CN101489304B - 基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法 - Google Patents

Abstract

基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法涉及无线多媒体传感器网络MAC层协议的设计，主要用于针对不同的业务提供区分服务。多媒体传感器网络存在音频、视频信息，同时有可能存在文本信息时，不同的应用要求不同的QoS，这时要求设计的MAC协议能针对不同业务提供区分服务，同时在全网范围内实现资源的有效利用。本发明方法提出了基于无线多媒体传感器网络的区分服务的MAC协议，采用根据服务等级来设定动态时隙分配方案，从而达到基于TDMA的区分服务MAC协议，通过划分多层时隙根据服务来调整时隙分配，同时动态调整服务等级，并增加不活跃节点的休眠，从而延长了无线多媒体传感器网络的寿命并提高了传感器网络的协调性和服务质量。

Description

基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线多媒体传感器网络MAC层协议的设计，主要用于针对不同的业务提供区分服务。

背景技术

无线多媒体传感器网络是由一组具有感知、计算和通信能力的多媒体传感器节点组成的分布式传感器网络。它通过节点上多媒体传感器采集周边环境的多种媒体信息(音频、视频、图像等)，通过多跳方式将数据汇集到汇聚节点，实现全面、有效的环境监测。

在无线多媒体传感器网络中，传输的数据主要是音频和视频数据。视频数据的信息量非常巨大，如果在无线链路上持续传输视频数据，则无线信道带宽将成为***的瓶颈，同时，视频信息的传输和处理需要耗费大量的能量，这将导致能量有限的传感器网络迅速耗尽能量，网络的生存周期将大为缩短。媒体访问控制(MAC，medium access control)协议是用于建立可靠的点到点、点到多点或多点共享的通信链路技术，处于无线传感器网络协议栈的底层部分，是所有数据报文和控制消息在无线信道上进行发送和接收的直接控制者，解决无线传感器网络中节点以怎样的规则共享媒体才能保证满意的网络性能问题，MAC协议能否高效地使用无线信道是保证无线多媒体传感器网络通信的最关键的因数之一。

多媒体传感器网络存在音频、视频信息，同时有可能存在文本信息时，不同的应用要求不同的QoS，这时要求设计的MAC协议能针对不同业务提供区分服务，同时在全网范围内实现资源的有效利用。

现有无线传感器网络MAC协议研究大都假定基于单一的“尽力而为”(best effort)数据传输服务模型，各类业务平等竞争网络资源，网络拥塞时，业务被不加区分地丢弃，因而不利于服务质量要求高的业务传输。

基于竞争的MAC协议，如S-MAC，T-MAC，Sift等，通过解决碰撞重传、空闲侦听以及控制信息过多等问题，大幅度减少冲突的机会，达到降低能耗的目的，但它们通常很难保证实时性要求，适用于一些对可预见性要求不高的网络，并不适应于多媒体传感器网络。

无竞争单信道MAC协议主要基于TDMA机制，没有竞争机制中的碰撞重传问题，并且数据传输时不需要过多的控制信息，节点在空闲时槽可以及时进入睡眠而节省能量，通过改进可以应用到多媒体传感器网络。分簇TDMA，DEANA，TRAMA等基于TDMA，但是静态固定分配时隙，难以适应服务区分要求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法，用于解决现有无线传感器网络MAC协议业务不均衡传输，可调节性差。本发明针对多媒体传感器网络的不同应用提供区分服务，显著提高多媒体传感器网络的资源利用率和传输效率。

技术方案：时分复用是实现信道分配的简单成熟的机制，在传感器网络中采用TDMA机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送或接收的时槽，而节点在其他空闲时槽转入睡眠状态。TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题，但需要节点比较严格的时间同步，多数传感器网络都使用了侦听/睡眠的能量唤醒机制，利用时间同步来实现节点状态的自动转化。TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：很难调整时间帧的长度和时槽的分配。

本发明针对TDMA的网络扩展性不足，在TDMA的基础上设计了一种动态时隙控制方法，达到多媒体传感器网络可以根据业务类型提供不同的服务。

方法流程：

基于无线多媒体传感器网络的区分服务的MAC协议设计流程所包含的步骤如下：

1.一种基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1)定义服务优先级：根据当前应用的音频，视频，文本信息的服务质量的要求，将数据延迟，数据丢包率设定相应的服务等级，即服务优先级；

