用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)感知sq-mac協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)，具體地說是用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)感知SQ-MC協(xié)議 的實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量 的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
[0003] 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，WSN的相關(guān)技術(shù)日益成熟，由傳統(tǒng)WSN所獲取的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)， 已經(jīng)不能滿足人們的全面需求，業(yè)務(wù)類型的多樣化成為WSN的一個(gè)發(fā)展方向，但大多數(shù)傳 統(tǒng)MAC協(xié)議都假定使用單一的盡力而為（BestEffort，BE)數(shù)據(jù)傳輸模型，多種業(yè)務(wù)類型 公平的競(jìng)爭(zhēng)網(wǎng)絡(luò)資源，缺乏對(duì)不同業(yè)務(wù)類型進(jìn)行區(qū)分服務(wù)的功能，不利于服務(wù)質(zhì)量要求較 高的業(yè)務(wù)類型傳輸，所以研究服務(wù)感知MC協(xié)議具有相對(duì)積極的意義。
[0004] 根據(jù)信道的分配方式，WSN的MAC協(xié)議通?？煞譃楦?jìng)爭(zhēng)類、調(diào)度類以及混合類。文 獻(xiàn)提出一種基于競(jìng)爭(zhēng)的服務(wù)感知MAC協(xié)議，具有較好的動(dòng)態(tài)適用性，但節(jié)點(diǎn)之間沒有任何 時(shí)間同步機(jī)制，容易出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)早睡和空閑偵聽的問題，而且數(shù)據(jù)隊(duì)列存在不公平的問題，低 優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的數(shù)據(jù)會(huì)容易遭受較大的時(shí)延。文獻(xiàn)提出一種基于調(diào)度的服務(wù)質(zhì)量感知MC協(xié) 議，能夠保障業(yè)務(wù)類型的服務(wù)質(zhì)量，但子節(jié)點(diǎn)由它們的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間同步，同步錯(cuò)誤容易 出現(xiàn)疊加，且不適用于大型WSN。文獻(xiàn)提出混合類MAC協(xié)議，I-MAC，只需要輕量級(jí)的時(shí)間同 步，并且使用了一種新的時(shí)隙調(diào)度算法提高了網(wǎng)絡(luò)性能，但在動(dòng)態(tài)環(huán)境中更新鄰居信息和 進(jìn)行時(shí)隙分配是個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
[0005] 此外研究得知，能耗是WSN的首要考慮因素，所以在MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)過程中除過考 慮相關(guān)應(yīng)用的要求外，還要考慮節(jié)能。S-MAC是第一個(gè)針對(duì)WSN的節(jié)能需求而提出的MAC協(xié) 議，針對(duì)節(jié)點(diǎn)無關(guān)消耗的一些主要因素(空閑監(jiān)聽、沖突、串音等）采取了虛擬簇、CSMA/CA、 周期性偵聽/睡眠等機(jī)制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)感知SQ-MC協(xié)議 的實(shí)現(xiàn)方法，通過自適應(yīng)退避機(jī)制、偽調(diào)度機(jī)制、虛擬多隊(duì)列公平調(diào)度機(jī)制使MAC協(xié)議在具 有區(qū)分服務(wù)功能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了低碰撞、低功耗和自適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)感 知SQ-MC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，采用周期工作機(jī)制，一個(gè)周期包括同步階段、分配階段和數(shù)據(jù) 階段； 在同步階段，節(jié)點(diǎn)利用同步幀的交換形成虛擬簇，在網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，通過節(jié)點(diǎn)定期 廣播自己的同步幀，維持同一虛擬簇的時(shí)間同步； 在分配階段，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)通過交換對(duì)應(yīng)的RTSn/CTSn完成 時(shí)隙分配，其中使用的時(shí)隙數(shù)^由用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行設(shè)定，而分配階段的時(shí)間 長(zhǎng)度與時(shí)隙數(shù)5成正比；在網(wǎng)絡(luò)空載的情況下，協(xié)議預(yù)定了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)無碰撞并且信道環(huán) 境良好的理想情況下從競(jìng)爭(zhēng)信道到成功發(fā)送RTSn所需的最長(zhǎng)時(shí)間：rAa77，不需要發(fā)送數(shù)據(jù) 的節(jié)點(diǎn)如果偵聽到信道持續(xù)心7空閑，轉(zhuǎn)入酬民。
