一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统技术方案

技术编号:9697582 阅读:126 留言:0更新日期:2014-02-21 06:51
本发明专利技术涉及一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统,属于无线传感器网络技术领域。本发明专利技术根据节点距离SINK节点的跳距不同,将网络划分为不同等级的区域,所有区域的节点都执行周期调度的工作方式,将每个周期分为周期数据接收时段、周期数据发送时段和周期睡眠时段,相邻区域节点的周期调度交错设置,以数据向低等级的节点传递,直至SINK节点,降低了对网络节点同步的要求,减少了每跳的数据传递等待时延;数据传递过程中利用节点的等级选择接收节点,将MAC和数据递送的路由结合在一起,因此,不需要上层路由协议的支撑,减少了控制开销,实现简单。

【技术实现步骤摘要】
一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统
本专利技术涉及一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统,属于无线传感器网络

技术介绍
无线传感器网络的寿命受到采用电池供电的节点生命期限制,因此在考虑无线传感器网络应用要求的前提下,能量有效性是无线传感器网络设计中首要考虑的基础问题,涉及所有协议层。无线传感器网络的MAC协议处于无线传感器网络协议的底层部分,决定无线信道的使用方式,直接影响无线资源的使用效率、网络吞吐量和时延等重要性能,是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络能量有限的特点,决定了MAC协议的设计必须以节能为主要目标。传统无线网络的MAC协议要求节点始终唤醒侦听信道,没有考虑节能问题,因此不适合无线传感器网络。为了实现节能,为无线传感器网络设计的许多MAC协议都采用了占空比机制。在基于占空比机制的MAC协议中,节点周期唤醒和睡眠,为了邻居节点能同步唤醒,要求邻居节点要同步,每个节点要维持一个邻居节点的调度表。SMAC是为无线传感器网络提出的基于占空比机制的典型MAC协议,在它的基础上相继提出了TMAC、RMAC、PMAC、ASMAC等多种基于占空比的MAC协议。这类协议不需要网络节点严格的全局时间同步,仅需要局部的同步,具有执行简单、扩展性好及适应拓扑变化能力强等优点;但由于相邻虚拟簇之间调度周期的不同步,使得报文的递送在每跳都存在一个不确定的等待时延,造成报文的多跳递送时延较大且具有不确定性。另外这类协议需要路由协议提供接收节点的地址,增加了控制开销。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统,以解决基于占空比机制MAC协议所存在的不同程度递送时延问题以及需要独立路由协议支撑数据传递所带来的网络控制开销大的问题。本专利技术为解决上述技术问题而提供一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法,该通信方法包括如下步骤:1)根据无线传感器网络各节点距离SINK节点的跳距,对各节点分配一相应的等级;2)将无线传感器网络中的各节点的每个工作周期化分为数据接收时段TR、数据发送时段TS和睡眠时段Tsleep,且数据接收时段TR等于数据发送时段TS;3)设置各等级节点的启动工作时间,使相同等级区域的节点周期调度同步,使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应,处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应,其中N为节点所处的最高等级,1≤i≤N-1;4)当节点处于工作周期的数据接收时段时,设置一个最大空闲侦听时间,在该侦听时间内,判断侦听到的RTS消息内容中节点的等级是否大于该节点的等级,当且仅当RTS消息中包含的节点等级比当前接收节点的等级大1时,则节点在信道空闲时接收信息,否则该节点丢弃该RTS消息直接进入睡眠状态,直至该数据接收时段结束;5)当节点处于工作周期的数据发送时段且有数据需要发送时,侦听信道并在信道空闲时发送数据,否则节点进入睡眠状态,直至当前周期数据发送时段时间结束。所述步骤1)中对节点划分等级是通过SINK节点采用洪泛协议向网络中所有节点发送一个StartMessage消息实现的,StartMessage消息中包含一个跳距字段Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时间值t1及发送该消息时节点当前的时间戳值。所述各等级节点的启动工作时间为Tim,Tim=t1+(N-i)TS-R其中,i为节点所处的等级,TS-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数据时段的时间,TR=TS=TS-R,N为节点所处的最高等级,t1为网络开始周期工作的初始时间,由网络初始化阶段的工作持续时间确定,t1=t0+Tgt0是网络开始初始化时SINK节点的时间,Tg是网络初始化阶段所使用的时间,由用户设置。所述各节点的每个工作周期都是按照接收时段、发送时段和睡眠时段的顺序执行的。所述步骤4)中当侦听到的RTS消息内容中节点的等级小于该节点的等级时,说明节点发生移动,将当前接收节点的等级设置为与发送RTS消息的节点等级相同,丢弃该RTS消息,进入睡眠状态,直至周期数据接收时段时间结束。本专利技术为解决上述技术问题还提供了一种跨层无线传感器网络MAC协议通信系统,其特征在于,该通信系统包括各无线传感器节点和SINK节点,所述的无线传感器节点根据其距SIKN节点的跳距而被分配一相应的等级,各节点的每个工作周期化分为数据接收时段TR、数据发送时段TS和睡眠时段Tsleep,且数据接收时段TR等于数据发送时段TS,通过设置各等级节点的工作时间,使相同等级区域的节点周期调度同步,使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应,处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应,其中N为节点所处的最高等级,1≤i≤N-1。所述的对节点划分等级是通过SINK节点采用洪泛协议向网络中所有节点发送一个StartMessage消息实现的,StartMessage消息中包含一个跳距字段Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时间值t1及发送该消息时节点当前的时间戳值。所述各等级节点的启动工作时间为Tim,Tim=t1+(N-i)TS-R其中,i为节点所处的等级,TS-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数据时段的时间,TR=TS=TS-R,N为节点所处的最高等级,t1为网络开始周期工作的初始时间,由网络初始化阶段的工作持续时间确定,t1=t0+Tgt0是网络开始初始化时SINK节点的时间,Tg是网络初始化阶段所使用的时间,由用户设置。所述各节点的每个工作周期都是按照接收时段、发送时段和睡眠时段的顺序执行。本专利技术的有益效果是:本专利技术根据节点距离SINK节点的跳距不同,将网络划分为不同等级的环行区域,所有区域的节点都执行周期调度的工作方式,每个周期分为周期数据接收时段、周期数据发送时段和周期睡眠时段,同一区域内的节点周期调度同步,相邻区域节点的周期调度交错设置,处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应,处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应,从而实现数据向低等级的节点传递,直至SINK节点,降低了对网络节点同步的要求,减少了每跳的数据传递等待时延;数据传递过程中利用节点的等级选择接收节点,将MAC和数据递送的路由结合在一起,因此,不需要上层路由协议的支撑,减少了控制开销,实现简单。附图说明图1是本专利技术无线传感器网络中节点生命期的工作过程示意图;图2是本专利技术无线传感器网络中节点以等级分区域的示意图;图3是本专利技术无线传感器网络中节点启动和周期调度工作示意图;图4是本专利技术无线传感器网络中周期数据传递过程实例图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步的说明。针对无线传感器网络的特征提出的一类SMAC协议利用周期侦听/睡眠机制,把网络节点分为不同的虚拟簇,采用IEEE802.11的RTS/CTS/DATA/ACK数据本文档来自技高网...
一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统

