面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种面向链式无线传感器网络的混合介质 访问控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，无线传感器网络广泛应用。输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测 等应用，具有分散性大、距离长、难W维护等特点。之前较广泛采用的周期性人工、直升机、 机器人巡检的方式，不仅需要高开销、高劳动强度，也难于持续地对整个系统进行监测。为 此，基于网络的监控系统成为该类应用实现的必然。然而，基于有线网络的监测系统具有布 设困难、成本高、维护不便等问题。那么，基于无线技术的监测系统是未来的发展趋势。但 是，GSM、WIMAX、CDMA等移动通信技术，对于全方位的监测系统来说依旧过于昂贵，因此该些 现有的系统仅用于部分关键的环节。无线传感器网络W其实时在线、大面积覆盖、自配置自 组织、低成本、灵活、维护方便等优点，成为该类应用的首选技术。
[0003] 对于上述输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用，无线传感器网络 通常部署在无人值守的区域，更换电池困难，电池成本较高。为此，低能耗成为该类无线传 感器网络的首要需求。系统一般要求电池供电的簇首和簇成员可W工作5年W上。此外， 该类应用对无线传感器网络的实时性也提出了要求。W智能电网中的数据采集与监控系统 (SupervisoiyControlandDataAcquisition,SCADA)为例，数据米集周期通常为 4 ~8 砂，特别当异常事件或警告产生时，需要及时传输到监控中也。
[0004] 介质访问控制（MediaAccessControl,MAC)方法直接管理无线通信资源的合理 使用，成为决定无线传感器网络性能的关键技术。输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境 监测等应用的特点，使得无线传感器网络MAC协议的设计需要面临如下挑战：
[0005] ?上述应用中的无线传感器网络拓扑结构通常呈现链式或线型，但同时还具有局 部密集的特点。W输电线路为例，大部分传感器架设于培杆之上或者接近培杆的区域，整个 被密集布设的区域直径不超过10米，仅有少量传感器布设在跨度200~1000米之间的输 电线上，如舞动监测传感器。链式网络中出现大量部署密集的局部区域。局部密集特性凸 显了隐藏终端问题。
[0006] ?上述应用中通常产生两类数据；周期性监测数据W及报警、网络控制、系统查 询、配置等非周期性数据。对应的网络工作周期划分为有大量周期性数据传输的繁忙时期 W及仅少量非周期数据传输的空闲时期。如何面对网络时变的网络流量特性W及复杂的非 均衡性，在节能的同时保证实时性是另一个难题。
[0007] 现有无线传感器网路MAC协议还无法满足上述应用需要，具体表现在；（1)采用时 分多路访问（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)的方式能够有效避免隐藏终端问题， 应对繁忙时期的传输。但面向链式拓扑结构网络，如何设计有效的TDM机制，在低能耗前 提下保证网络的实时性，研究刚刚起步。（2)现有面向网状、低数据率等特点的无线传感器 网络MAC协议，如X-MAC、SMAC、TMAC等，协议的实时性取决于接收方的占空比，仅从数据率 看可w应对实时性要求较低的非周期性数据的传输。因此，如何保证周期性数据传输的高 实时性W及紧急数据的传输成为了一个挑战性难题。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有面向链式或者线型拓扑结构网络的MAC协议研究中，存在的无法 有效保障低能耗和高实时性的缺陷，针对MC协议如何在自适应网络流量特性的前提下， 满足节能、实时性能需求，避免隐藏终端问题，调整簇首和簇成员角色W达到节能和实时性 之间的平衡该H个问题，提出了一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法， 旨在使簇首簇首和簇成员能够及时响应请求，簇成员能够尽可能地节省能量，从而在节能 的同时，满足系统对网络实时性的苛刻要求。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种面向链式无线传感器网络 的混合介质访问控制方法，
[0010] 在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员达到一定比例时，采用 时分访问控制PipelinedTDMA，包括W下步骤：
[0011] 簇内收集阶段：每个时隙内，网络中部分簇首收集后继簇中所有簇成员的传感数 据；
[0012] 数据转发阶段：簇首转发收集到的传感数据；
[0013] 在无线传感器网络中，需要同时发送数据的簇首和簇成员没有达到所述比例时， 采用竞争访问控制S-XMAC，即基于位置信息的唤醒时间调度；根据簇首和簇成员在网络中 的地理位置，有次序地唤醒各簇首和簇成员。
[0014] 所述后继簇为远离Sink的方向，当前簇首的相邻簇首。
[0015] 所述部分簇首为；令簇的跳数表示为hop,
[0016]1)第一个时隙内的部分簇首为3%hop==0的簇首，即从远离汇聚簇首和簇成员 Sink方向的第3个簇首计起，每隔2个簇首的簇首；
[0017]2)第二个时隙内的部分簇首为3%hop==2的簇首，即第一个时隙内的部分簇首向 靠近Sink方向的相邻簇首的集合；
[0018]3)第H个时隙内的部分簇首为3%hop==l的簇首，即第二个时隙内的部分簇首向 靠近Sink方向的相邻簇首的集合。
[0019] 所述簇内收集阶段和/或数据转发阶段需要H个时隙完成网络传输调度并使所 有簇成员与相邻簇同时发送的数据不产生碰撞。
[0020] 所述每个簇成员发送数据的过程包括：
[0021] 将时隙二次等分为多个小时隙；
[0022] 基于地址命名算法的小时隙分配过程；簇成员按照ad化值从小到大的顺序选择 相应的小时隙发送数据；
[0023] 所述acMr值为；簇成员加入网络时，被分配的簇内地址acMrG[l，Ni]，其中Ni表 示第i个簇内的簇成员的数量。
[0024] 所述数据转发阶段的实现过程为；簇首被分配连续的多个时隙，并利用该连续时 隙发送多个数据包。
[0025] 所述S-XMAC的实现过程为：
[0026]每个簇首和簇成员按照占空比Tduty_wie周期性休眠和唤醒；
[0027] 待发送数据的簇首不立即启动射频发送前导码，而是比目的接收端的簇唤醒时间 提前^^/，,胃,《。时间发送包含发送端和目的接收端的簇首地址信息的前导码；
[0028] 前导码发送完成后，待发送数据的簇首等待来自目的接收端的簇首的前导确认响 应ACK，重复此过程直到收到ACK后，发送数据；
[0029] 接收端周期性地唤醒；若在唤醒期间，收到包含簇首地址信息的前导码后，判断前 导码中的目的接收端地址信息和自身是