基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，该方法能够保证传感器网络在没有事件发生时，保持较高的能效性；在检测到事件发生时，及时快速地传输数据。本发明在终端节点的数据包内嵌入了一个标志位，指示当前节点缓冲数据包个数，使得簇头节点能够获取网络的准确负载信息，进而相应地调整传输策略，并将该调度信息嵌入信标帧中广播给簇内节点。本发明采用的精确的信道资源分配——时分复用和基于同步的自适应信道轮询相应地针对突发负载和极低负载场景，在避免了信道资源浪费的同时解决了固定占空比式协议的有限带宽问题，及时充足地给有负载的节点分配信道资源，在保持协议高能效性的基础上提高数据传输的实时性。
【专利说明】基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)领域,尤其涉及一种基于事件触发应用的负载自适应的无线传感器网络介质访问调度方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络中的传感器节点一般都是由电池供电，且电池能量通常难以补充，这就要求通信协议需要保障节点处于高能效运行状态，以延长系统的使用寿命。
[0003]在WSN的通讯协议栈中，MAC (Medium Access Control,介质访问控制)协议处于无线传感器网络的底层，决定了节点的访问无线信道的方式，负责网络中无线通讯资源的分配。由于MAC层处于通讯协议的底层，直接负责对硬件进行操作，故MAC层对网络的性能有着直接的影响，MAC层的调度方式直接影响到网络的能耗、数据的实时性、网络的可拓展性等。
[0004]节约能耗是无线传感器网络的首要任务，为了实现这一目标，现在大部分的MAC调度机制都采用工作/休眠交替的占空比式的调度方式，即在大部分时间内关闭射频模块以节约能耗，只有在特定的时间段打开射频模块发送和接收数据。
[0005]低占空比MAC协议对于极低的网络负载来说是比较适用的，但是一旦负载增加甚至是有激增负载的产生，MAC协议一般不能处理好占空比与负载之间的关系以提供足够的通信带宽，造成数据传输碰撞，从而导致能量的浪费及数据传输的大时延。
[0006]变化的负载广泛地存在于各种应用场景中。例如，在监测应用领域中，无线传感器节点可能随机布置在大片区域用来探测目标。当没有目标出现时，仅仅需要传输少量的常规信息，该传感器网络只需工作在低占空比的情况下；但是一旦一个或多个目标出现后，检测到目标的传感器节点就要及时地将数据传输给汇聚节点。而现有的MAC协议大多适用于某一单一的负载场景，还没有一种MAC协议能够适用于事件触发类型的应用，即在没有事件发生时保持高能效性，在检测到事件发生后能够快速地传输数据。
[0007]目前，学术界已经提出了许多低占空比的MAC调度机制，比如IEEE 802.15.4MAC, Queue-MAC, SCP-MAC, MaxMAC, R1-MAC 等。
[0008]1.1EEE 802.15.4 MAC把时间划分成重复的超帧周期，每个周期含16个可用时隙。这16个时隙又分别组成竞争访问期CAP (Contention Access Period)和非竞争访问期CFP (Contention Free Period)。由于IEEE 802.15.4MAC不能在线地调节时隙的个数和长度，即不能调节协议的占空比，所以IEEE 802.15.4MAC协议是固定的低占空比协议，只适用于低负载场景中。IEEE 802.15.4MAC协议由于含有载波侦听多路访问(CarrierSense Multiple Access, CSMA)时段,故保障了网络的可拓展性。
