专利名称：用于无线传感器网络的媒体访问控制方法
技术领域：
本发明涉及于无线网络领域，特别涉及无线传感器网络和协议设计领域，具 体给出用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，尽管可将给出的特征应用于其 他网络设计中。
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 际环境后电池难以更换，所以能量是协议设计考虑的重点，其次为延迟时间，数 据传输率等重要的因素。无线传感器网络中的MAC协议是影响上述性能的关键之
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。 一个运行周期长度固定并分为侦听和睡眠两个部分，其侦听时间和整个 周期长度的比率为占空比，也为固定值。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，协议设计采用同 步机制，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。
但是在实际的无线传感器网络应用中，上述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能的过程。③传 感器网络MAC协议一个运行周期内往往只需沿着路由路径的部分节点进行通信， 而没有数据发送的节点仍然需要进行唤醒以侦听是否有其他节点发送数据包给 自己，导致不必要的能量耗费。
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，提供一种用于无线 传感器网络的媒体访问控制方法。使节点能够很容易实现网内节点间同步，减小 协议设计复杂度，并适用于数据流量变化的场合。
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，为解决同 步过程耗费时间和耗费能量的问题，以及节点数据流量变化环境下协议性能低下 问题，采用基于节点分簇的方式设计MAC协议，将网络节点分成簇头节点和普通 节点并承担的不同的功能，操作过程按照周期方式运行。簇头节点的主要功能为 维持网内同步，以及根据节点的数据流量计算合适的周期和占空比信息并通知普 通节点。普通节点功能为进行数据通信。具体操作过程为簇头节点从普通节点 搜集路由和数据流量信息，根据数据流量计算合适的周期和占空比，并把路由信 息和占空比信息，以及本身的时间信息通过同步包发送给普通节点，普通节点收 到同步包后，按照同步包中的信息设置自己的周期和占空比以及校准本地时间， 并根据路由信息判断是否提早进入睡眠，实现维持同步和数据流量自适应功能。
用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于按照节点分 簇的方式进行媒体访问控制，将网络节点分成簇头节点和普通节点。操作过程按 照周期性方式运行并将一个周期分为同步，数据，睡眠，请求四个阶段，具体运 行过程包括普通节点在每个周期请求阶段发送数据流量和路由信息给簇头节 点,簇头节点按照流量计算周期长度和占空比并在下一个周期的同步阶段广播给 普通节点，普通节点在同步阶段接收同步包、设置自己周期和占空比以及更新本 地时间，在数据期间进行数据通信，在睡眠阶段进入睡眠状态以降低功耗；簇头 节点的功能为维护簇内节点的同步，收集数据流量和路由信息；普通节点的功能 为按照簇头节点的信息维持同步，校准本地时间和和进行数据通信，根据路由信 息判断是否提前进入睡眠， 一个周期中睡眠阶段的时间可变，其他阶段的时间固 定。
所述的一个周期的运行过程包括以下步骤
① 同步阶段，簇头节点发送同步包SYNC给簇内所有的普通节点，普通节 点按照同步包中包含的信息设置自己的占空比并更新自己的本地时间以防时钟 计时偏差；
② 数据阶段，簇内发送方节点发送数据包DATA给接收方，接收方收到数据包后回复确认包ACK给发送方进行确认；
③睡眠阶段，簇内节点进入睡眠状态以降低功耗，如果数据期间通信过程 延续到本阶段，则在通信过程完成后进入睡眠；
请求阶段，需要参与通信的节点通过竞争方式发送请求包REQ给簇头节 点，簇头节点回应响应包REP给竞争成功节点，为下一个周期的通信进行预留。
所述的参与通信的节点通过竞争方式发送请求包方法为假设簇内的普通节 点数目为N, —个周期内有数据需要发送的节点数目为M，则节点采用不同的
接入概率竞争信道，数据流量大的节点其接入概率也大，数据量小的节点则其接 入概率小，节点接入概率和其本身的数据流量之间成正比关系。
