用于无线传感器网络的高信道利用率h-mac协议的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信技术，具体地说是用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一个由传感器节点组成的多跳自组织网络系统，目前广泛应用于应用军事、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域[I]。信道接入协议(Media Access Control, MAC)控制通信模块的工作，对上层协议有着决定性的影响，所以通过改进MAC协议来优化通信模块的工作，是提高WSN网络性能的一条较好的途径。
[0003]根据协议对时钟的要求，MAC协议可以分为同步类和异步类。同步类MAC协议要求在WSN内实现一定程度的时间同步，如S-MAC需要实现同一虚拟簇的时间同步，而TDMA需要实现整个WSN的时间同步。同步类MAC协议一般具有较好的网络性能，但时间同步算法一般比较复杂，导致网络的扩展性较差并额外增加了网络的能耗。
[0004]异步类MAC协议对时间同步没有任何要求，此类MAC协议通常采用低功耗侦听技术(Low Power Listening, LPL)进行信道占用。LPL也就是前导采样机制，B-MAC首先使用LPL技术实现低功耗通信，并米用空闲信道评估机制(Clear Channel Assessment, CCA)进行信道裁决，源节点在发送数据包前需要先发送一段固定长度的前导，如果目的节点唤醒后侦听到前导，则保持活跃状态，直到接收到数据或信道变得再次空闲为止，B-MAC不需要任何时间同步信息，但存在着前导过长和邻居节点串音等问题。针对B-MAC前导长度固定的问题，X-MAC将B-MAC的长前导修改为一系列固定间隙的短前导，并利用由接收节点主动发送提前ACK进行数据交换的方法进一步减少前导的长度，X-MAC明显减少了前导的长度，经过仿真验证其传输性能优于B-MAC，但X-MAC在网络流量较大时，对网络的信道利用率较低。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，提高信道利用率，在优化数据递送率和时延的前提下，降低网络能耗。
[0006]本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是:用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，所述H-MAC协议将节点持续发送短前导的最长时间Tsl作为一个时间区间，并将其分割成不断循环的前导部分和预约部分；
所述前导部分包括侦听时隙Tcs、竞争时隙Tco和前导发送时隙Tpr，所述侦听时隙Tcs为用于节点侦听载波，以确认信道是否空闲所需的时间，竞争时隙Tco为节点随机退避竞争信道所需的时间，前导发送时隙Tpr为节点用来发送短前导所需的时间；
所述预约部分包括侦听时隙Tcs和提前ACK发送时隙Tac，所述提前ACK发送时隙Tac为节点用来发送ACK所需的时间。
[0007]本发明所述的前导部分为需要发送数据的节点经过竞争发送包含目的节点信息的短前导所需要的时间，预约部分为节点侦听到目的节点为自己的短前导时，回复包含自身节点信息的提前ACK消息所需要的时间。
[0008]本发明不需要发送数据的节点不需要执行前导部分，在唤醒后进行信道侦听。
[0009]本发明所述的H-MAC协议采用随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的新的信道竞争机制、随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制。
[0010]本发明所述的新的信道竞争机制为节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)进行信道竞争；
本发明所述的节点发送连续短前导竞争信道，在没有接收到其他节点的短前导之前，不需要进行随机退避，在接收到其他短前导后，对预约部分进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导时隙进行信道竞争，即前导部分和预约部分的时间可变。
[0011]本发明所述的随机唤醒机制为节点以自己的ID作为随机数种子(seed)，并使用如下所示的公式生成对应的唤醒时刻序列w(t):
R(t) =rand(seed), R(t) e [O, I], ff (t) = Tsl*(t_l)+ Tsl*R(t),
