幀基礎(chǔ)上又增加了確認(rèn)(ACK)機(jī)制。在802。ll協(xié)議中，DCF(DistributedCoordinatedFunction)機(jī)制是節(jié)點共享無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕窘尤敕绞剑袰SMA/CA技術(shù)和確認(rèn)(ACK)技術(shù)結(jié)合起來。除了使用基于RTS/CTS的虛擬載波偵聽機(jī)制，還可以使用幀分割技術(shù)，使得在信道差錯率較高的情況下提高網(wǎng)絡(luò)性能。802。ll協(xié)議同樣采用了二進(jìn)制指數(shù)退避，所以無法保證信道接入的公平性。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)釆用的底層通信協(xié)議，特別是媒介訪問控制協(xié)議仍然是沿襲因特網(wǎng)和IEEE802。11協(xié)議的擴(kuò)展技術(shù)。雖然IEEE802。11協(xié)議在能量有效性與可操作性方面并不符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，但目前提出的大多MAC協(xié)議，均沿襲802。11協(xié)議的擴(kuò)展技術(shù)。在這些MAC協(xié)議中,仍然釆用傳統(tǒng)的載波偵聽和基于隨機(jī)退避機(jī)制的沖突避免方法作為底層的信道管理機(jī)制，而能量有效性則依賴于節(jié)點間協(xié)同的睡眠/喚醒機(jī)制。因此，除節(jié)點間的同步開銷外,將節(jié)點間的通信限制在狹窄的通信窗口內(nèi)不可避免地會增加沖突概率和無關(guān)的數(shù)據(jù)偵聽。因此，在低速率的,節(jié)點密集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用這些傳統(tǒng)技術(shù)并不能有效地緩解無線沖突，節(jié)省能量，尤其在大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，這種影響更為顯著，從而進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的能耗。RFID是射頻識別技術(shù)的英文(RadioFrequencyIdentification)的縮寫，射頻識別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。RFID技術(shù)由Auto-ID中心開發(fā)，其應(yīng)用形式為標(biāo)記(tag)、卡和標(biāo)簽(label)設(shè)備。標(biāo)記設(shè)備由RFID芯片和天線組成，標(biāo)記類型分為三種自動式，半被動式和被動式。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低速率特性提供一種基于異步通信架構(gòu)的高能量有效性的MAC協(xié)議，以消除同步開銷及緩解沖突概率。首先，本發(fā)明利用半被動式RFID技術(shù)，發(fā)明一種新的完全適合低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)?；诖斯?jié)點結(jié)構(gòu)，本發(fā)明設(shè)計交錯的喚醒機(jī)制的MAC協(xié)議,能有效地緩解沖突，很大程度上降低系統(tǒng)能耗。本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點主板，電池和發(fā)送模塊，其特征在于在節(jié)點結(jié)構(gòu)中還有異步模塊，該異步模塊采用的是半被動式的RFID，包括天線，緩存和激活模塊，該異步模塊與節(jié)點主板連接。本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)是允許節(jié)點在近似睡眠的低功耗狀態(tài)下，正確接收數(shù)據(jù)。若用這樣的節(jié)點承擔(dān)傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(如Mica2)的無線接收功能，則節(jié)點可以通過該模塊無源接收鄰居節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)報，并將數(shù)據(jù)報放入該模塊緩存中等待節(jié)點進(jìn)入激活狀態(tài)處理。