无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法技术

无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法，该协议将节点预约数据时隙的过程分为可搭载预约和不可搭载预约两种方式，减少竞争周期的空闲时间及数据传输的等待时间，折中时延与能效的关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及MAC协议，具体说的是无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信模式，相互传递信息，协作地完成特定功能的智能专用网络，现已广泛应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等方面[1]。无线传感器网络通常包括传感器节点(SensorNode)、汇聚节点(SinkNode)和终端用户(end-user)。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术及软件编程技术等，可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的各种环境及监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传递给终端用户[2]。在无线传感器网络中，媒体访问控制(MediumAccessControl，MAC)协议决定了无线信道的使用方式，通过在无线传感器网络节点之间分配有限的无线信道资源，建立可靠的点到点或点到多点的通信链路。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能有较大影响，其设计的好坏是决定无线传感器网络通信高效性的关键因素之一。无线传感器网络的性能，如吞吐量、延迟性能等完全取决于所采用的MAC协议[3]。本文主要研究的是基于BMA的MAC协议。BMA协议是一种内部分簇的通信协议，适用于大规模无线传感器网络。它改进了传统的TDMA协议，通过减少空闲侦听的时间，从而降低了能耗。在传统的TDMA协议中[4][5]，信道被分成若干个时隙，每个节点只在分配的时隙内被唤醒并发送数据，其余时隙保持睡眠模式，如图1，TDMA协议有效地避免了因信道竞争而产生的数据碰撞[6][7]。然而在业务量较低时，无论是否有数据包需要发送，源节点都会在固定时隙被唤醒，同时簇头节点一直处于唤醒状态，直接增加了空闲侦听，造成大量的能量浪费[8]。针对这一问题，JingLi及GeorgiosY.Lazarou对TDMA协议做出极大的改进，提出了BMA(bit-map-assisted)协议[9]。如图2，该协议每一帧都包含一个竞争周期，每一帧都进行一次时隙分配。在竞争周期中，所有节点的收发器处于开启状态，每个节点分配一个固定的时隙，有数据需要发送时，源节点向簇头节点发送1bit控制信息，簇头为这些节点分配数据时隙。在源节点依次发送完数据后，簇头节点进入睡眠状态，直到下一帧开始[10]。为了进一步减少能耗，ShafiullahGM等人在BMA的基础上改进了节点预约数据时隙的方式，提出了能量高效性的E-BMA(energy-efficientbit-map-assisted)协议[11]。如图3所示，该协议设置为事件驱动型。当有特定的驱动事件发生时，源节点不会立即在竞争周期进行预约，而是额外等待一帧，通过为每个数据包分配1bit报头来确认是否有连续的数据包需要发送，若有，则通过搭载来预约下一帧的数据时隙[12]。因而，在下一竞争周期中，源节点不需要发送控制信息，收发器处于关闭状态，这使得E-BMA协议的能量高效性优于BMA协议。但是额外等待的这一帧，又明显增加了数据传输的时延。参考文献：[1]董义,周亮,张爱清,等.移动自适应的无线传感器网络MAC协议研究进展[J].南京邮电大学学报:自然科学版,2014,34(2):10-18.[2]刘韬,李天瑞,殷锋,等.基于网络效用最大化与冲突避免的无线传感器网络MAC协议[J].计算机应用,2014,34(11):3196-3200.[3]解瑞云,马同伟,海本斋.利用发送和接收时隙分配策略改善无线传感器网络MAC协议能效[J].计算机应用研究,2016,33(2):562-566.[4]AkyildizIF,SuW,SankarasubramaniamY,etal.Asurveyonsensornetworks[J].CommunicationsMagazineIEEE,2002,40(8):102-114.[5]AmdouniI,AdjihC,MinetP,etal.DelayanalysisofSTDMAingridwirelesssensornetworks[C]//InternationalConferenceonMilitaryCommunicationsandInformationSystems.2016.[6]BhatiaA,HansdahRC.TRM-MAC:ATDMA-basedReliableMulticastMACProtocolforWSNswithFlexibilitytoTrade-OffBetweenLatencyandReliability[J].ComputerNetworks,2016,104:79-93.[7]ShafiullahGM,ThompsonA,WolfsPJ,etal.Energy-efficientTDMAMACprotocolforwirelesssensornetworksapplications[C]//ComputerandInformationTechnology,2008.ICCIT2008.11thInternationalConferenceon.2008:85-90.[8]ChandT,KakriaA.Comparativeanalysisofacontentionbased(RI-MAC)andTDMAbased(ATMA)MACprotocolsforWirelessSensorNetworks[C]//Sensors.IEEE,2015.[9]LiJ,LazarouGY.Abit-map-assistedenergy-efficientMACschemeforwirelesssensornetworks[C]//InternationalSymposiumonInformationProcessinginSensorNetworks.IEEE,2004:55-60.[10]任秀丽,杜吉丽,尹凤杰,等.应用于中等负载无线传感器网络的节能型MAC协议[J].计算机应用研究,2010,27(4):1410-1411.[11]ShafiullahGM,AzadSA,AliABMS.Energy-EfficientWirelessMACProtocolsforRailwayMonitoringApplications[J].IEEETransactionsonIntelligentTransportationSystems,2013,14(14):649-659.[12]PhiliposeA,RajeshA.PerformanceanalysisofanimprovedenergyawareMACprotocolforrailwaysystems[C]//InternationalConferenceonElectronicsandCommunicationSystems.IEEE,2015.[13]SazakN,ErturkI,KoklukayaE,etal.AneventdrivenslotallocationapproachtoTDMAba本文档来自技高网...

