一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法技术

本发明专利技术属于通信领域，具体涉及一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法。本发明专利技术包括初始化生成DATA报文、发送RTS报文、接收RTS报文、发送CTS报文、接收CTS报文、发送DATA报文、接收DATA报文、发送REQ报文、接收REQ报文、发送SRQ报文、接收SRQ报文、发送ACK报文、接收ACK报文等处理过程，本发明专利技术通过监听下一跳节点发送的信道预约请求RTS报文以及下二跳节点的REQ报文判断自身报文传输的正确性，从而及时调整更改路径信息以解决失效中继节点的规避、中断传输链路的修复问题；在有限的控制开销内，未增加额外的控制报文字段，有效避免因传输链路失效所导致的网络拥塞甚至瘫痪，从而增强了报文传输链路的鲁棒性，提高了网络生命周期，使之更加适应无线传感器组网要求。

A Design Method of MAC Layer Transport Protocol with Restricted Control Overhead

The invention belongs to the field of communication, in particular to a design method of MAC layer transmission protocol with limited control overhead. The invention includes the process of initializing and generating DATA message, sending RTS message, receiving RTS message, sending CTS message, receiving CTS message, sending DATA message, receiving DATA message, sending REQ message, receiving REQ message, sending SRQ message, receiving SRQ message, sending ACK message, receiving ACK message and so on. The invention requests RTS message by monitoring the channel reservation sent by the next hop node. As well as the REQ message of the next two hop node judges the correctness of its own message transmission, so as to adjust the change path information in time to solve the problem of avoidance and interruption of transmission link repair of the failed relay node; within the limited control overhead, no additional control message segment is added to effectively avoid network congestion or even paralysis caused by transmission link failure, thus enhancing message transmission. The robustness of the transmission link improves the network life cycle and makes it more suitable for the requirements of wireless sensor networks.

【技术实现步骤摘要】
一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法
本专利技术属于通信领域，具体涉及一种适用于无线传感器网络的控制开销受限的MAC层传输协议设计方法。
技术介绍
竞争型MAC协议是根据信道的分配方式进行分类的一种MAC协议。当无线节点需要发送数据时，主动抢占信道，当在其通信范围内的其它无线节点需要发送数据时，也会发起对无线信道的抢占，这就需要相应的机制来保证任一时刻在通信的区域内只能有一个无线节点获得信道的使用权。S-MAC协议是由US/ISI的WeiYe等人，在802.11MAC协议基础上提出的一种基于竞争的无线传感器网络的MAC协议。S-MAC协议针对传感器网络降低能耗的需求，从三方面进行改进：采用周期性的睡眠和监听方式来减少能量损耗；采用串扰避免机制避免串扰数据包的接收；采用消息传递机制来减少控制数据带来的能量开销。相比于802.11，S-MAC提高了网络的能效性，延长了网络的生命周期。