CN104812030B - 面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法。本发明方法充分考虑输电线路监测等应用的无线传感器网络链式或线型拓扑结构的特征，在网络不同时段采用了不同的接入策略，提出繁忙时期的时分访问控制Pipelined TDMA以及空闲时期的竞争访问控制S‑XMAC方法。在繁忙时期，采用了流水线式的调度传输方法来避免隐藏终端问题，以提高传输可靠性和资源利用率；在空闲时期，设置簇首和普通簇成员采用不同的MAC参数，在使簇首簇首和簇成员能够更及时地响应请求的同时，使得普通簇成员尽可能地节省能量，从而使得网络在节省能量的同时，满足应用***对网络实时性的要求。

Description

面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法

技术领域

本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络广泛应用。输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用，具有分散性大、距离长、难以维护等特点。之前较广泛采用的周期性人工、直升机、机器人巡检的方式，不仅需要高开销、高劳动强度，也难于持续地对整个***进行监测。为此，基于网络的监控***成为这类应用实现的必然。然而，基于有线网络的监测***具有布设困难、成本高、维护不便等问题。那么，基于无线技术的监测***是未来的发展趋势。但是，GSM、WIMAX、CDMA等移动通信技术，对于全方位的监测***来说依旧过于昂贵，因此这些现有的***仅用于部分关键的环节。无线传感器网络以其实时在线、大面积覆盖、自配置自组织、低成本、灵活、维护方便等优点，成为这类应用的首选技术。

对于上述输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用，无线传感器网络通常部署在无人值守的区域，更换电池困难，电池成本较高。为此，低能耗成为该类无线传感器网络的首要需求。***一般要求电池供电的簇首和簇成员可以工作5年以上。此外，这类应用对无线传感器网络的实时性也提出了要求。以智能电网中的数据采集与监控***（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）为例，数据采集周期通常为4～8秒，特别当异常事件或警告产生时，需要及时传输到监控中心。

介质访问控制（Media Access Control，MAC）方法直接管理无线通信资源的合理使用，成为决定无线传感器网络性能的关键技术。输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用的特点，使得无线传感器网络MAC协议的设计需要面临如下挑战：

●上述应用中的无线传感器网络拓扑结构通常呈现链式或线型，但同时还具有局部密集的特点。以输电线路为例，大部分传感器架设于塔杆之上或者接近塔杆的区域，整个被密集布设的区域直径不超过10米，仅有少量传感器布设在跨度200～1000米之间的输电线上，如舞动监测传感器。链式网络中出现大量部署密集的局部区域。局部密集特性凸显了隐藏终端问题。

●上述应用中通常产生两类数据：周期性监测数据以及报警、网络控制、***查询、配置等非周期性数据。对应的网络工作周期划分为有大量周期性数据传输的繁忙时期以及仅少量非周期数据传输的空闲时期。如何面对网络时变的网络流量特性以及复杂的非均衡性，在节能的同时保证实时性是另一个难题。

现有无线传感器网路MAC协议还无法满足上述应用需要，具体表现在：（1）采用时分多路访问（Time Division Multiple Access，TDMA）的方式能够有效避免隐藏终端问题，应对繁忙时期的传输。但面向链式拓扑结构网络，如何设计有效的TDMA机制，在低能耗前提下保证网络的实时性，研究刚刚起步。（2）现有面向网状、低数据率等特点的无线传感器网络MAC协议，如X-MAC、SMAC、TMAC等，协议的实时性取决于接收方的占空比，仅从数据率看可以应对实时性要求较低的非周期性数据的传输。因此，如何保证周期性数据传输的高实时性以及紧急数据的传输成为了一个挑战性难题。

发明内容

本发明针对现有面向链式或者线型拓扑结构网络的MAC协议研究中，存在的无法有效保障低能耗和高实时性的缺陷，针对MAC协议如何在自适应网络流量特性的前提下，满足节能、实时性能需求，避免隐藏终端问题，调整簇首和簇成员角色以达到节能和实时性之间的平衡这三个问题，提出了一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，旨在使簇首簇首和簇成员能够及时响应请求，簇成员能够尽可能地节省能量，从而在节能的同时，满足***对网络实时性的苛刻要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，

在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员达到一定比例时，采用时分访问控制Pipelined TDMA，包括以下步骤：

簇内收集阶段：每个时隙内，网络中部分簇首收集后继簇中所有簇成员的传感数据；

数据转发阶段：簇首转发收集到的传感数据；

在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员没有达到所述比例时，采用竞争访问控制S-XMAC，即基于位置信息的唤醒时间调度：根据簇首和簇成员在网络中的地理位置，有次序地唤醒各簇首和簇成员。

