CN101557606B - 用于无线传感器网络的媒体访问控制方法 - Google Patents
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Abstract
用于无线传感器网络的媒体访问控制方法根据无线传感器网络具体应用中节点的数据流量随时间变化的特点调节发送过程。通过测量数据包到达的间隔估算当前数据流量强度并采用滤波器减小测量过程中的干扰。并通过检测节点当前的数据包队列长度进行自适应控制，当数据包队列长度大于1时候，采用突发传输方式将队列中的数据包成批发送以减小延迟和能耗。否则根据当前测量的数据流量进行判断，如果当前数据流量值小于给定的阈值则启用低流量自适应机制，节点能够通过局部的控制包交换移除不必要的唤醒周期。该方法不需要在线调节协议的周期和占空比，避免了节点之间的同步困难问题，并有效解决了目前无线传感器网络中同步和数据流量自适应的难点问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线网络领域，特别涉及无线传感器网络协议设计领域，具体给出用于无线传感器网络的流量自适应的媒体访问控制方法。
背景技术
在无线传感器网络中，节点一般采用电池供电且其容量较小，节点分布在实际的应用环境后电池难以更换或者更换成本很高，所以能量效率是无线传感器网络协议设计考虑的重点。在许多应用领域如火灾检测等，节点需要将采集到的数据及时发送给sink节点并采取必要的措施以减小损失，这对协议设计的延迟时间要求很高。
目前在无线传感器网络MAC协议的设计中，节点一般采用周期性的侦听和睡眠调度以降低能耗，最有代表性的是叶伟提出的S-MAC协议，它最早由参考文献“An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”(W.Ye，J.Heidemann，and D.Estrin，IEEE INFOCOM，June 2002)提出。S-MAC协议按照周期性方式运行，协议的一个周期分为侦听期和睡眠期两个部分，其中的侦听期又分为同步阶段和数据阶段，侦听时间和整个周期长度的比率为占空比，协议运行过程中周期长度和占空比均固定。节点在侦听期间唤醒进行数据通信，在睡眠期间进入睡眠状态以降低功耗。为保证节点之间正确通信，协议设计采用定期同步的机制，通过周期性接收和转发同步包使得节点之间形成一致的侦听睡眠调度，从而保证节点之间能够进行正确通信。
但是在实际的无线传感器网络应用中，上述传统MAC协议的性能受到很大限制，其原因为：①实际无线传感器网络节点的数据流量经常变换，而且很多情况下是无规律或者规律不可循。采用固定周期和占空比的方法，当数据流量大的时候，容易引起缓冲区溢出丢包，而数据流量小的时候，不必要的唤醒过程耗费能量，从而使得协议性能低下。②在传感器网络节点之间维持同步是一个复杂过程，因为传感器节点需要侦听一段时间，接收到同步包后设置自己的调度，然后转发同步包，最终使全网形成一致的调度，这是一个耗费时间耗费能量的过程。
发明内容
技术问题：本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提出用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，该方法使得节点能够很好提升协议在可变数据流量条件下的性能，并且不需要在线调节周期和占空比从而避免同步困难问题。
技术方案：本发明的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，用于解决节点数据流量变化环境下协议性能低下问题。节点通过测量当前的数据流量和数据包缓冲区队列长度进行自适应调节，当数据流量比较大的时候采用高流量自适应机制，当数据流量比较小的时候采用低流量自适应机制，从而有效提高协议在流量变化条件下的能耗，延迟等方面的性能。数据流量测量的具体方法为：节点连续记录数据包到达的时间，将连续到达的两个数据包间隔的倒数作为当前测量得到的数据流量，则测量的数据流量可表示为：lk+1＝1/(tk+1-tk)，其中tk，tk+1分别表示前一个数据包收到的时刻和当前数据包收到的时刻，测量结果通过低通滤波器消除测量干扰。
节点通过检测当前数据缓冲区队列长度Ncur进行自适应调节，当Ncur＞1时，启用高流量自适应机制，当Ncur≤1并且当前测量得到的数据流量Lk＜β时启用低流量自适应机制，否则采用传统MAC协议中每次发送一个数据包的方式进行通信。其中的β为预先设定的阈值。
本发明的无线传感器网络中流量自适应的媒体访问控制方法，其高流量自适应机制采用突发模式发送数据包，节点首先确定本次突发传输的数据包数目Nbst，方法为：预先设定最大允许的突发传输时间Tmax并以此计算突发传输最大允许发送的包数目Mmax，节点在发送数据前首先检测当前数据缓冲区队列长度Ncur，如果Ncur≥Nmax，则Nbst＝Nmax，否则如果Ncur＜Nmax，则Nbst＝Ncur。然后在数据期间采用载波侦听方式发送请求发送包-RTS包进行信道预约，一旦预约成功则通过RTS/CTS/DATA1/DATA2/.../DATANbst/ACK的突发模式一次发送多个数据包，即发送节点首先发送RTS包给接收节点，当收到接收节点回复的允许发送包-CTS后，发送节点连续发送Nbst个数据包-DATA给接收节点，最后收到接收节点回复的确认包-ACK后完成本次传输。
