一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法

摘要

本发明提供了一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法，发送方和接收方根据接收方的唤醒帧来建立收发双方的快速唤醒匹配，多个发送方通过自适应退避机制竞争信道的使用权。本发明加入新的字段用于计算接收方的唤醒时间，发送方根据接收方的唤醒时间调整自己的唤醒调度，以匹配接收方的唤醒时间，减少了空闲侦听能耗，同时降低了数据传输时延；且采用了一种根据数据包优先级、网络结构信息、数据包数量和网络能量状态多个因素来动态调整竞争窗口的自适应退避机制，不仅可以提高远sink区域的能量利用，同时保证了工业监控应用中警报数据的实时传输。

说明书

技术领域

本发明涉及基于接收方发起的MAC协议领域，特别涉及一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法。

背景技术

物联网作为当今时代发展的新趋势，借助低成本、低速率、低功耗的传感器节点在多个领域上都有广泛的应用。工业无线传感器网络(IWSNs)是物联网中的一项关键技术，将大量传感器节点部署于常见的工业监控应用场景，具有可靠性强，可扩展性好等优点。但IWSNs具有传感器节点尺寸小，所携带电池能量有限，难以及时更换电池和再充电等缺陷。因此，节能是工业监控应用的协议设计中需要考虑的关键因素。此外，在工业监控等具有突发和紧急事件的工业应用场景下，需要及时将监测区域内收集的数据包传输到汇聚节点，以便决策中心执行进一步应急处理，这对于工业监控中警报数据包的实时传输提出了更高的要求。

对于一个传感器节点而言，其能耗主要包括信息感知、收集和传输几方面，其中发送和接收数据包时的通信模块占能量消耗的80％左右，节点空闲也会消耗一定能量，只有在睡眠模式下节点的能耗才可以降到最低。媒质访问控制层(Medium Access Control，MAC)作为无线信道获取方式和节点数据收发的控制者，直接影响着IWSNs的能量消耗。因此，设计一种低能耗且满足警报数据包实时传输的MAC协议对于能量有限的IWSNs而言是非常有必要的。

现有技术中，大都通过睡眠调度来降低节点的空闲侦听能耗，其中一个经典的同步协议是S-MAC(Sensor-MAC)，节点通过固定的周期性监听和睡眠模式以减少空闲侦听，并采用同步机制将相邻节点形成虚拟簇以减少额外的延迟。这种方法很大程度上减少了空闲侦听，较好地满足了节能要求，但由于其占空比固定不能很好地适应流量突发性的情况，且只做到了一跳数据转发，存在数据转发中断、多跳网络中高端到端延迟的问题。为了适应节点密度、流量负载变化较大的情况，经典的基于异步竞争的B-MAC协议被提出了，各节点拥有自己独立的唤醒/休眠时间，减少了时间同步带来的能量消耗。同时发送方采用LowPower Listening技术(LPL)来发送前导码以占用信道实现低功耗通信，接收节点在侦听到前导码后立即醒来并进入接收状态。但在流量负载较高的情况下，长前导码会带来较大的开销。

Sun等人提出了一种基于接收方发起的异步MAC协议(RI-MAC)来解决使用前导码采样占用信道时间过长的问题。它通过接收方广播唤醒信标帧来建立数据传输连接，发送方只需保持侦听状态并等待接收方的信标帧，减少了发送方对信道的占用时间。但发送方仅在收到来自接收方的信标帧后才开始发送数据，这使得发送方必须在接收节点之前醒来，并持续侦听等待信标帧的到来，若节点错过了接收方发送信标帧，则需要等待较长的时间，才能最终匹配上接收方，这大幅度降低了信道占用率，且产生较大的空闲侦听能耗。

此外，RI-MAC和大多数MAC协议一样，采用二进制指数的退避算法BEB(BinaryExponential Backoff)，当网络中的节点第一次传输数据包时，将它的竞争窗口初始长度设置为最低数值CW

发明内容

本发明的目的是：针对RI-MAC协议在收发节点调度模式和冲突退避机制上的不足，提供了一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法，以解决传统MAC协议空闲侦听能耗大、紧急数据包传输延迟高的问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法，接收方广播唤醒帧，发送方根据接收方的唤醒帧计算接收方下一次醒来的时间并提前醒来，以建立收发双方的快速唤醒匹配。

