专利名称：无线传感器网络的最小竞争窗口策略mac层信道分配方法
技术领域：
本发明涉及一种MAC层信道分配方法，更特别地说，是指一种基于无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)由大量具备数据处理和通信能力的传感器节点组成，其目的是协作的感知、采集网络覆盖范围内监测对象的相关信息，并通过短距离无线多跳的通信方式将监测数据发送给网关，提供给用户进行分析和处理。WSN 集合了传感器技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术的最新成就，是当前多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络在军事侦察、空间探索、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等领域都有潜在的实用价值和广阔的应用前景。因此其科研意义和价值已经引起世界各国学术界、工业界和军事部门的极大关注，并被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。无线传感器网络通常由一个网关和多个传感器节点组成，传感器节点负责信息的采集和传输，信息由多级节点组成的传输路径最终汇总到网关。离网关越近的节点通常承载的信息传输量越大，当网络繁忙时，由于传感器节点的存储能力有限，极易在离网关近的节点处缓冲区溢出形成拥塞。此外，无线传感器网络通常布局在人类不方便到达或监控的区域，并且节点体积较小，能量补给成为一个难题，因此节能是无线传感器网络的一个重要课题。而当网络拥塞发生时，不可避免地存在数据丢失，其中一些信息已经经过多级传输， 这些传输的耗能，并没有产生实际的效益，造成了能耗浪费。因此，如何减少网络拥塞引起的丢包，提高网络吞吐量并降低能耗浪费是无线传感器网络领域的重要问题。在无线传感器网络中，信道是指以无线信号作为传输媒体的数据信号传送通道， 传感器节点发送数据前必须获得信道。IEEE 802. 11无线MAC协议是最为广泛使用的基于 CSMA/CA的无线MAC层协议，在采用IEEE 802. 11协议的网络中，当节点发送信息时，如果发现信道被占用，节点等候一个时间段，再进行数据传输尝试。这个时间段是从零到竞争窗口值之间的一个随机数。竞争窗口越小，等候较短时段的概率越大，信道占用的概率越大。 IEEE 802. 11协议基于平等的信道划分策略，即所有节点以平等的机会竞争信道。对于信息传送目标点分散的传统无线网络，这种策略提供了很好的公平性和传输效果。但是对于具有固定网关的无线传感器网络，这一策略具有一些弊端。如前所述，数据传输中父节点承载了所有子孙节点的信息传输任务，当网络繁忙时，父节点与子节点公平竞争信道，信息发送的机会均等，相对信息负载量上来说，这是不公平的。另外，子节点成功发送到父节点的信息，有可能由于在父节点处无法抢占到信道，而无法发送甚至产生拥塞被丢弃，这造成了资源包括信道和能量的浪费，这种拥塞是可以通过优化信道分配加以控制的。目前的无线传感器网络拥塞控制算法和MAC层优化算法，着重于节点发送速率的调控，资源的增加，中央集中式的网络流量最优化预分配或给予信息不同的优先级。
发明内容
本发明的目的是提出了一种基于无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，该方法基于无线传感器网络的特点，通过采用最小竞争窗口设置方法，提高了信道分配与数据承载量的匹配度，在一定程度上控制了拥塞的发生，从而降低了网络丢包率，增加了网络吞吐量，减少了网络耗能。最小竞争窗口设置方法具有可与其它拥塞控制及优化算法灵活结合，复杂度低的特点。本发明的一种无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法解决了 (1)描述了无线传感器网络的传输情况；(2)以节点在网络传播树中的传送层次为参考标准，给出了适用于无线传感器网络传输情况的层次最小竞争窗口计算方法；(3)依据计算得到的层次最小竞争窗口值及节点子节点的数量，给出了节点最小竞争窗口计算方法；(4) 基于所给出的节点最小竞争窗口计算方法，给出了节点最小竞争窗口的设置方法；(5)采用本发明的最小竞争窗口设置方法能够降低网络丢包率，增加网络吞吐量，减少网络耗能。本发明的一种无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，其特征在于包括有下面三个阶段步骤第一阶段步骤，构建传播树；第二阶段步骤，在传播树中，运行层次最小竞争窗口策略；第三阶段步骤，在传播树中，运行节点最小竞争窗口策略。
