一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法技术

技术编号:10732952 阅读:87 留言:0更新日期:2014-12-10 10:17
本发明专利技术属于无线传感器网络通信领域,尤其涉及一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,包括:新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表,记录邻居节点的唤醒时间偏移值;根据邻居节点的唤醒时间偏移值确定新节点的唤醒时间偏移值;当发送节点发送数据时,查询所述唤醒时间表中对应的接收节点信息,并预测接收节点的唤醒时间。本发明专利技术根据邻居节点唤醒时间选择偏移值,保证了节点之间具有不同的唤醒时间,并通过准确预测接收节点的唤醒时间,能够有效减少空闲侦听带来的能量消耗,节约了能量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法
本专利技术涉及通信领域,具体而言,涉及一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息。在传感器网络使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中(新节点),这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少,从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。无线传感器网络中,节点的唤醒方式有以下几种:(1)全唤醒模式:这种模式下,无线传感器网络中的所有节点同时唤醒,探测并跟踪网络中出现的目标,虽然这种模式下可以得到较高的跟踪精度,然而是以网络能量的消耗巨大为代价的。(2)随机唤醒模式:这种模式下,无线传感器网络中的节点由给定的唤醒概率p随机唤醒。(3)由预测机制选择唤醒模式:这种模式下,无线传感器网络中的节点根据跟踪任务的需要,选择性的唤醒对跟踪精度收益较大的节点,通过获得的信息预测目标下一时刻的状态,并唤醒节点。(4)任务循环唤醒模式:这种模式下,无线传感器网络中的节点周期性的出于唤醒状态,这种工作模式的节点可以与其他工作模式的节点共存,并协助其他工作模式的节点工作。在无线传感器网络中,媒体介质访问控制(MediaAccessControl,MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分,主要用于传感器节点间公平有效地共享通信媒介,对传感器网络的性能有较大影响,是保证无线传感器网络有效通信的关键网络协议之一。相关技术中的基于接收端发起的异步MAC层协议,节点维持邻居节点固定的唤醒时间表,在持续空闲侦听时带来较大的能量消耗,不利于节能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,以解决上述的问题。在本专利技术的实施例中提供了一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,包括:新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表,记录邻居节点的唤醒时间偏移值;根据邻居节点的唤醒时间偏移值确定新节点的唤醒时间偏移值,公式如下:式中,Ow(i)为接收节点i的唤醒时间偏移值,Ow为新节点的唤醒时间偏移值,t(i,j)为i,j两节点唤醒时刻差值,其中i,j两个节点的唤醒时刻处在所有节点中唤醒间隔最短的时间内;当发送节点发送数据时,查询唤醒时间表中对应的接收节点信息,并预测接收节点的唤醒时间,预测公式如下:tremain(i)=Twakeup(i)-(tc-Ow(i))%Twakeup(i)式中,tremain(i)为接收节点i下次唤醒时刻剩余时间,Twakeup(i)为节点i唤醒间隔,tc为发送节点当前时间,Ow(i)为接收节点i的唤醒偏移值。进一步,新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表记录邻居节点的唤醒时间偏移值之前,还包括:持续监听节点初始最大唤醒间隔的时长,当接收到邻居节点发送的信标帧时,发送带有请求节点唤醒状态标志位的空数据帧;当发送节点接收到带有标志位的空数据帧时,在发送的ACK帧中嵌入节点的唤醒间隔;新节点在持续监听时间内接收邻居节点返回的ACK帧,并在监听结束后维护一张邻居节点唤醒时间表。进一步,该方法还包括:当接收节点的实际唤醒时间与发送节点预测的唤醒时间的差值大于误差阈值时,重新请求接收节点唤醒时间的信息。进一步,该方法还包括:发送节点每次发送数据前,检测缓冲队列中等待传输的数据包数量,根据等待传输的数据包数量计算等待传输数据包数量等级,根据等待传输数据包数量等级自适应改变节点的唤醒间隔。进一步,根据等待传输数据包数量等级自适应改变节点的唤醒间隔,具体包括:当相比于上一次发送数据前,等待传输数据包数量等级发生改变时,将标志位和所述等待传输数据包数量等级嵌入到预发送的数据帧中;其中,标志位用于通知接收节点数据帧中嵌入有改变的等待传输数据包数量等级,等待传输数据包数量等级由下式求得:式中,ρwait(i)为节点i等待传输数据包数量等级,Nwait(i)为节点i等待传输的数据包数量,nthreshold为发送节点负载因子,ρthreshold为接收节点负载因子;当节点收到带有标志位的数据帧时更新孩子节点中等待传输数据包数量等级的总和,当未收到带有标志位的数据帧时,保持等待传输数据包数量等级不变;其中,孩子节点中等待传输数据包数量等级的总和由下式求得:式中,ρwait为孩子节点中等待传输数据包数量等级的总和,ρwait(i)为节点i等待传输数据包数量等级,s为孩子节点的个数;接收节点动态改变唤醒间隔;其中,动态改变唤醒间隔的条件为调整因子改变,相关公式如下:式中,μ为调整因子,ρwait为孩子节点中等待传输数据包数量等级的总和,ρthreshold为接收节点负载因子,Ttmp为节点计算后的唤醒间隔,Tinit_wakeup为节点初始最大唤醒间隔,Twakeup为节点的唤醒间隔,Tmin为节点最小唤醒间隔。进一步,该方法还包括:当调整因子未改变时保持唤醒间隔不变。进一步,该方法还包括:当发送节点接收到接收节点的唤醒信标帧时,转换为睡眠状态直到接收节点下一次唤醒时间重传数据。本专利技术实施例提供的基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法与现有技术相比,通过根据邻居节点唤醒时间选择偏移值,保证了节点之间具有不同的唤醒时间,并通过准确预测接收节点的唤醒时间,能够有效减少空闲侦听带来的能量消耗,节约了能量。附图说明图1示出了本专利技术一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法的流程图;图2示出了本专利技术一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法的工作过程示意图;图3示出了本专利技术一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法新节点加入网络初始化阶段的示意图。具体实施方式下面通过具体的实施例子并结合附图对本专利技术做进一步的详细描述。考虑到现有技术中节点维持邻居节点固定的唤醒时间表,在持续空闲侦听时带来较大能量消耗的问题,本专利技术实施例提供了一种基于无线传感器网络的HELD-MAC(HighenergyefficiencyandLowdelay-MediaAccessControl,高能效低延时媒体介质访问控制)协议。参图1至图3所示,图1示出了本专利技术一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法的流程图;图2示出了本专利技术一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法的工作过程示意图;图3示出了本专利技术一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法新节点加入网络初始化阶段的示意图。为了解决上述问题,本专利技术的思路是,在新节点加入网络阶段,根据邻居节点唤醒时间选择偏移值,以保证与邻居节点有不同的唤醒时间。通过预测接收节点唤醒时间,当发送节点有数据传输时,根据预测到的接收节点唤醒时间提前Tcd时刻唤醒,以等待接收唤醒信标帧。具体包括:步骤S102,新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表,记录邻居节点的唤醒时间偏移值;步骤S104,根据邻居节点的唤醒时间偏移值确定新节点的唤醒时间偏移值,公式如下:(1)式中,Ow(i)为接收节点i的唤醒时间偏移值,Ow为新节点的唤醒时间偏移值,t(i,j)为i,j两节点唤醒时刻本文档来自技高网
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一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法