S-MAC协议的访问机制大体如下：当网络中有数据发送需求时，源节点以广播的形式向邻居节点发送访问请求RTS(requesttosend)报文对信道进行请求。邻居节点收到该消息后，若节点空闲则回复CTS(cleartosend)报文，即两节点握手成功。源节点接收到CTS后可以一次发送多帧数据，目的节点对数据进行错误校验，若存在不可恢复的错误则丢弃此帧，向源节点发送SRQ(selectiveautomaticrepeatrequest)报文，其中包括请求重发的帧序列号，源节点接收到SRQ报文后，重新发送被请求重发的数据帧，直到目的节点回复ACK(acknowledgement)报文或者重发计数器超时。对于无线传感器网络而言，由于传感器节点的能量有限，且大多数情况下电源不可替换，使得有限的能源制约着传感器节点的使用寿命。MAC层协议通常从减小空闲监听、避免消息碰撞、减少串音、降低控制报文开销等方面进行能量优化。当节点能量耗尽，链路发生断路时，受影响的通信节点不得不重新建立链路，这很大程度上会引起网络的拥塞和网络生命周期的缩短。考虑一种极限情况，如果链路频繁断路，每次进行通信的时候都要反复执行握手过程，如此整个网络基本陷于瘫痪。因此，对于无线传感器网络而言，用尽可能少的控制开销来保证链路的可靠性和稳定性，对提高网络的能效性和延长网络的生命周期尤为关键。相比其他的经典协议，S-MAC在能量开销方面具有一定优势。S-MAC采用周期性的睡眠和监听方式，网络中的节点使用相同的睡眠和唤醒方式，所有节点以相同的占空比进行工作，当节点处于睡眠状态时，会自动关闭射频收发器以节省能量。网络高负载时，侦听阶段得到充分利用，而低负载时，睡眠阶段更好的节省了能量。并且S-MAC的消息传递机制通过RTS/CTS，DATA/ACK的握手避免了消息的碰撞，有效减少了节点间的冲突。但是，对于链路可靠性要求较高，控制开销受限的无线传感器网络，S-MAC协议不能通过有限控制开销的消息传递机制发现损坏节点并及时通知源节点更换发送路径，造成了数据的丢失，能量的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于控制开销受限情况下无线传感器网络MAC层传输协议的设计方法，该方法通过监听两跳通信范围内节点发送的报文信息检测中断链路的发生，及时修改路径决策，维护网络运行的可靠性。该方法有效地降低MAC层传输协议的控制开销，能够在控制开销受限情况下，及时发现网络内的中断链路并修正路径决策，保证数据报文传输的可靠性。本专利技术的目的是这样实现的：一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，包括以下步骤：(1)产生数据发送需求时，源节点初始化生成DATA报文；(2)节点发送RTS报文；(3)下一跳节点接收RTS报文；(4)下一跳节点发送CTS报文；(5)上一跳节点接收CTS报文；(6)上一跳节点发送DATA报文；(7)判断下一跳节点能否收到DATA报文，若不能则下一跳节点发送REQ报文，上一跳节点接收REQ报文后，重复步骤(2)，否则执行步骤(8)；(8)下一跳节点接收到DATA报文后判断数据信息是否存在错误帧，若存在则下一跳节点发送SRQ报文，上一跳节点接收SRQ报文后，重复步骤(6)，否则执行步骤(9)；(9)判断下一跳节点是否为目的节点，若不是则重复步骤(2)，否则执行步骤(10)；(10)下一跳节点发送ACK报文，上一跳节点接收ACK报文，流程结束。所述网络节点初始化生成DATA报文的处理过程具体步骤如下：(1.1)初始化生成DATA报文网络节点将监测收集到的原始数据信息初始化生成DATA报文，其中的SrcID字段为源节点地址，设置为本地节点地址；DestID字段为目的节点地址，根据数据信息发送需求决定；NexthopID字段为下一跳节点地址，根据查找自身路由表中到达目的地址的路由信息决定；PacketType字段为DATA报文类型；PacketID字段设置为报文信息缓存区中PacketID最大值加1；HopCount字段设置为1，Data为具体数据信息；继续执行步骤(1.2)；(1.2)将初始化生成的DATA报文信息存入自身报文信息缓存区，并发送RTS报文预约信道发送该DATA报文，具体详见发送RTS报文的处理过程，该处理过程结束。所述网络节点发送RTS报文的处理过程具体步骤如下：(2.1)初始化RTS报文网络节点发送DATA报文前需要初始化生成信道预约请求RTS报文，其中的DestID字段为目的节点地址，设置为DATA报文的DestID；NexthopID字段为下一跳节点地址，设置为DATA报文的下一跳节点地址；PacketType字段为RTS报文类型；PacketID字段设置为DATA报文的PacketID；HopCount字段设置为DATA报文的HopCount；将该步骤初始化生成的RTS报文信息存入自身报文信息缓存区，并将该初始化生成的RTS报文发送次数清零，继续执行步骤(2.2)；(2.2)发送RTS报文网络节点将RTS报文广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，该RTS报文发送次数累加器加1，并启动RTS报文计时器开始计时，继续执行步骤(2