图1是一棵传播树的结构示意图。图2是本发明的一种具有以网关节点SS为根的传播树结构示意图。图3A是在20个节点的无线传感器网络中本发明与IEEE802. 11中信道分配方法在网络丢包率方面的比较结果图。图3B是在50个节点的无线传感器网络中本发明与IEEE802. 11中信道分配方法在网络丢包率方面的比较结果图。图4A是在20个节点的无线传感器网络中本发明与IEEE802. 11中信道分配方法在网络吞吐量方面的比较结果图。图4B是在50个节点的无线传感器网络中本发明与IEEE802. 11中信道分配方法在网络吞吐量方面的比较结果图。图5A是在20个节点的无线传感器网络中本发明与IEEE802. 11中信道分配方法在能耗方面的比较结果图。图5B是在50个节点的无线传感器网络中本发明与IEEE802. 11中信道分配方法在能耗方面的比较结果图。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明的一种无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，该分配方法采用的最小竞争窗口计算方法，是根据无线传感器网络中节点在分层结构中所处的层次及子节点数量来计算最小竞争窗口。
在一个网络中，所有节点向网关节点传送信息，整个传输路径可描述为一棵传播树。以图1中Z节点、B节点、E节点、F节点为例节点B、节点E、节点F分别产生数据流并向节点Z发送数据，节点E、节点F的信息通过节点B转发，即节点B是节点E和节点F的父节点，节点E和节点F是节点B的子节点。由于节点B承担了发送自己的检测数据和为子节点E及子节点F转发数据的双重任务，因此节点B承担的数据传输量不少于节点E和节点F。如果节点B与节点E和节点F平等竞争信道，由于节点B处待发送的信息包括自己的信息以及节点E、节点F成功发送到节点B处的信息，当网络繁忙时，若节点E或节点F 处的信息刚好全部发送到节点B，由于节点B、节点E、节点F以同等概率占有信道，使得在一个时间段内，节点B所分配的信道仅能够满足发送相当于为其中一个子节点转发的信息量，信息逐渐缓存在节点B处，当缓存的信息数超过节点B的容纳能力，部分信息将被丢弃， 造成了拥塞。更一般来说，在一个时间段内，当节点B、节点E、节点F的待发送信息量超出了信道的容纳能力，由于这些节点均分信道，即使节点E、节点F成功发送到节点B处的信息，也可能拥塞在节点B处，甚至被丢弃。当持续在一个时间段内节点的待发送信息量超出了信道的承载能力，由于父节点承载了包括子节点所有信息量在内的不少于任一子节点的信息量，在均分信道的情况下，子节点成功发送到父节点的信息，可能会拥塞在父节点处， 造成父节点处得拥塞和信息丢弃，浪费了包括信道和能量在内的网络能源。从整个传播树来看，在信息均勻分布的情况下，节点的信道分配应该和节点所在层次及子节点的数量相关。因此在本发明中提出了一种按照节点在传播树中所在层次及子节点数量计算最小竞争窗口的方法，从而给予离网关节点近并拥有更多子节点的节点更多的信道占有机会，以合理划分信道，减少网络拥塞的产生，降低信息的丢包率，增加网络吞吐，减少网络耗能。本发明的一种无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，该信道分配方法包括有下面三个阶段步骤第一阶段步骤，构建传播树；第二阶段步骤，在传播树中，运行层次最小竞争窗口策略；第三阶段步骤，在传播树中，运行节点最小竞争窗口策略。(一 )在构建传播树时采用了下列的步骤步骤101 在初始化时，任意节点GU所在传送层N设置为正无穷(即N=c )，父节点参数设置为0 (parmtiGJ。=0)，网关节点SS层次参数设置为0，子节点列表c/z/Wr皿—foi(O^)参数设置为空，子节点的节点数量设置为0 ；步骤102 网关节点SS广播初始化报文INIT = {#INIT，Ievel1, node}，其中#ΙΝΙΤ 表示报文类型为初始化报文，Ievel1表示报文下一跳的层次，node表示报文的上一跳转发节点在初始化时，设Ievel1 = 1 ；在初始化时，设node为网关节点SS ；步骤103 任意节点G《收到网关节点SS发出的或者其它节点转发的INIT报文时，进行层次判断；如果节点G《的传送层次N与INIT报文下一跳层次存在有关系N > Ievel1,则有将报文下一跳层次的值赋给节点的传送层次N，即N = Ievel1 ；
