专利名称：适用于工业监测的无线传感器网络自适应mac协议的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，属于无线传感器网络技术。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)以其低成本、低功耗等特点被广泛应用于工业现场监测过程中。在无线传感器网络中媒体介质访问控制(Medium AccessControl, MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，主要用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络有效通信的关键网络协议之一。目前，无线传感器网络MAC协议主要有三类第一类是基于竞争的MAC协议，其基本思想是当数据需要发送时，传感器节点通过竞争接入信道；如果发生冲突，则采用某种策略重新发送数据，直至数据发送成功或放弃发送。该类协议通常采用载波侦听工作模式，并结合冲突避免机制、握手信号和退避接入机制来减少冲突的可能性。其优点是协议简单、扩展性好、易于实现；缺点是存在碰撞、串音、公平性差、空闲侦听、能耗大等问题。第二类是基于调度的MAC协议，其基本思想是采用某种调度算法使每个传感器节点只在给定的时间段接入信道进行通信，没有参与通信的节点进入休眠状态达到节能目的，其主要优点是可以实现无冲突通信、占空比可控性好、网络能耗低等，缺点是扩展性差、对节点同步要求高、调度维护开销大等。第三类是混合MAC协议，其基本思想是结合基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议的优点，同时避免各自缺点，在特定条件采取某种协议为主，其他协议为辅的方式。其优点有利于网络的整体性能优化，缺点在于实现算法通常比较复杂。上述无线传感器网络MAC协议在设计时主要从网络的能耗、可扩展性、时延、其他网络效率等方面出发，但是存在缺陷的是无法保证周期性感知数据传输可靠性。特别在工业现场复杂恶劣的环境、多径干扰、电磁干扰等使数据传输的可靠性显得更加重要。针对上述问题，本发明提出了一种适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，能够根据现场环境变化或突发状况自适应调整传感器节点发送数据的时隙长度，保证数据传输的可靠性，并兼顾整个网络的能耗、时延和扩展性。
发明内容
本发明的目的是克服已有无线传感器网络MAC协议的不足之处，针对已有技术的缺陷，提供了一种适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，能在对无线通信链路进行质量评估的基础上，根据节点单次通信的时间，预测出数据可靠传输所需的时隙长度，在保证数据传输可靠性前提下，兼顾整个网络的能耗、时延、吞吐量、扩展性等性能。为达到上述目的，本发明的构思是
传感器节点周期的采集感知数据，在簇头分配的时隙内进行数据传输，在传输过程中由于工业现场环境干扰等原因，使通信信道受到影响，从而影响节点数据的传输，在时隙结束时还未发送数据成功则产生丢包，影响对工业现场的监测。如果扩大时隙长度，则会导致在环境状况良好时，使节点在时隙结束前完成了数据的成功发送和应答帧的接收，一方面增大传感器节点的能耗，另一方面降低了 MAC协议的扩展性，使得整个网络的时延进一步增大。所以需要根据现场环境变化或突发状况估计通信链路质量，自适应调整传感器节点发送数据的时隙长度，保证数据传输的可靠性，并兼顾整个网络的能耗、时延和扩展性。
本发明的协 议作以下假 设①有一个外部的信标源实现了本地时钟同步(本发明的MAC协议不需要考虑MAC层同步功能)；②网络拓扑结构中的簇头节点和冗余簇头节点通过有线电源供电(本发明的MAC协议不需要考虑簇头节点的能耗问题)每个簇采用不同信道进行通信(本发明的MAC协议簇与簇工作在不同的信道)。根据上述发明构思，本发明采用以下技术方法适用于工业监测得无线传感器网络自适应MAC协议其特征在于1)采用三层网络拓扑结构；2)协议提出了时隙长度分配算法；3) MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4)最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制。上述适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于网络拓扑结构采用基于网关节点，簇头节点、冗余簇头节点，传感器节点的三层网络拓扑结构。网关节点是一种复杂的网络连接设备，主要负责整个网络与工业环境中的其他网络的协议转换与数据映射，实现不同协议网络之间的互连。簇头节点可以作为网络管理代理，负责构建由传感器节点和簇头节点构成的星型结构，监测星型子网通信性能，负责汇聚和转发子网成员的数据。冗余簇头节点主要用于收集和转发传感器节点转发的数据。在传感器节点首次向簇头节点发送数据未成功的情况下，将数据发送给冗余簇头节点，再由冗余簇头节点将数据转发给簇头节点，提高数据传输的可靠性。传感器节点负责采集现场数据，并通过簇头节点将数据传送到网关节点。上述适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于所述时隙长度分配算法，具体步骤如下
(I)通过公式=计算均值链路质量指示！^,
LQIk表示第k次的LQI采样值，Wh和Wh分别表示第k-1次和k次的均值LQI ;常量
Of asi反映了对最近采样信息的重视程度，通过以指数加权的方式对过去的数据进行加权。根据传感器节点在正常环境下，传感器节点在某一固定位置固定发射功率下的数据成功发送的RSSI门限值为Act _,当某次RSSI的测量值大于门限值时环境状况良好不需要补偿，小于门限值时环境状况产生干扰需要补偿，通过实际测量的RSSI值对IPr进行补偿，通过式
--Ql^ 4-aLQlRssi > Rssi Threshold
LQlk = V ; k一对—进行补偿得到链路估
()-a)LQll jTdLQl^l Rssi < Rssi _Threshold ￡Ql
计器，其中0<^< <1反映了当环境产生干扰时，最近采样的LQI值重要性增加；(2)当在4以下时，包接收率几乎全为O，当IgJ在,爲以上时，包接收率几乎全为1，而当在[,4爲]之间时PRR随着W的增大而上升，所以通过式