.3)；(2.3)如果在RTS报文计时器规定时间内成功接收到下一跳网络节点回复的CTS报文，则继续执行网络节点接收CTS报文的处理过程，该处理过程结束；否则需进一步判断该RTS报文发送次数是否不大于最大报文发送次数，如果是，随机退避等待时间后执行步骤(2.2)，否则继续执行步骤(2.4)；(2.4)在自身报文信息缓存区提取原RTS报文信息，并重新生成新的信道预约请求RTS报文，其中新RTS报文的NexthopID字段根据查找自身路由表中到达目的地址的路由信息，选择与原RTS报文中下一跳节点不同的节点地址；其他字段信息保持不变，并将新的RTS报文信息存入自身报文信息缓存区，RTS报文发送次数清零，执行步骤(2.2)；所述网络节点接收RTS报文的处理过程具体步骤如下：(3.1)判断发送该RTS报文的节点是否为本地节点的下一跳网络节点成功接收RTS报文的网络节点根据DestID以及PacketID字段判断自身报文信息缓存区中是否存储对应的DATA报文并且该DATA报文的HopCount为接收到RTS报文的HopCount-1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，包括以下步骤：(1)产生数据发送需求时，源节点初始化生成DATA报文；(2)节点发送RTS报文；(3)下一跳节点接收RTS报文；(4)下一跳节点发送CTS报文；(5)上一跳节点接收CTS报文；(6)上一跳节点发送DATA报文；(7)判断下一跳节点能否收到DATA报文，若不能则下一跳节点发送REQ报文，上一跳节点接收REQ报文后，重复步骤(2)，否则执行步骤(8)；(8)下一跳节点接收到DATA报文后判断数据信息是否存在错误帧，若存在则下一跳节点发送SRQ报文，上一跳节点接收SRQ报文后，重复步骤(6)，否则执行步骤(9)；(9)判断下一跳节点是否为目的节点，若不是则重复步骤(2)，否则执行步骤(10)；(10)下一跳节点发送ACK报文，上一跳节点接收ACK报文，流程结束。

【技术特征摘要】
1.一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，包括以下步骤：(1)产生数据发送需求时，源节点初始化生成DATA报文；(2)节点发送RTS报文；(3)下一跳节点接收RTS报文；(4)下一跳节点发送CTS报文；(5)上一跳节点接收CTS报文；(6)上一跳节点发送DATA报文；(7)判断下一跳节点能否收到DATA报文，若不能则下一跳节点发送REQ报文，上一跳节点接收REQ报文后，重复步骤(2)，否则执行步骤(8)；(8)下一跳节点接收到DATA报文后判断数据信息是否存在错误帧，若存在则下一跳节点发送SRQ报文，上一跳节点接收SRQ报文后，重复步骤(6)，否则执行步骤(9)；(9)判断下一跳节点是否为目的节点，若不是则重复步骤(2)，否则执行步骤(10)；(10)下一跳节点发送ACK报文，上一跳节点接收ACK报文，流程结束。2.根据权利要求1所述的一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，其特征在于，所述网络节点初始化生成DATA报文的处理过程具体步骤如下：(1.1)初始化生成DATA报文网络节点将监测收集到的原始数据信息初始化生成DATA报文，其中的SrcID字段为源节点地址，设置为本地节点地址；DestID字段为目的节点地址，根据数据信息发送需求决定；NexthopID字段为下一跳节点地址，根据查找自身路由表中到达目的地址的路由信息决定；PacketType字段为DATA报文类型；PacketID字段设置为报文信息缓存区中PacketID最大值加1；HopCount字段设置为1，Data为具体数据信息；继续执行步骤(1.2)；(1.2)将初始化生成的DATA报文信息存入自身报文信息缓存区，并发送RTS报文预约信道发送该DATA报文，具体详见发送RTS报文的处理过程，该处理过程结束。3.根据权利要求1所述的一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，其特征在于，所述网络节点发送RTS报文的处理过程具体步骤如下：(2.1)初始化RTS报文网络节点发送DATA报文前需要初始化生成信道预约请求RTS报文，其中的DestID字段为目的节点地址，设置为DATA报文的DestID；NexthopID字段为下一跳节点地址，设置为DATA报文的下一跳节点地址；PacketType字段为RTS报文类型；PacketID字段设置为DATA报文的PacketID；HopCount字段设置为DATA报文的HopCount；将该步骤初始化生成的RTS报文信息存入自身报文信息缓存区，并将该初始化生成的RTS报文发送次数清零，继续执行步骤(2.2)；(2.2)发送RTS报文网络节点将RTS报文广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，该RTS报文发送次数累加器加1，并启动RTS报文计时器开始计时，继续执行步骤(2.3)；(2.3)如果在RTS报文计时器规定时间内成功接收到下一跳网络节点回复的CTS报文，则继续执行网络节点