一種無線傳感器網絡節能MAC的實現方法技術

本發明專利技術提供了一種無線傳感器網絡節能MAC的實現方法，源節點有數據包需要發送時進行載波監聽：如果信道繁忙，則退避一段時間再偵聽，如果信道空閑，則源節點向目標節點發送RTS，目標節點收到RTS，做好接收數據的準備并發送CTS給源節點，源節點收到CTS后將數據發送至目標節點，目標節點收到數據后返回一個ACK，源節點在收到ACK后，將繼續傳送數據，并由目標節點返回ACK，直到數據傳送完畢。本發明專利技術所提出的MAC協議具有隨機睡眠機制、異步接入、隨機RTS等特點，避免了同步所帶來的能量損耗，減少了由RTS引起的沖突，延遲比SMAC減少了1/2。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及無線傳感器網絡相關
，尤其涉及一種新的無線傳感器網絡節能MAC (媒體接入控制)的實現方法。
技術介紹
采用節點周期睡眠機制的典型協議SMAC (睡眠媒體接入控制)，其基本思想是節點周期睡眠以減少空閑監聽，蘇醒后通過物理/虛擬載波監聽信道，判斷信道是否空閑或者是否需要接收數據。具有相同睡眠周期表的節點形成一個虛擬簇，并由簇頭周期性地同步該簇的睡眠時間表，既保證了相鄰節點調度周期同步，又滿足可擴展性。為了避免沖突和串音，SMAC采用與802. 11類似的物理/虛擬載波監聽以及握手RTS/CTS (請求發送/Clean To Send清除發送)機制。SMAC成功實現了周期睡眠調度，明顯地減少了空閑監聽，能夠較好地滿足無線傳感器網絡的節能需求。隨后眾多工作在此協議基礎上展開，如TMAC(Time-MAC)同樣采用了睡眠機制，不同的是，雖然TMAC中保持了固定的周期長度，但節點監聽時間會根據信道情況進行調整，從而改變睡眠時間的長度；PMAC (Pipelining-MAC)通過網絡流量信息自適應地調整睡眠時間；DMAC (Data-MAC)針對SMAC中存在的睡眠延遲，提出了數據成樹形匯聚的通信方式，根據樹狀結構調整節點睡眠時間。此類方法需要節點周期的進行簇內同步，由同步所帶來的額外節點能耗不能忽略，因此在節能方面具有一定局限性。SMAC協議的占空比固定，且需要定期更新睡眠時間表，當網絡負載較小時，同步所消耗的能量較大。SMAC的改進版本采用了自適應監聽機制將睡眠延遲減少了一半以上，但周期睡眠造成的傳輸延遲仍然十分顯著。
技術實現思路
為了解決現有技術中問題，本專利技術提供了一種無線傳感器網絡節能MAC的實現方法，源節點有數據包需要發送時進行載波監聽如果信道繁忙，則退避一段時間再偵聽，如果信道空閑，則源節點向目標節點發送RTS，目標節點收到RTS，做好接收數據的準備并發送CTS給源節點，源節點收到CTS后將數據發送至目標節點，目標節點收到數據后返回一個ACK (接收確認)，源節點在收到ACK后，將繼續傳送數據，并由目標節點返回ACK，直到數據傳送完畢。作為本專利技術的進一步改進，節點A，B (為源節點)同時發送RTS競爭信道，如果A的第二個RTS來的較B早，A爭得信道，并隨機發送RTS，直到目標節點給予CTS回復，如果在最大周期時間Tf內，目標節點沒有給CTS回復，源節點則退避一段時間后，重新競爭信道。作為本專利技術的進一步改進，隨機發送RTS，在時間上有如下邊界限制Tet〈Trts〈Tld，其中=Trts為兩個RTS幀之前的時間間隔；Tld為目標節點的監聽時間；Trt為目標節點收到RTS后，CTS幀持續時間Trts與節點收發轉換時間Tta之和，即=Irt = Tcts+Tta0作為本專利技術的進一步改進，節點的睡眠周期有如下限制tld < Td彡Tdr其中Tto是最大睡眠周期，tld是固定監聽時間。作為本專利技術的進一步改進，源節點發送的RTS，目標節點發送的CTS、ACK中都包含有NAV，其中記錄了對傳輸所需時間的估計，其他無關節點收到這些幀后即刻進入睡眠并根據NAV來制定新的睡眠表。本專利技術的有益效果是本專利技術所提出的MAC協議具有隨機睡眠機制、異步接入、隨機RTS等特點，避免了同步所帶來的能量損耗，減少了由RTS引起的沖突，延遲比SMAC減少了 1/2。DRMAC協議是對現有的帶同步睡眠機制的MAC協議的一種改進，相較于SMAC，DRMAC可以更好的應用在能量消耗要求小，延遲要求不高的WSN中。附圖說明圖I是本專利技術DRMAC協議的競爭機制與退避規則；圖2是本專利技術隨機RTS機制競爭信道；圖3是本專利技術數據發送模式； 圖4是本專利技術能耗參數示意圖；圖5是本專利技術延遲與睡眠周期的關系；圖6仿真中網絡拓撲結構圖；圖7不同跳數下三種協議能量消耗比較，發包間隔為3s ；圖8發包間隔與能量消耗的關系；圖9發包間隔Is時跳數與能量消耗的關系；圖10DRMAC與其他協議不同跳數下的延遲；圖11發包間隔與一跳平均延遲關系。具體實施例方式下面結合附圖對本專利技術做進一步說明。