步骤2)定义帧结构：时分复用给每个节点分配固定的时隙用来收发数据，在此基础上设计一种帧结构，此帧结构包含3个子帧：State(状态)子帧，Allocate(分配)子帧，Action(行为)子帧；

步骤3)设计State子帧：依次包含SNodeID(源节点号)，SendFlag(发送数据标志位)，DataSize(数据分组大小)，PRI(数据优先级标志)，此优先级根据步骤1)设计的服务优先级获取，时隙占用标志TimeUsed(时隙占用标志)；

步骤4)设计Allocate子帧：依次包含SNodeID(源节点号)，DNodeID(目标节点号)，DataNum(数据分组编号)；

步骤5)设计Action子帧：包含发送数据Data(发送的数据)；

步骤6)时隙初始化：假设在此无线多媒体传感器网络中有N个节点，将步骤2)中提及的3类子帧各划成为N个子时隙，即有3*N个子时隙；宏观上按照State-＞Allocate-＞Action的顺序排列，微观上各子帧按各节点时隙顺序排列，子时隙i即为节点i的主时隙；

步骤7)State帧初始化：完成State子帧当前节点状态确认行为，若此节点有发送数据要求，填充源节点号，发送数据标志位，数据分组大小，数据优先级标志；若无数据发送要求，填充发送数据标志位，数据分组大小，数据优先级标志为0，在此期间其他节点处于休眠状态，根据时间的处理依次自动唤醒重复执行步骤7)；

步骤8)完成动态时隙分配过程：根据步骤7最终得到State子帧，设一个Action时隙能发送K个数据分组；首先定位SendFlag＝1且PRI最高的节点，查看其数据分组大小，若小于K，则确认此时隙被占用，设置TimeUsed＝1；若大于K，则表示此子时隙一次性不够发送完整个数据分组，需要占用其他时隙来进行发送，首先在其他节点的State子帧中查询SendFlag＝0且TimeUsed＝0的节点，若存在，则占用此时隙发送剩余数据，并将此时隙的SNodeID设置为当前节点的SNodeID且TimeUsed设置为1表示已经占用；若不存在，查询PRI最小，DataSize最小且TimeUsed＝0的节点，占用此节点的时隙，并设置TimeUsed＝1，并将SNodeID设置为当前节点的SNodeID；若剩余数据大小仍然超过K，则循环执行此步骤，直到所有数据都被分配到低优先级的时隙中；当时隙占用完成后，必然会有一部分优先级低的数据不能发送，仍然保存在数据发送缓冲区中，为了避免此类数据发生死锁，永远不能被发送，在下一次State状态时将优先级自提升一级以提高竞争能力；

步骤9)Allocate阶段：所有的时隙分配信息在State帧中都有所体现；Allocate阶段即根据State帧中的信息填充Allocate帧结构，按照节点顺序依次访问，State帧中SendFlag＝0的节点被访问到时仍然处于休眠状态；若当前节点号和State子帧中的SNodeID相同，假设State子帧中SNodeID的数量为n，将待发送数据包分成n份，按照节点访问顺序依次填充到Allocate子帧中对应的时隙，具体填充源节点号SNodeID，目标节点号DNodeID，数据发送编号DataNum，按照如上操作依次访问每个节点从而完成Allocate子帧分配；

步骤10)Action阶段：依次访问每个当节点，当此节点对应State子帧中SendFlag＝0时候，根据设计的休眠时间计算从而在这段时间中休眠；反之，根据Allocate对应帧的SNodeID，DNodeID和DataNum填充数据包项，同时根据DNodeID唤醒目标节点接收数据；

按照如上操作访问每个节点从而完成所有节点的数据发送和数据接收。

有益效果：本发明方法提出了基于无线多媒体传感器网络的区分服务的MAC协议，采用根据服务等级来设定动态时隙分配方案，从而达到基于TDMA的区分服务MAC协议，具有以下的有益效果。

(1)将单个时隙细分多个时隙，划分出一些细微的控制时隙来完成时隙分配的前期准备和动态时隙分配过程，增加了时隙分配的灵活度，方便自定义服务等级适应区分服务的应用，并保证了服务质量。

