一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置，本发明专利技术在节点生命期内采用周期调度的工作方式，将节点每个循环周期分为同步时段、忙音侦听/发送时段、信道预约时段、睡眠时段，使得节点在每个时段能根据局部的侦听结果，执行不同的操作，降低节点空闲侦听的时间，实现在一个循环周期的数据多跳预约连续传递，适应数据发送及时性的要求，使得节点周期侦听/睡眠的占空比随着业务的变化动态变化，大大地节省了节点的能量消耗。同时，通过在信道预约时段的中继节点选择，将信道预约和路由选择结合在一起，减少了控制开销，实现简单。

【技术实现步骤摘要】
一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置
本专利技术涉及一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，属于无线传感器网络领域。
技术介绍
无线传感器网络由于采用电池供电，因此网络寿命受到能量的限制。为了节省能量，无线传感器网络的MAC协议通常采用周期侦听/睡眠的机制来节省能量，这类协议有SMAC、TMAC、PMAC、ASMAC、RMAC等多种，SMAC、TMAC、PMAC协议通常在一个周期数据只能传递一跳，自适应的ASMAC协议能传递至多两跳，但它采用串音侦听和所有邻居节点唤醒又增加了网络的能量消耗。因此这类协议造成数据传递过程的断断续续，使得数据传递的多跳时延较大，不适应对及时性要求高的无线传感器网络应用。RMAC协议利用侦听期间发送控制报文预约信道，可以实现在一个周期的数据多跳传递，但数据多跳传递的跳数直接与节点在每周期的侦听时间成比例，每周期的侦听时间越长，可以预约的跳数就越多，但节点的占空比增大，增加了节点的能量消耗。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法与装置，用以解决现有MAC协议在多跳传输时能量消耗大的问题。为实现上述目的，本专利技术的方案包括：一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，包括如下步骤：网络初始化：将节点的一个循环工作周期依次分为同步时段Tsync、忙音侦听/发送时段Ttone、周期信道预约时段Trc和睡眠时段Tsleep；在同步时段Tsync：进行同步；在忙音侦听/发送时段Ttone：侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；在信道预约时段Trc：源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间Tdelay；在睡眠时段Tsleep：在睡眠延迟时间Tdelay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据。在忙音侦听/发送时段Ttone：侦听信道，若有数据需要发送且信道空闲，则设置节点为源节点；若有数据发送且信道忙、或者无数据发送且信道忙，则设置节点为候选中继节点；若无数据发送且信道空闲，则设置节点为睡眠节点。在信道预约时段Trc，源节点若侦听到信道忙，则设置节点为候选中继节点。候选中继节点通过比较侦听的RCF帧信息中包含的跳距Hop与当前节点距离SINK节点的跳距H竞争中继节点，若Hop大于H，当前节点成为中继节点。所述网络初始化具体为：在网络初始化时段Tinit：由SINK节点发起，确定网络节点距离SINK节点的跳距；设置节点的工作周期T、启动工作时间tstart、每个周期的同步时间Tsync、周期忙音侦听/发送时间Ttone、周期信道预约时间Trc和周期睡眠时间Tsleep，并更新网络节点到SINK节点的跳距H。忙音侦听/发送时段Ttone的具体方法为：节点进入忙音侦听/发送时段Ttone后，设置并启动对应忙音侦听/发送时段Ttone时间的计时器T2，激活处于侦听状态；若节点有数据需要发送，则在时间窗[0，TCS]内随机产生一个退避时间Tr-1,节点对信道侦听Tr-1,时间；侦听结束后，若节点侦听信道空闲，则立即发送持续时间为TCS的忙音信号，并将节点设置为源节点，发送忙音信号结束后节点进入睡眠状态直至计时器T2计时结束；若节点侦听信道忙，则在侦听信道忙的持续时间为TCS后，立即发送一个持续时间为TCS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送结束后节点进入睡眠状态直至计时器T2计时结束；若节点没有数据需要发送，节点侦听信道为忙的持续时间为TCS，则节点立即切换进入发送状态，发送一个持续时间为TCS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送忙音时间结束后节点进入睡眠状态直至计时器T2计时结束；若节点侦听到的忙音信号持续时间小于TCS，则节点继续执行侦听直至计时器T2计时结束；若计时器T2计时结束，没有侦听到任何信号，则将节点设置为睡眠节点。周期信道预约时段Trc的具体方法为：节点进入周期信道预约时段Trc，首先设置并启动对应周期信道预约时段Trc的计时器T3；源节点在周期信道预约时段Trc，激活侦听，并在侦听时间窗[0，TWIN]内产生一个随机时间TRL，节点对信道侦听TRL的时间；若侦听信道空闲，则发送一个信道预约帧RCF，RCF帧中包括当前发送节点的类型TYPE、节点距离SINK的跳距Hop、预约跳距MH，MH初始设置为0，之后节点在延迟一个最小帧间间隔时间TSIFS后进入侦听状态，设置节点在进入睡眠时段后的睡眠延迟时间为：Tdelay＝MH·(Tdata+TSIFS)，然后节点进入睡眠状态；若没有侦听到消息或消息无法识别，则将节点设置为睡眠节点，然后节点进入睡眠状态；若侦听信道忙，则节点将自己设置为候选中继节点；候选中继节点在周期信道预约时段Trc，激活侦听，若节点没有侦听到任何消息，则将节点设置为睡眠节点；若节点侦听到信道RCF帧，则竞争中继节点；中继节点在周期信道预约时段Trc，激活侦听，若侦听到RCF帧，设置节点在进入周期睡眠时段后的睡眠延迟时间为：Tdelay＝(MH-1)·(Tdata+TSIFS)；睡眠节点，设置其在进入周期睡眠时段后的睡眠延迟时间为：Tdelay＝Tsleep。