基于能量优化的无线传感器网络混合Z‑MAC协议优化方法

摘要

本发明是一种基于能量优化的无线传感器网络混合Z‑MAC协议优化方法，其特点是：包括基于单轮竞争窗口固定的退避机制、基于节点剩余能量的随机退避时间选取、流量自适应机制、数据发送控制机制。具有方法科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于能量优化的无线传感器网络混合Z-MAC协议优化方法。

背景技术

能耗优化技术是无线传感器网络中的核心技术之一，对传感器网络的性能有较大影响。为了使无线传感器网络节能高效，许多介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议被提出。介质访问控制(MAC)协议协调分配众多节点接入公用的信道，决定了节点的信道获取方式，是决定无线传感器网络系统性能的基础协议之一。同时由于介质访问控制(MAC)协议直接操作传感器节点的最大能耗部件—射频模块，因而研究高效介质访问控制(MAC)协议是延长节点生命周期的有效途径。

目前介质访问控制(MAC)协议主要有两种工作方式：基于预留方式—时分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)技术和基于竞争方式—载波侦听多路访问(Carrier Multiple Access,CSMA)技术。基于竞争和预留的协议在介质访问性能方面有各自的优点和缺点，混合MAC协议旨在通过结合随机访问方式和预留访问TDMA协议来进行信道的分配权衡。Z-MAC(Zebra-MAC)协议是一种典型的混合MAC协议，它将竞争和调度机制相结合，既降低了节点发送数据时的冲突发生概率，又提高了协议对网络变化的适应性，同时对节点同步的要求大大降低了，并能提供均衡的网络性能，但是它依然存在一些问题，主要体现在：

(1)Z-MAC协议采用的是二进制指数退避算法(BEB)，该算法已经被广泛的应用于MAC协议。每个节点发生冲突以后就使它们的退避间隔双倍直到最大退避间隔CW_max，而当成功传输以后就使他们的退避间隔回到最小退避间隔CW_min。这样退避间隔的大范围波动，势必会影响网络的吞吐量、延迟等性能。

(2)Z-MAC协议没有考虑节点剩余能量对退避时间的影响，这样导致剩余能量较少的节点可能需要等待很长一段时间，这样会由于无效侦听浪费很多的能量，导致节点过早死亡。

(3)Z-MAC协议通过不断发送竞争状态标志ECN来切换高竞争模式HCL和低竞争模式LCL，这与网络实际流量情况不符，实际应用中，网络流量会持续一段时间，而不是瞬时的。这就造成在那一段时间不断发送ECN消息，造成不必要的能量浪费，严重影响网络性能。

(4)由于请求发送/清除发送协议(RTS/CTS)对网络开销的影响，Z-MAC协议并不采用传统的RTS/CTS机制，所以Z-MAC协议存在“隐终端问题”，会造成WSN时隙资源的争用和浪费，增加数据碰撞的概率，严重影响网络的吞吐量、容量和数据传输时延。受隐藏终端的影响，接收端将因为数据碰撞而不能正确的接收信息，造成发送端的有效信息的丢失和大量的时间浪费(数据帧较长时尤为严重)，从而降低了网络的吞吐量。

发明内容

本发明的目的是，针对剩余能量对节点退避时间的影响及隐终端问题、不断发送竞争状态标志对网络性能的影响，提出一种科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期的基于能量优化的无线传感器网络混合Z-MAC协议优化方法。

本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于能量优化的无线传感器网络混合Z-MAC协议优化方法，其特征是，它包括的内容有：基于单轮竞争窗口固定的退避机制、基于节点剩余能量的随机退避时间选取、流量自适应机制和数据发送控制机制。

进一步，对于所述基于单轮竞争窗口固定的退避机制，节点采用多轮循环，单轮固定竞争窗口的方法，即当数据发生冲突时，竞争窗口不加倍，而节点从固定的退避间隔CW中重新计算在不同时隙中选择不同发送数据的概率，直到数据发送成功，结束计算过程，退避方式表示为：

其中，P_r是节点选取CW的概率，CW_min是系统设定的最小CW长度，式(1)表明，当数据发生冲突时，节点从单轮固定的(1,CW)中选取概率最大的CW值，一旦数据发送成功，CW值立即回落到CW_min。

进一步，对于所述基于节点剩余能量的随机退避时间选取，其选取依据是Z-MAC协议的sift概率公式，确定节点的退避时间，概率公式表示为：

其中，r∈(1,CW)，α为分布参数(0<α<1)，

其中，η为权重参数，E_re节点的剩余能量，E_max为初始能量；

通过式(2)和式(3)非均匀概率分布将优胜节点从整个竞争节点中筛选出来。

进一步，对于所述流量自适应机制是通过对节点采取一定的对策来延长网络生命周期，若一个占用节点在属于自己的时隙内处于激烈竞争状态，这个占用节点将会广播一个ECN给它的邻节点，节点将传输模式锁定为HCL进行接入信道，当节点符合低竞争模式水平时，采用广播一个新的清除竞争通知RECN给邻节点，以此来解除HCL模式，在Z-MAC协议的基础上通过锁定HCL模式，来有效避免在一段时间内不断发送ECN消息，减少能量消耗，有效延长网络生命周期。

进一步，对于所述数据发送控制机制是针对隐终端问题采用在数据帧中加入一个信道标志位对信道进行预约来有效避免能量消耗，节点的数据帧前加了一个信道标志位，对信道进行预约，预约成功后非目的节点进入休眠状态，以减少空闲侦听产生的能量消耗。