[0008] 在數(shù)據(jù)階段，協(xié)議將數(shù)據(jù)階段分割成一系列大小相同的時(shí)隙，即數(shù)據(jù)階段的時(shí)間 長(zhǎng)度等于時(shí)隙數(shù)5與時(shí)隙長(zhǎng)度乘積；預(yù)約時(shí)隙成功的節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換；協(xié)議預(yù)定了一個(gè)控制幀等待時(shí)間：為節(jié)點(diǎn)在理想情況下發(fā)送RTS/CTS控制幀所需 的時(shí)間，若時(shí)隙預(yù)約失敗，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RTS后和目的節(jié)點(diǎn)在喚醒后需要對(duì)信道保持U寸 間的空閑偵聽，如果信道持續(xù)空閑，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入睡眠。
[0009] 本發(fā)明所述的SQ-MC協(xié)議采用偽調(diào)度機(jī)制、自適應(yīng)退避機(jī)制和虛擬多隊(duì)列公平 調(diào)度機(jī)制進(jìn)行管理。
[0010] 本發(fā)明所述的偽調(diào)度機(jī)制為節(jié)點(diǎn)在分配階段通過交換RTSn/CTSn完成時(shí)隙分配， 每組相關(guān)節(jié)點(diǎn)擁有單獨(dú)的時(shí)隙，從而實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)階段的理論上的無碰撞通信。
[0011] 本發(fā)明所述的自適應(yīng)退避機(jī)制為節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)和通信環(huán)境的不同在信道競(jìng)爭(zhēng)過 程中對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口（ContentionWindow,CW)進(jìn)行調(diào)整； 所述的節(jié)點(diǎn)使用的調(diào)整過的競(jìng)爭(zhēng)窗口進(jìn)行信道競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送RTSn。
[0012] 所述的虛擬多隊(duì)列公平調(diào)度機(jī)制分為多隊(duì)列機(jī)制和公平調(diào)度機(jī)制兩部分； 所述的多隊(duì)列機(jī)制為節(jié)點(diǎn)使用多數(shù)據(jù)隊(duì)列的結(jié)構(gòu)管理進(jìn)入隊(duì)列的數(shù)據(jù)包； 所述的公平調(diào)度機(jī)制數(shù)據(jù)為隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)包的調(diào)度。
[0013] 本發(fā)明所述的RTSn/CTSn為協(xié)議在分配階段為實(shí)現(xiàn)時(shí)隙分配而定義的控制幀，包 含節(jié)點(diǎn)所選時(shí)隙的信息。
[0014] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所述的SQ-MC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法在時(shí)隙分配的過程 中通過偽調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)無碰撞通信并且為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供更多的時(shí)隙用于數(shù)據(jù)傳遞；在 信道競(jìng)爭(zhēng)過程中采用自適應(yīng)退避機(jī)制為高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)提供較低的競(jìng)爭(zhēng)窗口；在數(shù)據(jù)調(diào)度的 過程中使用虛擬多隊(duì)列公平調(diào)度機(jī)制保障高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求；從而使高優(yōu)先級(jí) 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)占用的更多的網(wǎng)絡(luò)資源。