所述的簇头节点按照流量计算周期长度和占空比的方法为当节点数据流量 强度增加时，减小睡眠阶段长度使周期长度减小和占空比增大，使得节点的唤醒 更加频繁，从而有更多机会发送数据防止节点缓冲区溢出丢包；当节点流量强度 减少的时候，增大睡眠阶段长度使周期长度增大和占空比减小，使得节点睡眠时 间更长，从而减少不必要的唤醒过程以节约功耗。
所述的提前进入睡眠状态方法为普通节点收到簇头节点发送的同步包后， 分析同步包中包含路由信息，获得本周期内参与通信的节点地址列表；如果本节 点地址不在参与通信的节点地址列表中，则立即进入睡眠以降低功耗，反之，则 进行正常的操作过程。
有益效果本发明采用基于节点分簇方式设计MAC协议，使簇头节点和普 通节点承担不同功能，解决了目前传感器网络节点之间维持同步难点问题，实现 了根据数据流量调节周期和占空比方法，使节点的功耗，网络延迟时间和数据包 传递率得到明显的提升。
图1为本发明中MAC协议一个运行周期操作过程示意图， 图2为本发明中的同步包SYNC，请求包REQ和回应包REP格式，其中，
PT:包类型 LEN:包长度 CYCLEN:操作周期长度
TS:离睡眠时间CN:参与通信的节点 SA:源地址
TF:流量强度 DURA:包发送的持续时间DA:目标地址 TM:簇头的当前时间图3普通节点在一个周期的同步阶段运行流程图， 图4为周期流量自适应调节关系示意图。
具体实施例方式
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。 用于无线传感器网络的媒体访问控制方法的操作周期分为同步，数据，睡眠， 请求四个阶段，其中同步，数据，请求阶段的长度固定，睡眠阶段时间可以调节，
调节睡眠阶段长度起到调节周期长度和占空比的目的。具体的周期运行过程为
① 簇头节点在同步期间发送同步包，普通节点在同步期间接收簇头发送的 同步包并按照同步包中的信息设置自己的周期长度，占空比，和本地时间等。
② 在数据阶段，上一个周期请求阶段竞争成功的节点进行数据通信，采用
的方式为DATA/ACK形式，即发送方不采用载波侦听，直接发送DATA包给接收方， 接收方收到DATA包后回复ACK包给发送方。
③ 在睡眠阶段，节点进入睡眠状态以降低功耗，如果数据阶段通信过程持 续到睡眠阶段，则在数据通信结束的时候进入睡眠状态。
在请求期间，若普通节点在下一个周期需要发送数据，则在此阶段发送 一个请求包REQ给簇头节点，因为可能有多个节点发送请求包，故节点采用载波 侦听方式竞争接入信道发送请求包，簇头节点回复响应包REQ给竞争成功的节 点，以允许其参与下一个周期的通信。
所述的数据流量自适应功能实现方法为设置同步，数据和请求阶段的长度 为固定值，根据网络中的数据流量调节睡眠期间的长度来调节周期长度。周期长 度的计算方法首先需要满足以下四个限制条件①假设节点缓冲区大小为C，
根据数据到达率和数据发送率，计算整个周期内数据到量和数据发送量，两者的 差值满足缓冲区不溢出的前提，由此得到的周期长度值。②根据数据到达率和 数据发送率，计算除发送期间外， 一个周期内其他时间数据包的到达量，满足缓 冲区不溢出的前提，得到的周期长度值③根据节点时钟漂移率和周期长度乘积 小于发送一个字节的时间，计算得到周期长度值 根据传感器网络应用程序最 大允许的延迟限制，计算得到周期值。根据这四个条件计算的周期，取一个最小 值，作为周期调节的最大限制，同时把同步，数据和请求阶段时间之和作为周期 调节的最小值。MAC协议周期长度和数据流量之间的调节关系为当数据流量变大的时候周期减小，反之，当流量变小的时候周期增大。数据流量变化过程分成 不同的数值段，每个数值段内的计算得到的周期长度和数据流量值之间成线性关 系，但是每个数值段内的线性变化的比率不同。经过上述方法调节周期长度后， 由于只有睡眠阶段的长度变化而其他阶段长度不变，所以占空比信息也随着数据 流量进行合理的调整。
所述的请求阶段竞争发送请求包REQ的方法为假设区域内有M个普通节点
需要发送请求包，普通节点采用载波侦听方式竞争接入信道以避免冲突。节点根 据不同的数据流量采用不同的接入概率竞争信道，数据流量大的节点其接入概率 也大，数据量小的节点则其接入概率小，节点接入概率和其本身的数据流量之间
成正比关系。竞争接入方法和802.11类似，区别是当请求包发送失败时候，节 点会尝试重传REQ包，直到达到最大重传限制，但是每次重传的时候，竞争窗口 大小不变。
本发明的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，采用基于节点分簇的方 式设计MAC协议，网络节点分成许多簇，每个簇由一个簇头节点和许多普通节点 组成， 一般情况下，簇头节点的通信范围比普通节点大，所以簇头节点可以和簇 内的普通节点进行直接通信，而普通节点之间的通信可能是多跳方式。簇头节点 的主要功能是维持网内同步，以及根据节点的数据流量计算合适的周期和占空比 信息并通知普通节点。普通节点功能为进行数据通信。具体操作过程为簇头节 点从普通节点搜集路由和数据流量信息，根据数据流量计算合适的周期和占空 比，并把路由信息和占空比信息，以及本身的时间信息通过同步包发送给普通节 点，普通节点收到同步包后，按照同步包中的信息设置自己的周期和占空比以及 校准本地时间，并根据路由信息判断是否提早进入睡眠，实现维持同步和数据流 量自适应功能。采用这种簇头节点和普通节点承担不同功能的方法，较好地解决 传统MAC协议设计中的同步和数据流量自适应问题。