并将父节点p_t(GJ]N、参数设置为报文的上一跳转发节点的值，即 parent(1GJD = node ；并将节点G/^J武值给报文的上一跳转发节点，即m^ = G《；并将报文下一跳的层次Ievel1的值加一；最后节点将初始化报文INIT = {#INIT, Ievel1, node}进行转发；否则，如果不满足关系N > Ievel1 (即N彡Ievel1)，则丢弃报文INIT0步骤104 在无线传感器网络中除网关节点SS以外，其余每个节点执行步骤103 后，便构成了一棵以网关节点SS为根的传播树，如图2所示。参见图2所示，一种具有以网关节点SS为根的传播树结构，图中根节点为网关节点SS，除网关节点SS以外为传送层节点，所述传送层共计有M层(也是指总层数)，第M层为叶节点，除M层节点以外的所有其它传送层节点为非叶节点，任意一传送层记为N层，第 N层的任意节点记为中的N表示节点所在的传送层层次序号，j表示节点位于所在传送层的位置)。表示第N层的第1个节点，G/力表示第N层的第2个节点。第N层的上一层的任意节点记为OZ^1。图中，G4—AO^和α/力的父节点，同时与α/力是OZ^1 的子节点。( 二)在层次最小竞争窗口策略CWC执行下列步骤步骤201 叶节点向父节点发送聚合报文GATHER = {#GATHER, nodeid_list, level,, node}，其中，#GATHER表示报文类型为聚合报文，nodeid_liSt为路径节点列表， Ievele表示报文发送节点的层数，node表示报文的上一跳转发节点；在本发明中，初始时路径节点列表nodeicLlist中保存的节点信息为发送节点。在本发明中，初始时报文发送节点的层次Ievele设置为发送节点所在层的层数。在本发明中，初始时报文的上一跳转发节点node设置为发送节点。步骤202 若任意节点收到 GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node} 报文，则将报文的上一跳转发节点node加到GJ^的子节点列表cM加《 —冲，同时节点的子节点的节点数量DGU加1、DGJ〗n + 1)；同时在所述 GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}报文的路径节点列表nodeicLlist中增加节点；同时将所述GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}报文的发送节点的层数 IeveleW 1 ；同时将所述 GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}报文的上一跳转发节点node设置为；最后节点转发加载有自身节点信息的聚合报文GATHER = {#GATHER, nodeid_ list，Ievel0, node}；步骤203 以网关节点SS为根的传播树中，所有传送层中非叶节点执行步骤202， 最终将携带传播树信息的GATHER报文传送到网关节点SS ；步骤204 网关节点SS收集所有的GATHER报文后，采用统计法分别计算第N层
(整个传送层中的任意层)的平均子节点数
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，其特征在于包括有下面三个阶段步骤第一阶段步骤，构建传播树；第二阶段步骤，在传播树中，运行层次最小竞争窗口策略； 第三阶段步骤，在传播树中，运行节点最小竞争窗口策略。
