交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议制造技术

本发明专利技术涉及一种交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议，FC‑MAC协议采用TDMA和改进的CSMA/CA交替工作方式，即保证了普通周期数据的传递，又增强了突发数据的实时性。在竞争接入(CSMA/CA)阶段，提出模糊聚类分析的方法。根据因素向量聚类簇内节点，使节点突发数据具有不同的优先级，优先级高的突发数据更早接入信道完成传输。同时，根据该协议的时隙分配策略，提出一种基于分层随机延迟的方法，减少同一时段内竞争接入Sink节点的簇头数量，降低簇头节点之间因退避而产生的数据延迟。通过以上技术，FC‑MAC在突发数据时延减少的情况下，增大了网络吞吐量，并且对网络业务流量具有更好的适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种应用于交通监控的无线传感网MAC协议，属于无线传感器网络

技术介绍
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量分布在特定区域内的传感器节点组成，并且以无线通信的方式将感知到的数据传送到Sink节点。由于其独特的优势，WSN在国防军事、环境监控、工业技术、智能交通等方面获得了广泛的应用。在交通发达的当今社会，由于车辆快速增多，对交通监控的需求也不断地加大。无线传感器网络以其自身的特点，在交通监控中迅速地发展起来。而MAC协议是影响无线传感器网络性能的关键技术。所以，设计一种适合交通监控需求的MAC协议具有十分重要的意义。目前，无线传感器网络MAC协议按节点接入信道的方式主要分为三类：基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议和混合型MAC协议。在基于竞争的协议中，S-MAC采用固定占空比的周期休眠方式，侦听周期受通信负载的约束，在多个节点竞争时增大传输延迟。DSMAC虽然在S-MAC的基础上提出了减少睡眠时间、动态加倍占空比的思想，但周期睡眠造成的传输延迟仍十分显著。在基于调度的协议中，S-LMAC、EM-MAC都采用固定分配时隙的方法，无法自适应流量的变化。UM-MAC虽在固定时隙的基础上提出启发式的算法，以效用最大化决定节点的工作时隙，但无法满足突发数据的实时性要求。在混合型协议中，Z-MAC综合了TDMA和CSMA的优点，能够以较低代价获得高效的信道利用率，但在网络密度较大时，周期性地控制时隙会增大网络时延和能耗开销。AMPH在Z-MAC的基础上增加了QoS服务，但当普通数据包过多切换优先级时，会影响实时数据包的实时性。综上所述，这些协议都不适合交通监控的特殊环境。
技术实现思路
为了解决上述存在的技术问题，本专利技术提供一种应用于交通监控中，基于模糊聚类的无线传感网MAC协议实现方法。该协议采用TDMA和改进的CSMA/CA混合工作模式，并在CSMA/CA阶段引入模糊聚类的方法动态划分节点类别，根据每类的中心向量与样本中心向量的距离决定优先级，并分配不同的竞争参数，使优先级高的节点突发数据更早传输。同时，提出了一种分层随机延迟策略，降低簇头节点之间地竞争，提高了突发数据的实时性。本专利技术是通过下述技术方案实现的：交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议，其特征在于：采用TDMA和改进的CSMA/CA交替的工作方式划分时隙；在CSMA/CA阶段采用模糊聚类的方法动态划分优先级；簇头节点采用分层随机延迟策略降低碰撞概率；具体步骤如下：(1)执行本协议的部署工作：(1.1)节点功能：簇内节点可对监测数据进行筛选分类，具体分为，突发数据和周期数据；筛选原则是：当外部数据的值大于门限值，进入突发数据队列；当外部数据小于门限值，则进入周期队列数据；(1.2)时隙分配方案：①时隙的分配以时隙块为基础单位，每个时隙块的大小由4个时隙组成；②FC-MAC采用以复帧为周期的时间调度机制，复帧由若干TDMA帧与交换信息阶段组成；③在TDMA帧中，每个节点分配三个时隙块，分别用作TDMA阶段、CSMA/CA阶段和SEND阶段；(2)初始时刻，簇内节点量化分类因素，进而生成因素向量，发送到簇头节点；(3)簇头节点接到簇内节点的因素向量后，对其进行模糊聚类；(4)：对步骤(3)中产生的分类进行优先级的计算，(5)：根据步骤(4)的优先级信息，为每类分配不同的竞争参数。(6)：如果节点有突发数据，则在自己的TDMA阶段发送或所有CSMA/CA阶段竞争发送突发数据包；若节点没有突发数据，则在自己的TDMA阶段发送周期数据包，保证突发数据的实时性；(7)：簇头节点对接收到的数据进行融合，并在SEND阶段把融合后的信息传送给Sink节点；采用分层随机延迟的策略，在网络初始阶段，把同一Sink节点下的簇头随机延迟0、1或2个时隙块，使簇头节点分成了不同的3个时段发送数据。步骤(2)所述的簇内节点量化分类因素过程如下：(2.1)对于传感器类型uk，不同的传感器类型分配不同的权重，其中，光电测速传感器、地磁传感器的权重为H，压力传感器、加速度传感器的权重为M，温湿度传感器、光线光栅传感器的权重为L；其中H>M>L；(2.2)对于传输距离dk，通过接收信号强度测量其值；(2.3)对于数据突变程度εk，可通过下面的公式求得： ϵ k = δ × ϵ k * + ( 1 - δ ) × ϵ k ′ ]]> ϵ k ′ = ζ × L ( s ) L ( s ) + L ( c ) ]]>其中，εk为突变程度，为上一复帧该节点的突变程度，ε′为本次复帧内的突变程度，ζ为一个量化常数；在网络初始时刻，所有的节点量化常数相等，εk与的初值为0；L(s)、L(c)分别为节点队列中突发数据包和周期数据包的个数；为了更适合突发数据的长期变化趋势，把δ的值限定在0.5到1之间；(2.4)对于节点剩余能量Ek，由能量消耗模型计算，如下：Ek＝b(Eelec+Efsd2)其中，b为发送数据的比特数，Eelec为发射电路和接收电路的能耗，Efs为传播消耗功率。步骤(3)模糊聚类的过程如下：(3.1)簇头节点收集簇内节点的因素向量，U＝{n1,n2,n3,…,nk本文档来自技高网...