[0009]2.Queue-MAC采用超帧结构，该超帧结构由信标帧时段，动态自适应的TDMA(Time Division Multiple Access,时分复用)时段，固定时间的CSMA时段及休眠时段组成。该协议利用子节点数据帧中负载部分的第一个字节指示子节点的MAC层缓冲数据包的个数，当数据巾贞传输给簇头节点时，簇头节点即可了解到各个子节点的缓冲数据包个数，从而相应地为子节点分配时隙以供子节点下一个周期传输数据，达到了根据负载动态调节占空比的目的。然而在网络负载较小，甚至处于极低负载的情况下，采用该协议能耗较大。
[0010]3.SCP-MAC和MaxMAC都是发送节点触发的MAC协议。它们都采用了低功耗侦听(low power listening,LPL)发送前导码的信道访问技术,节点处于周期性休眠状态,在需要发送和接收数据时打开射频模块。SCP-MAC可以根据时间同步减少前导码的长度，并且能够根据负载的变化相应地改变接收节点信道轮询的次数以供数据的传输。MaxMAC能够随着负载的增高，将传输模式切换到变占空比的CSMA机制以适应负载的变化。但两种协议都基于发送节点触发，只适用于低负载场景。
[0011]4.R1-MAC是接收节点触发的MAC协议。接收节点周期性地发送信标帧以轮询其他节点的发送请求，其他节点收到信标消息后检查自己是否有发给该节点的数据，如果有，则发送给该节点。接收节点接收数据后再发送一个信标消息，并通过该信标消息达到自适应负载的目的:该信标帧一方面确认接收到数据包，另一方面初始化下一周期的数据发送过程。如果接收节点广播信标消息后没有数据包发送过来，节点进入休眠。但是若采用该协议，当发送数据的节点增多时，R1-MAC会产生较为严重的数据碰撞。
[0012]以上所提及的MAC调度机制大部分都是适用于某一特定的负载场景中，对于事件触发应用来说，长时间的极低负载跟短时间突发负载相结合的负载场景使得上述协议并不适用。
【发明内容】
[0013]本发明针对现有无线传感器网络MAC协议大多适用于某一单一的负载场景而随着负载环境的变化能效性及数据传输的实时性恶化的困难，同时在保障能效、数据实时性的前提下，提供了一种基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法。
[0014]为了实现上述的目的，本发明采取如下技术方案:一种基于事件触发应用的负载自适应的无线传感器网络MAC介质访问调度方法，包括以下步骤:
(O网络中的簇头节点周期性地在簇内发送信标帧以同步邻近的终端节点，建立超帧结构，信标帧内包含时分复用时隙分配、簇头节点信道轮询信息时间及自适应信道轮询的间隔等。
[0015](2)子节点若有数据发送，等待并接收簇头节点的信标帧；子节点首先在信标帧中解析簇头信道轮询的时间，并在簇头进行信道轮询的时候采用低功耗侦听的方式进行数据包的发送，如果簇头节点的第一个信道轮询被利用了，证明有节点需要传输数据，簇头节点就会再隔一段时间进行信道轮询以供其他节点进行数据传输。
[0016](3)子节点在每次发送的数据包内嵌入一个存储队列长度指示变量，指示终端节点当前缓冲的数据包数目；簇头节点收到子节点的数据包后查看队列长度指示变量，并根据其值相应地为特定节点在下一周期分配相应的时分复用时隙进行数据的传输。
[0017](4)在簇头信道轮询时成功通过LPL方式发送数据包的子节点接收信标帧后检查簇头节点给自己在下一个超帧周期分配TDMA时隙的具体时间段，并在相应的时间苏醒进行数据的传输。
[0018](5)如果子节点没有待发送的数据包，子节点转入休眠状态以节省能量。此后，如果没有数据产生，子节点只有在每周期开始的时候苏醒接收信标帧信息以维持与簇头节点的时间同步。簇头节点在信道轮询没有被利用后也转入休眠状态。