所述后继簇为远离Sink的方向，当前簇首的相邻簇首。

所述部分簇首为：令簇的跳数表示为hop，

1）第一个时隙内的部分簇首为3%hop==0的簇首，即从远离汇聚簇首和簇成员Sink方向的第3个簇首计起，每隔2个簇首的簇首；

2）第二个时隙内的部分簇首为3%hop==2的簇首，即第一个时隙内的部分簇首向靠近Sink方向的相邻簇首的集合；

3）第三个时隙内的部分簇首为3%hop==1的簇首，即第二个时隙内的部分簇首向靠近Sink方向的相邻簇首的集合。

所述簇内收集阶段和/或数据转发阶段需要三个时隙完成网络传输调度并使所有簇成员与相邻簇同时发送的数据不产生碰撞。

所述每个簇成员发送数据的过程包括：

将时隙二次等分为多个小时隙；

基于地址命名算法的小时隙分配过程；簇成员按照addr值从小到大的顺序选择相应的小时隙发送数据；

所述addr值为：簇成员加入网络时，被分配的簇内地址addr∈[1,Ni]，其中Ni表示第i个簇内的簇成员的数量。

所述数据转发阶段的实现过程为：簇首被分配连续的多个时隙，并利用该连续时隙发送多个数据包。

所述S-XMAC的实现过程为：

每个簇首和簇成员按照占空比T_duty-cycle周期性休眠和唤醒；

待发送数据的簇首不立即启动射频发送前导码，而是比目的接收端的簇唤醒时间提前时间发送包含发送端和目的接收端的簇首地址信息的前导码；

前导码发送完成后，待发送数据的簇首等待来自目的接收端的簇首的前导确认响应ACK，重复此过程直到收到ACK后，发送数据；

接收端周期性地唤醒；若在唤醒期间，收到包含簇首地址信息的前导码后，判断前导码中的目的接收端地址信息和自身是否相符，如果地址相同，则返回ACK，通知发送端簇首发送数据；否则，不返回ACK，并立即进入休眠状态。

所述每个簇在占空比中的簇唤醒时间是相同的，由簇首记录相邻簇在占空比T_duty-cycle中的簇唤醒时间实现。

所述唤醒时间的设计具体为：

相邻簇首间的唤醒时间T_shedule需要满足下面条件：

T_schedule＞δ+T_{offset_max}

其中，δ表示簇首接收数据需要的处理时间，包括除前导码外的数据传输时间和驻留时间Dwell Time；T_{offset_max}表示发送端和接收端的最大时钟偏差，由同步周期和簇首和簇成员的频偏决定；

利用簇首和簇成员的地址ADDR指示簇首和簇成员的位置信息，簇首和簇成员的唤醒时间被设置成：

T_wake＝n×T_{duty_cycle}-((ADDR+1)＞＞1)×T_schedule

其中，T_wake表示簇首或者簇成员的唤醒时间，T_schedule表示相邻簇首间的唤醒时间，T_{duty_cycle}表示簇首或者簇成员的占空比，ADDR表示簇首或者簇成员的地址。

所述发送前导码需要的最长时间T_preamble为：

其中，T_preamble表示发送前导码需要的最长时间，T_{duty_cycle}表示簇首或者簇成员的占空比，T_{offset_max}表示发送端和接收端的最大时钟偏差。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明方法设计在不同时段采取不同接入策略，能够在繁忙时期尽可能地提高吞吐量和可靠性，在空闲时期尽可能地节省能量并满足通信的实时性要求。

2.本发明方法提出的繁忙时期时分访问控制方法（Pipelined TDMA），采用了流水线式的调度传输方法，避免了隐藏终端问题，其及时转发的特性减少了拥塞，避免簇首和簇成员因缓存太小导致的丢包问题，提高了网络吞吐量和通信可靠性。

3.本发明方法提出的空闲时期竞争访问控制方法（S-XMAC）,一方面，利用宽松的同步，减少了前导码的发送时间，不引入额外的通信开销，节省了能量；其次，通过调节簇首和簇成员采用不同的MAC参数，使得簇首能够更及时响应请求，满足应用对网络实时性的要求，而普通簇簇首和簇成员能够更节省能量；同时，根据链式网络的拓扑特征，提出了基于位置的唤醒时间调度方法，满足了上行数据和下行数据对实时性的差异化需求。

附图说明

图1为流水线式传输顺序示意图；

图2为S-XMAC中基于位置信息的唤醒时间调度；

图3为最坏情况下X-MAC和S-XMAC前导码发送时间的对比图；

图4为X-MAC运行示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出的一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其主要思想在于：设置簇首和簇成员采用不同的MAC参数，使得簇首能够更及时响应请求，普通簇成员尽可能地节省能量，从而在降低能耗的同时，满足应用对网络实时性的要求。

