一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，该方法能够降低M2M网络中高能耗节点的能量消耗，在延长M2M网络中高能耗节点生命周期的同时可保证M2M网络数据传输的可靠性，该方法应用于M2M网络的CSMA/CA协议。包括：步骤1：在M2M网络中监测节点进行权限分配；步骤2：周期性检测M2M网络中监测节点运行状态，当监测节点处于空闲状态时执行步骤3，当监测节点处于数据待发送状态时执行步骤4；步骤3：监测节点执行休眠操作，间隔一段时间后执行步骤2；步骤4：M2M网络执行信道争用操作，监测节点获取信道使用权后，执行步骤5；步骤5：监测节点上传数据，数据上传完成后执行步骤2。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，属于物联网节能通信

技术介绍
目前在使用IEEE 802.11协议的M2M网络环境中，在基于“AP节点+终端节点”模型的M2M网络场景中，终端节点具有数量多、分布随机、对环境信息采集随机性强等特点，并且终端节点多用于向AP节点上传采集的数据，属于单向传输模式，因此这类M2M网络中出现信道争用现象较为严重。虽然M2M网络中终端节点通常具有较低的能量消耗，但对于终端节点数量多的M2M网络，有限的能源仍然是其发展的瓶颈。在使用IEEE 802.11协议的M2M网络中，传统CMSA/CA协议的应用可以在一定程度上缓解信道争用带来的影响，但该协议不能解决M2M网络中高能耗节点在信道争用时能源使用效率低的问题。而通常在使用电池型终端节点的M2M网络中，网络的生命周期通常受限于高能耗节点的生命周期。M2M网络中，对于CSMA/CA协议的改进通常是通过改进退避算法来提高网络性能。徐志江等人在论文IEEE 802.11网络中增强的退避算法中给出了一种增强型的退避算法，通过对网络中的动态站点数进行估计，自适应改变退避算法的竞争窗口来提高系统的性能和吞吐量。上述对CSMA/CA协议改进增强的退避算法可以使网络性能更稳定，可以使吞吐量和每秒数据发送量随动态站点数量变化的波动比传统CSMA/CA协议要小。但是，由于改进的增强性退避算法受限于事件发生频率和随机值的大小，因此在事件发生频率较低的网络中该增强的退避算法适用性不强。Hsiang-Ho Lin等人在论文DeepSleep:IEEE 802.11 Enhancement for Energy-Harvesting Machine-to-Machine Communications中给出了网络中节点的深度休眠方法，通过对高能耗节点在低于预先设定的能量值时授予其高权限，这样可以实现高能耗节点在没有数据上传时可快速进入休眠模式进行节能；当高能耗节点有数据需要上传时，可立即进入信道监听状态，且在信道空闲时获得最少的退避时间，通过这种深度休眠方案的实施使得高能耗节点在通信中可以尽可能的实现节能。文章中的实验表明，深度休眠算法有较好的节能效果，并且不会大幅增加网络中其他节点的能耗。上述深度休眠方法在节点数目较少的网络中有较好的适用性，但是在节点数目较多的网络中，当大多数节点低于预先设定的能量值时，较多的高权限节点会使网络中信道争用的几率增加，这种情况下该方案会增加网络能耗而无法达到预期的节能效果。而本专利技术能够很好地解决上面的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提出了一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，该方法能够降低M2M网络中高能耗节点的能量消耗，在延长M2M网络中高能耗节点生命周期的同时可保证M2M网络数据传输的可靠性，该方法应用于M2M网络的CSMA/CA协议。方法流程步骤1：对M2M网络中监测节点进行权限分配；步骤2：周期性检测M2M网络中监测节点运行状态，当监测节点处于空闲状态时执行步骤3，当监测节点处于数据待发送状态时执行步骤4；步骤3：监测节点执行休眠操作，间隔一段时间后执行步骤2；步骤4：M2M网络执行信道争用操作，监测节点获取信道使用权后，执行步骤5；步骤5：监测节点上传数据，数据上传完成后执行步骤2。在上述步骤1中，本专利技术对M2M网络中监测节点进行权限分配的方法，具体包括：M2M网络中监测节点均设置参数Priority,用于记录该节点的权限。其中，节点Priority＝0表示低权限，节点为低能耗节点；节点Priority＝1表示高权限，节点为高能耗节点。各监测节点Priority初值均设为0；AP节点中设置参数count_up[i](i＝1,2,3…)，用于记录各监测节点的数据上传次数，count_up[i](i＝1,2,3…)初始值均设为0，每次监测节点i上传数据成功时count_up[i]+1；AP节点中设置参数count_all，用于记录M2M网络中监测节点上传总数，count_all初始值设为0，每次有节点上传数据成功时count_all+1；AP节点中设置参数count_num，用于记录M2M网络中节点总数，AP节点通过查看路由表信息获取count_num值；AP节点中设置常数N，用于M2M网络中监测节点权限分配时，对设定高能耗节点的标准进行控制。