如果突发传输的时间超过协议运行的周期长度则节点继续发送数据直到本次突发传输完成为止。突发传输系列中的每个控制包和数据包中都包含离本次发送完成所需要的时间。其他非目的节点侦听到这个突发包序列中的任何一个包，则更新其网络分配矢量NAV并进入睡眠以降低能耗。
本发明的无线传感器网络中流量自适应的媒体访问控制方法，其高流量自适应机制在误码信道条件下工作时，一旦检测到突发突发传输系列中有包由于信道误码而被破坏，则节点继续传输剩余的数据包直到本次突发数据传输完成为止。被破坏的数据包将在下次的突发传输系列中进行重传。如果当前节点存在两个或者两个以上的下一条邻居节点，则当前节点重新调度堆积在数据缓冲区中的数据包，将发送到同一目的地址的数据包调度成一个系列，使得在发送数据包的时候，每一个突发传输系列中只包含发送到同一目的地址的数据包。
本发明的无线传感器网络中流量自适应的媒体访问控制方法，其低流量自适应策略为：发送节点通过检测当前待发送的数据包的相应域得到下一条目的节点的地址，然后构建一个邀请发送包(ITS)并在同步阶段采用载波侦听方式发送这个ITS包给目的节点，目的节点接收到ITS包后回复一个同意发送包(ATS)确认本次通信。发送节点和接收节点在数据期间采用数据包/确认包方式直接进行数据通信而不采用载波侦听，其他邻居节点接收到ITS或者ATS后更新NAV并进入睡眠以降低功耗。
当节点没有数据包需要发送并且没有收到ITS包则移除本周期内余下的侦听时间以降低功耗。同时设定一个阈值θ，当节点经历了θ个周期仍无数据或者控制包发送或者接收，则节点唤醒以侦听可能发送给自己的控制或数据包。如果接收节点在同步期检测到冲突发生则在DATA期间保持唤醒以侦听可能到达的报文，如果发送节点在同步期检测到冲突发生则在本周期的数据期间采用传统的载波侦听方式进行数据发送。避免由于节点睡眠导致传输错误。
有益效果：本发明的无线传感器网络中流量自适应的媒体访问控制方法，通过实时测量节点的数据流量和数据缓冲区队列长度，并基于测量值进行流量自适应调节。在数据流量比较大的时候能够很大程度上降低数据包发送的延迟时间和功耗，并能很好缓解缓冲区堆积和丢包问题。在数据流量比较小的时候通过移除不必要的侦听期降低节点的能耗，并且不会明显影响协议的延迟性能。此外并发明中的方法不需要调节协议的周期和占空比，使得方法实施比较简单并且不会导致同步困难问题。
附图说明
图1为本发明的流量自适应的媒体访问控制方法总体示意图，
图2为本发明中高流量自适应机制的突发传输操作示意图，
图3为本发明中低流量自适应机制的选择性唤醒操作示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施实例对本发明的技术方案进行进一步说明。
本发明的无线传感器网络中流量自适应的媒体访问控制方法，其总体操作过程如图1所示，节点通过检测当前数据缓冲区队列长度Ncur进行自适应调节，当Ncur＞1时，启用高流量自适应机制，当Ncur≤1并且当前测量得到的数据流量Lk＜β时启用低流量自适应机制，否则采用传统MAC协议中每次发送一个数据包的方式进行通信。其中的β为预先设定的阈值，其值根据具体的网络状况确定。
数据流量测量的具体方法为：节点连续记录数据包到达的时间，将连续到达的两个数据包时间间隔的倒数作为当前测量得到的数据流量，则测量的数据流量可表示为：
lk+1＝1/(tk+1-tk) (1)
其中tk，tk+1分别表示前一个数据包收到的时刻和当前数据包收到的时刻，由于测量过程中存在随机干扰，故通过一个低通滤波器消除测量干扰，具体方法为：令Lk-1为经过滤波器消除干扰后的前一次数据流量值，Lcur为当前直接估计得到的数据流量值，则本次经过滤波器消除干扰后得到的数据流量值计算公式为：
Lk＝αLk-1+(1-α)Lcur (2)
本发明中的高流量自适应机制的突发传输方式如图2所示，如果一个节点希望发送数据包给他的下一跳目的节点，则首先在数据期间通过载波侦听方式发送RTS包，其中包含了本次突发传输的数据包数目Nbst、离本次突发传输结束的时间、以及下一条节点地址等信息。下一跳目的节点接收到这个RTS包后回复一个CTS包进行传输确认，其他的邻居节点如果侦听到RTS包或者CTS包，则更新自己的NAV并进入睡眠以降低功耗。此时发送节点连续发送Nbst个数据包给下一跳目的节点，下一跳目的节点在接收完数据包后回复一个ACK包进行确认。突发传输序列中的包间隔大小具体设定方法和802.11类似。如果突发参数的时间超过协议本身的周期长度，则传输过程会继续进行直到本次传输完成为止，并不会因为超过一个周期长度而中断。
其中的一次突发传输包含的数据包数目Nbst计算方法为：如果满足公平性条件下以及维持正确的同步时最大允许的时间分别为Tf和Ts，则最大允许的burst传输时间Tmax可表示为：