本发明方法包括繁忙时期时分访问控制Pipelined TDMA与空闲时期竞争访问控制S-XMAC。在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员达到一定比例（20%）时，为繁忙时期；否则为空闲时期。

（1）繁忙时期时分访问控制Pipelined TDMA：包括簇内收集阶段、数据转发阶段，具体包括以下步骤：

步骤（1.1）簇内收集阶段。每个时隙内，网络中部分簇首收集后继簇中所有簇成员的传感数据，如图1所示。该阶段只需要三个时隙即可完成网络传输调度，并保证与相邻簇同时发送的数据不产生碰撞，规避了隐藏终端问题。数据收集过程中，簇成员都需要发送数据。簇成员数据发送过程包括：首先，将时隙二次等分为多个小时隙。其次，基于地址命名算法的小时隙分配过程；簇成员加入网络时，被分配簇内地址addr∈[1,Ni]，其中Ni表示第i个簇内的簇成员的数量，簇成员按照addr值从小到大的顺序选择相应的小时隙发送数据。该地址命名算法保证了同一簇内的簇成员的addr互不相同，从而避免了簇成员数据之间的碰撞。

所述后继簇是指远离Sink的方向，当前簇首的相邻簇首。

所述网络中部分簇首收集后继簇中所有簇成员的传感数据中的“部分簇首”包括：1）第一个时隙内的部分簇首是指，从远离汇聚簇首和簇成员（Sink）方向的第3个簇首计起，每隔2个簇首的簇首；2）第二个时隙内的部分簇首是指，第一个时隙内的部分簇首向靠近Sink方向的相邻簇首的集合；3）第三个时隙内的部分簇首是指，第二个时隙内的部分簇首向靠近Sink方向的相邻簇首的集合。“部分簇首”的具体定义为：令簇的跳数表示为hop，1）第一个时隙内的部分簇首是指，3%hop==0的簇首。2）第二个时隙内的部分簇首是指，3%hop==2的簇首。3）第三个时隙内的部分簇首是指，3%hop==1的簇首。

步骤（1.2）数据转发阶段。簇首完成该阶段的数据转发。簇首被分配连续的多个时隙，并利用该连续时隙发送多个数据包。与簇内收集阶段原理相同，该阶段也仅需要三个时隙完成数据转发。

（2）空闲时期竞争访问控制—S-XMAC：具体是指基于位置信息的唤醒时间调度，具体步骤描述如下。

步骤（2.1）：每个簇首和簇成员（簇首和簇成员）按照一定的占空比T_duty-cycle周期性休眠和唤醒。簇首记录相邻簇在占空比T_duty-cycle中的唤醒时间，每个簇的簇成员在占空比中的唤醒时间是相同的，称为簇唤醒时间；

所述占空比是指簇首和簇成员唤醒休眠的工作周期，其形式化描述T_{duty_cycle}为：

T_{duty_cycle}＝唤醒时间+休眠时间

所述簇唤醒时间，是指基于位置信息的唤醒时间调度，根据簇首和簇成员在网络中的地理位置，依次唤醒各簇首。随着时间推移，收发簇首和簇成员之间的同步误差越来越大，有可能导致发送簇首和簇成员开始发送前导码之前，接收簇首和簇成员已在同一个占空比内被唤醒过，从而导致通信失败。本发明设计的基于位置信息的唤醒时间调度，以图2所示的网络拓扑和唤醒调度为例，相邻簇首间的唤醒时间T_shedule需要满足下面条件：

T_schedule＞δ+T_{offset_max}

其中，δ表示簇首接收数据需要的处理时间，包括除前导码外的数据传输时间和驻留时间（Dwell Time）；T_{offset_max}表示发送端和接收端的最大时钟偏差，由同步周期和簇首和簇成员的频偏决定，在S-XMAC的设计中并不限于具体的同步算法，同步算法的实施可通过应用中的其它业务，如数据收集过程进行，本发明方法并不对此进行限定。

利用簇首和簇成员的地址ADDR指示簇首和簇成员的位置信息，簇首和簇成员的唤醒时间被设置成：

T_wake＝n×T_{duty_cycle}-((ADDR+1)＞＞1)×T_schedule

步骤（2.2）：待发送数据的簇首不立即启动射频，而是比目的接收端的簇唤醒时间提前时间发送包含发送端和目的接收端的簇首地址信息的前导码，如图3所示；前导码发送完成后，待发送数据的簇首等待来自目的接收端的簇首的前导确认响应（Acknowledgement,ACK）。重复此过程直到收到ACK后，发送数据。