異步模塊(本發(fā)明提供的節(jié)點結(jié)構(gòu))的另外一個優(yōu)點是可以向后兼容,即可以在關(guān)閉后，采用傳統(tǒng)的通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖2顯示了配置了本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖3顯示了異步通信狀態(tài)下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在該架構(gòu)中，某節(jié)點a可以根據(jù)自己的喚醒時間進(jìn)行喚醒，然后發(fā)送傳感數(shù)據(jù)到接收節(jié)點b的異步模塊。當(dāng)節(jié)點b喚醒后則可以收集緩存在異步模塊的數(shù)據(jù),然后通過發(fā)送Radio轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到下一跳節(jié)點。從而形成一種存儲-轉(zhuǎn)發(fā)的多跳異步通信模式。另一方面，除了這種Radio-異步模塊的通信方式，傳統(tǒng)的Radio-Radio的通信方式可以作為異步通信的補(bǔ)充模式。異步模塊是該異步通信架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分。本發(fā)明基于目前傳感器元件的工藝發(fā)展水平，利用現(xiàn)有的低功耗Radio和激活邏輯電路(activationlogic)技術(shù)設(shè)計異步模塊，使其能在低功耗狀態(tài)下半被動式地接收數(shù)據(jù)。當(dāng)前硬件技術(shù)的發(fā)展,尤其是當(dāng)前的低功耗的無線射頻識別(RadioFrequencyIdentification,RFID)標(biāo)簽(tags)的廣泛使用，使得異步無線接收模塊異步的可以采用半被動式的RFID標(biāo)簽來實現(xiàn)。目前，異步模塊采用的半被動式的RFID標(biāo)簽與全被動式的RFID標(biāo)簽的主要區(qū)別在于,無需從全部射頻信號獲取能量，節(jié)點內(nèi)裝有電池，電池僅對標(biāo)簽內(nèi)要求供電維持?jǐn)?shù)據(jù)的電路或標(biāo)簽芯片工作所需的電壓作輔助支持,標(biāo)簽電路本身耗電很少。標(biāo)簽未進(jìn)入工作狀態(tài)前，一直處于休眠狀態(tài)。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入干擾范圍時,受到節(jié)點發(fā)出的射頻能量的激勵,進(jìn)入工作狀態(tài),結(jié)合自身電池的能量接收數(shù)據(jù)。采用半被動式RFID標(biāo)簽的另外一個優(yōu)點是增加了節(jié)點Radio感應(yīng)靈敏度,延長了發(fā)送距離?？紤]到異步模塊的功能特性，節(jié)點的有效發(fā)送距離由異步模塊所需的最小激活能量決定。根據(jù)Frris無線通信模型,節(jié)點的接收信號功率為尸,-i^^,其中，戶,為發(fā)送信號的功率,G,與G,分別表示發(fā)送/接收天線的增益。A為波長,D為收發(fā)節(jié)點間的距離。考慮到傳感器節(jié)點有限的發(fā)送功率，若采用全被動式的RFID標(biāo)簽,由于需要較大的接收功率激活異步模塊,即A較大,則有效發(fā)送距離D很小。相反,半被動式的RFID標(biāo)簽采用一個電池供電的直流放大器(DCamplifier)，能很大程度上提高標(biāo)簽本身的靈敏度，降低對P,的要求(目前的實驗發(fā)現(xiàn)可以降低約30dB),因此提高了有效通信距離。此外,異步模塊與一般的RFID的一個重要不同之處在于，不需要進(jìn)行讀操作，即從異步模塊內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)。這樣就進(jìn)一步降低了異步模塊本身設(shè)計的復(fù)雜度。本發(fā)明的實施例基于IntelleFlex公司的半被動式RFID標(biāo)簽設(shè)計異步模塊。該標(biāo)簽提供了單獨(dú)的射頻收發(fā)芯片,能滿足目前異步模塊在低功耗狀態(tài)下接收數(shù)據(jù)的要求。為了與RFID標(biāo)簽無縫整合,目前正在設(shè)計的節(jié)點采用Texas儀器公司的CC1110芯片，可以與IntelleFlex公司的RFID標(biāo)簽工作在同一個頻率(900MHz)。節(jié)點的收發(fā)模塊架構(gòu)如圖4所示,節(jié)點上發(fā)送芯片CC1110的SI接口與處理器Atmegal28L的MOSI接口相連,進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送;而原來與發(fā)射芯片相連的MISO接口則變?yōu)榕c異步模塊的輸出接口相連，將異步接收的數(shù)據(jù)載入CMU進(jìn)行處理。目前的關(guān)鍵工作是進(jìn)行CC1110和異步的模塊化封裝及相應(yīng)的編碼。