Tamx＝min(Tf，Ts) (3)
根据最大允许的突发传输时间和突发传输的特点，假设突发传输***中数据包长度相同，则可通过下面公式计算得到burst传输最大允许发送的包数目Nmax
Nmax＝[k×min(Tf，Ts)-LRTS-LCTS-LACK- (4)
3k×SIFS+k×PIFS]/(LDATA+k×PIFS)
其中LRTS，LCTS，LDATA，LACK分别为RTS，CTS，DATA，ACK包的长度，而SIFS和PIFS分别为控制包间隔和数据包间隔，k为数据发送速度。节点在发送数据前首先检测当前数据缓冲区队列长度Ncur，如果Ncur＞Nmax，则Nbst＝Nmax，否则如果Ncur＜Nmax，则Nbst＝Ncur。
本发明的高流量自适应机制在误码信道条件下工作时，一旦检测到突发传输系列中有包由于信道误码而被破坏，则节点继续传输剩余的包直到本次突发数据传输完成为止。被破坏的数据包将在下次的突发传输系列中进行重传。如果当前节点存在两个或者两个以上的下一条邻居节点，则节点对当前数据缓冲区中的包进行重新排列，将发送到同一目的地址的数据包调度成一个系列，使得发送数据包的时候，在每一个突发数据包***中只包含发送到同一目的地址的数据包。例如数据缓冲区中的包数目为7，假定数据包的序号分别为1、2、3、4、5、6、7，其中序号为1、4、5的数据包包含相同的目的地址，而序号为2、3、6、7的数据包包含另外一个相同的目的地址，则节点在突发传输前对数据缓冲区中的这些数据包进行重新排列，顺序为1、4、5、2、3、6、7。这些数据包将在两个burst传输中被发送出去，其中一个burst传输包含序号为1、4、5的数据包，另外一个burst传输包含序号为2、3、6、7的数据包。
本发明的无线传感器网络中流量自适应的媒体访问控制方法，其低流量自适应策略如图3所示，采用节点选择性唤醒的方式来降低功耗。图3中节点0需要发送一个数据包给它的下一跳节点3，则节点0首先在同步阶段发送一个ITS包给他的邻居节点3，节点3收到ITS包后检查包中的相关域确认自己是目的节点，则回复一个ATS包给节点0进行确认。由于节点1和节点2通过收到的ITS包确认自己不是本次通信的目的节点，则更新NAV并提早进入睡眠以降低功耗，其中NAV更新的长度为到离本次数据发送完为止的时间长度。在数据阶段的开始，节点0直接发送DATA包给节点3，然后节点3收到DATA包后回复ACK包进行确认，则节点0和节点3之间的传输成功完成，由于已经在同步阶段通过载波侦听进行信道预约，故数据通信过程中不采用载波侦听。由于节点1和节点2已经进入睡眠状态，这些邻居节点不会干扰节点0和节点3之间的通信。
当节点没有数据包需要发送并且没有收到ITS包则移除本周期内余下的侦听时间以降低功耗。同时设定一个阈值θ，当节点经历了θ个周期仍无数据或者控制包发送或者接收，则节点唤醒以侦听可能发送给自己的控制或数据包。由于节点在同步节点发送ITS包进行传输请求，而节点周期性的同步包也在同步阶段发送，则在发送节点和接收节点都有可能发生同步包和同步包、ITS和ITS，以及同步包和ITS之间的冲突。如果接收节点在同步期检测到冲突发生，则在DATA期间保持唤醒以侦听可能到达的报文，从而避免由于节点睡眠导致传输错误和降低延迟。对于发送节点而言，如果检测到冲突则采用常规的通信运行方式，即节点在数据期间采用RTS/CTS/DATA/ACK方式进行通信，其中的发送节点通过载波侦听方式发送RTS包。
Claims (5)
1.一种用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于通过实时测量节点当前的数据流量和数据缓冲区队列长度进行流量自适应调节，当节点缓冲区队列长度大于1时启用高流量自适应机制，当数据缓冲区队列长度小于等于1且当前数据流量小于预先设定的阈值时启用低流量自适应策略，否则采用传统MAC协议中每次发送一个数据包的方式进行通信。
2.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于所述的测量节点当前的数据流量方法为：节点连续记录数据包到达的时间，将连续两个数据包间隔时间的倒数作为当前测量得到的数据流量，其计算方法表示为数据流量lk+1＝1/(tk+1-tk)，其中tk，tk+1分别表示前一个数据包收到的时刻和当前数据包收到的时刻，测量结果通过低通滤波器消除测量干扰。
3.根据权利要求1所述的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于所述的高流量自适应机制为：
①首先确定当前突发传输中所包含的数据包个数Nbst，则节点通过RTS/CTS/DATA1/DATA2/.../DATANbst/ACK的方式一次预约发送多个数据包，每个控制包和数据包中都包含离本次发送完成所需要的时间；其他非目的节点侦听到这个突发包序列中的任何一个包，则更新其网络分配矢量-NAV并进入睡眠以降低功耗；
