LDC＆LC节能MAC方法技术

LDC(Low‑Duty‑Cycle，低占空比)&LC(Low‑Collision，低碰撞)节能MAC方法。该方法建立可靠的传输链路，降低Duty‑Cycle与Collision情况，同时，加入自适应update机制，能更加适应复杂的网络变化，拥有更好的鲁棒性。它采用back‑off机制实现节点间的异步，在一个原始周期的Scheduling，确定随机发送beacon time和广播frame beacon发送，并采用自适应update机制来维护网络的一致性。本方法有效地降低网络的总体Duty‑Cycle和energy consumption，提高数据的可靠传输和网络的适应性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机应用与物联网结合的

技术介绍
无线传感器网络(WSN)在不同的应用领域越来越具有吸引力，由于其监控范围广，无需人为值守的优点，被广泛应用于工业自动化，安全监测，天气分析和一些军事方案等。但传感器node电池能量的有限性，也直接影响了node和网络的生存Cycle，阻碍了WSN的进一步发展应用，因此，如何提高能源利用效率，研究设计相关的节能方法，成为这个领域的热点问题。对于无线传感网络中的node，能量主要消耗在监测信息与数据收发上，而除了这些必要的能量消耗，对于媒质访问控制层(MAC,medium access control)，像Collision重传，串音，空闲Snooping，控制信息过多，发送失效等这些情况也会浪费不必要的能量。MAC层方法是控制信息和数据报文在无线信道上进行收发的直接控制者，在确定网络的throughput、delay、带宽利用率和能量消耗上起着重要作用，也会间接的影响上层路由方法和传输方法的性能。所以，研究设计高效的MAC方法是确保WSN服务质量的关键问题，如图1所示。根据数据收集方式的不同，WSN的应用模式大致可以分为三类：Cycle性感知、事件驱动型感知和查询驱动型感知。Cycle性感知即传感器node按照固定的Cycle监测和传送数据，其余的时间进入休眠状态以节省能量消耗；事件驱动型感知即当关注事件发生时，传感器node才会进行数据的采集和传送；查询驱动型感知即传感器node在收到外部查询指令后，才开始采集或传送数据。针对不同的数据收集方式和应用场景，适用有不同的MAC方法。根据信道访问方式的不同，MAC方法又可分为基于Scheduling的方法，基于竞争的方法以及混合型方法。对于基于Scheduling的MAC层方法，每个node传输信息的时间由Scheduling方法决定，在无线信道上的相互干扰很小，具有延时保障，但Scheduling难以调整，扩展性比较差，时钟同步性要求高。而基于竞争的MAC方法，无需全局网络信息，可扩展，易实现，但增加了冲突的可能性。根据node的运行时间是否同步，MAC方法又主要分为两种策略，node同步策略和node异步策略。同步的MAC方法比较典型的有S-MAC、T-MAC、SCP-MAC等，S-MAC方法采用虚拟簇和设置Snooping/休眠机制来提高网络效率，网络中node采用统一的休眠策略，固定的Duty-Cycle，虽然减少了传输延迟，但其自身机制也易造成网络中大量数据Collision，浪费node能量，而且其对网络动态的适应性也较差。T-MAC方法是在S-MAC基础上的改进，其对Duty-Cycle的自适应调整使该方法更能适应网络流量的动态变化，但其存在早睡问题，会增加网络传输delay，降低网络throughput。SCP-MAC在保持高度同步的机制上，极大的缩短Snooping时间，提高了节能性，但由于对同步的较高依赖，大大增加了系统负荷。因此为了减少node对同步机制的依赖，对基于Snooping/休眠机制的异步MAC方法也有较多的研究，比如由发送node发起的B-MAC、X-MAC、O-MAC、Wise MAC和PB-MAC等.发送node发起的异步MAC方法通过发送node发送前导序列的方式，等待接收node醒来时接收后，再向发送node回复通知传输数据。而接收node发起的异步MAC方法是通过接收node发送beacon frame，发送node醒来Snooping的机制，这是一种被动的机制，但很好的解决了发送node的长前导序列和过多占用信道的问题，同时也减少了Collision串音的情况，一般情况下，这种被动的异步机制要比发送node发起的有更低的Duty-Cycle。然而，这种被动的异步MAC方法，虽然降低了Duty-Cycle，节省了能量消耗，但针对实时复杂的网络情况，如node加入，局域网络通信任务猝发等网络动态变化，缺少实时的自适应同步update，带来的延时问题相对于同步MAC方法更加不确定。
技术实现思路
本专利技术方法的目的是克服现有技术存在的上述不足，设计一种由接收node发起建立connect的低Duty-Cycle，低Collision，能够自适应网络变化update的异步MAC方法，在借鉴典型异步MAC方法的基础上，对方法进行优化改进，在保证较低Duty-Cycle与Collision率的同时引入自适应update的机制，使方法更能适应网络动态变化。本专利技术在异步MAC方法的基础上进行优化改进，设计了一种新的由接收node端发起的异步MAC方法，通过相应的方法，网络中的node根据自己的信息表，分布醒来，发送node可以预测接收node醒来的时间，从而只在接收node醒来时Snooping，建立可靠地传输链路，从而大大降低了Duty-Cycle与Collision情况，同时，针对网络的动态变化，加入自适应update的机制，使方法能更加适应复杂的网络变化，保证网络在低energy consumption的同时拥有更好的鲁棒性。本专利技术提供的一种LDC&LC节能MAC方法主要包括如下关键步骤：第1、原始Cycle Scheduling：网络初始阶段，假设为一个TPrim原始Cycle内，确定随机发送beacon time，Rand位为node是下次醒来所产生的随机Cycle，计算Rand位，加入广播frame beacon发送，网络中的node需要通过Snooping其他node发送的beacon确定自己的邻居node信息表；为了解决广播beacon frame的Collision问题引入back-off机制，在back-off时，node会对时间间隔值做计数，若计数时间间隔值大于n，n为常态值且大于网络中实际node总个数，说明接近原始Cycle末期，大部分node已成功发送beacon frame，还未成功发送beacon frame的node恢复每隔一个间隔Snooping信道，若空闲，立即发送自己的beacon frame。第2、Predictwake-up：接收beacon的node，即需要发送数据的node来说，在接收到邻居node的beacon后，读取beacon frame的Rand位，接收到目标node即发送beacon的node唤醒后发来的广播beacon frame，读取beacon frame中的信息，计算出下一次唤醒时间，Snooping信道，在邻居node信息表中，并update自己邻居node信息表中相对此目标node的信息；发送数据的node即接收beacon的node向目标node发送RTS数据发送请求，通过RTS、CTS、DATA和ACK建立可靠的通信链接并完成数据传送，目标node在接收完数据并发送确认frameACK之后，依旧保持Snooping信道一个TKeep时间即node发送beacon后需要保持Snooping的时间，若有数据发送请求，则继续接收数据，若没有任何请求，则进入休眠状态。第3、Collision重connect：采用随机back-off时间的方法，规避node同时发送请求冲突，本文档来自技高网...

