一種基于廣播消息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)mac協(xié)議的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MC協(xié)議，具體為一種基于廣播消息的無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量 的微型傳感器節(jié)點通過無線通信的方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。WSN的數(shù)據(jù)感知、 聚合、傳輸?shù)冗^程均由傳感器節(jié)點完成的，但傳感器節(jié)點受到體積、成本的約束，一般設(shè)計 的十分微小，這直接造成節(jié)點本身的計算及存儲能力有限，所以如何節(jié)約節(jié)點的能量消耗 成為WSN的首要考慮因素。WSN同時是一個應(yīng)用相關(guān)性的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)需要按照應(yīng)用的相關(guān)要 求，將用戶感興趣的數(shù)據(jù)傳遞到終端。經(jīng)過分析得知，節(jié)點所消耗能量的90%被無線通信模 塊使用，因此WSN要做到能量高效，通常要以通信模塊作為重點目標(biāo)。因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信 模塊由MAC(MediumAccessControl)層控制，所以通過改進(jìn)MAC協(xié)議來優(yōu)化通信模塊的 工作是實現(xiàn)WSN能量高效的一條較好的途徑。
[0003] 目前，按照信道的接入方式，低功耗MAC協(xié)議可以分為調(diào)度類、競爭類、混合類。調(diào) 度類MAC協(xié)議是一種無碰撞的MAC協(xié)議，大多數(shù)采用TDM機(jī)制，該機(jī)制將連續(xù)的時間分割 成一系列連續(xù)的時隙，節(jié)點只在發(fā)送和接收信息的時隙喚醒。TRAM就是一種流量自適應(yīng) 的調(diào)度類MAC協(xié)議。競爭類MAC協(xié)議是一種自適應(yīng)的MAC協(xié)議，一般采用CSMA機(jī)制即載波 偵聽多路訪問。S-MC是競爭類的代表協(xié)議，采用占空比機(jī)制減少空閑偵聽，利用RTS/CTS/ DATE/ACK數(shù)據(jù)交換機(jī)制消除串音并保障數(shù)據(jù)的完整性，利用自適應(yīng)偵聽減少多跳傳輸?shù)?時延。結(jié)合不同信道接入方式的MAC協(xié)議就是混合類MAC協(xié)議，典型代表有CSMA/TDMA的 Z-MAC和I-MAC已經(jīng)TDMA/FDMA的SMACS/EAR協(xié)議等。上述幾種MAC協(xié)議在對網(wǎng)絡(luò)壽命(低 功耗）和網(wǎng)絡(luò)性能(時延、遞送率等）均有較高要求的應(yīng)用環(huán)境均存在一定的局限性，為此， 本發(fā)明提出了 一種基于廣播消息的自適應(yīng)MAC協(xié)議：SA-MAC。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為對網(wǎng)絡(luò)壽命(低功耗）和網(wǎng)絡(luò)性能(時延、遞送率等）均有較 高要求的應(yīng)用環(huán)境提供一種低碰撞、低功耗的競爭類MAC協(xié)議：SA-MC(seIf-adaption AdvertisementMAC)。本發(fā)明的SA-MAC協(xié)議是在S-MAC的基礎(chǔ)上提出的競爭類MAC協(xié)議， 其是利用源節(jié)點發(fā)送的廣播消息使無關(guān)節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)，相關(guān)節(jié)點則在對應(yīng)的時刻喚醒 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，目的是通過減少節(jié)點的空閑偵聽時間和數(shù)據(jù)碰撞概率，以降低網(wǎng)絡(luò)的能耗 并提尚網(wǎng)絡(luò)性能。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于廣播消息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，該協(xié)議采用周期工作制，且一個工作周期的時間長度為固定值，將一個工作周期 按時間先后劃分為同步周期、廣播周期和數(shù)據(jù)周期，其中，數(shù)據(jù)周期被分割成若干時間長 度相同的工作區(qū)間，每個工作區(qū)間的大小為相關(guān)節(jié)點使用最大CW進(jìn)行一次完整RTS/CTS/ DATE/ACK數(shù)據(jù)交換所需的時間；所述協(xié)議的實現(xiàn)過程包括如下步驟： (1) 、同步周期內(nèi)，通過同步幀消息的交換，實現(xiàn)同一虛擬簇內(nèi)的節(jié)點時間同步； (2) 、廣播周期內(nèi)，源節(jié)點在廣播周期隨機(jī)選取工作區(qū)間，并利用廣播消息使相關(guān)節(jié)點 在對應(yīng)的工作區(qū)間完成數(shù)據(jù)交換；所述廣播的消息包含目的節(jié)點的地址和選取的工作區(qū) 間； 在廣播周期內(nèi)，所述協(xié)議利用節(jié)點數(shù)據(jù)緩存區(qū)的實時情況動態(tài)調(diào)整CW的大小，以實 