一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法
【技术领域】
[OOOU本发明设及无线通信领域，尤其是一种同步无线传感器网络MAC方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点W 自组织和多跳的方式构成的无线网络，而无线传感器的供能往往是通过电池作为其能源 的，所W如何合理利用W及分配能耗显得至关重要。
[000引介质访问控制（mediumaccesscontrol,MAC)协议是无线传感器网络中一种基础 协议。其作用是保证节点正常的数据操作与环境监测的同时尽可能的减少能量消耗，从而 极大化网络寿命。在无线传感器网络中，为了减少节点的能量消耗通常采用一种方法是让 节点周期性的工作（work)与睡眠（slwp)。由于传感器器节点处于工作状态时的能量消耗 是处于睡眠状态时的上100倍甚至上1000倍。因而为了节省能量，应该尽可能的让节点处 于睡眠状态。但是节点处于睡眠会影响其功能，因为节点在睡眠状态时不能对周围环境进 行感知与监测，也不能进行数据传输。特别是在分布式无线传感器网络中，每个节点都是独 立的决定是否工作还是睡眠。该就有可能造成节点在欲进行数据传输时，节点的处于工作 时隙与其所有的下一跳节点的工作时隙没有相交时隙（intersectionslot)从而使得其数 据不能向前传输。特别是在占空比（指节点在一个时间周期内处于工作的时间与工作周期 长度的比值，化tycycle)比较小的网络中，要保证相邻路由路径的任意二个节点间存在相 交的工作时隙是传感器网络介质访问协议设计的重要课题。传感器节点的工作时隙越多， 则节点之间相交的工作时隙越多，但，节点的工作时隙越多，则节点的能量消耗越大，影响 网络寿命。反之，降低节点的占空比，虽然能够节省能量，但是有可能导致节点之间没有相 交的工作时隙，因而导致路由不能建立。而另一方面，在节点的占空比确定的情况，不同节 点选择工作时隙的方法不同也影响节点的介质访问协议的性能。不好的节点工作时隙选择 方法会导致节点间的相交工作时隙的数量不等，影响数据的传输与网络延迟。因而，设计优 秀的节点工作时隙选择方法是一个挑战性的任务。
[0004] 基于如orum的系统提供了一种介质访问方法的方法。其中用的最多的方法是一 种gridQuorum方法。在gridQuorum方法中，一个周期被分为n个时隙（slot),时隙是时 间的基本单位。n个时隙按时间顺序被排列成的矩阵。节点A选择其中的mi行时隙 作为工作时隙，节点在该些选择的时隙上保持工作状态（称为QuorumTimeSlot伯T巧）。而 节点B选择矩阵中的m2列作为工作时隙。该样节点A与节点B必定有m1Xni2个相交工作时 隙（intersectionslot)。从而可W保证节点A与节点B之间进行数据通信。显然如orum 系统设计的目标是使得任意2个节点间的相交工作时隙越多，而节点的占空比越小。
[0005] 但上述方法各节点采用相同的如orum时隙数量，节点间相交工作时隙较少，数据 转发延迟较多，能量利用率较小（往往小于50% )。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种能减少网络延迟、提高能量利用率的如orum时隙自适应调整的 同步无线传感器网络MAC方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种基于如orum系统的无线传感器网络的介质访 问控制方法，包括如下步骤；步骤一、形成节点环号，基站节点将自己的环号设置为0,其它 节点由近及远分别设置连续的环号，节点环号相同的节点称为同一环的节点；步骤二、无线 传感器网络的每一个节点依据其所在环的环号，选择基于如orum的系统；步骤S、依据节 点的剩余能量增加节点的工作时隙，依据距离基站的不同距离而选择不同的如orum时隙 数量，距离基站最近的节点选择最小的如orum时隙数量，离基站越远的节点选择的如orum 时隙数量逐渐增大；基于上述的如orum时隙分配方法，采用现有提出的路由方法进行数据 路由，能降低网络延迟。
[000引本发明的有益效果是；本发明利用远基站区域剩余的能量，增加节点的工作时隙， 从而使得节点的工作时隙数量增多，相应的提高了占空比，使得网络节点间的相交工作时 隙增加，从而减少网络延迟。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明实施例基本SGquorum系统S-clique、G-clique、SGquorum及新 SGquorum系统S-clique、G-clique、SGquorum的工作时隙示意图。
[0010] 图2为本发明实施例节点的剩余能量示意图。
[0011] 图3为本发明实施例节点能够增加的QTS数量示意图。
[0012] 图4为本发明实施例整个网络加权延迟对比示意图。
[0013] 图5为本发明实施例能够减少的加权延迟的比例示意图。
[0014] 图6为本发明实施例在不同数据产生率A的能量利用率对比示意图。
[0015] 图7为本发明实施例在不同Beacon窗口大小Td的能量利用率对比示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。图中，minQTS是指采用满足数据 传输最小如orum时隙数量的方法，sameQTS是指整个网络采用相同如orum时隙数量的方 法，AQM是指Ad_just油leQuorumbasedMACProtocol,即自适应时隙数量调整的MAC协 议。