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明SQ-MC的周期工作機(jī)制圖； 圖2為本發(fā)明定義的RTSn/CTSn控制幀結(jié)構(gòu)圖； 圖3本發(fā)明數(shù)據(jù)階段時(shí)隙的區(qū)域劃分圖； 圖4為單數(shù)據(jù)隊(duì)列構(gòu)造圖； 圖5為多數(shù)據(jù)隊(duì)列構(gòu)造圖； 圖6為多跳交叉網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D； 圖7為本發(fā)明實(shí)施例部分仿真參數(shù)設(shè)置表； 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中數(shù)據(jù)包的平均遞送率仿真結(jié)果圖； 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延仿真結(jié)果圖； 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中網(wǎng)絡(luò)的平均總能耗仿真結(jié)果圖； 圖11為本發(fā)明隨機(jī)退避算法的馬爾科夫模型。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 如圖所示，用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)感知SQ-MC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法，采用周期工 作機(jī)制，一個(gè)周期包括同步階段、分配階段和數(shù)據(jù)階段； 在同步階段，節(jié)點(diǎn)利用同步幀的交換形成虛擬簇，在網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，通過節(jié)點(diǎn)定期 廣播自己的同步幀，維持同一虛擬簇的時(shí)間同步； 在分配階段，需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)的目的節(jié)點(diǎn)通過交換對(duì)應(yīng)的RTSn/CTSn完成 時(shí)隙分配，其中使用的時(shí)隙數(shù)S由用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行設(shè)定，而分配階段的時(shí)間 長(zhǎng)度與時(shí)隙數(shù)S成正比；在網(wǎng)絡(luò)空載的情況下，協(xié)議預(yù)定了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)無碰撞并且信道環(huán) 境良好的理想情況下從競(jìng)爭(zhēng)信道到成功發(fā)送RTSn所需的最長(zhǎng)時(shí)間：Thall，不需要發(fā)送數(shù) 據(jù)的節(jié)點(diǎn)如果偵聽到信道持續(xù)Thall空閑，轉(zhuǎn)入睡眠。
[0017] 在數(shù)據(jù)階段，協(xié)議將數(shù)據(jù)階段分割成一系列大小相同的時(shí)隙，即數(shù)據(jù)階段的時(shí)間 長(zhǎng)度等于時(shí)隙數(shù)S與時(shí)隙長(zhǎng)度Tst的乘積；預(yù)約時(shí)隙成功的節(jié)點(diǎn)在對(duì)應(yīng)的時(shí)隙喚醒進(jìn)行數(shù) 據(jù)交換；協(xié)議預(yù)定了一個(gè)控制幀等待時(shí)間：Twc，為節(jié)點(diǎn)在理想情況下發(fā)送RTS/CTS控制幀 所需的時(shí)間，若時(shí)隙預(yù)約失敗，源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送RTS后和目的節(jié)點(diǎn)在喚醒后需要對(duì)信道保持 Twc時(shí)間的空閑偵聽，如果信道持續(xù)空閑，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入睡眠。
[0018] 進(jìn)一步，所述的RTSn/CTSn為協(xié)議在分配階段為實(shí)現(xiàn)時(shí)隙分配而定義的控制幀， 包含節(jié)點(diǎn)所選時(shí)隙的信息。
[0019] 所述的SQ-MC協(xié)議采用偽調(diào)度機(jī)制、自適應(yīng)退避機(jī)制和虛擬多隊(duì)列公平調(diào)度機(jī) 制進(jìn)行管理。
[0020] 進(jìn)一步，所述的偽調(diào)度機(jī)制為節(jié)點(diǎn)在分配階段通過交換RTSn/CTSn完成時(shí)隙分 配，每組相關(guān)節(jié)點(diǎn)擁有單獨(dú)的時(shí)隙，從而實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)階段的理論上的無碰撞通信。
[0021] 進(jìn)一步，所述的自適應(yīng)退避機(jī)制為節(jié)點(diǎn)根據(jù)業(yè)務(wù)和通信環(huán)境的不同在信道競(jìng)爭(zhēng)過 程中對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口（ContentionWindow,CW)進(jìn)行調(diào)整； 進(jìn)一步，所