其中t为序列的项数，在每次随机唤醒后增加1，节点在初始化完成后，根据W(t)记录的唤醒时刻进行随机唤醒。
[0012]本发明所述的唤醒时刻预测机制为节点利用邻居列表预测对应的目的节点的唤醒时刻。
[0013]本发明的有益效果是:本发明所述的H-MAC协议采用低功耗侦听技术(LPL)与随机退避机制相结合的新的信道竞争机制，提高信道利用率；利用随机唤醒机制决定节点的工作时间表，减少数据碰撞的概率；采用唤醒时刻预测机制预测目的节点的唤醒时刻，减少节点的空闲侦听时间。
【附图说明】
[0014]图1为本发明H-MAC协议的时序图；
图2为本发明信道占用流程图；
图3为随机唤醒机制不意图；
图4为本发明实施例部分仿真参数设定表；
图5为本发明实施例采用的单跳网络拓扑图；
图6为本发明实施例采用的多跳网络拓扑图；
图7为单跳拓扑网络中递送率的变化图；
图8为多跳拓扑网络中递送率的变化图；
图9为单跳拓扑网络中时延的变化图；
图10为多跳拓扑网络中时延的变化图；
图11为单跳拓扑网络中能耗的变化图；
图12为多跳拓扑网络中能耗的变化图。
【具体实施方式】
[0015]如图所示，用于无线传感器网络的高信道利用率H-MAC协议的实现方法，其特征在于:所述H-MAC协议将节点持续发送短前导的最长时间Tsl作为一个时间区间，并将其分割成不断循环的前导部分和预约部分；
所述前导部分包括侦听时隙Tcs、竞争时隙Tco和前导发送时隙Tpr，所述侦听时隙Tcs为用于节点侦听载波，以确认信道是否空闲所需的时间，竞争时隙Tco为节点随机退避竞争信道所需的时间，前导发送时隙Tpr为节点用来发送短前导所需的时间；
所述预约部分包括侦听时隙Tcs和提前ACK发送时隙Tac，所述提前ACK发送时隙Tac为节点用来发送ACK所需的时间。
[0016]进一步，所述的前导部分为需要发送数据的节点经过竞争发送包含目的节点信息的短前导所需要的时间，预约部分为节点侦听到目的节点为自己的短前导时，回复包含自身节点信息的提前ACK消息所需要的时间。
[0017]进一步，不需要发送数据的节点不需要执行前导部分，在唤醒后进行信道侦听。
[0018]进一步，所述的H-MAC协议采用随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的新的信道竞争机制、随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制。
[0019]进一步，所述的新的信道竞争机制为节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)进行信道竞争；
进一步，所述的节点发送连续短前导竞争信道，在没有接收到其他节点的短前导之前，不需要进行随机退避，在接收到其他短前导后，对预约部分进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导时隙进行信道竞争，即前导部分和预约部分的时间可变。
[0020]进一步，所述的随机唤醒机制为节点以自己的ID作为随机数种子(seed)，并使用如下所示的公式生成对应的唤醒时刻序列w(t):
R(t) =rand(seed), R(t) e [O, I], ff (t) = Tsl*(t_l)+ Tsl*R(t),
其中t为序列的项数，在每次随机唤醒后增加1，节点在初始化完成后，根据W(t)记录的唤醒时刻进行随机唤醒。
[0021]进一步，所述的唤醒时刻预测机制为节点利用邻居列表预测对应的目的节点的唤醒时刻。
[0022]信道竞争机制中节点的简要竞争过程如图2所示，需要发送数据的节点在睡眠时间结束后，唤醒发送短前导，在预约部分侦听到目的节点的提前ACK后，发送数据，然后进入睡眠；由于时间不同步，节点在任何时刻都可能接收到其他节点的短前导，如果侦听到目的地址为自己的短前导后，在发送提前ACK后，等待接收数据；考虑到可能出现多个节点发送短前导的情况，并且Tpr为固定值，所以节点在侦听到其他节点发送的短前导消息后，对所处的时隙进行调整，暂时实现与其他节点同时进入前导部分进行信道竞争。节点在预约部分保持Tac (Tac>Tpr)时间的空闲侦听以保障接收到提前ACK或者短前导；
不需要发送数据的节点唤醒后对信道进行空闲侦听，在侦听到目的地址为自己的短前导后，发送提前ACK后等待接收数据。节点需要保持空闲侦听直到接收到其他节点的提前ACK ；
由于节点可能失效和网络空载，规定节点只需要进行Tsl时间的信道竞争或者空闲侦听。考虑到隐藏节点可能会干扰源节点数据的发送，为此H-MAC采用快