在上述節(jié)點結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議。本發(fā)明提供的MAC協(xié)議采用非傳統(tǒng)的交錯的喚醒機(jī)制IWS,采用數(shù)據(jù)包交錯的，逐跳的轉(zhuǎn)發(fā)模式。該機(jī)制的主要思想是:讓節(jié)點更頻繁地喚醒來緩解基站周圍的擁塞狀況,且利用頻譜空間的交替使用以降低沖突概率。每個節(jié)點從一個時間周期中隨機(jī)選擇一個時間點作為初始喚醒點，然后進(jìn)行周期性的調(diào)度。交錯的喚醒機(jī)制IWS只有相鄰的一組節(jié)點才共享一個時間周期。IWS機(jī)制的具體內(nèi)容為:將一個喚醒-睡眠周期設(shè)置為rc，w,表示傳感器節(jié)點w到基站的跳數(shù)為/;為了計算節(jié)點與基站的距離(跳數(shù))J',基站可以通過在網(wǎng)絡(luò)的初始化階段發(fā)送一個廣播數(shù)據(jù)包，攜帶一個計算距離的字段,初始值設(shè)定為0，每被中轉(zhuǎn)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)一次，該字段加l，直到遍歷整個網(wǎng)絡(luò)(用戶也可以根據(jù)具體應(yīng)用中的路由協(xié)議選擇計算距離的方法)。將路由上的所有節(jié)點分成不同的虛擬組，每個組包含G個節(jié)點。在單個組中,根據(jù)該節(jié)點到sink點的跳數(shù)，每個節(jié)點會被賦值一個不同但連續(xù)的喚醒時間窗口;/G，在時間段t;/g內(nèi)均勻隨機(jī)地選擇一個喚醒時間點,進(jìn)行喚醒和數(shù)據(jù)發(fā)送。傳輸路徑后面的其它分組則采用相同的調(diào)度方法。IWS利用頻譜空間的復(fù)用,及G的大小所控制的喚醒頻率來降低沖突概率。設(shè)節(jié)點t/,在6喚醒A定義為"。但是一個大小為2的組可能會存在隱藏節(jié)點問題，造成數(shù)據(jù)傳輸在某個接收節(jié)點處發(fā)生沖突。在這種情況下,可采用更大的G，圖5(b)顯示的是G=3時的情況,相同顏色的節(jié)點在相同的時間窗中喚醒,喚醒序列為[(1,4，...),(2,5,...),(3,6,...)]。因此，通過調(diào)節(jié)周期時間和組大小G能有效控制節(jié)點喚醒頻率。所以無論組大小為多少,一個時間周期j;內(nèi)數(shù)據(jù)包在組內(nèi)每個節(jié)點僅中轉(zhuǎn)一次。異步應(yīng)答機(jī)制本發(fā)明針對異步通信的特性采用一種異步的應(yīng)答(簡稱為ACK)機(jī)制,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。傳統(tǒng)的RTS/CTS/DATA/ACK機(jī)制中,節(jié)點接收數(shù)據(jù)后,額外發(fā)送一個ACK幀。新的機(jī)制與此不同,該機(jī)制在發(fā)送的數(shù)據(jù)包增加一個額外的ACK標(biāo)識字段(trueorfalse)表示是否需要接收節(jié)點返回一個ACK。接收節(jié)點收到ACK標(biāo)識字段為true的數(shù)據(jù)包后需要進(jìn)行確認(rèn),返回一個ACK給發(fā)送節(jié)點。而這種DATA-ACK確認(rèn)機(jī)制同樣采用一種異步的方式:即在接收節(jié)點喚醒后進(jìn)行ACK確認(rèn)，通過拖弋機(jī)制(piggybacking)將ACK確認(rèn)和應(yīng)答地址附帶在轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包中。若節(jié)點連續(xù)沒有收到ACK應(yīng)答(包括重發(fā)包的應(yīng)答),認(rèn)為沖突發(fā)生,則再次選擇一個新的隨機(jī)喚醒時間點t/，進(jìn)行一下輪的數(shù)據(jù)發(fā)送。因此，IWS機(jī)制能與異步應(yīng)答確認(rèn)機(jī)制無縫結(jié)合。節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，其上一跳節(jié)點，即數(shù)據(jù)包的來源節(jié)點正好處于睡眠狀態(tài)，可以進(jìn)行ACK接收，在喚醒后即可以進(jìn)行ACK確認(rèn)，判斷是否需要重發(fā)數(shù)據(jù)。且采用交錯的方式,可以復(fù)用數(shù)據(jù)發(fā)送的頻譜空間,讓原本存在競爭的節(jié)點在各自的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,即某一個時刻參與競爭的節(jié)點數(shù)w減少,沖突概率隨著下降。