[0019]本发明的有益效果是，在无事件发生时，采用基于时间同步的自适应信道轮询的方法传输数据，使得信道轮询次数是根据负载的数据动态变化的，精确的为数据的传输分配通信信道资源，当簇头节点发现在信道轮询时没有终端子节点进行数据发送请求，簇头节点就会转入休眠状态，节省了能量。当检测到事件的发生后，针对突发负载，在终端节点的数据包内嵌入了一个指示终端节点当前MAC层存储队列的长度信息的指示变量，使得簇头节点能够获取终端节点的准确负载信息，进而根据其值相应地为特定节点在下一周期分配相应的时分复用时隙进行数据的传输，从而以较高的能效性和数据传输的实时性进行数据传输。本发明采用的精确的信道资源分配——时分复用和基于同步的自适应信道轮询相应地针对突发负载和极低负载场景，避免了信道资源浪费也解决了固定占空比式协议的有限带宽问题，及时充足地给有负载的节点分配信道资源，在保持协议高能效性的基础上提高数据传输的实时性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的超帧结构；
图2为本发明的终端子节点MAC层数据帧结构图；
图3为本发明的簇头节点的信标帧结构；
图4为本发明的工作流程图；
图5为本发明的实验测试拓扑结构图；
图6为本发明的硬件实验的能效比较图；
图7为本发明的硬件实验的延时比较图。
【具体实施方式】
[0021]一、示意图含义说明
如图1所示，超帧由信标帧时段、变化的TDMA时段和变化的基于时间同步的LPL传输时段组成。传感器网络中的节点设备分为三类类:汇聚节点、簇头节点和终端节点，簇头节点周期性地在簇内广播信标帧并通过信标帧建立超帧结构。
[0022]如图2所示，MAC层的数据帧结构引入了一个指示终端节点MAC层待发数据数目的指示变量，嵌入在数据帧负载区的开头部分，用来向数据包的接收者指示当前节点的MAC层负载情况，提供给数据包的接收者准确的数据发送者MAC层负载信息。
[0023]如图3所示，子节点接收信标帧后根据簇头节点TDMA时隙的分配情况决定自己进行数据传输的时间段。若发现没有给自己分配TDMA时隙，节点可以在簇头节点进行信道轮询的时候进行数据的发送
如图4所示，一开始时网络中没有负载，簇头节点信道轮询后发现没有数据传输，转入休眠直至第二个超帧开始；第二个超帧有少许数据，信道轮询被利用后，又增加一个以供其他节点利用；第三个超帧开始后，根据上一周期收集到的缓冲负载信息为相应的节点分配时隙以供数据传输，同时进行信道轮询以处理新节点的加入；第四个超帧仍是按照上一周期收集到的缓冲负载信息为相应的节点分配时隙以供数据传输；第五个超帧时网络中负载降为0，簇头节点进行一个信道轮询后转入休眠状态以节省能量。[0024]如图5所示，为验证新MAC协议的有效性，建立了一个簇型的测试网络，每个簇包含一个簇头节点和五个个终端子节点。终端子节点按照规定的变化的速率产生数据包并将数据传输至簇头节点，簇头节点间通过CSMA方式将数据传输给汇聚节点(Sink node),终端子节点、簇头节点及汇聚节点均采用STM32W108芯片。
[0025]如图6所示，本发明与SCP-MAC和Queue-MAC相比，当在网络负载变化的情况下，本发明在负载较低时能耗较小能够保证无线传感器网络的长时间运行。
[0026]如图7所示，本发明与SCP-MAC和Queue-MAC相比，当在网络负载变化的情况下，本发明在大负载产生时数据传输的实时性较小，满足了突发负载需要及时传输的需求。
[0027]二、本发明基于一种运用终端子节点缓冲数据包个数进而调整MAC传输策略的方法，适用于基于事件触发的应用场景，对能效性及数据传输实时性有较高要求的簇型网络，包括如下步骤:
1.网络主要由负责数据收集和管理的簇头节点及终端子节点组成，簇头节点周期性地广播自己的信标帧以同步邻近的终端节点。终端子节点直接与簇头节点通讯，彼此之间不相互通讯。簇头节点靠广播的信标帧在邻近的范围内建立起超帧结构。
