一种基于无线传感网MAC层协议的节能方法技术

本发明专利技术公开了一种基于无线传感网MAC层协议的节能方法，以解决传感器节点的能耗问题，本发明专利技术采用模糊控制的方法，为节点设置统计监听信道忙次数的计数器，通过在一轮中信道忙的次数来评估网络流量大小，使得本发明专利技术在不需要建立复杂数学模型的前提下，尽可能准确地将节点能量和网络流量的变化反映在节点工作和休眠时间上；采用“通知握手”机制预约信道并通知其他节点占用信道的时间，方便其他节点尽早休眠；采用“失败者延迟竞争”机制保障“通知握手”的成功率，兼顾了节约能量和高效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线传感网MAC层协议的节能方法
本专利技术涉及一种适用于WSN的MAC层通信过程节能方法，属于无线传感网

技术介绍
模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl)简称模糊控制(FuzzyControl)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制系统的架构包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及解模糊化：[1].定义变量，也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作。[2].模糊化，将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值(linguisticvalue)求该值相对的隶属度，此口语化变量称为模糊子集合(fuzzysubsets)。[3].知识库，包括数据库(database)与规则库(rulebase)两部分，其中数据库提供处理模糊数据的相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。[4].逻辑判断，模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊控制讯号。该部分是模糊控制器的精髓所在。[5].解模糊化(defuzzify)，将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。无线传感网(WSN)由许多体积很小的传感器节点组成，这些节点是集成了感知、计算、通信和供电等功能模块的小芯片。目前有各种功能的无线传感网，像环境监测、习惯追踪、健康观测、军事监控等，这些网络都需要较长的工作寿命，但是一旦节点的电池耗完，又难以更换电池。媒体访问控制(MAC)协议用来对接入网络的节点进行控制。对于MAC层协议的研究依次从节省能量、可扩展性、公平性、实时性、网络吞吐量以及信道利用率等几个方面考虑协议的性能。而节省能量成为WSN首先考虑的问题。在WSN中，MAC协议尤其重要，因为如果没有合适的协议控制节点射频芯片适时地唤醒/休眠，就会存在长时间的“空闲监听”，这将导致不必要的能量浪费。理想的WSN是一旦部署就不需要人工干预，通过自组织和自我维护可以工作若干年。因此，对节点能量消耗的严格控制就成了WSN至关重要的研究课题。现有技术中，IEEE802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准，它定义了物理层和媒体访问控制层(MAC层)的标准。IEEE802.11协议应用到无线传感网上存在一定的问题，因为它没有休眠机制，节点一直保持唤醒状态，在空闲监听的时候会有大量的电量被浪费。SMAC协议是由YeW等人较早提出的一种基于调度的WSNMAC协议。在该协议中，节点监听一段时间然后休眠，直到计时器计时完毕重新唤醒。节点之间需要同步，每个节点也向邻居节点广播自己的休眠策略，同时保存相邻节点的下一次休眠的信息。尽管SMAC协议能够有效地减少空闲监听的时间从而节省电量，但是监听时间是固定的，与网络中的流量和节点的剩余能量无关。当网络中流量较小时，就可能存在不必要的监听时间；当网络中流量较大时，监听时间又可能嫌短，导致吞吐量降低。尽管监听时间的长短是由用户定义的，但是只能在网络部署初期定义，且以后不可更改，这就无法适应网络流量和节点能量的变化。
技术实现思路
为了更好地解决上述传感器节点的能耗问题，本专利技术以SMAC协议基本思想为基础，提出一种根据节点能量变化动态调整节点休眠时间、适应网络流量变化的基于无线传感网MAC层协议的节能方法，本专利技术用到的相关术语定义及缩略词如下：WSN/WSNs:WirelessSensorNetworks，无线传感网。MAC:MediumAccessControl，媒体访问控制。IEEE:InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气和电子工程师协会。SMAC:SensorMediumAccessControl，传感器媒体访问控制。RTS:RequestToSend，请求发送。CTS:Cleartosend，允许发送。ACK:Acknowledgement，应答。本专利技术方法具体包括模糊控制动态调节占空比机制、通知握手机制，其中：模糊控制动态调节占空比机制具体为：将一个传感器节点的工作周期划分为两部分，一部分是监听时间，即工作时间，另一部分是休眠时间，工作周期的长度是固定的；设定若干个工作周期为一轮，如可设每100个工作周期划分为1轮；为每个节点设置一个计数器，用来统计该传感器节点在1轮当中有多少个工作周期监听到信道忙，该统计得到的数值是0-100之间的整数，每一轮统计结束后统计结果被重置。本机制利用信道忙闲的程度来代表网络流量的高低程度。根据模糊控制理论，将上述统计得到的数值可能的取值范围(0-100)划分成若干模糊子集，同时也将节点能量按百分比划分成若干模糊子集；再将节点能量(E)和信道忙次数(T)作为输入，占空比(D)作为输出，建立规则库，最后对占空比解模糊，从而获得占空比的精确值，将该占空比精确值作为下一轮的实际占空比的值。通过模糊控制的方法，本轮的节点能量和网络流量可以决定下一轮的工作占空比，以此来动态调整节点的监听时间和休眠时间，在节省能量的同时适应网络流量的变化。上述占空比是指监听时间占整个工作周期的比值，其公式如下：公式1：通知握手机制具体为：网络中的节点采用周期性睡眠和监听方法来减少空闲监听带来的能量损耗。通过选择和维护休眠调度表，使相邻节点组成休眠/唤醒自动同步的虚拟簇，从而实现信息传输的同步，并减少控制开销。节点从休眠中醒来时，首先检查自己的发送缓冲区，如果缓冲区中有数据等待发送，则该节点向信道中发送一个较短的“通知”，用于通知目的节点其发送意图，同时起到竞争信道的作用；如果此时网络中没有其他节点竞争信道，则该“通知”能顺利的发送到其他节点。没有数据发送的节点则处于接收状态，监听信道活动，当收到其他节点发来的“通知”时，首先检查目的地址，判断自己是不是目的节点；目的节点收到“通知”后需要发送一个“响应”，用于通知源节点可以发送数据，即完成一次“通知握手”；随后收发双方采用RTS|CTS|DATA|ACK这一过程传输数据，保障通信过程的可靠性。非目的节点在收到“通知”后记录发送节点预约的传输时间，并将该时间和事先调度的休眠时间进行比较，取较大者作为休眠计时器的初值，因为尽可能长的休眠将最大程度节省能量。但此时该非目的节点并不立即休眠，而是继续保持监听一段时间，设置该时间长度为b，b称为“响应超时时间”，如果在b时间内收到目的节点发送的“响应”，则启动休眠计时器，进入休眠状态；如果在b时间内没有收到目的节点的“响应”，则该节点可以重新参与竞争信道。进一步，还包括失败者延迟竞争机制，具体为：如果在一段事先设定的时间a内，目的节点没有发出“响应”完成握手，则视为超时，所有处于活动状态的节点将重新竞争信道。将a称为“握手超时时间”，并使a略大于b，这样能够保证握手失败的源节点不会在“响应超时时间”结束后立即重新参与竞争信道，以提高通知握手的成功率。进一步，上述“通知”是一个长度固定的短帧，分为三部分，第一部分是固定的首部，即标示符，用于和其它信号进行区分，第二部分是目的节点的地址，第三部分是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无线传感网MAC层协议的节能方法，其特征在于，包括模糊控制动态调节占空比机制、通知握手机制，其中：所述模糊控制动态调节占空比机制具体为：将传感器节点的工作周期划分为监听时间及休眠时间，设定每若干个工作周期为一轮；为每个节点设置一个计数器，用来统计该传感器节点在一轮当中有多少个工作周期监听到信道忙，每一轮统计结束后统计结果被重置；将上述统计结果的取值范围划分成模糊子集，将节点能量按百分比划分成模糊子集；再将节点能量和信道忙次数作为输入，占空比作为输出，建立规则库；对占空比解模糊，从而获得占空比的精确值，将该占空比精确值作为下一轮的实际占空比的值；根据所述实际占空比的值来计算监听时间和休眠时间；根据所述模糊控制动态调节占空比机制的计算结果，进行通知握手机制：节点结束休眠后，首先检查自己的发送缓冲区，如果缓冲区中有数据等待发送，则该节点向信道中发送一个通知，以通知目的节点其发送意图；如果此时网络中没有其他节点竞争信道，则该通知能够发送到其他节点；没有数据发送的节点处于接收状态，监听信道活动，当收到其他节点发来的通知时，首先判断自己是否是目的节点，若是目的节点，则向源节点发送一个响应，以通知源节点可以发送数据，即完成一次通知握手；非目的节点在收到通知后，记录源节点预约的传输时间，并将该时间和所述休眠时间进行比较，取较大者作为休眠计时器的初值，但此时该非目的节点并不立即休眠，而是在b时间内继续保持监听，如果在b时间内收到目的节点发送的响应，则启动休眠计时器，进入休眠状态；如果在b时间内没有收到目的节点的响应，则该节点重新参与竞争信道。...