AP节点中设置常数Ejudge，监测节点能量消耗至Ejudge时向AP节点请求权限变更。本专利技术设置上述参数完毕后，根据各监测节点事件发生量进行权限的分配方法，具体包括：以监测节点i为例，当监测节点i能量值低于Ejudge时，监测节点i向AP节点发出权限变更请求，AP节点根据监测节点i对应的count_up[i]值与网络中监测节点上传次数的均值count_mean进行比较；其中， count _ mean = count _ all count _ num ]]>若count_up≥N·count_mean，则AP节点向监测节点i发出允许修改权限的应答，监测节点i收到AP节点的应答后将其Priority置1，即为高能耗节点；反之，AP节点向监测节点i发出禁止修改权限的应答，监测节点i收到AP节点的应答后其Priority保持不变，即为低能耗节点。本专利技术能够有效地对网络中各监测节点进行权限分配。M2M网络中监测节点进行权限分配，可将M2M网络中事件发生频率明显高于事件平均发生频率的监测节点从网络中标记出，将其Priority置1，即为高能耗节点。在上述步骤4中，本专利技术M2M网络执行信道争用操作，监测节点发生信道争用的的情况可分为三种，包括：1、高能耗节点与低能耗节点之间发生的信道争用；2、高能耗节点与高能耗节点之间发生的信道争用；3、低能耗节点与低能耗节点之间发生的信道争用。其中，本专利技术的高能耗节点与低能耗节点之间发生的信道争用方法，包括：高能耗节点A与低能耗节点B同时向AP节点发出RTS请求；当AP节点检测到冲突产生时，AP节点向M2M网络中发出询问信息，询问是否有高能耗节点需要数据上传；A节点收到询问信息后向AP节点发出确认信息，确认其为高能耗节点，B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤： 步骤1：对M2M网络中监测节点进行权限分配； 步骤2：周期性检测M2M网络中监测节点运行状态，当监测节点处于空闲状态时执行步骤3，当监测节点处于数据待发送状态时执行步骤4； 步骤3：监测节点执行休眠操作，间隔一段时间后执行步骤2； 步骤4：M2M网络执行信道争用操作，监测节点获取信道使用权后，执行步骤5； 步骤5：监测节点上传数据，数据上传完成后执行步骤2。

【技术特征摘要】
1.一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤： 
步骤1：对M2M网络中监测节点进行权限分配； 
步骤2：周期性检测M2M网络中监测节点运行状态，当监测节点处于空闲状态时执行步骤3，当监测节点处于数据待发送状态时执行步骤4； 
步骤3：监测节点执行休眠操作，间隔一段时间后执行步骤2； 
步骤4：M2M网络执行信道争用操作，监测节点获取信道使用权后，执行步骤5； 
步骤5：监测节点上传数据，数据上传完成后执行步骤2。 
2.根据权利要求1所述的一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，其特征在于，所述方法对M2M网络中监测节点进行权限分配，具体为： 
M2M网络中监测节点均设置参数Priority,用于记录该节点的权限。其中，节点Priority＝0表示低权限，节点为低能耗节点；节点Priority＝1表示高权限，节点为高能耗节点。各监测节点Priority初值均设为0； 
AP节点中设置参数count_up[i](i＝1,2,3…)，用于记录各监测节点的数据上传次数，count_up[i](i＝1,2,3…)初始值均设为0，每次监测节点i上传数据成功时count_up[i]+1； 
AP节点中设置参数count_all，用于记录M2M网络中监测节点上传总数，count_all初始值设为0，每次有节点上传数据成功时count_all+1； 
AP节点中设置参数count_num，用于记录M2M网络中节点总数，AP节点通过查看路由表信息获取count_num值； 
AP节点中设置常数N，用于M2M网络中监测节点权限分配时，对设定高能耗节点的标准进行控制。 
AP节点中设置常数Ejudge，监测节点能量消耗至Ejudge时向AP节点请求权限变更。 
本发明设置上述参数完毕后，根据各监测节点事件发生量进行权限的分配方法，具体包括： 
以监测节点i为例，当监测节点i能量值低于Ejudge时，监测节点i向AP节点发出权限变更请求，AP节点根据监测节点i对应的count_up[i]值与网络中监测节点上传次数的均值count_mean进行比较； 
其中，若count_up≥N·count_mean，则AP节点向监测节点i发出允许修改权限的应答，监测节点i收到AP节点的应答...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈珊珊，王夫龙，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32