現(xiàn)節(jié)點接入信道的公平性；CW的自適應(yīng)調(diào)整方法為：首先，節(jié)點初始化CW的尺寸為最大值 CWmax，節(jié)點需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的時候，利用公式CWcur=[CWmax*(l-(BS/BST))]對CW進(jìn)行 實時調(diào)整，其中，CW當(dāng)前值CWcur的取值范圍始終在[CWmin，CWmax]之間，并取整數(shù)；BST 代表設(shè)定的數(shù)據(jù)緩存區(qū)閾值，BS代表數(shù)據(jù)緩存區(qū)的當(dāng)前使用值； (3) 、數(shù)據(jù)周期內(nèi)，相關(guān)節(jié)點在對應(yīng)的工作區(qū)間喚醒，源節(jié)點開始進(jìn)行信道競爭，其中CW 的大小采用廣播周期的CW自適應(yīng)調(diào)整方法進(jìn)行調(diào)整，源節(jié)點成功接入信道后與目的節(jié)點 進(jìn)行RTS/CTS/DATE/ACK數(shù)據(jù)交換。
[0006] 由于在實際情況中網(wǎng)絡(luò)的流量會實時變化，為進(jìn)一步提高信道利用率，在步驟（2) 的源節(jié)點在廣播周期隨機(jī)選取工作區(qū)間過程中，SA-MC規(guī)定隨機(jī)數(shù)的選取范圍將根據(jù)網(wǎng)絡(luò) 的實時情況進(jìn)行實時調(diào)整，即隨機(jī)數(shù)的生成方法包括如下步驟： (1) 、網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點維持一個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包含三個變量：最大值NBmax=m，最小 值NBmin=I及當(dāng)前值NBcur; (2) 、初始化節(jié)點的NBcur=[NBmax/2]，并取整數(shù)； (3) 、需要發(fā)送數(shù)據(jù)的源節(jié)點在[NBmin，NBcur]之間生成一個隨機(jī)數(shù)，并在廣播周期競 爭信道廣播請求消息；其中，生成的隨機(jī)數(shù)即為源節(jié)點隨機(jī)選取的工作區(qū)間； (4) 、源節(jié)點在成功廣播自己的請求消息后，在對應(yīng)的工作區(qū)間喚醒進(jìn)行再次競爭信 道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；源節(jié)點在每次數(shù)據(jù)交換完成后，對通信結(jié)果進(jìn)行判斷，如果數(shù)據(jù)包發(fā)送 失敗，那么當(dāng)前值NBcur加1，反之當(dāng)前值NBcur減1，其中NBcur的取值范圍在[NBmin, NBmax]之間； (5 )、重復(fù)步驟（2 ) ~步驟（4 )過程。
[0007] 由于節(jié)點的數(shù)據(jù)緩存區(qū)有限，如果網(wǎng)絡(luò)中的某個區(qū)域突然監(jiān)測到大量的數(shù)據(jù)，就 會出現(xiàn)大量丟包的現(xiàn)象。進(jìn)一步地，SA-MC根據(jù)緩存區(qū)的實時狀態(tài)設(shè)計了一種數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī) 制（FastTransmissionScheme，F(xiàn)TS)。SA-MAC根據(jù)節(jié)點數(shù)據(jù)緩存區(qū)的實時狀態(tài)采用下述 兩種數(shù)據(jù)發(fā)送模式：定義數(shù)據(jù)緩存區(qū)閾值為BST，數(shù)據(jù)緩存區(qū)當(dāng)前使用值為BS，當(dāng)BS〈=BST 時，節(jié)點使用正常數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制；當(dāng)BS>BST時，節(jié)點使用數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī)制；所述數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī)制 的工作機(jī)制為： 需要使用數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī)制的源節(jié)點，在廣播周期以最小CW接入信道發(fā)送M0RE_RTS進(jìn)行 信道預(yù)約，并預(yù)定若干個工作區(qū)間，目的節(jié)點接收到M0RE_RTS后，發(fā)送M0RE_CTS，源節(jié)點和 目的節(jié)點交換控制幀后進(jìn)入睡眠狀態(tài)，在廣播周期結(jié)束后進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)交換，直到雙方 節(jié)點發(fā)現(xiàn)達(dá)到預(yù)定的工作區(qū)間個數(shù)，并且剩余時間不足以完成一次數(shù)據(jù)交換，源節(jié)點和目 的節(jié)點放棄這次數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入睡眠狀態(tài)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他源節(jié)點根據(jù)M0RE_RTS 進(jìn)行判斷：如果與自己位于同一虛擬簇，則根據(jù)包含的預(yù)約工作區(qū)間數(shù)進(jìn)行判斷，定義預(yù)約 工作區(qū)間數(shù)為c，如果c〈NBmax，源節(jié)點暫時在[c+1,NBmax]之間進(jìn)行工作區(qū)間的隨機(jī)選 取，反之直接進(jìn)入睡眠狀態(tài)；如果與自己不屬于同一虛擬簇，直接進(jìn)行睡眠狀態(tài)。
