专利名称：基于等待时间的mac资源管理方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种MAC资源管理方法，特别是涉及一种基于等待时间的MAC资源管理方法。
背景技术：
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过短距离无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的、互联互通的传感网络系统，其目的是通过各种微型传感器协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，由嵌入式计算对感知信息进行处理，并通过无线通信网络将信息发送给远程观察者，使得人们能在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。由于无线传感器网络具有易扩展、自组织、分布式结构以及健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在家庭网络、环境检测、城市交通、生物医疗、抢险救灾、空间探索、危险区域远程控制等诸多领域。在无线传感器网络中，媒介访问控制(medium access control, MAC)协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源(能耗，带宽)。无线传感器网络MAC协议处于传感器网络协议栈的底层，对无线传感器网络的性能有很大的影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。因为传感器节点体积很小，携带的电池的电量十分有限，又无法给电池充电或更换新电池，所以传感器节点常常由于电池的电量耗尽而失效或废弃。故在传感器网络设计过程中，任何资源管理算法或协议的使用都是要以节能为前提的。根据无线传感器网络MAC层的不同特性的特点，可以将MAC层资源管理算法分为3类一类是基于竞争的MAC资源管理算法；一类是基于调度的MAC资源管理算法；一类是混合型MAC资源管理算法。竞争算法无须全局网络信息，扩展性好、易于实现，但因退避产生的能耗大；调度算法有节省优势和延时保障，但帧长度和调度难以调整，扩展性差，且时钟同步要求高；混合算法具有上述两种MAC资源管理的优点，但通常比较复杂，实现难度大。其中，基于竞争MAC资源管理算法尝试通过使各传感器节点以最小复杂度、独立地进行运算的策略来保存能量、提高吞吐量、控制延时时间。其基本思想是传感器节点需要发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了冲突，就按照某种策略(如IEEE8021. 11 MAC协议的分布式协调工作模式DCF采用的是二进制退避重传机制)重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送为止。目前已提出为不同的业务提供不同优先级的接入，保证高级业务的实时性，主要考虑对不同业务采用不同的竞争窗口参数，满足业务QoS方面的要求。这些算法基于竞争机制，冲突难以避免，因此产生的能量消耗仍然很大。现有的基于竞争的MAC资源管理算法有DSMAC :它是在IEEE802. 11基础上做的改进，更适合无线传感器网络；其引入了周期工作/睡眠机制、竞争退避机制、RTS/CTS/DATA传输机制、消息分割机制来节省能量，但是由于睡眠机制的引入，使得网络的时延有所上升，吞吐量有所下降，而且还不能根据网、络中的业务量变化进行适应性调整。2) TMAC :它是在SMAC的基础上提出的，可以根据通信流量动态调整活动时间，但该算法引入了 “早睡”问题，增加了通信时延。3) Wise-MAC :它采用前导码采用技术控制节点处于空闲侦听状态时的能量消耗，与SMAC和TMAC相比，节能效果更加显著，但该算法会占用无线传感器节点本就不多的存储空间，增加算法实现的复杂度，在节点密度较高的网络内这种情况更加突出。4) PMAC :它根据检测到的网络状况和流的权重来动态调整节点的竞争窗口 CW值为最佳值；该算法在公平性和吞吐量性能方面得到了大幅度提高，但时延增加了，算法实现复杂度增加了。5) FCR :它是在竞争节点还没在碰撞发生时就增加自己的竞争窗口 CW，以此降低网络中的碰撞概率，同时又使系统相邻两次发送之间的退避时间尽可能少，从而提高系统吞吐量；但该算法不能保证高优先级业务的QoS，公平性差。
6) REBS :它根据节点的剩余能量来动态分配节点的接入优先级，以降低节点碰撞概率并延长网络工作时间，但公平性降低，不能保证各业务的QoS。7)SDDB:它为不同的业务提供不同优先级的接入，保证高级业务的实时性，主要考虑业务QoS方面的要求，没有仔细考虑信道吞吐量，算法复杂度，能耗等性能。因为无线传感器网络是资源严重受限的网络，现有改进的基于竞争的算法都不太能使无线传感器网络的所有性能指标能达到满意的结果。目前无线传感器网络中基于竞争的MAC资源管理算法大多数是集中在能耗资源的管理上面，而且支持的业务类型相对比较单一，少有算法是既能节能，又可以保证各种不同业务的带宽，还可以支持多业务的Q0S(Quality of Service,服务质量)的。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于等待时间的MAC资源管理方法，用于解决现有技术中不同的业务无法得到应有的QoS服务以及网络冲突碰撞带来的能量消耗的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于等待时间的MAC资源管理方法。一种基于等待时间的MAC资源管理方法，所述基于等待时间的MAC资源管理方法包括管理节点为网内的所有待传输业务的普通节点分配NID ;普通节点根据自身被分配的NID、所述待传输业务的优先级以及网内参与业务传输的节点的个数计算出等待时间ff(n)