[0028]可以将图5所示的网络拓扑结构视为一个典型的网络拓扑结构，网络中有簇头节点和终端子节点，簇头节点周期性地广播自己的信标帧以同步簇内的终端子节点。终端子节点直接与簇头节点通讯，彼此之间不相互通讯。簇头节点靠广播的信标巾贞在簇内建立起超帧结构，簇头节点广播的一个信标帧标志着一个新的超帧的开始。信标帧内包含了 TDMA时隙分配，ID表和对应的TDMA时隙分配表等信息。终端子节点通过接收和分析信标帧能够得知本超帧周期的结构。
[0029]2.子节点若有数据发送，等待并接收簇头节点的信标帧；终端子节点如果有待发送的数据，则打开射频模块等待簇头节点的信标帧。当收到簇头节点的信标帧后，解析簇头节点当前周期进行信道轮询的时间，并在该时刻通过LPL的方式进行数据的竞争发送，以告知簇头节点自己的信道资源需求。
[0030]3.终端子节点在任意一次数据发送之前，在当前数据包的MAC层帧头后面嵌入一个MAC存储队长指示变量(一个字节)作为有效数据载荷的第一个字节，如图1所示，该变量的值为当前该终端节点的待发数据包的数目，即MAC层存储队列的队列长度。终端子节点通过发送数据，把当前的MAC层负载信息捎带给了簇头节点，从而进行通信资源的申请。簇头节点通过队列长度指示变量为特定的节点相应地分配TDMA时隙。
[0031]4.在簇头信道轮询时成功通过LPL方式发送数据包的子节点若仍有待发送的数据，其缓冲数据包个数已经告知簇头节点，簇头节点就会在下一超帧周期对其进行信道资源的分配，并通过信标帧告知子节点相关事件信息，如图2所示。子节点解析属于自己的发送时间段信息后转入休眠状态节省能量，并在相应的时间段苏醒进行数据的发送。
[0032]5.若子节点没有待发送的数据，子节点转入休眠状态以节省能量。此后，如果没有数据产生，子节点只有在每周期开始的时候苏醒接收信标帧信息以维持与簇头节点的时间同步。簇头节点在进行信道轮询时，如果没有数据的交互，即可认为子节点在一定时间段内没有数据发送的需求，簇头节点在进行完该信道轮询后就会转入休眠状态，直到下一超帧周期开始。
[0033]为了验证本发明的有效性，建立了一个典型簇型拓扑结构的网络进行测试，如图5所示。每个簇由5个邻近的终端子节点和一个簇头节点组成，终端子节点不断产生数据，并传输至簇头节点。每个终端子节点以变化的速率产生数据，实验测试了不同负载场景下(低负载模拟事件触发应用中没有事件发生时的负载场景，高负载模拟时间触发应用中事件发生时的负载场景)本发明的性能。
[0034]图6展示了本发明(图中的ED-MAC)与一种基于时间同步的低功耗侦听的MAC介质访问调度方法(图中的SCP-MAC^P Q-MAC的在变化负载场景下的能效性比较。图6展示了，在相同的测试平台与设置下，本发明无论在网络处于何种全负载场景下都具有较低的能耗(图6中，横坐标从左向右，负载减小)，说明了针对各类网络负载，本发明能够提供良好的能效性。
[0035]图7展示了本发明(图中的ED-MAC)与一种基于时间同步的低功耗侦听的MAC介质访问调度方法(图中的SCP-MAC^P Q-MAC的在变化负载场景下的数据传输延时比较。图7展示了，在相同的测试平台与设置下，本发明无论在网络处于何种全负载场景下都具有较低的数据传输延时(图6中，横坐标从左向右，负载减小)，说明了针对各类网络负载，本发明能够提供良好的数据传输实时性。
【权利要求】