本發(fā)明提供了一種新的完全適合低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)，并基于此異步架構(gòu),設(shè)計交錯的喚醒機(jī)制的MAC協(xié)議，能有效地緩解沖突，很大程度上降低系統(tǒng)能耗。圖1是現(xiàn)有技術(shù)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)；圖2本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)；圖3本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)中收發(fā)模塊的架構(gòu)；圖4本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異步通信狀態(tài)示意圖5表示本發(fā)明提供的交錯喚醒機(jī)制示意圖；其中相同顏色的節(jié)點在同一個時間窗口進(jìn)行喚醒；圖6本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實施例中基站數(shù)據(jù)包的接收率；圖7本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實施例中單字節(jié)能耗；圖8本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實施例中傳輸延時；圖9本發(fā)明提供的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實施例中傳輸數(shù)據(jù)包的能量-時間開銷。具體實施例方式實施例1仿真中將異步模塊看作傳感器節(jié)點附加的無線接收模塊，并由基于(^化1++開發(fā)的異步通信仿真系統(tǒng)模擬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信環(huán)境。模擬大小為500x500m2的區(qū)域中，隨機(jī)分布1000個節(jié)點,使用異步模塊接收的異步通信距離為30m，而使用傳統(tǒng)接收模塊的代表性MAC協(xié)議S-MAC和802。11的通信距離為90m。仿真參數(shù)如表l所示，其中能耗引用傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域目前通常采用的參數(shù)配置。仿真中，IWS的占空比為5呢,組大小6^2(IWS-2)，且r尸4s，然后采用數(shù)據(jù)接收率、能耗和端到端延時作為性能指標(biāo)，與802。11協(xié)議和未采用自適應(yīng)偵聽且占空比為5呢的S-MAC協(xié)議相比較。模擬時每個節(jié)點在一個周期內(nèi)生成一個30Byte的數(shù)據(jù)包，通過對每輪周期時間，即發(fā)包時間間隔的調(diào)整(如下圖中的X軸)，可以改變網(wǎng)內(nèi)通信負(fù)載。每個仿真進(jìn)行IO次，實驗結(jié)果的方差與均值一同體現(xiàn)在以下圖中。表l參數(shù)配置<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>圖6顯示了sink節(jié)點收到的無重復(fù)的包的平均數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下。S-MAC協(xié)議下的數(shù)據(jù)包接收率最低,802。ll的性能比S-MAC稍好，但數(shù)據(jù)接收率仍然很低，其原因可以歸結(jié)于信號傳輸范圍大,因此發(fā)生干擾的可能性也更大。相反，IWS-2轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的頻率更高，在局部范圍內(nèi)參與發(fā)送的節(jié)點更少,且使用較短的通信距離可避免密集節(jié)點的干擾,因此能獲取最高的接收率。圖7顯示在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)平均每向基站發(fā)送一個Byte數(shù)據(jù)所消耗的能量。IWS-2比其它的方法更節(jié)約能量,特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較輕的時候。802。IIMAC和S-MAC所消耗的能量分別是IWS-2的20倍和4倍。圖8描述了數(shù)據(jù)從源節(jié)點到基站的傳輸延時。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較高的異步通信網(wǎng)絡(luò)中，由于較高的數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率,使得IWS-2的傳輸延時比其它方案要高。