一种基于广播消息的无线传感器网络mac协议的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线传感器网络的MC协议，具体为一种基于广播消息的无线传 感器网络MAC协议。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN)是由部署在监测区域内大量 的微型传感器节点通过无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络系统。WSN的数据感知、 聚合、传输等过程均由传感器节点完成的，但传感器节点受到体积、成本的约束，一般设计 的十分微小，这直接造成节点本身的计算及存储能力有限，所以如何节约节点的能量消耗 成为WSN的首要考虑因素。WSN同时是一个应用相关性的网络，网络需要按照应用的相关要 求，将用户感兴趣的数据传递到终端。经过分析得知，节点所消耗能量的90%被无线通信模 块使用，因此WSN要做到能量高效，通常要以通信模块作为重点目标。因为网络节点的通信 模块由MAC(MediumAccessControl)层控制，所以通过改进MAC协议来优化通信模块的 工作是实现WSN能量高效的一条较好的途径。
[0003] 目前，按照信道的接入方式，低功耗MAC协议可以分为调度类、竞争类、混合类。调 度类MAC协议是一种无碰撞的MAC协议，大多数采用TDM机制，该机制将连续的时间分割 成一系列连续的时隙，节点只在发送和接收信息的时隙唤醒。TRAM就是一种流量自适应 的调度类MAC协议。竞争类MAC协议是一种自适应的MAC协议，一般采用CSMA机制即载波 侦听多路访问。S-MC是竞争类的代表协议，采用占空比机制减少空闲侦听，利用RTS/CTS/ DATE/ACK数据交换机制消除串音并保障数据的完整性，利用自适应侦听减少多跳传输的 时延。结合不同信道接入方式的MAC协议就是混合类MAC协议，典型代表有CSMA/TDMA的 Z-MAC和I-MAC已经TDMA/FDMA的SMACS/EAR协议等。上述几种MAC协议在对网络寿命(低 功耗）和网络性能(时延、递送率等）均有较高要求的应用环境均存在一定的局限性，为此， 本发明提出了 一种基于广播消息的自适应MAC协议：SA-MAC。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为对网络寿命(低功耗）和网络性能(时延、递送率等）均有较 高要求的应用环境提供一种低碰撞、低功耗的竞争类MAC协议：SA-MC(seIf-adaption AdvertisementMAC)。本发明的SA-MAC协议是在S-MAC的基础上提出的竞争类MAC协议， 其是利用源节点发送的广播消息使无关节点进入睡眠状态，相关节点则在对应的时刻唤醒 进行数据交换，目的是通过减少节点的空闲侦听时间和数据碰撞概率，以降低网络的能耗 并提尚网络性能。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于广播消息的无线传感器网络MAC协议，该协议采用周期工作制，且一个工作周期的时间长度为固定值，将一个工作周期 按时间先后划分为同步周期、广播周期和数据周期，其中，数据周期被分割成若干时间长 度相同的工作区间，每个工作区间的大小为相关节点使用最大CW进行一次完整RTS/CTS/ DATE/ACK数据交换所需的时间；所述协议的实现过程包括如下步骤： (1) 、同步周期内，通过同步帧消息的交换，实现同一虚拟簇内的节点时间同步； (2) 、广播周期内，源节点在广播周期随机选取工作区间，并利用广播消息使相关节点 在对应的工作区间完成数据交换；所述广播的消息包含目的节点的地址和选取的工作区 间； 在广播周期内，所述协议利用节点数据缓存区的实时情况动态调整CW的大小，以实 现节点接入信道的公平性；CW的自适应调整方法为：首先，节点初始化CW的尺寸为最大值 CWmax，节点需要进行数据发送的时候，利用公式CWcur=[CWmax*(l-(BS/BST))]对CW进行 实时调整，其中，CW当前值CWcur的取值范围始终在[CWmin，CWmax]之间，并取整数；BST 代表设定的数据缓存区阈值，BS代表数据缓存区的当前使用值； (3) 、数据周期内，相关节点在对应的工作区间唤醒，源节点开始进行信道竞争，其中CW 的大小采用广播周期的CW自适应调整方法进行调整，源节点成功接入信道后与目的节点 进行RTS/CTS/DATE/ACK数据交换。
[0006] 由于在实际情况中网络的流量会实时变化，为进一步提高信道利用率，在步骤（2) 的源节点在广播周期随机选取工作区间过程中，SA-MC规定随机数的选取范围将根据网络 的实时情况进行实时调整，即随机数的生成方法包括如下步骤： (1) 、网络中所有的节点维持一个随机数发生器，包含三个变量：最大值NBmax=m，最小 值NBmin=I及当前值NBcur; (2) 、初始化节点的NBcur=[NBmax/2]，并取整数； (3) 、需要发送数据的源节点在[NBmin，NBcur]之间生成一个随机数，并在广播周期竞 争信道广播请求消息；其中，生成的随机数即为源节点随机选取的工作区间； (4) 、源节点在成功广播自己的请求消息后，在对应的工作区间唤醒进行再次竞争信 道进行数据交换；源节点在每次数据交换完成后，对通信结果进行判断，如果数据包发送 失败，那么当前值NBcur加1，反之当前值NBcur减1，其中NBcur的取值范围在[NBmin, NBmax]之间； (5 )、重复步骤（2 ) ~步骤（4 )过程。