接收CTS报文的处理过程，该处理过程结束；否则需进一步判断该RTS报文发送次数是否不大于最大报文发送次数，如果是，随机退避等待时间后执行步骤(2.2)，否则继续执行步骤(2.4)；(2.4)在自身报文信息缓存区提取原RTS报文信息，并重新生成新的信道预约请求RTS报文，其中新RTS报文的NexthopID字段根据查找自身路由表中到达目的地址的路由信息，选择与原RTS报文中下一跳节点不同的节点地址；其他字段信息保持不变，并将新的RTS报文信息存入自身报文信息缓存区，RTS报文发送次数清零，执行步骤(2.2)；所述网络节点接收RTS报文的处理过程具体步骤如下：(3.1)判断发送该RTS报文的节点是否为本地节点的下一跳网络节点成功接收RTS报文的网络节点根据DestID以及PacketID字段判断自身报文信息缓存区中是否存储对应的DATA报文并且该DATA报文的HopCount为接收到RTS报文的HopCount-1，如果是，则说明下一跳中继节点已成功接收DATA报文，该处理过程结束；否则继续执行步骤(3.2)；(3.2)判断本地节点是否为该RTS报文的下一跳网络节点成功接收RTS报文的网络节点判断本地节点地址与RTS报文中的NexthopID是否不相同，如果是，直接丢弃该RTS报文，该处理过程结束；否则将该RTS报文信息存入自身报文信息缓存区，继续执行步骤(3.3)；(3.3)回复CTS报文初始化生成CTS报文并将其广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，具体详见发送CTS报文的处理过程，该处理过程结束。4.根据权利要求1所述的一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，其特征在于，所述网络节点发送CTS报文的处理过程具体步骤如下：(4.1)初始化CTS报文网络节点根据接收到的RTS报文信息初始化生成CTS报文，其中的DestID字段为目的节点地址，设置为RTS报文中的DestID；PacketType字段为CTS报文类型；PacketID字段设置为RTS报文的PacketID；HopCount字段设置为RTS报文的HopCount+1，将该CTS报文信息存入自身报文信息缓存区，报文发送次数清零，继续执行步骤(4.2)；(4.2)发送CTS报文网络节点将CTS报文广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，该CTS报文发送次数累加器加1，并启动CTS报文计时器开始计时，继续执行步骤(4.3)；(4.3)如果在计时器规定时间内成功接收到上一跳网络节点发送的DATA报文，则继续执行网络节点接收DATA报文的处理过程，该处理过程结束；否则需进一步判断该CTS报文发送次数是否不大于最大报文发送次数，如果是，随机退避等待时间后执行步骤(4.2)，否则继续执行步骤(4.4)；(4.4)回复REQ报文初始化生成REQ报文并将其广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，具体详见发送REQ报文的处理过程，该处理过程结束；所述网络节点接收CTS报文的处理过程具体步骤如下：(5.1)判断是否为此次路由中的上一跳节点判断自身报文信息缓存区中存储RTS报文的DestID，PacketID信息是否与接收到CTS报文的DestID，PacketID信息相同，并且RTS报文的HopCount值等于接收到CTS报文的HopCount-1；如果满足上述判断条件，则继续执行步骤(5.2)，否则直接删除该CTS报文，该处理过程结束；(5.2)判断与接收到CTS报文对应的RTS报文计时器是否超时，如果是，则直接删除该CTS报文，该处理过程结束，否则继续执行步骤(5.3)；(5.3)发送DATA报文网络节点根据接收到的CTS报文中DestID以及PacketID字段信息将对应的DATA报文广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，具体详见发送DATA报文的处理过程，该处理过程结束。5.根据权利要求1所述的一种控制开销受限的MAC层传输协议设计方法，其特征在于，所述网络节点发送DATA报文的处理过程具体步骤如下：(6.1)将DATA报文广播发送给其通信覆盖范围内的其他网络节点，该DATA报文发送次数累加器加1，并启动DATA报文计时器开始计时；(6.2)如果在DATA报文计时器规定时间内接收到下一跳节点回复的SRQ报文、ACK报文或监听到下一跳节点发送的RTS报文，该处理过程结束，否则执行步骤(6.3)；其中SRQ报文具体详见接收SRQ报文的处理过程，ACK报文具体详见接收ACK报文的处理过程，RTS报文具体详见接收RTS报文的处理过程；(6.3)判断该DATA报文发送次数是否不大于最大报文发送次数，如果是，随机退避等待时间后执行步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘彤，杨帆，张林波，徐瑛程，郝婧，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23