进一步地，所述唤醒帧的字段包括节点的剩余能量状态E

当节点剩余能量水平E

当发送节点接收到接收节点的唤醒帧后，先检查E

进一步地，所述第一预设百分比取10％。

进一步地，当发送节点要发送数据包时，首先根据唤醒信息T

T

其中，唤醒信息T

T

T

其中α是根据负载调整调度周期的一个变量，T

发送节点计算下一次唤醒时间，修改唤醒调度，在接收节点下一次发送唤醒帧之前醒来侦听信道传输数据包。

进一步地，在初始调度周期T

T

其中i代表网络中某个节点的ID值，N是网络中节点的总数量，R(i)表示网络中节点i随机选择的一个值；

节点随机选择数的计算如下式所示：

R(i)＝Random(1，N+c)1≤i≤N

其中Random(a，b)是随机选择一个数的函数，c是根据网络负载情况提前确定的一个常数。

本发明还提供了另一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法，发送节点根据网络中的因素自适应调整竞争窗口，并随机选择窗口中的时隙发送数据包；如果数据包发生冲突，增大该节点的竞争窗口大小，以避免下次冲突；如果没有发生冲突，具有更小竞争窗口的发送节点更快地获得信道的使用权，调整过程结束。

进一步地，所述因素包括数据包优先级、网络结构信息、数据包数量和节点能量状态。

进一步地，区分网络中的数据为实时数据和周期数据，在发送方的数据包DATA中设置D

当D

当网络中节点刚开始进行数据传输时，根据周围竞争节点的数量Ne

其中

当网络运行一段时间后，根据发送节点的传输队列中等待数据包的数量D

其中，TH

划分网络为近直接传输区域和多跳传输区域，对于直接传输区域的节点，当剩余能量水平E

当剩余能量水平E

其中β是自适应竞争窗口中影响因素的调整因子；

对于多跳传输区域的节点，自适应竞争窗口计算如下式所示：

进一步地，所述第二预设百分比为20％。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明以基于接收方发起的MAC协议为基础，针对已有协议中发送方等待接收方信标帧时间过长的问题，采用基于接收方发起的唤醒匹配机制，加入新的字段用于计算接收方的唤醒时间，发送方根据接收方的唤醒时间调整自己的唤醒调度，以匹配接收方的唤醒时间，减少了空闲侦听能耗，同时降低了数据传输时延；

本发明针对已有退避算法无法适用于网络流量突发，并带来较大传输延迟和网络能耗的问题，采用了一种根据数据包优先级、网络结构信息、数据包数量和节点能量状态多个因素来动态调整竞争窗口的自适应退避机制，不仅可以提高远sink区域的能量利用，同时保证了工业监控应用中警报数据的实时传输；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的唤醒帧字段示意图；

图2为实施例1中收发双方通信概述图；

图3为本发明的数据帧字段示意图；

图4为实施例2中多节点的碰撞退避图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

为了简单说明，该方法或规则作为一系列操作来描绘或描述，其目的既不是对实验操作进行穷举，也不是对实验操作的次序加以限制。例如，实验操作可以各种次序进行和/或同时进行，并包括其他再次没有描述的实验操作。此外，所述的步骤不都是在此描述的方法和算法所必备的。这些方法和算法可通过状态图或项目表示为一系列不相关的状态。

本发明涉及基于接收方发起的MAC协议方法，现有技术中基于接收方发起的异步MAC协议(RI-MAC)解决了使用前导码采样占用信道时间过长的问题。它通过接收方广播唤醒信标帧来建立数据传输连接，发送方只需保持侦听状态并等待接收方的信标帧，减少了发送方对信道的占用时间。但发送方仅在收到来自接收方的信标帧后才开始发送数据，这使得发送方必须在接收节点之前醒来，并持续侦听等待信标帧的到来，若节点错过了接收方发送信标帧，则需要等待较长的时间，才能最终匹配上接收方，这大幅度降低了信道占用率，且产生较大的空闲侦听能耗。

此外，RI-MAC和大多数MAC协议一样，采用二进制指数的退避算法(BinaryExponential Backoff，BEB)，当网络中的节点第一次传输数据包时，将它的竞争窗口初始长度设置为最低数值CW

因此，本发明的实施例提供了一种基于接收方发起和自适应竞争窗口的MAC协议方法，旨在已有RI-MAC协议的基础上，对协议的收发节点调度模式和冲突退避机制进一步改进。