[0017] 本实施例，Quorum系统是指：对于给定的一个正整数n，W及一个通用集合U= {0, 1，. . .，n-U，而Q=咕，Q2,. . . .Qg}，V0,.e0 CG'，即Q是U的子集集合，而A是Q 的一个元素。如果满足Q的任意2个元素的交集不为空，即Va，0,E0A0.n(?, *0，则称Q是通用集合U= {0, 1，. . .，n-1}下的一个如orum系统。
[0018] 协议采用的S-clique(p,m) (S(p,m))为；对于给定的一个正整数n，W及一个通用 集合U= {0, 1,. . . ,n-：L}.令 1 ，0 </J< -I。S-clique表示为S(P,m)女曰下式 (1)所示：
[0019]
【主权项】
1. 一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其特征在于，包括如 下步骤： 步骤一、形成节点环号，基站节点将自己的环号设置为0,其它节点由近及远分别设置 连续的环号，节点环号相同的节点称为同一环的节点； 步骤二、无线传感器网络的每一个节点依据其所在环的环号，选择基于Quorum的系 统； 步骤三、依据节点的剩余能量增加节点的工作时隙，依据距离基站的不同距离而选择 不同的Quorum时隙数量，距离基站最近的节点选择最小的Quorum时隙数量，离基站越远的 节点选择的Quorum时隙数量逐渐增大； 基于上述的Quorum时隙分配方法，采用现有提出的路由方法进行数据路由，能降低网 络延迟。
2. 根据权利要求1所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其 特征在于，步骤一中形成节点环号的具体步骤为：首先，基站节点将自己的环号设置为0， 其它节点将自己的环号设置为无穷大，然后，基站向外广播自己到到达基站的跳数〇,在基 站广播范围内的节点侦听到基站的广播消息后，将广播中到达基站的跳加1后与自己保存 的当前到达基站的跳数相比较，如果广播中到达基站的跳数加1小于自己保存的到达基站 的跳数，则将自己到达基站的环号更新为广播消息中到达基站的跳数加1，每个更新后的节 点随后广播更新后的到达基站的跳数；以上过程一直进行下去，直到节点到达基站的跳数 不再更新为止，这时，每个节点到达基站的跳数就是节点的环号，节点环号相同的节点称为 同一环的节点。
3. 根据权利要求1所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其 特征在于，步骤二中所述基于Quorum的系统为SGquorum系统，节点依据自己所在的环号 选择S-clique还是G-clique，如果节点的环号是奇数则选择S(p,m)，如下式
其中，1 仝m仝▲， 0 < /; <sjn-1 ； 如果节点的环号是偶数则选择G(q，m)，如下式
4^\<m< .0 <q<n- \ 这样整个网络节点都选定了自己的工作时隙，这样整个网络的不同环的节点就形成了 基本的quorum系统。
4. 根据权利要求1所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其 特征在于，步骤三中增加节点的工作时隙的具体步骤为：每个节点计算节点的剩余能量，依 据节点的剩余能量计算出能够增加的QTS数量，将节点的时隙增加相应的工作时隙数，增 加原则是从前往后查找不是工作时隙的时隙，将其转换为工作时隙。
5. 根据权利要求4所述的Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，其 特征在于，节点剩余能量的计算方式为：设第1环选取的工作时隙的个数，而其它环的 节点剩余的能量用来增加QTS数量，那么在不降低网络寿命的前提下，第i环可以增加的 工作时隙个数为下式：
其中：
其中，％为节点处于Beacon窗口状态的能量消耗率，％节点为睡眠状态时的能量消 耗率，％为节点发送数据的能量消耗率，％为节点接收数据的能量消耗率，B为节点的数 据传送数量单位是bps，t是一个时隙的时间长度，单位是秒，Td是Beacon窗口的时间长 度，S是数据包的大小，单位是bits，A是数据产生速度，指在一个时隙t中产生A个数 据，劣是第i环节点在一个周期内需要发送的数据量，W是第i环节点在一个周期内接收 的数据量。
【专利摘要】本发明公开了一种Quorum时隙自适应调整的同步无线传感器网络MAC方法，在该方法中，节点依据距离基站的不同距离而选择不同的Quorum时隙数量，距离基站最近的节点选择最小的Quorum时隙数量，离基站越远的节点选择的Quorum时隙数量逐渐增大。采用这样的方法后，由于节点选择的Quorum时隙数量越多，则节点间相交工作时隙增多,可减少数据转发延迟。本发明的协议对比以往研究中采用相同Quorum时隙数量，或者依据节点的负载分配相应Quorum时隙数量的方法能够减少网络延迟，或者在网络延迟保持不变的情况下能够提高网络寿命。经过理论分析证明，本发明介质访问控制(medium access control,MAC)方法具有更小的网络延迟，能够减少网络延迟为6.7％以上。
【IPC分类】H04W56-00
【公开号】CN104703273
【申请号】CN201510116300
【发明人】龙军, 刘安丰, 张金焕, 何岸
【申请人】中南大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月17日