1.一种基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: (1)网络中的簇头节点周期性地在簇内发送信标帧以同步邻近的终端节点，建立超帧结构，信标帧内包含时分复用时隙分配、簇头节点信道轮询信息时间及自适应信道轮询的间隔等； (2)子节点若有数据发送，等待并接收簇头节点的信标帧:子节点首先在信标帧中解析簇头信道轮询的时间，并在簇头进行信道轮询的时候采用低功耗侦听方式进行数据包的发送，如果簇头节点的第一个信道轮询被利用了，证明有节点需要传输数据，簇头节点就会再隔一段时间进行信道轮询以供其他节点进行数据传输； (3)子节点在每次发送的数据包内嵌入一个存储队列长度指示变量，指示终端节点当前缓冲的数据包数目；簇头节点收到子节点的数据包后查看队列长度指示变量，并根据其值相应地为特定节点在下一周期分配相应的时分复用时隙进行数据的传输； (4)在簇头信道轮询时成功通过LPL方式发送数据包的子节点接收信标帧后检查簇头节点给自己在下一个超帧周期分配TDMA时隙的具体时间段，并在相应的时间苏醒进行数据的传输； (5)如果子节点没有待发送的数据包，子节点转入休眠状态以节省能量；此后，如果没有数据产生，子节点只有在每周期开始的时候苏醒接收信标帧信息以维持与簇头节点的时间同步；簇头节点在信道轮询没有被利用后也转入休眠状态。
2.如权利要求1所述的基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，其特征在于:所述步骤I具体为:网络中每个簇由负责数据收集和管理的簇头节点及终端子节点组成，簇头节点周期性地在簇内广播自己的信标帧以同步邻近的终端节点；终端子节点直接与簇头节点通讯，彼此之间不相互通讯；簇头节点靠广播的信标帧在邻近的范围内建立起超帧结构。
3.如权利要求1所述的基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，其特征在于:所述步骤2具体为:终端子节点如果有待发送的数据，则打开射频模块等待簇头节点的信标帧；当收到簇头节点的信标帧后，解析簇头节点当前周期进行信道轮询的时间，并在该时刻通过LPL的方式进行数据的竞争发送，以告知簇头节点自己的信道资源需求。
4.如权利要求1所述的基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，其特征在于:所述步骤3具体为:终端子节点在任意一次数据发送之前，在当前数据包的MAC层帧头后面嵌入一个MAC存储队长指示变量作为有效数据载荷的第一个字节，该变量的值为当前该终端节点的待发数据包的数目，即MAC层存储队列的队列长度；终端子节点通过发送数据，把当前的MAC层负载信息捎带给了簇头节点，从而进行通信资源的申请；簇头节点通过队列长度指示变量为特定的节点相应地分配TDMA时隙。
5.如权利要求1所述的基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，其特征在于:所述步骤4具体为:在簇头信道轮询时成功通过LPL方式发送数据包的子节点若仍有待发送的数据，其缓冲数据包个数已经告知簇头节点，簇头节点就会在下一超帧周期对其进行信道资源的分配，并通过信标帧告知子节点相关时间信息，子节点解析属于自己的发送时间段信息后转入休眠状态节省能量，并`在相应的时间段苏醒进行数据的发送。
6.如权利要求1所述的基于事件触发应用的无线传感器网络介质访问调度方法，其特征在于:所述步骤5具体为:若子节点没有待发送的数据，子节点转入休眠状态以节省能量；此后，如果没有数据产生，子节点只有在每周期开始的时候苏醒接收信标帧信息以维持与簇头节点的时间同步；簇头节点在进行信道轮询时，如果没有数据的交互，即可认为子节点在一定时间段内没有数据发送的需求，簇头节点在进行完该信道轮询后就会转入休眠状态，直到下一超帧周期开始 。
【文档编号】H04W52/02GK103582095SQ201310543053
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年11月5日 优先权日:2013年11月5日
【发明者】王智, 吴连涛, 卓书果 申请人:浙江大学