实施例1：

通过对已有MAC协议的收发节点调度模式进行分析，本实施例在RI-MAC协议接收方的信标帧(Beacon)基础上进行了改进，增加了可选字段用于计算接收方的唤醒时间，并命名为唤醒帧(Wake up Frame，WF)。发送方会根据接收方的唤醒信息计算出接收方下一次醒来的时间并提前醒来，由此建立收发双方的唤醒匹配模式。这种调度模式可以减少发送方等待信标帧的时间，降低信道占用率，减少空闲侦听能耗。

具体地，接收节点所发送的唤醒帧(WF)结构如图1所示，其中FL、FCF、FCS字段是IEEE 802.11协议中的固有字段，与接收方发起的唤醒匹配机制相关的字段包括发送信标帧的源节点地址Src、目标地址Dst、节点的剩余能量状态E

其中，剩余能量状态E

在网络的初始调度周期T

T

其中i代表网络中某个节点的ID值，N是网络中节点的总数量，R(i)表示网络中节点i随机选择的一个值，T

节点随机选择数的计算如公式(2)所示：

R(i)＝Random(1，N+c)1≤i≤N (2)

其中Random(a，b)是随机选择一个数的函数，c是根据网络负载情况提前确定的一个常数。考虑到传感器网络中部分区域可能会部署的节点较为密集，可适当增大常数c以避免多个节点间传输信标帧出现碰撞。

在数据传输周期中，接收节点在随机唤醒时刻醒来，并广播带有唤醒信息的WF以通知其他节点可以发送数据。当发送节点要发送数据包时，首先根据唤醒调度表中的唤醒信息T

T

为了适应不同的网络负载情况，同时尽可能避免邻居节点的唤醒时间是相近的，节点数据传输周期是在初始调度周期的基础上增加了调整因子α，同时考虑到节点之间存在时间偏差的问题，唤醒信息T

T

T

其中α是根据负载调整调度周期的一个变量，T

发送节点利用接收到的唤醒信息计算下一次唤醒时间，修改其唤醒调度，在接收节点下一次发送WP之前醒来侦听信道传输数据包，达到高效传输数据的目的，具体通信过程如图2所示。

实施例2：

由于无线传感器网络中数据收集是“多对一”模式，靠近sink区域的节点承担着更大量数据包的传输，导致更多的能量消耗，而距离sink较远的节点转发数据量较小，能量较低，因此网络中的能量消耗是不平衡的。为了提高远sink区域的能量利用，同时保证工业监控应用中警报数据的实时传输，本实施例提出了一种根据数据包优先级、网络结构信息、数据包数量和节点能量状态多个因素来动态调整竞争窗口的自适应退避机制。

本实施例中充分考虑到工业监控应用中警报数据需要实时传输，将网络中的数据分为实时数据和周期数据两类，并在发送方的数据包DATA中加入D

当D

根据已有研究表明，网络状态和一些参数对争用窗口存在较大影响。当网络状态发生变化时，如果节点的争用窗口保持不变，会增加节点的碰撞次数，增加网络延迟。因此，竞争窗口的自适应调整机制有利于动态变化的网络。

当网络中节点刚开始进行数据传输时，网络结构信息是最重要的影响因素，因此本实施例首先考虑周围竞争节点的数量Ne

其中

当网络运行一段时间后，除了网络结构对竞争窗口的影响，同时考虑到节点的传输数据包数量D

其中，TH

考虑能量因素，通过对网络整体能耗的分析，将网络划分为近直接传输区域(距离sink一跳内的节点D

当剩余能量水平E

其中β是自适应竞争窗口中影响因素的调整因子，通过设置不同β值，比较对网络中存活节点数量的影响，并选出最优值。

对于多跳传输区域的节点，即距离sink较远的节点而言，它们有足够的能量用于调整竞争窗口，其他因素对于竞争窗口大小有决定性的影响，因此在设计自适应竞争窗口时，综合考虑网络结构和传输数据包数量以充分利用能量，如公式(10)所示：

当网络中有多个节点同时向一个接收方发送数据包时，节点根据网络结构和能量状态等因素自适应调整竞争窗口，并随机选择窗口中的时隙发送数据包，如果数据包发生冲突，应增大该节点的竞争窗口大小，以避免下次冲突。如果没有发生冲突，具有更小竞争窗口的发送节点可以更快地获得信道的使用权，如图4所示，则调整过程结束。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。