(2)时隙的细分，增加了不活跃节点的休眠时间，减少了节点资源的浪费，延长了无线多媒体传感器的生命周期。

(3)动态服务优先级的设定，有效保证了所有传感数据可以安全发送出去，不会产生发送死锁。

附图说明

图1MAC层宏观帧结构图。

图2MAC层微观帧结构图。

图3基于无线多媒体传感器网络的区分服务的MAC协议设计流程图。

具体实施方式

基于无线多媒体传感器网络的区分服务的MAC协议具体过程如下：

步骤1)定义服务优先级。

根据当前应用(音频，视频，文本信息等)服务质量的要求，如数据延迟，数据丢包率等设定相应的服务等级，即服务优先级。按照多媒体传感器网络的一般应用，避免音视频信息的高延迟，影响接收效果，在这里我们将视频数据定义为最高优先级3，音频数据的优先级定义为2，文本信息定义为1。当然这些设定可以根据不同的应用做相应的修改。

步骤2)定义帧结构。

时分复用给每个节点分配固定的时隙用来收发数据，在此基础上设计一种帧结构，此帧结构包含3个子帧：State子帧，Allocate子帧，Action子帧。

a)设计State子帧：State子帧主要记录各节点的是否需要发送数据及其发送数据时候所需要的一些具体的信息。依次包含源节点号SNodeID，发送数据标志位SendFlag，数据分组大小DataSize，数据优先级标志PRI，时隙占用标志TimeUsed。

帧结构详细信息：

SendFlag：＝1表示有数据要发送；

＝0表示无数据发送。

PRI：根据步骤1设计的服务优先级获取。

TimeUsed：＝1表示此时隙已经被占用；

＝0表示此时隙尚没有被占用。

b)设计Allocate子帧：Allocate子帧主要根据State子帧记录的各时隙的信息，按照设计的时隙分配算法确定各时隙的占用情况。依次包含源节点号SNodeID，目标节点号DNodeID，数据分组编号DataNum。

c)设计Action子帧：Action子帧包含发送数据Data

步骤3)时隙初始化。

假设在此无线多媒体传感器网络中有N个节点，将步骤2中提及的3类子帧各划成为N个子时隙，即有3*N个子时隙。宏观上按照State-＞Allocate-＞Action的顺序排列，微观上各子帧按各节点编号顺序排列，子时隙i即为节点i的主时隙。

步骤4)State帧初始化

完成State子帧当前节点状态确认行为，按照节点编号顺序依次访问单个节点，此节点按照时分复用自动唤醒，其他节点保持休眠状态。监测唤醒节点有无发送数据要求，填充State帧结构。

有数据发送请求：SendFlag＝1；

DataSize根据实际数据分组大小填充；

PRI根据当前发送的数据类型填充；

TimeUsed＝0。

无数据发送请求：SendFlag＝0；

DataSize＝0；

PRI＝0；

TimeUsed＝0。

监测完毕此唤醒节点进入休眠状态，继续按序自动唤醒并按此过程处理其他节点，直至所有节点均完成State帧状态确认。

步骤5)完成动态时隙分配过程

根据步骤4最终得到State子帧，设一个Action时隙能发送K个数据分组。首先定位SendFlag＝1且PRI最高的节点，查看其数据分组大小，若小于K，则确认此时隙被占用，设置TimeUsed＝1；若大于K，则表示此子时隙一次性不够发送完整个数据分组，需要占用其他时隙来进行发送，首先在其他节点的State子帧中查询SendFlag＝0且TimeUsed＝0的节点，若存在，则占用此时隙发送剩余数据，并将此时隙的SNodeID设置为当前节点的SNodeID且TimeUsed设置为1表示已经占用；若不存在，查询PRI最小，DataSize最小且TimeUsed＝0的节点，占用此节点的时隙，并设置TimeUsed＝1，并将SNodeID设置为当前节点的SNodeID。若剩余数据大小仍然超过K，则循环执行此步骤，直到所有数据都被分配到低优先级的时隙中。当时隙占用完成后，必然会有一部分优先级低的数据不能发送，仍然保存在数据发送缓冲区中，为了避免此类数据发生死锁，永远不能被发送，在下一次State状态时将优先级自提升一级以提高竞争能力。

步骤6)Allocate阶段

完成时隙动态分配过程，所有的时隙分配信息在State帧中都有所体现。Allocate阶段即根据State帧中的信息填充Allocate帧结构。按照节点顺序依次访问，State帧中SendFlag＝0的节点被访问到时仍然处于休眠状态。若当前节点号和State子帧中的SNodeID相同，假设State子帧中SNodeID的数量为n，将待发送数据包分成n份，按照节点访问顺序依次填充到Allocate子帧中对应的时隙，具体填充源节点号SNodeID，目标节点号DNodeID，数据发送编号DataNum。按照如上操作依次访问每个节点从而完成Allocate子帧分配。