PM(LQI)^i A 7 ^ ^ ;1' j 0 ^^ ' 获得—预测出数据包成功接收率，其中七^^，…表示拟合系数；
(3)数据包从发送端到接受端在无线通信模块和无线信道的传递过程中，可以把传输时间分为①发送时间在应用层上构造分组并把分组传递到MAC层的时间；②访问时间在分组到达MAC层之后，分组等待网络传输信道空闲的时间r传输时间在物理层上传输分组的时间，还包括了对分组的编码和把分组转换成电磁波形式的时间传播时间从发送端到接收端无线传输的时间；⑤接收时间接收端将分组按照比特方式进行接收，并且把分组传到MAC层的时间；中接收处理时间把接收到的比特还原成发送者发送的分组，然后把分组传送到应用层的时间。传感器节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间有发送端节点发送时间S論,访问信道时间,按照比特传输数据的长度Is字节和I个字节传输时间r数据在无线链路上的传播时间馬->j 。接收端天接收处理数据的时间,接收端回复应答帧的访问时间為，应答帧按照比特传输数据的长度^字节和I个字节传输时间￡,数据在无线链路上的传播时间Bs_>r ,发送端接收处理应答帧的时间Uwr。得出传感器节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间，即时隙长度T :
T =这通紐 + A-Jkta:. + nS1 + SS->& ++ hws + + SS->S + 过r—掀，，当工业现场环境
产生干扰影响信道质量时，影响传感器节点传输是访问信道的过程；
(4)利用步骤(2)中传感器节点一次发送数据包接收率则发送数据包接收成功服从几何分布，节点i次数据发送过程中，前i_l次发送失败，第i次发送成功的概率Hh) P {X = I) = ￠1 - PRR(LQl)T1 PRR(Ml),在传感
器节点尝试发送的最大次数J^，计算其数据包接收成功的期望发送次数对:
B[x]=jj(\~PM(Mrt1PmlQi)。得到节点尝试访问信道的次数中
iJiTbms
「K_______ —
I!丽=[丑[if]] + l= 22(1_ LQiyf-1 PRR(LQi) +1 ；
I I-
(5)在传感器节点以及通信链路没有收到环境的干扰时，传感器节点能够在步骤(3)中的传输时间r内，完成数据的发送和应答帧的接收。但是在在链路质量受到影响时步骤(3)
中的访问信道时间為-| 5和為会受到影响，需要重新估算完成数据发送和应答帧接收所需的时间，进而调整时隙长度r。根据步骤(4)预测的访问信道次数，调整后时隙长度
计算式
权利要求
1.适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于1)采用三层网络拓扑结构；2)协议提出了时隙长度分配算法；3) MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4)最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制。
2.根据权利要求I所述的适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于所述三层网络拓扑结构由网关节点(I)、簇头节点(2 )、冗余簇头节点(3 )，传感器节点(4)构成,传感器节点(4)负责感知数据,在传感器节点(4)向簇头节点(2)发送数据未成功时，将数据转发给冗余簇头节点(3)，再由冗余簇头节点(3)将数据发给簇头节点(2)，最后由簇头节点(2)将数据汇聚到网关节点(I)。
3.根据权利要求I所述的适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议其特征在于所述时隙长度分配算法的具体操作步骤如下 (1)通过均值链路质量指示W和信号接收强度指示RSSI补偿的方法对链路质量进行估计，通过式
4.根据权利要求3所述的适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于所述时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理，采用所述的时隙长度分配算法，由簇头广播时隙分配帧给簇内传感器节点分配时隙，传感器节点接收并处理时隙分配帧，具体操作步骤如下 (1)将时隙长度处理成微时隙结构，微时隙的时间长度为「每个传感器节点的时隙长度包含若干个微时隙； (2)簇头广播时隙分配帧； (3)在步骤(2)时隙分配帧的时隙分配段中，第个字节表示传感器节点/ 的微时隙
5.根据权利要求4所述的适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议，其特征在于所述传感器节点提前休眠的节能机制，如果传感器节点在分配时隙结束前，完成数据的发送和应答帧的接收，提前进入休眠节省能耗，具体操作步骤如下 (I)传感器节点在相应的时隙起始时刻，开启定时器用于记录活动时间；(2)如果传感器节点发送成功并收到应答帧，获取收到应答帧时刻的计时时间节点提前- SOTgri进入休眠； (3)如果传感器节点发送成功，未收到应答帧则将数据转发给冗余簇头，转发成功获取计时时间,节点提前进入休眠； 转发失败则继续转发直到时隙结束； (4)如果传感器节点在尝试相应的发送次数后仍未发送成功，则将数据转发给冗余簇头，发送成功获取计时时间,节点提前num _ Sloti -Hmeq'进入休眠；如果仍未发送成功则继续转发直到时隙结束。
全文摘要
本发明公开了适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议。本协议1)采用三层网络拓扑结构；2)协议提出了时隙长度分配算法；3)MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4)最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制。本发明在提高周期性感知数据传输可靠性的同时，降低了整个网络的能耗和发送时延，以及提高了MAC协议的扩展性。
文档编号H04W84/18GK102638901SQ20121013013
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月28日 优先权日2012年4月28日
发明者付敬奇, 徐利明, 苏伟, 靳上 申请人:上海大学