2.根据权利要求1所述的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，其特征在于构建传播树采用了下列的步骤步骤101 在初始化时，任意节点所在传送层N设置为正无穷，父节点尸参数设置为0，网关节点SS层次参数设置为0，子节点列表c/z/Wr皿—foi(O^)参数设置为空，子节点的节点数量设置为0 ；步骤102 网关节点SS广播初始化报文INIT = {#INIT, Ievel1, node}；#INIT表示报文类型为初始化报文；Ievel1表示报文下一跳的层次；node表示报文的上一跳转发节点；在初始化时，设Ievel1 = 1 ；在初始化时，设node为网关节点SS ；步骤103 任意节点G《收到网关节点SS发出的或者其它节点转发的INIT报文时，进行层次判断；如果节点的传送层次N与INIT报文下一跳层次存在有关系N > Ievel1,则有将报文下一跳层次的值赋给节点的传送层次N，即N = Ievel1 ；并将父节点parentiGJ。参数设置为报文的上一跳转发节点的值，即 parent(1GJD = node ；并将节点赋值给报文的上一跳转发节点，即m^ = G《； 并将报文下一跳的层次Ievel1的值加一；最后节点将初始化报文INIT = {#INIT, Ievel1, node}进行转发； 否则，如果不满足关系N > Ievel1 (即N < Ievel1)，则丢弃报文INIT ； 步骤104 在无线传感器网络中除网关节点SS以外，其余每个节点执行步骤103后，便构成了一棵以网关节点SS为根的传播树。
3.根据权利要求1所述的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，其特征在于层次最小竞争窗口策略执行下列步骤步骤201 叶节点向父节点发送聚合报文GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}；#GA THER表示报文类型为聚合报文；nodeid_list为路径节点列表，Ievele表示报文发送节点的层数； node表示报文的上一跳转发节点；初始时路径节点列表nodeicLlist中保存的节点信息为发送节点； 初始时报文发送节点的层次Ievele设置为发送节点所在层的层数； 初始时报文的上一跳转发节点node设置为发送节点；步骤 202 若任意节点收到 GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}报文，则将报文的上一跳转发节点node加到的子节点列表cM加《 —to(O^)中，同时节点的子节点的节点数量加1 ( DGJ1N + 1)；同时在所述GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}报文的路径节点列表 nodeid_list中增加节点；同时将所述GATHER = {#GATHER, nodeid_list, level,, node}报文的发送节点的层数 IevelJ 1 ；同时将所述GATHER = {#GATHER, nodeid_list, Ievelc, node}报文的上一跳转发节点 node设置为GL^ ；最后节点转发加载有自身节点信息的聚合报文GATHER = {#GATHER,nodeid_list, Ievel0, node}；步骤203 以网关节点SS为根的传播树中，所有传送层中非叶节点执行步骤202，最终将携带传播树信息的GATHER报文传送到网关节点SS ；步骤204 网关节点SS收集所有的GATHER报文后，采用统计法分别计算传送层中任意 眉的平均子节点数
4.根据权利要求1所述的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，其特征在于节点最小竞争窗口策略执行下列步骤步骤301 在具有以网关节点SS为根的传播树结构中，在网关节点SS中计算每一传送层的窗口调整参数
全文摘要
本发明公开了一种基于无线传感器网络的最小竞争窗口策略MAC层信道分配方法，该分配方法通过进行层次最小竞争窗口获取，进而采用得到的层次最小竞争窗口进行节点的最小竞争窗口获取，然后通过获取的节点最小竞争窗口进行信道分配，获取的信道分配能够与数据承载量相匹配，从而在一定程度上控制了拥塞的发生，降低了网络丢包率，增加了网络吞吐量，减少了网络耗能。层最小竞争窗口策略和节点最小竞争窗口策略具有可与其它拥塞控制及优化算法灵活结合，复杂度低的特点。
文档编号H04W72/04GK102202402SQ20111015718
公开日2011年9月28日 申请日期2011年6月13日 优先权日2011年6月13日
发明者刘云璐, 刘伟, 刘睿, 熊璋, 蒲菊华, 路岩 申请人:北京航空航天大学