步骤7)Action阶段

此阶段为数据发送阶段，依次访问每个当节点，当此节点对应State子帧中SendFlag＝0时候，根据设计的休眠时间计算从而在这段时间中休眠。反之，根据Allocate对应帧的SNodeID，DNodeID和DataNum填充数据包项，同时根据DNodeID唤醒目标节点接收数据。按照如上操作访问每个节点从而完成所有节点的数据发送和数据接收。

Claims (1)

1.一种基于无线多媒体传感器网络区分服务的媒体访问控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1)定义服务优先级：根据当前应用的音频，视频，文本信息的服务质量的要求，将数据延迟，数据丢包率设定相应的服务等级，即服务优先级；

步骤2)定义帧结构：时分复用给每个节点分配固定的时隙用来收发数据，在此基础上设计一种帧结构，此帧结构包含3个子帧：状态子帧，分配子帧，行为子帧；

步骤3)设计状态子帧：依次包含源节点号SNodeID，发送数据标志位SendFlag，数据分组大小DataSize，数据优先级标志PRI，此优先级根据步骤1)设计的服务优先级获取，时隙占用标志TimeUsed；

步骤4)设计分配子帧：依次包含源节点号SNodeID，目标节点号DNodeID，数据分组编号DataNum；

步骤5)设计行为子帧：包含发送数据Data；

步骤6)时隙初始化：假设在此无线多媒体传感器网络中有N个节点，将步骤2)中提及的3类子帧各划成为N个子时隙，即有3*N个子时隙；宏观上按照状态State-＞分配Allocate-＞行为Action的顺序排列，微观上各子帧按各节点时隙顺序排列，子时隙i即为节点i的主时隙；

步骤7)状态子帧初始化：完成状态子帧当前节点状态确认行为，若此节点有发送数据要求，填充源节点号，发送数据标志位，数据分组大小，数据优先级标志；若无数据发送要求，填充发送数据标志位，数据分组大小，数据优先级标志为0，在此期间其他节点处于休眠状态，根据时间的处理依次自动唤醒重复执行步骤7)；

步骤8)完成动态时隙分配过程：根据步骤7最终得到状态子帧，设一个分配时隙能发送K个数据分组；首先定位SendFlag＝1且PRI最高的节点，查看其数据分组大小，若小于K，则确认此时隙被占用，设置TimeUsed＝1；若大于K，则表示此子时隙一次性不够发送完整个数据分组，需要占用其他时隙来进行发送，首先在其他节点的状态子帧中查询SendFlag＝0且TimeUsed＝0的节点，若存在，则占用此时隙发送剩余数据，并将此时隙的SNodeID设置为当前节点的SNodeID且TimeUsed设置为1表示已经占用；若不存在，查询PRI最小，DataSize最小且TimeUsed＝0的节点，占用此节点的时隙，并设置TimeUsed＝1，并将SNodeID设置为当前节点的SNodeID；若剩余数据大小仍然超过K，则循环执行此步骤，直到所有数据都被分配到低优先级的时隙中；当时隙占用完成后，必然会有一部分优先级低的数据不能发送，仍然保存在数据发送缓冲区中，为了避免此类数据发生死锁，永远不能被发送，在轮询到下一次状态时隙时将优先级自提升一级以提高竞争能力；

步骤9)分配阶段：所有的时隙分配信息在状态帧中都有所体现；分配阶段即根据状态子帧中的信息填充分配子帧结构，按照节点顺序依次访问，状态子帧中SendFlag＝0的节点被访问到时仍然处于休眠状态；若当前节点号和状态子帧中的SNodeID相同，假设状态子帧中SNodeID的数量为n，将待发送数据包分成n份，按照节点访问顺序依次填充到分配子帧中对应的时隙，具体填充源节点号SNodeID，目标节点号DNodeID，数据发送编号DataNum，按照如上操作依次访问每个节点从而完成分配子帧分配；

步骤10)行为阶段：依次访问每个当节点，当此节点对应状态子帧中SendFlag＝0时候，根据设计的休眠时间计算从而在这段时间中休眠；反之，根据Allocate对应帧的SNodeID，DNodeID和DataNum填充数据包项，同时根据DNodeID唤醒目标节点接收数据；

按照如上操作访问每个节点从而完成所有节点的数据发送和数据接收。

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