DRMAC(雙隨機媒體介入控制Double Random MAC)協議的競爭機制以及退避規則DRMAC是一種采用雙隨機模式，介質異步接入的WSN MAC協議。首先，節點有數據包需要發送時會進行載波監聽，在監聽一段時間后，如果信道繁忙，則退避一段時間再監聽。如果信道空閑，則向目標節點發送RTS，由于接入方式是異步接入，源節點并不知道目標節點的睡眠時間表，無法得知該節點的活躍時間，為了讓目標節點能夠在活躍時間內收到RTS，源節點需保證在目標節點活躍時間內發送了一個RTS。如果目標節點收到RTS，它做好接收數據的準備并發送CTS，源節點收到CTS后將數據發送至目標節點，目標節點收到數據后返回一個ACK，源節點在收到ACK后，將繼續傳送數據，并由目標節點返回ACK，直到數據傳送完畢，如圖I所示。源節點發送的RTS，目標節點發送的CTS、ACK中都包含有NAV(Network Allocation Vector),其中記錄了對傳輸所需時間的估計。其他無關節點收到這些幀后即刻進入睡眠并根據NAV來制定新的睡眠表。當發送的數據為編碼組合包時，包中的MAC接收地址將對應多個接收節點，節點通過如上所述的方式競爭獲得信道，與之不同的是，該節點需等待所有的接收節點均處于接收狀態時，才通過偽廣播的形式發送數據包，在這種情況下增加了額外的等待延遲，在本章后面章節將對增加的延遲進行分析。異步接入方式有以下幾個優點I)節省了周期同步的開銷。在網絡吞吐量較小時(事實上很多情況如此，節點可能在相當長的時間內都沒有工作任務)，周期睡眠機制帶來的開銷相對與網絡總開銷來說占的比重將是很大的。2)吞吐量較大時，異步接入可以更好的避免信道堵塞。采用周期同步的網絡，如果在一個周期內有多個節點需要發送數據，由于周期同步節點的睡眠/活躍時間的一致性，使得這些節點需要在相同的時間內去競爭信道，這樣將導致網絡信道的繁忙，也增大了信道堵塞的概率。3)節點的監聽時間得到縮減。在SMAC中，節點的監聽時間需要保證同步更新時間和接收RTS的時間。而對于異步接入方式如DRMAC，僅僅需要保證能夠接收到RTS的時間。DRMAC中的隨機RTS機制分析傳統的競爭機制較好的避免了因信道競爭帶來的沖突。假設兩個節點需要向同一目標節點發送數據包，則節點在監聽與退避后將會對目標節點發送RTS。如果發生了沖突， 則節點根據退避規則退避一段時間后，再次發送RTS，直到其中之一競爭到信道為止。本文所定義的隨機RTS，繼承了傳統信道競爭退避機制的優點，并且通過重復發送RTS來獲得目標節點的接入權。假設兩個節點同時發出RTS幀，并同時進入監聽，由于第一個RTS發生了沖突，節點將發送第二個RTS來競爭信道，如果兩個節點發送RTS的時間間隔相同，則會導致沖突始終存在，介于此，本文采用隨機RTS模式，避免了上述情況的發生。如圖2所示節點A，B同時發送RTS競爭信道，由于A的第二個RTS來的較B早，A爭得信道，并隨機發送RTS，直到目標節點給予CTS回復，如果在最大周期時間Tf內，目標節點沒有給CTS回復，源節點則退避一段時間后，重新競爭信道。時本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種無線傳感器網絡節能MAC的實現方法，其特征在于：源節點有數據包需要發送時進行載波監聽：如果信道繁忙，則退避一段時間再偵聽，如果信道空閑，則源節點向目標節點發送RTS，目標節點收到RTS，做好接收數據的準備并發送CTS給源節點，源節點收到CTS后將數據發送至目標節點，目標節點收到數據后返回一個ACK，源節點在收到ACK后，將繼續傳送數據，并由目標節點返回ACK，直到數據傳送完畢。

【技術特征摘要】
1.一種無線傳感器網絡節能MAC的實現方法，其特征在于 源節點有數據包需要發送時進行載波監聽 如果信道繁忙，則退避一段時間再偵聽， 如果信道空閑，則源節點向目標節點發送RTS， 目標節點收到RTS，做好接收數據的準備并發送CTS給源節點， 源節點收到CTS后將數據發送至目標節點， 目標節點收到數據后返回一個ACK， 源節點在收到ACK后，將繼續傳送數據，并由目標節點返回ACK，直到數據傳送完畢。2.根據權利要求I所述的一種無線傳感器網絡節能MAC的實現方法，其特征在于 節點A，B同時發送RTS競爭信道，如果A的第二個RTS來的較B早，A爭得信道，并隨機發送RTS，直到目標節點給予CTS回復，如果在最大周期時間Tf內，目標節點沒有給CTS回復，源節點則退避一段時間后，重新競爭信道。3.根據權...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張欽宇，王亞松，李云鶴，林威，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學深圳研究生院，
類型：發明
國別省市：