周期睡眠时段Tsleep的具体方法为：节点进入周期睡眠时段Tsleep；首先设置并启动对应Tsleep时段的计时器T4，根据在Trc时段所设置的节点睡眠延迟时间Tdelay，节点在睡眠Tdelay时间后激活，节点激活后，若节点为发送数据的源节点，则节点激活后进入发送状态，并立即开始发送数据DATA消息，发送完后节点经TSIFS时间后转入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点为中继节点，则节点激活后进入接收状态；若节点在接收状态接收到数据消息DATA，则接收完成后，经TSIFS时间后节点转入发送状态，将接收的数据DATA继续转发，转发完成后，经TSIFS时间转入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点在接收状态没有接收到消息或接收的消息无法识别，则节点在TDATA时间后进入睡眠状态，直至本时段工作结束；若节点为睡眠节点，则节点在本时段始终处于睡眠状态，直至本时段工作结束。一种同步无线传感器网络的MAC协议通信装置，包括：用于网络初始化，将节点的一个循环工作周期至少依次分为同步时段Tsync、忙音侦听/发送时段Ttone、信道预约时段Trc和睡眠时段Tsleep的单元；用于在同步时段Tsync进行同步的单元；用于在忙音侦听/发送时段Ttone，侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点的单元；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；用于在信道预约时段Trc，源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间Tdelay的单元；用于在睡眠时段Tsleep本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，包括如下步骤：网络初始化：将节点的一个循环工作周期依次分为同步时段Tsync、忙音侦听/发送时段Ttone、信道预约时段Trc和睡眠时段Tsleep；在同步时段Tsync：进行同步；在忙音侦听/发送时段Ttone：侦听信道，根据是否有数据需要发送和信道是否空闲将网络中的节点设置为源节点、候选中继节点和睡眠节点；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；在信道预约时段Trc：源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送RCF帧；候选中继节点根据侦听的RCF帧信息竞争中继节点，中继节点更新RCF帧并发送更新后的RCF帧；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间Tdelay；在睡眠时段Tsleep：在睡眠延迟时间Tdelay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据。

【技术特征摘要】
1.一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，包括如下步骤：网络初始化：将节点的一个循环工作周期依次分为同步时段Tsync、忙音侦听/发送时段Ttone、周期信道预约时段Trc和睡眠时段Tsleep；在同步时段Tsync：进行同步；在忙音侦听/发送时段Ttone：侦听信道，若有数据需要发送且信道空闲，则设置节点为源节点；若有数据发送且信道忙、或者无数据发送且信道忙，则设置节点为候选中继节点；若无数据发送且信道空闲，则设置节点为睡眠节点；源节点发送忙音信号，候选中继节点在侦听到忙音信号后也发送忙音信号；在周期信道预约时段Trc：源节点和候选中继节点侦听信道，源节点发送信道预约帧RCF；候选中继节点根据侦听的信道预约帧RCF信息竞争中继节点，中继节点更新信道预约帧RCF并发送更新后的信道预约帧RCF；源节点和中继节点设置对应的进入睡眠时段后的睡眠延迟时间Tdelay；在睡眠时段Tsleep：在睡眠延迟时间Tdelay后，源节点发送数据，中继节点接收并发送数据。2.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，在周期信道预约时段Trc，源节点若侦听到信道忙，则设置该源节点为候选中继节点。3.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，候选中继节点通过比较侦听的信道预约帧RCF信息中包含的跳距Hop与当前节点距离SINK节点的跳距H竞争中继节点，若Hop大于H，当前节点成为中继节点。4.根据权利要求1所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，所述网络初始化具体为：在网络初始化时段Tinit：由SINK节点发起，确定网络节点距离SINK节点的跳距；设置节点的工作周期T、启动工作时间tstart、每个周期的同步时间Tsync、周期忙音侦听/发送时间Ttone、周期信道预约时间Trc和周期睡眠时间Tsleep，并更新网络节点到SINK节点的跳距H。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，忙音侦听/发送时段Ttone的具体方法为：节点进入忙音侦听/发送时段Ttone后，设置并启动对应忙音侦听/发送时段Ttone时间的计时器T2，激活处于侦听状态；若节点有数据需要发送，则在时间窗[0，TCS]内随机产生一个退避时间Tr-1,节点对信道侦听Tr-1时间；侦听结束后，若节点侦听信道空闲，则立即发送持续时间为TCS的忙音信号，并将节点设置为源节点，发送忙音信号结束后节点进入睡眠状态直至计时器T2计时结束；若节点侦听信道忙，则在侦听信道忙的持续时间为TCS后，立即发送一个持续时间为TCS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送结束后节点进入睡眠状态直至计时器T2计时结束；若节点没有数据需要发送，节点侦听信道为忙的持续时间为TCS，则节点立即切换进入发送状态，发送一个持续时间为TCS的忙音信号，并将节点设置为候选中继节点，发送忙音时间结束后节点进入睡眠状态直至计时器T2计时结束；若节点侦听到的忙音信号持续时间小于TCS，则节点继续执行侦听直至计时器T2计时结束；若计时器T2计时结束，没有侦听到任何信号，则将节点设置为睡眠节点。6.根据权利要求1-4任一项所述的一种同步无线传感器网络的MAC协议通信方法，其特征在于，周期信道预约时段Trc的具体方法为：节点进入周期信道预约时段Trc，首先设置并启动...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国强，李济顺，亢丙午，李佩佩，孙亚茹，冀保峰，马华红，祁志娟，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南;41