速重传机制，源节点在发送完数据包后，需要进行略大于Tcs时间的空闲侦听，如果侦听到信道忙碌，则保持侦听，如果再次接收到目的节点的提前ACK，就进行数据重传。目的节点在等待数据超时后，进行Tcs时间空闲侦听，如果信道空闲，直接发送提前ACK并等待接收数据。
[0023]为准确预测邻居节的唤醒时刻，节点维持了一个邻居列表，其中包含4个变量，随机数序列R(t)，由于处理器产生的随机数是由固定的公式生成的一系列伪随机数列，所以节点能够根据邻居节点的seed推测出其邻居节点随机唤醒时刻信息:G3si，初始化值为OJ7asi时刻邻居节点对应的项数访以及本地节点为邻居节点记录的当前项数其中访初始化值为O，ic初始化值为本地节点的项数tt。
[0024]H-MAC在提前ACK消息和数据包中加入了本节节点当前项数《的信息和下一个唤醒时刻与发送该消息的时刻之间的差值:r?，如果，那么消息中包含的《和&将修改为“i—U和U对应的差值。
[0025]节点根据本地观测实时对邻居列表的各项参数进行更新，其规则如下:
1.侦听到提前ACK消息后，无论其目的节点是否为自己，根据其记录的源节点，对对应的邻居节点进行更新，Tlast=TJTex-Ta。,实中为节点接收到该消息时的本地时间；tb=tc=tto
[0026]2.数据交换完成后，Tlast=Tcur+Tex_Tda，其中7^为节点发送数据所需的时间，tb=tc=tto
[0027]3.当节点到达r7asi时刻，对应的加I，然后以邻居节点对应的U乍为定时器的起点，以Tsl(l-R(tc-1)+R(tc))作为定时器的基准，每当定时器超时就将邻居节点的tc加I。
[0028]节点需要向某个邻居节点发送数据时，利用算法I所示的伪代码预测目的节点的唤醒时间，其中为考虑到时钟漂移等因素预设定的值，其大小为的倍数；此为数据包重传次数。
[0029]算法I唤醒时刻预测算法定理
1: Check the informat1n of destinat1n node2:1f tc=tbTwake= Tlast-Tcd *Re3: else
Twake =Tlast+ (Tsl-Tsl*R (tb)) +Tsl* (tc-tb-1) +Tsl*R (tc) _Tcd*Re 4:1f Twake<Tcur T =T
1 wake 1 cur
源节点根据本地观测利用算法I预测目的节点的唤醒时间T；3fc，在数据发送失败后，逐渐增加信道侦听时间，直到数据发送成功或者被丢弃。
实施例
[0030]为进一步验证本发明所述H-MAC协议的性能，本文利用网络模拟软件NS2对本发明H-MAC协议和B-MAC协议的性能进行仿真验证。为保障两个协议的可比性，对网络进行如图4所示的仿真参数设置表所示。
[0031 ]由于这里重点考虑MAC协议的性能，在仿真中，分别采用图5所示的单跳网络拓扑图和图6所示的多跳网络拓扑图对协议的性能进行分析。
[0032]在单跳网络拓扑中，随机选取一个节点作为测试节点，其他节点作为干扰节点，通过改变数据包的到达时间间隔改变网络负载，其中干扰节点的发送间隔固定为5s，当测试节点的数据发送间从Is增加到10s，对协议的仿真性能进行分析。图7描述了递送率的变化，在网络负载较大的情况下，单跳网络中的暴露节点，使得节点长时间无法接入信道，造成大量数据被数据队列丢弃，而H-MAC的随机唤醒机制减少了暴露节点的影响，使得H-MAC的递送率比B-MAC高出近2倍，随着负载的减少，两种协议的递送率趋近一致。图9描述了时延的变化，由于H-MAC使用随机退避机制允许多个节点竞争信道并使用随机唤醒机制减少网络碰撞，从而提高了信道利用率，数据包的平均时延也随之减少，与B-MAC相比，H-MAC的时延减少了近40%。图11描述了网络总能耗的变化，由于H-MAC采用唤醒时刻预测机制，减少了节点的空闲侦听时间，所以H-MAC的能耗比B-MAC减少了近30%，在网络负载较大时，H-MAC的节能效果尤为明显。
[0033]在多跳网络拓扑中，通过改变源节点和sink节点之间的跳数，从而研究传输距离及隐藏节点对协议性能的影响，在仿真中，设定源节点的报文到达时间间隔为5s。图8描述了递送率的变化，随着跳数的增加，越来越多的数据包由于数据碰撞的原因被丢失，而H-MAC的随机唤醒机制减少了隐藏节点的影响，所以与B-MAC相比，H-MAC递送率更高且减少的幅度更小。图10描述了时延的变化，由于H-MAC具有较高的信道率和较低的数据碰撞概率，所以与B-MAC相比，H-MAC的多跳时延更低且增加的幅度更小。图12描述了网络能耗的变化，虽然隐藏节点增加了节点的空闲侦听时间，但H-MAC只增加U咅数的空闲侦听时间，所以与B-MAC相比，H-MAC的能耗更低且增加的幅度更小。
[0034]本发明提出一种高信道利用率的MAC协议，该协议使用节点结合随机退避机制与低功耗侦听技术(LPL)相结合的信道竞争机制，随机唤醒机制和唤醒时刻预测机制，在提高信道利用率的前提下，时MAC协议具有低碰撞、低功耗和自适应的优点。仿真表明无论在单跳还是多跳环境下，H-MAC的递送率、时延和能耗等性能指标均优于B-MAC。
【主权项】
1.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匕作为一个时间区间，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7；s、竞争时隙匕和前导发送时隙&，所述侦听时隙匕为用于节点侦听载波，以确认信道是否空闲所需的时间，竞争时隙匕为节点随机退避竞争信道所需的时间，前导发送时隙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UP提前ACK发送时隙4，所述提前ACK发送时隙Tac%节点用来发送ACK所需的时间。2.根据权利要求1所述的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。3.根据权利要求1所述的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: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。4.根据权利要求1所述的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。5.根据权利要求1所述的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)进行信道克争。6.根据权利要求1所述的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。7.根据权利要求1所述的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R(t) =rand(seed), R(t) E [0，I], W(t) = Tsl*(t~l) + Tsl*R(t), 其中i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『⑴记录的唤醒时刻进行随机唤醒。8.根据权利要求1所述的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。
【专利摘要】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。本发明有益效果：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。
【IPC分类】H04W74/08, H04W84/18, H04W52/02
【公开号】CN105208671
【申请号】CN201510638005
【发明人】郑国强, 亢丙午, 马华红, 李佩佩, 冀保峰, 李济顺, 薛玉君, 王玉婷, 李阳, 孙亚茹, 聂方阁
【申请人】河南科技大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月30日