[0007] 由于节点的数据缓存区有限，如果网络中的某个区域突然监测到大量的数据，就 会出现大量丢包的现象。进一步地，SA-MC根据缓存区的实时状态设计了一种数据突发机 制（FastTransmissionScheme，FTS)。SA-MAC根据节点数据缓存区的实时状态采用下述 两种数据发送模式：定义数据缓存区阈值为BST，数据缓存区当前使用值为BS，当BS〈=BST 时，节点使用正常数据传输机制；当BS>BST时，节点使用数据突发机制；所述数据突发机制 的工作机制为： 需要使用数据突发机制的源节点，在广播周期以最小CW接入信道发送M0RE_RTS进行 信道预约，并预定若干个工作区间，目的节点接收到M0RE_RTS后，发送M0RE_CTS，源节点和 目的节点交换控制帧后进入睡眠状态，在广播周期结束后进行连续的数据交换，直到双方 节点发现达到预定的工作区间个数，并且剩余时间不足以完成一次数据交换，源节点和目 的节点放弃这次数据传输进入睡眠状态；无线传感器网络内的其他源节点根据M0RE_RTS 进行判断：如果与自己位于同一虚拟簇，则根据包含的预约工作区间数进行判断，定义预约 工作区间数为c，如果c〈NBmax，源节点暂时在[c+1,NBmax]之间进行工作区间的随机选 取，反之直接进入睡眠状态；如果与自己不属于同一虚拟簇，直接进行睡眠状态。
[0008] 节点使用FTS可以迅速将缓存区的数据发送出去，但如果BST的值过低就会造 成WSN内大量的节点使用FTS，出现网络拥塞和部分节点的数据大量丢弃的现象，反之如果 BST的值过高，就会降低网络性能。进一步地，本发明的SA-MC针对这些问题，规定节点根 据本地的观测自主调整数据缓存区阈值，所述数据缓存区阈值BST的调整方法为：首先，节 点初始化BST当前值为（BSTM+BSTN)/2,并以Tbuffer为一个时间周期记录在此期间发送 失败的数据包数量，节点在每个TbufTer周期结束的时刻利用公式Change= (CDEM-BDEM) / BDEM得出当前Tbuffer周期数据包发送失败数量的变化率，并根据公式BSTC=BSTC* (1+Change)确定节点在下个Tbuffer周期使用的BSTC值，其中，BSTC的取值范围始终在 [BSTN,BSTM]之间； BSTC代表BST的当前值，BSTM代表设定的BST最大值，BSTN代表设定的BST最小值，Tbuffer为缓存区阈值的更新周期，⑶EM为当前Tbuffer周期内发送失败的数据包个数， BDEM为上个Tbuffer周期内发送失败的数据包个数，Change为发送失败数据包的变化率。
[0009] 有益效果：本发明的SA-MC协议利用广播消息减少节点的空闲侦听时间；利用随 机唤醒机制缓解网络的数据碰撞问题；通过调整竞争窗口实现节点接入信道的公平性；采 用低占空比机制及数据突发机制进一步提升网络的性能。仿真结果证明，本发明的SA-MC 协议与现有的ADV-MC协议和S-MC协议相比，其网络功耗，及时延、递送率等网络性能均 具有较好的水准。
[0010] 本发明的SA-MAC协议与ADV-MAC协议相类似，但与ADV-MAC相比SA-MAC具有以 下特点： I.SA-MC利用广播消息实现相关节点随机唤醒机制，使相关节点工作在不同的时间 区间，从而降低了数据的碰撞的概率，提升了信道利用率，而ADV-MC仅仅利用广播消息使 无关节点进入睡眠状态，相关节点在数据交换的过程中仍要进行激烈的信道竞争。
[0011] 2.SA-MAC通过对节点竞争窗口（ContentionWindow，CW)的实时调整，实现了节 点间接入信道的公平性，而ADV-MC没有考虑到节点间的公平性，默认所有节点接入信道 的概率一致。
[0012] 3.研宄证明，节点在通信过程中最主要无关能耗是空闲侦听，SA-MAC采用低占空 比机制降低WSN中所有节点的空闲侦听时间，而ADV-MAC主要通过减少无关节点的空闲侦 听时间降低网络无关能耗。
[0013] 4.SA-MC针对负载的变化提出了相对应的数据突发机制，而ADV-MC没有考虑 网络流量的突发性。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明SA-MC的周期工作机制。
[0015] 图2a为本发明SA-MC与其他协议在单跳环境中，数据包的平均递送率随数据发 送间隔变化的仿真实验图。
[0016] 图2b为本发明SA-MC与其他协议在单跳环境中，数据包的平均时延随数据发送 间隔变化的仿真实验图。
[0017] 图2c为本发明SA-MC与其他协