所述T_preamble是指发送前导码需要的最长时间，定义如下：

步骤（2.3）：接收端周期性地唤醒。若在唤醒期间，收到包含簇首地址信息的前导码后，判断前导码中的目的接收端地址信息和自身是否相符，如果地址相同，则返回ACK，通知发送端簇首发送数据；否则，不返回ACK，并立即进入休眠状态。目的接收端返回ACK的时间如图4所示。

Claims (7)

1.一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，

在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员达到一定比例时，采用时分访问控制Pipelined TDMA，包括以下步骤：

簇内收集阶段：每个时隙内，网络中部分簇首收集后继簇中所有簇成员的传感数据；

数据转发阶段：簇首转发收集到的传感数据；

在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员没有达到所述比例时，采用竞争访问控制S-XMAC，即基于位置信息的唤醒时间调度：根据簇首和簇成员在网络中的地理位置，有次序地唤醒各簇首和簇成员；

所述部分簇首为：令簇的跳数表示为hop，

1)第一个时隙内的部分簇首为3％hop＝＝0的簇首，即从远离汇聚簇首和簇成员Sink方向的第3个簇首计起，每隔2个簇首的簇首；

2)第二个时隙内的部分簇首为3％hop＝＝2的簇首，即第一个时隙内的部分簇首向靠近Sink方向的相邻簇首的集合；

3)第三个时隙内的部分簇首为3％hop＝＝1的簇首，即第二个时隙内的部分簇首向靠近Sink方向的相邻簇首的集合；

所述S-XMAC的实现过程为：

每个簇首和簇成员按照占空比T_duty-cycle周期性休眠和唤醒；簇首记录相邻簇在占空比T_duty-cycle中的唤醒时间，每个簇的簇成员在占空比中的唤醒时间是相同的，称为簇唤醒时间；

待发送数据的簇首不立即启动射频发送前导码，而是比目的接收端的簇唤醒时间提前时间发送包含发送端和目的接收端的簇首地址信息的前导码；

前导码发送完成后，待发送数据的簇首等待来自目的接收端的簇首的前导确认响应ACK，重复此过程直到收到ACK后，发送数据；

接收端周期性地唤醒；若在唤醒期间，收到包含簇首地址信息的前导码后，判断前导码中的目的接收端地址信息和自身是否相符，如果地址相同，则返回ACK，通知发送端簇首发送数据；否则，不返回ACK，并立即进入休眠状态；

所述唤醒时间的设计具体为：

相邻簇首间的唤醒时间T_shedule需要满足下面条件：

T_schedule＞δ+T_{offset_max}

其中，δ表示簇首接收数据需要的处理时间，包括除前导码外的数据传输时间和驻留时间Dwell Time；T_{offset_max}表示发送端和接收端的最大时钟偏差，由同步周期和簇首和簇成员的频偏决定；

利用簇首和簇成员的地址ADDR指示簇首和簇成员的位置信息，簇首和簇成员的唤醒时间被设置成：

T_wake＝n×T_{duty_cycle}-((ADDR+1)＞＞1)×T_schedule

其中，T_wake表示簇首或者簇成员的唤醒时间，T_schedule表示相邻簇首间的唤醒时间，T_{duty_cycle}表示簇首或者簇成员的占空比，ADDR表示簇首或者簇成员的地址。

2.根据权利要求1所述的面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，所述后继簇为远离Sink的方向，当前簇首的相邻簇首。

3.根据权利要求1所述的面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，所述簇内收集阶段和/或数据转发阶段需要三个时隙完成网络传输调度并使所有簇成员与相邻簇同时发送的数据不产生碰撞。

4.根据权利要求1所述的面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，所述每个簇成员发送数据的过程包括：

将时隙二次等分为多个小时隙；

基于地址命名算法的小时隙分配过程；簇成员按照addr值从小到大的顺序选择相应的小时隙发送数据；

所述addr值为：簇成员加入网络时，被分配的簇内地址addr∈[1,Ni]，其中Ni表示第i个簇内的簇成员的数量。

5.根据权利要求1所述的面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，所述数据转发阶段的实现过程为：簇首被分配连续的多个时隙，并利用该连续时隙发送多个数据包。

6.根据权利要求1所述的面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，所述每个簇在占空比中的簇唤醒时间是相同的，由簇首记录相邻簇在占空比T_duty-cycle中的簇唤醒时间实现。

7.根据权利要求1所述的面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法，其特征在于，所述发送前导码需要的最长时间T_preamble为：

其中，T_preamble表示发送前导码需要的最长时间，T_{duty_cycle}表示簇首或者簇成员的占空比，T_{offset_max}表示发送端和接收端的最大时钟偏差。