【技术保护点】
交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议，其特征在于：采用TDMA和改进的CSMA/CA交替的工作方式划分时隙；在CSMA/CA阶段采用模糊聚类的方法动态划分优先级；簇头节点采用分层随机延迟策略降低碰撞概率；具体步骤如下：(1)执行本协议的部署工作：(1.1)节点功能：簇内节点可对监测数据进行筛选分类，具体分为，突发数据和周期数据；筛选原则是：当外部数据的值大于门限值，进入突发数据队列；当外部数据小于门限值，则进入周期队列数据；(1.2)时隙分配方案：①时隙的分配以时隙块为基础单位，每个时隙块的大小由4个时隙组成；②FC‑MAC采用以复帧为周期的时间调度机制，复帧由若干TDMA帧与交换信息阶段组成；③在TDMA帧中，每个节点分配三个时隙块，分别用作TDMA阶段、CSMA/CA阶段和SEND阶段；(2)初始时刻，簇内节点量化分类因素，进而生成因素向量，发送到簇头节点；(3)簇头节点接到簇内节点的因素向量后，对其进行模糊聚类；(4)：对步骤(3)中产生的分类进行优先级的计算，(5)：根据步骤(4)的优先级信息，为每类分配不同的竞争参数；(6)：如果节点有突发数据，则在自己的TDMA阶段发送或所有CSMA/CA阶段竞争发送突发数据包；若节点没有突发数据，则在自己的TDMA阶段发送周期数据包，保证突发数据的实时性；(7)：簇头节点对接收到的数据进行融合，并在SEND阶段把融合后的信息传送给Sink节点；采用分层随机延迟的策略，在网络初始阶段，把同一Sink节点下的簇头随机延迟0、1或2个时隙块，使簇头节点分成了不同的3个时段发送数据。...

【技术特征摘要】
1.交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议，其特征在于：采用TDMA和改进的CSMA/CA交替的工作方式划分时隙；在CSMA/CA阶段采用模糊聚类的方法动态划分优先级；簇头节点采用分层随机延迟策略降低碰撞概率；具体步骤如下：(1)执行本协议的部署工作：(1.1)节点功能：簇内节点可对监测数据进行筛选分类，具体分为，突发数据和周期数据；筛选原则是：当外部数据的值大于门限值，进入突发数据队列；当外部数据小于门限值，则进入周期队列数据；(1.2)时隙分配方案：①时隙的分配以时隙块为基础单位，每个时隙块的大小由4个时隙组成；②FC-MAC采用以复帧为周期的时间调度机制，复帧由若干TDMA帧与交换信息阶段组成；③在TDMA帧中，每个节点分配三个时隙块，分别用作TDMA阶段、CSMA/CA阶段和SEND阶段；(2)初始时刻，簇内节点量化分类因素，进而生成因素向量，发送到簇头节点；(3)簇头节点接到簇内节点的因素向量后，对其进行模糊聚类；(4)：对步骤(3)中产生的分类进行优先级的计算，(5)：根据步骤(4)的优先级信息，为每类分配不同的竞争参数；(6)：如果节点有突发数据，则在自己的TDMA阶段发送或所有CSMA/CA阶段竞争发送突发数据包；若节点没有突发数据，则在自己的TDMA阶段发送周期数据包，保证突发数据的实时性；(7)：簇头节点对接收到的数据进行融合，并在SEND阶段把融合后的信息传送给Sink节点；采用分层随机延迟的策略，在网络初始阶段，把同一Sink节点下的簇头随机延迟0、1或2个时隙块，使簇头节点分成了不同的3个时段发送数据。2.根据权利要求1所述的交通监控中基于模糊聚类的无线传感网MAC协议，其特征在于，步骤(2)所述的簇内节点量化分类因素过程如下：(2.1)对于传感器类型uk，不同的传感器类型分配不同的权重，其中，光电测速传感器、地磁传感器的权重为H，压力传感器、加速度传感器的权重为M，温湿度传感器、光线光栅传感器的权重为L；其中H>M>L；(2.2)对于...

【专利技术属性】
技术研发人员：任秀丽，彦琨，姜天，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21