【技术保护点】
无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法，协议按轮进行实现，每一轮都包含建立阶段和稳定状态阶段；其特征在于：A、建立阶段从所有节点中选择簇头节点，以及该簇头节点对应的传感器节点，完成簇的建立；假设网络包含多个固定的簇，每个簇中只有一个簇头节点处于簇的中间位置，源节点直接和簇头节点进行数据通信，在建立阶段，簇头节点发送广播告知同簇内其它的传感器节点当前轮的开始、帧的起止时间及每轮中帧的数目；B、稳定状态阶段稳定状态阶段包括竞争周期和数据传输周期，在稳定状态阶段，同簇内的其它传感器节点将采集的数据传送到簇头节点，簇头节点对采集的数据进行数据融合后，发送到基站或控制中心来进行数据的处理；竞争周期内，每个节点在竞争周期中分配一个固定的时隙，当有特定的驱动事件发生于节点K时记为E1，节点在紧邻一帧记为帧F，节点在紧邻一帧的竞争周期发送1bit控制信息来预约数据时隙，事件再次发生于节点K时记为E2，根据E2发生的位置，为E1的数据包分配1bit报头来进行搭载预约，在竞争周期结束后，簇头节点建立并向源节点广播一个传输调度，源节点在所分配的数据时隙转发数据包到簇头节点；由于E2是会随机产生的，源节点需要根据E2发生的位置动态的选择是否可搭载预约，分为以下两种情况：(1)E2在帧F开始之前发生，可搭载预约：数据包连续传输，不需要额外等待一帧，E1直接在帧F的竞争周期预约，而E2通过对E1的数据包分配1bit报头进行搭载预约，不需要发送控制信息时，节点的收发器关闭，处于睡眠状态；(2)E2在帧F开始之后发生，不可搭载预约：该情况下数据包不能通过搭载预约，在帧F结束之前发生的数据包连续传输，节点只能在竞争周期通过发送控制信息的方式来预约；在数据传输周期内，数据传输周期包含一个或多个数据时隙，每个时隙的大小及持续时间固定，在数据传输周期内，源节点在分配的时隙打开收发器，转发数据到簇头节点，每帧最多只能发送一次，如果没有节点需要发送数据，则进入空闲周期，直到下一帧开始或节点被特定的驱动事件唤醒；C、数据处理阶段在接收完当前轮中所有节点所发送的数据后，簇头节点先在本地进行融合处理，融合后的数据采用LEACH协议的方式，以扩频码和CSMA的方式从簇头节点发送到基站，簇头节点在发送融合的数据之前，先进行信道感知，确定信道是否正在被占用，如果信道被占用，则簇头节点进入等待阶段，直到信道空闲，簇头节点发送数据到基站，在经过一段预定的时间之后，整个系统进入下一轮，重复以上所有过程。...

【技术特征摘要】
1.无线传感器网络的一种低时延高能效TDMA协议的实现方法，协议按轮进行实现，每一轮都包含建立阶段和稳定状态阶段；其特征在于：A、建立阶段从所有节点中选择簇头节点，以及该簇头节点对应的传感器节点，完成簇的建立；假设网络包含多个固定的簇，每个簇中只有一个簇头节点处于簇的中间位置，源节点直接和簇头节点进行数据通信，在建立阶段，簇头节点发送广播告知同簇内其它的传感器节点当前轮的开始、帧的起止时间及每轮中帧的数目；B、稳定状态阶段稳定状态阶段包括竞争周期和数据传输周期，在稳定状态阶段，同簇内的其它传感器节点将采集的数据传送到簇头节点，簇头节点对采集的数据进行数据融合后，发送到基站或控制中心来进行数据的处理；竞争周期内，每个节点在竞争周期中分配一个固定的时隙，当有特定的驱动事件发生于节点K时记为E1，节点在紧邻一帧记为帧F，节点在紧邻一帧的竞争周期发送1bit控制信息来预约数据时隙，事件再次发生于节点K时记为E2，根据E2发生的位置，为E1的数据包分配1bit报头来进行搭载预约，在竞争周期结束后，簇头节点建立并向源节点广播一个传输调度，源节点在所分配的数据时隙转发数据包到簇头节点；由于E2是会随机产生的，源节点需要根据E2发生的位置动态的选择...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国强，孙亚茹，马华红，吴红海，冀保峰，李阳，袁德颖，尚佳庆，王玉婷，李济顺，薛玉君，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41