【技术保护点】
一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,其特征在于,包括:新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表,记录邻居节点的唤醒时间偏移值;根据邻居节点的唤醒时间偏移值确定新节点的唤醒时间偏移值,公式如下:式中,Ow(i)为接收节点i的唤醒时间偏移值,Ow为新节点的唤醒时间偏移值,t(i,j)为i,j两节点唤醒时刻差值,其中i,j两节点的唤醒时刻处在所有节点中唤醒间隔最短的时间内;当发送节点发送数据时,查询所述唤醒时间表中对应的接收节点信息,并预测接收节点的唤醒时间,预测公式如下:tremain(i)=Twakeup(i)‑(tc‑Ow(i))%Twakeup(i)式中,tremain(i)为接收节点i下次唤醒时刻剩余时间,Twakeup(i)为节点i唤醒间隔,tc为发送节点当前时间,Ow(i)为接收节点i的唤醒偏移值。

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,其特征在于,包括:新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表,记录邻居节点的唤醒时间偏移值;根据邻居节点的唤醒时间偏移值确定新节点的唤醒时间偏移值,公式如下:式中,Ow(i)为接收节点i的唤醒时间偏移值,Ow为新节点的唤醒时间偏移值,t(i,j)为i,j两节点唤醒时刻差值,其中i,j两节点的唤醒时刻处在所有节点中唤醒间隔最短的时间内;当发送节点发送数据时,查询所述唤醒时间表中对应的接收节点信息,并预测接收节点的唤醒时间,预测公式如下:tremain(i)=Twakeup(i)-(tc-Ow(i))%Twakeup(i)式中,tremain(i)为接收节点i下次唤醒时刻剩余时间,Twakeup(i)为节点i唤醒间隔,tc为发送节点当前时间,Ow(i)为接收节点i的唤醒偏移值。2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,其特征在于,新节点通过维护邻居节点的唤醒时间表记录邻居节点的唤醒时间偏移值之前,还包括:持续监听节点初始最大唤醒间隔的时长,当接收到邻居节点发送的信标帧时,发送带有请求节点唤醒状态标志位的空数据帧;当发送节点接收到带有标志位的空数据帧时,在发送的ACK帧中嵌入节点的唤醒间隔;新节点在持续监听时间内接收邻居节点返回的ACK帧,并在监听结束后维护一张邻居节点唤醒时间表。3.根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,其特征在于,还包括:当接收节点的实际唤醒时间与发送节点预测的唤醒时间的差值大于误差阈值时,重新请求接收节点唤醒时间的信息。4.根据权利要求1、2或3所述的一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,其特征在于,还包括:发送节点每次发送数据前,检测缓冲队列中等待传输的数据包数量,根据等待传输的数据包数量计算等待传输数据包数量等级,根据等待传输数据包数量等级自适应改变节点的唤醒间隔。5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感器网络的节能MAC协议通信方法,其特征在于,根据等待传输数据包数量等级自适应改变节点的唤醒间隔,具体包括:当相比于上一次发送数据前,等待传输数据包数量等级发生改变时,将标志位和所述等待传输数据包数量等级嵌入到预发送的数据帧中;其中,所述标志位用于通知接收节点数据帧中嵌入有改变的等待传输数据包数量等级,所述等待传输数据包数量等级由下式求得:

【专利技术属性】
技术研发人员:马礼高洪磊张永梅马东超宋丽华
申请(专利权)人:北方工业大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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