一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，在网络形成期，对整体网络进行管理区域划分，由管理节点控制区域网络接入参数；对于管理节点的选举采用一种基于能量控制的选举方法，各传感器节点都可以参与管理节点的选举。该方法能够使信息源区域网络到目的区域之间的所有网络区域逐步适应负载变化，具有网络生存时间长、时延小、吞吐量高的特点，适用于负载变化频繁的大规模无线传感器网络。
【专利说明】一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，属于网络通信领域。
【背景技术】
[0002]近年来，无线传感器网络获得全世界范围内的高度关注。无线传感器网络拥有大量的传感器节点，但节点的能量十分有限，能量耗尽意味着节点将脱离网络，导致网络拓扑改变或者网络瘫痪。因此传感器节点的能耗问题是制约无线传感器网络协议设计的重要因
素之一。
[0003]其中，信道接入控制(Media Access Control，以下简称MAC)协议是用来分配有限的无线通信资源，它决定节点无线收发机的工作方式。针对无线传感器网络能量敏感的特点，MAC协议设计的首要目标是要能够有效控制传感器节点的能量消耗，提高网络生存周期；并在此基础上提高节点信道的接入效率，减少发生冲突的可能，提升网络整体效率。
[0004]目前在基于竞争的MAC协议中，主要是通过阶段性的睡眠机制来提高网络的生存周期，但此方法会导致时延的增加和网络吞吐量的降低。特别当网络中负载变化大时，现有协议对于突发性负载缺乏有效的处理策略。如果网络设置过高的占空比会使得网络能量消耗过快并且能量有效利用率降低，而过小的占空比会使得应对突发负载时的网络性能急剧下降。其次，仅仅单一节点进行负载变化的自适应调节会使得邻近节点的反应较慢，因为邻近节点自身可能不处于信息源区域，不知道当前局部网络即将发生的负载变化情况，通常需要很长时间后才能适应。负载爆发时的信息不能及时由邻近节点传输出去，较易造成能量利用率下降、网络拥塞和时延的增加。
[0005]因此，如何针对负载频繁变化的大规模无线传感器网络设计出一种能量高效且时延受限的信道接入方法已经成为一项急需解决的关键技术。
【发明内容】
[0006]本发明涉及一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，所述方法包括如下步骤:
[0007]在网络形成期，对整体网络进行管理区域划分，由管理节点控制区域网络接入参数；对于管理节点的选举采用一种基于能量控制的选举方法，各传感器节点都可以参与管理节点的选举；
[0008]通过一个等待时间(wt, wait time)的控制函数waitforCWP (ELR)来控制竞争窗口位置；如下公式所示，该函数通过一个参数“能量剩余率”(ELR, Energy Left Rate)来计算其值，能量剩余率等于节点剩余能量值比上节点总能量值(ELR=Eleft / Etotal):
【权利要求】
1.一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤: 在网络形成期，对整体网络进行管理区域划分，由管理节点控制区域网络接入参数；对于管理节点的选举采用一种基于能量控制的选举方法，各传感器节点都可以参与管理节点的选举； 通过一个等待时间(wt, wait time)的控制函数waitforCWP(ELR)来控制竞争窗口位置；如下公式所示，该函数通过一个参数“能量剩余率”(ELR, Energy Left Rate)来计算其值，能量剩余率等于节点剩余能量值比上节点总能量值(ELR=Eleft / Etotal):
2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，其特征在于: 所述的选举方法具体为:本方法定义形成期是由C个时隙构成，在竞争开始时，每个节点根据自己当前的剩余能量值计算出自己的选举窗口段在C个时隙中所处位置，每个选举窗口段由m个时隙构成，m取决于节点分布状况；然后在各自的选举窗口段中节点参与管理节点的选举，自身成为管理节点后立刻向周围广播管理节点产生消息，收到此消息的其它非管理节点立刻停止选举过程，收到多个管理节点产生消息时可以随机加入其中一个；m的值取决于整个无线传感器网络节点分布情况，并且一定是整数，计算结果向上取整，并且最小值为10 ;假设节点是均匀分布的，整个网络节点数量越多，那么竞争管理节点时可能被分配到同一个竞争窗口段的节点数就越多，因此竞争窗口段就需要更多数量的时隙来避免冲突发生；