②节点在误码信道条件下工作时，一旦节点检测到突发传输系列中有数据包由于信道误码而被破坏，则继续传输剩余的数据包直到本次突发数据传输完成为止，被破坏的数据包将在下次的突发传输中进行重传；
③如果当前节点存在两个或者两个以上的下一跳邻居节点，则当前节点重新调度堆积在数据缓冲区中的数据包，将发送到同一目的地址的数据包调度成一个系列，使得在发送数据包的时候，每一个突发传输系列中只包含发送到同一目的地址的数据包。
4.根据权利要求3所述的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于确定当前突发传输中所包含的数据包个数Nbst的方法为：预先设定最大允许的突发传输时间Tmax并以此计算每次突发传输最大允许发送的包数目Nmax，节点在发送数据前首先检测当前数据缓冲区队列长度Ncur，如果Ncur＞Nmax，则Nbst＝Nmax，否则如果Ncur＜Nmax，则Nbst＝Ncur。
5.根据权利1要求所述的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于所述的低流量自适应策略为：
①发送节点通过检测当前待发送的数据包的相应域得到下一跳目的节点的地址，然后构建一个邀请发送包-ITS并在同步阶段通过载波侦听方式发送ITS包给下一跳目的节点，目的节点接收到ITS包后回复一个同意发送包-ATS确认本次通信过程，发送方和接收方在数据期间采用数据包/确认包方式进行数据通信，其他非目的节点接收到ITS或者ATS后更新网络分配矢量并进入睡眠以降低功耗；
②当节点没有数据包需要发送并且没有收到ITS包则移除本周期内余下的侦听时间以降低功耗；同时设定一个阈值θ，当节点经历了θ个周期仍无包发送或者接收，则节点唤醒以侦听可能发送给自己的包；
③如果接收节点在同步期检测到冲突发生则在数据期间保持唤醒状态以侦听可能到达的报文，如果发送节点在同步期检测到冲突发生则在本周期的数据期间采用传统的载波侦听方式进行数据通信，避免由于节点睡眠导致传输错误。
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Effective date of registration: 20140813 Address after: Li Bao Zhen Haian County Industrial Park 226631 Jiangsu city of Nantong Province Patentee after: Nantong Chaoli Rolling Machine Producing Co.,Ltd. Patentee after: SOUTHEAST University Address before: 211109 No. 2, Southeast University Road, Jiangning Development Zone, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Southeast University |
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Effective date of registration: 20201224 Address after: 224600 Xiangshui Economic Development Zone, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee after: Xiangshui Jinyue Construction Development Co.,Ltd. Address before: 226631 Libao Town Industrial Park, Haian County, Nantong City, Jiangsu Province Patentee before: Nantong Chaoli Rolling Machine Producing Co.,Ltd. Patentee before: SOUTHEAST University |
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Address after: 224600 Xiangshui Economic Development Zone, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu Jinyue Holding Group Co.,Ltd. Address before: 224600 Xiangshui Economic Development Zone, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee before: Xiangshui Jinyue Construction Development Co.,Ltd. |
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