本发明中协议的运行周期如图l所示， 一个周期包含以下四个阶段同步期 sync，数据器data，睡眠期sle印，请求期request。在同步阶段，簇头节点发 送同步包(sync)给簇内所有的普通节点，而所有的普通节点处于唤醒状态接收同 步包。如图中的H为簇头节点，而A， B， C和D为普通节点。簇头节点的发送和 接收范围大于普通节点，其一跳范围覆盖了全部普通节点，图中A， B， C， D节 点均能收到节点H发送的同步包。同步包中含有按照数据流量计算得到的周期长度和占空比信息，路由信息包括参与通信的节点地址列表，簇头节点的当前时间 等，其格式如图2所示。
普通节点收到簇头节点发送的同步包后，进行以下操作①按照收到的周期 和占空比信息设置自己的周期长度和占空比，以实现数据流量自适应功能。②根 据收到同步包中的时间信息更新节点本地时间，每个周期更新一次，以防止时钟 计时偏差导致通信错误。③根据收到的同步包中的路由信息判断本节点是否需要 参与本周期内通信。如果参与通信，则按照正常操作，如果不参与通信，则立即 睡眠，直到请求阶段时候醒来竞争信道。如果节点在下一个周期内也不需要发送 数据，则睡眠过程一直持续到本周期结束。具体过程如图3所示。在数据阶段，
普通节点之间可以按照上一个周期预留的方式，通过DATA/ACK的方式进行通信， 如图3中节点A发送DATA包给接受方B，节点B回应ACK包给节点A完成本次 通信，数据通信过程中不采用载波侦听的方式接入信道，避免不必要的能量耗费。 在睡眠阶段，节点进入睡眠状态以节约能量。由于睡眠节点的长度可以调节，故 节点可以根据数据流量调节周期和占空比以提高性能。但是如果数据阶段的通信 过程延续到了睡眠阶段，则在数据通信过程完成以后进入睡眠。此阶段其他节点 可以进入睡眠议节约能量。在请求阶段，如果节点需要在下一个周期内需要发送 数据，就会发送一个请求包REQ对下一个周期的通信过程进行预留，请求包的格 式如图2所示。节点发送请求包时采用载波侦听的方式竞争接入信道，在发送请 求包前等待一段时间，如果信道空闲，则发送请求包，否则进入冲突避免阶段， 即节点随机等待一段时间后重新发送，直到达到最大允许重传次数后放弃本次传 输，但每次退避过程中，节点的竞争窗口大小不变。
本发明中的流量自适应功能，是根据节点的流量信息调节协议的运行周期和 占空比，使节点在流量变化环境下取得功耗和延迟时间等性能更优，流量自适应 功能由簇头节点和普通节点协作完成，具体的实现方法为协议中设置同步，数 据和请求阶段的长度为固定值，按照网络中的数据流量，调节睡眠期间的长度来 调节周期长度，以此调节占空比。设计中首先要确定周期长度的调节范围，周期 长度的调节首先需要满足以下四个限制条件①假设节点缓冲区大小为C，根 据数据到达率X(t)和数据发送率n(t)，计算整个周期内数据到达量和数据发送量， 两者的差值满足缓冲区不溢出的前提，由此得到的周期长度值。②根据数据到达 率X(t)和数据发送率p(t)，计算除发送期间外， 一个周期内其他时间数据包的到达量，满足缓冲区不溢出的前提，得到的周期长度值③假设时钟漂移率为e， 根据节点时钟漂移率e和周期长度乘积小于发送一个字节的时间，计算得到周期 长度值 根据传感器网络应用程序最大允许的延迟限制，计算得到周期值。根 据这四个条件计算的周期，取一个最小值，作为周期调节的最大限制。 一个周期 中的同步，数据和请求阶段时间之和作为周期调节的最小值，故根据数据流量自 适应功能调节得到的周期长度在此范围内，因为唤醒期时间固定，周期长度可调
节，故占空比调节范围也由此确定。MAC协议运行周期和数据流量之间的计算关
系为当流量变大的时候，周期减小，占空比增大，反之当流量变小的时候，周 期增大，占空比减小。实际方案实施的时候，将数据流量值分成不同的数值段， 每个数值段内的周期长度和数据流量之间成线性关系，但是每个数值段内的线性 比率不同。周期长度和流量调节关系如图4所示，周期长度随着数据流量的增加 而减少，每个阶段都使线性变化，但是其变化斜率Kl, K2, K3， K4的值不一定相 同。