【技术保护点】
一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法,其特征在于,该通信方法包括如下步骤:1)根据无线传感器网络各节点距离SINK节点的跳距,对各节点分配一相应的等级;2)将无线传感器网络中的各节点的每个工作周期化分为数据接收时段TR、数据发送时段TS和睡眠时段Tsleep,且数据接收时段TR等于数据发送时段TS;3)设置各等级节点的启动工作时间,使相同等级区域的节点周期调度同步,使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i?1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应,处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应,其中N为节点所处的最高等级,1≤i≤N?1;4)当节点处于工作周期的数据接收时段时,设置一个最大空闲侦听时间,在该侦听时间内,判断侦听到的RTS消息内容中节点的等级是否大于该节点的等级,当且仅当RTS消息中包含的节点等级比当前接收节点的等级大1时,则节点在信道空闲时接收信息,否则该节点丢弃该RTS消息直接进入睡眠状态,直至该数据接收时段结束;5)当节点处于工作周期的数据发送时段且有数据需要发送时,侦听信道并在信道空闲时发送数据,否则节点进入睡眠状态,直至当前周期数据发送时段时间结束。...

【技术特征摘要】
1.一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法,其特征在于,该通信方法包括如下步骤:1)根据无线传感器网络各节点距离SINK节点的跳距,对各节点分配一相应的等级;2)将无线传感器网络中的各节点的每个工作周期化分为数据接收时段TR、数据发送时段TS和睡眠时段Tsleep,且数据接收时段TR等于数据发送时段TS;3)设置各等级节点的启动工作时间,使相同等级区域的节点周期调度同步,使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应,处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应,其中N为节点所处的最高等级,1≤i≤N-1;4)当节点处于工作周期的数据接收时段时,设置一个最大空闲侦听时间,在该侦听时间内,判断侦听到的RTS消息内容中节点的等级是否大于该节点的等级,当且仅当RTS消息中包含的节点等级比当前接收节点的等级大1时,则节点在信道空闲时接收信息,否则该节点丢弃该RTS消息直接进入睡眠状态,直至该数据接收时段结束;5)当节点处于工作周期的数据发送时段且有数据需要发送时,侦听信道并在信道空闲时发送数据,否则节点进入睡眠状态,直至当前周期数据发送时段时间结束;该方法将MAC和数据递送的路由结合在一起,不需要上层路由协议的支撑,减少了控制开销;所述各等级节点的启动工作时间为Tim,Tim=t1+(N-i)TS-R其中,i为节点所处的等级,TS-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数据时段的时间,TR=TS=TS-R,N为节点所处的最高等级,t1为网络开始周期工作的初始时间,由网络初始化阶段的工作持续时间确定,t1=t0+Tgt0是网络开始初始化时SINK节点的时间,Tg是网络初始化阶段所使用的时间,由用户设置。2.根据权利要求1所述的跨层无线传感器网络MAC协议通信方法,其特征在于,所述步骤1)中对节点划分等级是通过SINK节点采用洪泛协议向网络中所有节点发送一个StartMessage消息实现的,StartMessage消息中包含一个跳距字段Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时间值t1及发送该消息时节点当前的时间戳值。3.根据权利要求1所述的跨层无线传感器网络MAC协议通信方...

【专利技术属性】
技术研发人员:郑国强李济顺亢丙午李冰侯云山祁志娟徐素莉陈建华刘伟高宏峰沈森王斐
申请(专利权)人:河南科技大学
类型:发明
国别省市:

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