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變輕時,IWS-2的延時隨著負(fù)載不斷的減輕而逐漸減少。圖9顯示了傳輸一個數(shù)據(jù)包的總的能量-時間開銷，描述了能耗和延時的折衷效果。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較重時,802。llMAC與S-MAC表現(xiàn)出基本相同的能耗x延時開銷。但均比IWS-2的開銷要大兩倍左右。且隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載減輕，IWS-2的能耗x延時開銷保持勻速下降,并最后趨于穩(wěn)定。相反,802。IIMAC由于過多的空閑監(jiān)聽而消耗過多能量，導(dǎo)致總的開銷也隨之快速上升。權(quán)利要求1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點主板，電池，傳感模塊和發(fā)送模塊，其特征在于在節(jié)點結(jié)構(gòu)中還有異步模塊，該異步模塊采用的是半被動式的RFID，包括天線，緩存和激活模塊，該異步模塊與節(jié)點主板連接。2、一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊MAC協(xié)議，其特征在于包括交錯喚醒機(jī)制，異步轉(zhuǎn)發(fā)和異步應(yīng)答機(jī)制；所說的交錯喚醒機(jī)制包括1)將一個喚醒-睡眠周期設(shè)置為K,",表示傳感器節(jié)點"到基站的跳數(shù)為/;為了計算節(jié)點與基站的距離(跳數(shù)》，基站可以通過在網(wǎng)絡(luò)的初始化階段發(fā)送一個廣播數(shù)據(jù)包，攜帶一個計算距離的字段，初始值設(shè)定為0，每被中轉(zhuǎn)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)一次，該字段加l，直到遍歷整個網(wǎng)絡(luò)；2)將路由上的所有節(jié)點分成不同的虛擬組，每個組包含G個節(jié)點。在單個組中，根據(jù)該節(jié)點到sink點的跳數(shù),每個節(jié)點會被賦值一個不同但連續(xù)的喚醒時間窗口7;/G,在時間段7;/G內(nèi)均勻隨機(jī)地選擇一個喚醒時間點,進(jìn)行喚醒和數(shù)據(jù)發(fā)送。傳輸路徑后面的其它分組則采用相同的調(diào)度方法。IWS利用頻譜空間的復(fù)用，及G的大小所控制的喚醒頻率來降低沖突概率。設(shè)節(jié)點W在^喚醒力定義為"[O,A〗+(G-modG))&+("-1);,,'脂dG#0"")=^C"[O,丄]+("—l)C,oAerw"eG其中"=1,2,...表示數(shù)據(jù)采集的周期數(shù)；所說的異步轉(zhuǎn)發(fā)和異步應(yīng)答機(jī)制包括:在發(fā)送的數(shù)據(jù)包增加一個額外的ACK標(biāo)識字段(tmeorfalse)表示是否需要接收節(jié)點返回一個ACK，接收節(jié)點收到ACK標(biāo)識字段為true的數(shù)據(jù)包后需要進(jìn)行確認(rèn)，返回一個ACK給發(fā)送節(jié)點；而這種DATA-ACK確認(rèn)機(jī)制同樣采用一種異步的方式:即在接收節(jié)點喚醒后進(jìn)行ACK確認(rèn)。全文摘要本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)；本發(fā)明還涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議。本發(fā)明針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低速率特性提供一種基于異步通信架構(gòu)的高能量有效性的MAC協(xié)議，以消除同步開銷及緩解沖突概率。首先，本發(fā)明利用半被動式RFID技術(shù)，發(fā)明一種新的完全適合低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)，包括節(jié)點主板，電池和發(fā)送模塊，其特征在于在節(jié)點結(jié)構(gòu)中還有異步模塊，該異步模塊采用的是半被動式的RFID，包括天線，緩存和激活模塊，該異步模塊與節(jié)點主板連接基于此節(jié)點結(jié)構(gòu)，本發(fā)明設(shè)計交錯的喚醒機(jī)制的MAC協(xié)議，能有效地緩解沖突，很大程度上降低系統(tǒng)能耗。文檔編號H04L12/28GK101374140SQ20071003559公開日2009年2月25日申請日期2007年8月22日優(yōu)先權(quán)日2007年8月22日發(fā)明者劉永和,周四望,林亞平,胡玉鵬申請人:湖南大學(xué)