本发明中请求阶段竞争发送REQ请求包的方法为:假设区域内有M个普通节 点需要发送请求包，普通节点采用载波侦听方式进行竞争接入信道，以避免请求 包冲突。节点根据不同的数据流量采用不同的接入概率竞争信道，数据流量大的 节点其接入概率也大，数据量小的节点则其接入概率小，节点接入概率和其本身 的数据流量之间成正比关系。请求期间竞争窗口大小为固定值，普通节点在发送 数据前进行载波侦听，如果没有发现其他节点在发送数据，则随机等待一小段时 间后发送REQ包给簇头节点，簇头节点接收到请求包REQ后，回复应答包REP 给普通节点，其中包含了需要确认的目的节点地址。簇内普通节点接收到REP 包后得知某个普通节点赢得了竞争，将在剩余时间进入睡眠以节约能量。如果有 超过一个的普通节点同时发送请求包REQ，则会发生冲突。产生冲突后节点随机 退避一段时间，再次重新发送请求包，直到达到最大重传次数为止。每次重新发 送请求包的时候退避窗口大小不增加。
权利要求
1、一种用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征在于按照节点分簇的方式进行媒体访问控制，将网络节点分成簇头节点和普通节点。操作过程按照周期性方式运行并将一个周期分为同步，数据，睡眠，请求四个阶段，具体运行过程包括普通节点在每个周期请求阶段发送数据流量和路由信息给簇头节点，簇头节点按照流量计算周期长度和占空比并在下一个周期的同步阶段广播给普通节点，普通节点在同步阶段接收同步包、设置自己周期和占空比以及更新本地时间，在数据期间进行数据通信，在睡眠阶段进入睡眠状态以降低功耗；簇头节点的功能为维护簇内节点的同步，收集数据流量和路由信息；普通节点的功能为按照簇头节点的信息维持同步，校准本地时间和和进行数据通信，根据路由信息判断是否提前进入睡眠，一个周期中睡眠阶段的时间可变，其他阶段的时间固定。
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 征在于所述的一个周期的运行过程包括以下步骤① 同步阶段，簇头节点发送同步包SYNC给簇内所有的普通节点，普通节 点按照同步包中包含的信息设置自己的占空比并更新自己的本地时间以防时钟 计时偏差；② 数据阶段，簇内发送方节点发送数据包DATA给接收方，接收方收到数 据包后回复确认包ACK给发送方进行确认；③ 睡眠阶段，簇内节点进入睡眠状态以降低功耗，如果数据期间通信过程 延续到本阶段，则在通信过程完成后进入睡眠； 请求阶段，需要参与通信的节点通过竞争方式发送请求包REQ给簇头节 点，簇头节点回应响应包REP给竞争成功节点，为下一个周期的通信进行预留。
3、 根据权利2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 征在于所述的参与通信的节点通过竞争方式发送请求包方法为假设簇内的普通 节点数目为N， 一个周期内有数据需要发送的节点数目为M，则节点采用不同的接入概率竞争信道，数据流量大的节点其接入概率也大，数据量小的节点则其 接入概率小，节点接入概率和其本身的数据流量之间成正比关系。
4、 根据权利1所述的用于无线传感器网络的媒体访问控制方法，其特征为所述的簇头节点按照流量计算周期长度和占空比的方法为当节点数据流量强度 增加时，减小睡眠阶段长度使周期长度减小和占空比增大，使得节点的唤醒更加 频繁，从而有更多机会发送数据防止节点缓冲区溢出丢包；当节点流量强度减少 的时候，增大睡眠阶段长度使周期长度增大和占空比减小，使得节点睡眠时间更 长，从而减少不必要的唤醒过程以节约功耗。
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 征为所述的提前进入睡眠状态方法为普通节点收到簇头节点发送的同步包后， 分析同步包中包含路由信息，获得本周期内参与通信的节点地址列表；如果本节 点地址不在参与通信的节点地址列表中，则立即进入睡眠以降低功耗，反之，则 进行正常的操作过程。
全文摘要
用于无线传感器网络的媒体访问控制方法适用于无线网络设计领域，将网络节点分成簇头节点和普通节点。操作过程按照周期性方式运行并将一个周期分为同步，数据，睡眠，请求四个阶段，具体运行过程包括普通节点在每个周期请求阶段发送数据流量和路由信息给簇头节点，簇头节点计算周期长度和占空比并在下一个周期的同步阶段广播给普通节点，普通节点在同步阶段接收同步包、设置自己周期和占空比以及更新本地时间，在数据期间进行数据通信，在睡眠阶段进入睡眠状态以降低功耗。此方法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，降低了节点能量消耗和数据包的延迟时间，同时提高数据包的传递率。
文档编号H04L29/08GK101296249SQ200810023239
公开日2008年10月29日 申请日期2008年4月3日 优先权日2008年4月3日
发明者昊 刘, 姚国良, 晨 胡, 邹志烽, 昊 陈 申请人:东南大学