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感网MAC层协议的节能方法，其特征在于，包括模糊控制动态调节占空比机制、通知握手机制，其中：所述模糊控制动态调节占空比机制具体为：将传感器节点的工作周期划分为监听时间及休眠时间，设定每若干个工作周期为一轮；为每个节点设置一个计数器，用来统计该传感器节点在一轮当中有多少个工作周期监听到信道忙，每一轮统计结束后统计结果被重置；将上述统计结果的取值范围划分成模糊子集，将节点剩余能量按百分比划分成模糊子集；再将节点剩余能量和信道忙次数作为输入，占空比作为输出，建立规则库；对占空比解模糊，从而获得占空比的精确值，将该占空比精确值作为下一轮的实际占空比的值；根据所述实际占空比的值来计算监听时间和休眠时间；根据所述模糊控制动态调节占空比机制的计算结果，进行通知握手机制：节点结束休眠后，首先检查自己的发送缓冲区，如果缓冲区中有数据等待发送，则该节点向信道中发送一个通知，以通知目的节点其发送意图；如果此时网络中没有其他节点竞争信道，则该通知能够发送到其他节点；没有数据发送的节点处于接收状态，监听信道活动，当收到其他节点发来的通知时，首先判断自己是否是目的节点，若是目的节点，则向源节点发送一个响应，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙知信，房旋，宫婧，骆冰清，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32