3.如权利要求1或2所述的一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，其特征在于:所述工作模式为一次长监听或多次短监听，具体方法如下: 当网络负载增加时，增加每个周期内节点工作时间所占的比重、减少睡眠时间的方法来应对负载增加，直到节点睡眠时间为最小值(MinSleep)，此时工作时间为最大值(MaxffTime);如果网络负载减小，为了减少空闲侦听所带来的能量损耗，减少每个周期工作时间、增加睡眠时间的方法，同时考虑到睡眠时间增加带来的时延，当睡眠时间达到某一个界定值(STimeMax)时,用η次短侦听-睡眠机制来代替原来的一次长侦听,具体步骤如下:当下次调整的睡眠时间(SleepTime)大于最大睡眠时间限制(STimeMax)时,将一次长侦听的工作时间(WorkTime)平分为两次短侦听工作时间(SWorkTime)SWorkTime=WorkTime / η并且每次的睡眠时间变为:
SSleep=SleepTime / η 这里η的初始值为2，并且多次短侦听时长之和不会大于一次长侦听的时长；当短侦听的睡眠时间再次超过最大睡眠时间限制(STimeMax)时，将η增加I，然后把原来的一次长侦听-睡眠变为η+1次短侦听-睡眠，直到节点工作时间为最小值(MinWTime)。
4.如权利要求1或2所述的一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，其特征在于:采用信道利用率(CU, Channel Utilization)、冲突次数(CT, Collision Times)、队列中的分组数(QPN, Queued Packets Number)、等待发送分组节点数(WNN, Want-to-sendNodes Number)、上一工作期成功发送分组数(SPN, Sent Packets Number)、上一工作期产生分组数(Generated Packets Number)等参数来计算未来一周期的工作时长NextfforkTime ；
5.如权利要求1或2所述的一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，其特征在于:将节点当前信道状态分为冲突频发状态(FCS，Frequent Collision State)和冲突非频发状态(ICS, Infrequent Collision State)； 当节点处于冲突非频发状态时，发生冲突的概率是较小的，发生冲突后不需要对竞争窗口采取过大的调整 ，否则易导致时延的增加；但如果节点连续遭遇冲突，则认为当前节点应由冲突非频发状态逐渐加速向冲突频发状态调节，并且连续冲突次数越大则调整速度应越快； 当节点处于冲突频发状态时，冲突发生的概率是比较大的，成功发送数据后不应该对竞争窗口采取过大的调整，否则容易导致冲突几率的增加；但如果节点连续成功发送，则认为当前节点应由冲突频发状态逐渐加速向冲突非频发状态调节，并且连续发送成功次数越大则调节速度应越快；发生冲突时应快速增大竞争窗口，使得处于高负载下状态的网络节点能处于最佳竞争窗口状态； 节点在冲突频发状态与冲突非频发状态之间有一个平滑的转换过程； 具体方法如下: 截断连续控制指数叠加退避算法设置几个参数，分别为:竞争窗口最大值CWmax、竞争窗口最小值CWmin、竞争窗口界定值CWlimit、竞争窗口调整值CWadjust和连续系数α ；其中竞争窗口界定值CWlimit用来界定当前节点处于冲突频发状态还是冲突非频发状态；竞争窗口调整值CWadjust为每次调整竞争窗口的时隙大小，FCS时为CWadf，ICS时为CWadi ;连续系数α为节点连续成功发送或者连续发生冲突的计数值，初始值为I ;节点当前竞争窗口值为CW; (1)、如果CW〈Cwl imit,则节点当前处于 ICS 状态，CWadjust=Cwadi ； 发生冲突时:
Cff=MIN (Cff+2a X CWadjust，Cfflimit+2)
α = α +1 无冲突成功发送时:
6.如权利要求1或2所述的一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，其特征在于:所述局部重分区的具体方法为: 当管理节点遇到不可逆问题或者可预见性问题的时候，会立刻广播一个网络控制报文来告知区域内节点管理节点失效的消息，该区域内成员节点接收到此信息后会在网络空闲时候通知周围同一个区域内的其它成员节点此管理节点失效消息；在下一个工作期开始时，收到此消息的节点在控制期内广播准备管理节点竞争消息，并约定在管理节点同步期开始时进行管理节点竞争；失效区域内节点都可以参与管理节点竞争； 局部重分区时如果有节点收到了其它管理节点广播的网络控制报文时可以加入其它区域，分区完成后进入 正常的网络运行阶段。
【文档编号】H04W74/00GK103957602SQ201410129841
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】饶元, 曹一明, 李绍稳, 朱军, 江朝辉, 张武, 陈卫, 傅雷扬, 许高建, 商伶俐, 高宁, 邓成, 骆琛 申请人:安徽农业大学