[0008] 節(jié)點使用FTS可以迅速將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但如果BST的值過低就會造 成WSN內(nèi)大量的節(jié)點使用FTS，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞和部分節(jié)點的數(shù)據(jù)大量丟棄的現(xiàn)象，反之如果 BST的值過高，就會降低網(wǎng)絡(luò)性能。進(jìn)一步地，本發(fā)明的SA-MC針對這些問題，規(guī)定節(jié)點根 據(jù)本地的觀測自主調(diào)整數(shù)據(jù)緩存區(qū)閾值，所述數(shù)據(jù)緩存區(qū)閾值BST的調(diào)整方法為：首先，節(jié) 點初始化BST當(dāng)前值為（BSTM+BSTN)/2,并以Tbuffer為一個時間周期記錄在此期間發(fā)送 失敗的數(shù)據(jù)包數(shù)量，節(jié)點在每個TbufTer周期結(jié)束的時刻利用公式Change= (CDEM-BDEM) / BDEM得出當(dāng)前Tbuffer周期數(shù)據(jù)包發(fā)送失敗數(shù)量的變化率，并根據(jù)公式BSTC=BSTC* (1+Change)確定節(jié)點在下個Tbuffer周期使用的BSTC值，其中，BSTC的取值范圍始終在 [BSTN,BSTM]之間； BSTC代表BST的當(dāng)前值，BSTM代表設(shè)定的BST最大值，BSTN代表設(shè)定的BST最小值，Tbuffer為緩存區(qū)閾值的更新周期，⑶EM為當(dāng)前Tbuffer周期內(nèi)發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)包個數(shù)， BDEM為上個Tbuffer周期內(nèi)發(fā)送失敗的數(shù)據(jù)包個數(shù)，Change為發(fā)送失敗數(shù)據(jù)包的變化率。
[0009] 有益效果：本發(fā)明的SA-MC協(xié)議利用廣播消息減少節(jié)點的空閑偵聽時間；利用隨 機(jī)喚醒機(jī)制緩解網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)碰撞問題；通過調(diào)整競爭窗口實現(xiàn)節(jié)點接入信道的公平性；采 用低占空比機(jī)制及數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī)制進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的性能。仿真結(jié)果證明，本發(fā)明的SA-MC 協(xié)議與現(xiàn)有的ADV-MC協(xié)議和S-MC協(xié)議相比，其網(wǎng)絡(luò)功耗，及時延、遞送率等網(wǎng)絡(luò)性能均 具有較好的水準(zhǔn)。
[0010] 本發(fā)明的SA-MAC協(xié)議與ADV-MAC協(xié)議相類似，但與ADV-MAC相比SA-MAC具有以 下特點： I.SA-MC利用廣播消息實現(xiàn)相關(guān)節(jié)點隨機(jī)喚醒機(jī)制，使相關(guān)節(jié)點工作在不同的時間 區(qū)間，從而降低了數(shù)據(jù)的碰撞的概率，提升了信道利用率，而ADV-MC僅僅利用廣播消息使 無關(guān)節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)，相關(guān)節(jié)點在數(shù)據(jù)交換的過程中仍要進(jìn)行激烈的信道競爭。
[0011] 2.SA-MAC通過對節(jié)點競爭窗口（ContentionWindow，CW)的實時調(diào)整，實現(xiàn)了節(jié) 點間接入信道的公平性，而ADV-MC沒有考慮到節(jié)點間的公平性，默認(rèn)所有節(jié)點接入信道 的概率一致。
[0012] 3.研宄證明，節(jié)點在通信過程中最主要無關(guān)能耗是空閑偵聽，SA-MAC采用低占空 比機(jī)制降低WSN中所有節(jié)點的空閑偵聽時間，而ADV-MAC主要通過減少無關(guān)節(jié)點的空閑偵 聽時間降低網(wǎng)絡(luò)無關(guān)能耗。
[0013] 4.SA-MC針對負(fù)載的變化提出了相對應(yīng)的數(shù)據(jù)突發(fā)機(jī)制，而ADV-MC沒有考慮 網(wǎng)絡(luò)流量的突發(fā)性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明SA-MC的周期工作機(jī)制。
[0015] 圖2a為本發(fā)明SA-MC與其他協(xié)議在單跳環(huán)境中，數(shù)據(jù)包的平均遞送率隨數(shù)據(jù)發(fā) 送間隔變化的仿真實驗圖。
[0016] 圖2b為本發(fā)明SA-MC與其他協(xié)議在單跳環(huán)境中，數(shù)據(jù)包的平均時延隨數(shù)據(jù)發(fā)送 間隔變化的仿真實驗圖。
[0017] 圖2c為本發(fā)明SA-MC與其他協(xié)