权利要求
1.一种基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于，所述基于等待时间的MAC资源管理方法包括 管理节点为网内的所有待传输业务的普通节点分配NID ； 普通节点根据自身被分配的NID、所述待传输业务的优先级以及网内参与业务传输的节点的个数计算出等待时间W(n)
2.根据权利要求I所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于所述基于等待时间的MAC资源管理方法的一种具体实现步骤为 SI，管理节点周期性的发送信标帧beacon给簇内的所有普通节点； S2，普通节点接收到所述信标帧Beacon后，如果普通节点有数据准备要发送，则发送一个NID请求帧到管理节点； S3，如果所述NID请求帧中的NID为0，则管理节点根据所述NID请求帧为所述普通节点分配一个NID，并将分配的NID通过应答帧广播给网内所有普通节点，接收到应答帧的普通节点比较该应答帧中的目的地址DA是否与自己的地址相同，如果相同，则所述应答帧中的NID的值为自身节点的NID值；如果不相同，则所述应答帧中的NID的值不是自身节点的NID值；所述NID的值为网内当前活动节点个数,所述当前活动节点个数为包括管理节点在内的参与数据收发的节点的总数量； S4,所述普通节点从所述应答帧中提取帧优先级字段，并结合自身的NID和活动节点数计算出自身节点的等待时间，经过所述等待时间后，如果信道空闲，则所述普通节点进行数据传输，否则进行退避； S5，所述普通节点传输数据结束后，等待数据传输的ACK应答信号；如果所述普通节点接收到ACK应答信号，则数据传输成功；如果没接收到ACK应答信号，则数据传输失败；若数据传输失败，ON所述普通节点则进行数据的重传； S6，若数据传输成功，则进行NID的释放。
3.根据权利要求2所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于所述NID请求帧和所述应答帧均采用MPDU帧格式。
4.根据权利要求2所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于所述重传次数的最大值为5。
5.根据权利要求2所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于步骤S3中，所述管理节点为所述普通节点分配一个NID的具体实现过程为 设定一个网内活动节点的总数的最大值为16，定义为MAX_ACTIVE_ON_COUNT ； 设当前活动节点的个数为n，如果n小于MAX_ACTIVE_ON_COUNT，则管理节点分配一个值为n的NID给发送NID请求帧的普通节点；如果管理节点给普通节点分配了一个NID，则当前的活动节点总数加I ;如果当前活动节点的个数n等于MAX_ACTIVE_ON_COUNT，则即使管理节点接收到来自普通节点的NID请求帧，也不会分配NID给该普通节点；没有分配到NID的普通节点的NID的值设为O，即NID的值设为O的普通节点不能参与业务的传输，直 到该普通节点分配到一个NID为止； 当普通节点完成业务的传输后，释放占用的NID;如果有NID被释放，则当前的活动节点总数减I。
6.根据权利要求2所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于，所述信标帧Beacon 包括 Active Node Count字段，即活动节点数字段,表示包括管理节点在内的活动节点的数目； Current Highest Priority字段，即当前优先级字段,表示包括管理节点在内的分配了 NID的所有节点的最高优先级； Information Update Count字段，即接入控制字段,表示本发明参数集的序列号；当接入控制字段由匪启动时，该字段设置为0 ;当活动节点数字段或者至少一个活动节点地址字段改变时，该Information Update Count字段的值递增； Active Node Address字段，即活动节点地址字段,记录了所有活动节点的MAC地址。
7.根据权利要求6所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于所述NID由普通节点释放的情况为 1)所述普通节点接收到的信标巾贞Beacon中的ActiveNode Count字段的值小于自身的NID值； 2)信标巾贞Beacon中的ActiveNode Adddress字段没有该普通节点的MAC地址。
8.根据权利要求2所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于在所述周期的时间内，分配了 NID的普通节点没有进行任何数据传输，则由管理节点删除该普通节点分配到NID ;其中，所述周期的时间大于或者等于6s。
9.根据权利要求I所述的基于等待时间的MAC资源管理方法，其特征在于所述待传输业务的优先级与业务类型一一对应。
全文摘要
本发明提供一种基于等待时间的MAC资源管理方法，所述基于等待时间的MAC资源管理方法包括管理节点为网内的所有待传输业务的普通节点分配NID；普通节点根据自身被分配的NID、所述待传输业务的优先级以及网内参与业务传输的节点的个数计算出等待时间；普通节点等待所述等待时间后开始进行业务传输。本发明在低复杂度的情况下，根据业务的优先级设置节点的等待时间，使网络中的碰撞概率尽可能少，降低了能耗，延长了网络的生命期，同时满足了不同业务的QoS要求。
文档编号H04L29/12GK102752802SQ20121025185
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者万跃辉, 彭绯, 李明齐, 白鹤 申请人:上海中科高等研究院