本发明的基于能量优化的无线传感器网络混合Z-MAC协议优化方法，在退避时间选取阶段：提出了一种多轮循环，单轮固定竞争窗口的方法，并考虑节点剩余能量对退避时间的影响，通过Z-MAC协议的sift概率公式给出结合剩余能量的竞争窗口公式，计算节点在每个退避窗口的概率，从而确定节点的退避时间；数据包产生阶段：提出了在数据帧中加入一个信道标志位，通过该信道标志位对信道进行预约，以此来有效避免隐终端问题带来的能量消耗；数据包发送阶段：提出了锁定HCL模式，利用广播一个ECN给邻节点，节点将传输模式锁定为HCL进行接入信道，当节点符合低竞争模式水平时，通过广播一个新的RECN给邻节点，以此来解除HCL模式。具有科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

附图说明

图1为基于能量优化的无线传感器网络混合Z-MAC协议优化方法流程图；

图2表示退避机制示意图；

图3表示数据帧结构示意图；

图4表示数据传输过程示意图。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

对于所述基于单轮竞争窗口固定的退避机制，节点采用多轮循环，单轮固定竞争窗口的方法，即当数据发生冲突时，竞争窗口不加倍，而节点从固定的退避间隔CW中重新计算在不同时隙中选择不同发送数据的概率，直到数据发送成功，结束计算过程，退避方式表示为：

其中，P_r是节点选取CW的概率，CW_min是系统设定的最小CW长度，式(1)表明，当数据发生冲突时，节点从单轮固定的(1,CW)中选取概率最大的CW值，一旦数据发送成功，CW值立即回落到CW_min。

对于所述基于节点剩余能量的随机退避时间选取，其选取依据是Z-MAC协议的sift概率公式，确定节点的退避时间，概率公式表示为：

其中，r∈(1,CW)，α为分布参数(0<α<1)，

其中，η为权重参数，E_re节点的剩余能量，E_max为初始能量；

通过式(2)和式(3)非均匀概率分布将优胜节点从整个竞争节点中筛选出来。

对于所述流量自适应机制是通过对节点采取一定的对策来延长网络生命周期，若一个占用节点在属于自己的时隙内处于激烈竞争状态，这个占用节点将会广播一个ECN给它的邻节点，节点将传输模式锁定为HCL进行接入信道，当节点符合低竞争模式水平时，采用广播一个新的清除竞争通知RECN给邻节点，以此来解除HCL模式，在Z-MAC协议的基础上通过锁定HCL模式，来有效避免在一段时间内不断发送ECN消息，减少能量消耗，有效延长网络生命周期。

对于所述数据发送控制机制是针对隐终端问题采用在数据帧中加入一个信道标志位对信道进行预约来有效避免能量消耗，节点的数据帧前加了一个信道标志位，对信道进行预约，预约成功后非目的节点进入休眠状态，以减少空闲侦听产生的能量消耗。

参照图1，本发明的基于能量优化的无线传感器网络混合Z-MAC协议优化方法，包括的内容有：基于单轮竞争窗口固定的退避机制、基于节点剩余能量的随机退避时间选取、流量自适应机制和数据发送控制机制。

开始后，进行邻节点发现，每个节点发送自身的单跳邻节点信息给相邻节点，进行时隙分配，每个节点接收到关于自身两跳邻节点的信息，邻节点进行本地帧交换，直至同步全局时钟。节点发送数据，判断一个占用节点在属于自己的时隙内是否处于激烈竞争状态，若是，它将会广播一个ECN给邻节点，节点将传输模式锁定为HCL进行接入信道，若不是，该节点将广播一个新的RECN给邻节点，以此来解除HCL模式，即节点进入LCL模式，节点数据发送完成。

由于在一般情况下节点采用的是二进制指数退避算法(BEB)，该算法在数据传输失败以后，则以两倍的速度增长，直到最大，退避间隔的大范围波动，对网络的吞吐量、延迟等性能有一定的影响，参照图2给出了多轮循环，单轮固定竞争窗口的方法，即当数据发生冲突时，竞争窗口不加倍，而节点从固定的CW中重新计算在不同时隙中选择发送数据的概率，选取概率最大的时隙发送数据，直到数据成功发送，结束计算过程。

对于所述基于单轮竞争窗口固定的退避机制，节点采用多轮循环，单轮固定竞争窗口的方法，即当数据发生冲突时，竞争窗口不加倍，而节点从固定的退避间隔CW中重新计算在不同时隙中选择不同发送数据的概率，直到数据发送成功，结束计算过程，退避方式表示为：

其中，P_r是节点选取CW的概率，CW_min是系统设定的最小CW长度，式(1)表明，当数据发生冲突时，节点从单轮固定的(1,CW)中选取概率最大的CW值，一旦数据发送成功，CW值立即回落到CW_min。

对于所述基于节点剩余能量的随机退避时间选取，其选取依据是Z-MAC协议的sift概率公式，确定节点的退避时间，概率公式表示为：

其中，r∈(1,CW)，α为分布参数(0<α<1)，

其中，η为权重参数，E_re节点的剩余能量，E_max为初始能量；

通过式(2)和式(3)非均匀概率分布将优胜节点从整个竞争节点中筛选出来。

图3为数据帧结构示意图，为了解决Z-MAC协议存在的隐终端问题，采用在数据帧中加入一个信道标志位对信道进行预约来有效避免能量消耗。节点的数据帧前加了一个信道标志位，对信道进行预约，预约成功后非目的节点进入休眠状态，以减少空闲侦听产生的能量消耗。

图4为数据传输过程示意图，节点A、B分别为时隙0、1的占用节点，节点A的数据帧前加一个信道标志位，对0时隙进行预约。节点B及其他节点则进入休眠状态，节点B在时隙1进行侦听信道并赢得信道的使用权，同样其他节点在时隙1关闭通信模块转入休眠状态，以增加一个信道标志位为代价来减少空闲侦听带来的能量消耗。

本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。