【技术保护点】
LDC&LC节能MAC方法，其特征在于该方法主要包括如下关键步骤：第1、原始Cycle Scheduling：网络初始阶段，假设为一个TPrim原始Cycle内，确定随机发送beacon time，Rand位为node是下次醒来所产生的随机Cycle，计算Rand位，加入广播frame beacon发送，网络中的node需要通过Snooping其他node发送的beacon确定自己的邻居node信息表；为了解决广播beacon frame的Collision问题引入back‑off机制，在back‑off时，node会对时间间隔值做计数，若计数时间间隔值大于n，n为常态值且大于网络中实际node总个数，说明接近原始Cycle末期，大部分node已成功发送beacon frame，还未成功发送beacon frame的node恢复每隔一个间隔Snooping信道，若空闲，立即发送自己的beacon frame。第2、Predict wake‑up：接收beacon的node，即需要发送数据的node来说，在接收到邻居node的beacon后，读取beacon frame的Rand位，接收到目标node即发送beacon的node唤醒后发来的广播beacon frame，读取beacon frame中的信息，计算出下一次唤醒时间，Snooping信道，在邻居node信息表中，并update自己邻居node信息表中相对此目标node的信息；发送数据的node即接收beacon的node向目标node发送RTS数据发送请求，通过RTS、CTS、DATA和ACK建立可靠的通信链接并完成数据传送，目标node在接收完数据并发送确认frameACK之后，依旧保持Snooping信道一个TKeep时间即node发送beacon后需要保持Snooping的时间，若有数据发送请求，则继续接收数据，若没有任何请求，则进入休眠状态。第3、Collision重connect：采用随机back‑off时间的方法，规避node同时发送请求冲突，错过connect的node在预计的时间到达后再向目标node发送connect请求，并且update自己的邻居node信息表，在对应的目标node唤醒时间上，增加等待时间差；发送node在数据传输完毕，收到目标node的ACK确认frame后，进入休眠状态，并根据自己的信息表选择下一次唤醒的时间。第4、自适应update：假设给定一个时间，当网络需要做全局update时，接近于这个时间醒来的接收node即发送beacon的node作为此次全局update的发起点；确定为发起点的node保持Snooping状态，不再使用原有的用于接收数据的广播beacon，而是产生全局update beacon frame，将DST位设置为‑1，即网络重启beacon frame，Rand位设置为一个原始Cycle；以一个frame隙为最小时间单位，发起点广播这个重启beacon frame，Snooping一个frame隙，update beacon frame中的Rand位的数值，即在原始Cycle基础上减去经历的frame隙个数，逐渐减去，确定最终的frame隙。...

【技术特征摘要】
1.LDC&LC节能MAC方法，其特征在于该方法主要包括如下关键步骤：第1、原始Cycle Scheduling：网络初始阶段，假设为一个TPrim原始Cycle内，确定随机发送beacon time，Rand位为node是下次醒来所产生的随机Cycle，计算Rand位，加入广播frame beacon发送，网络中的node需要通过Snooping其他node发送的beacon确定自己的邻居node信息表；为了解决广播beacon frame的Collision问题引入back-off机制，在back-off时，node会对时间间隔值做计数，若计数时间间隔值大于n，n为常态值且大于网络中实际node总个数，说明接近原始Cycle末期，大部分node已成功发送beacon frame，还未成功发送beacon frame的node恢复每隔一个间隔Snooping信道，若空闲，立即发送自己的beacon frame。第2、Predict wake-up：接收beacon的node，即需要发送数据的node来说，在接收到邻居node的beacon后，读取beacon frame的Rand位，接收到目标node即发送beacon的node唤醒后发来的广播beacon frame，读取beacon frame中的信息，计算出下一次唤醒时间，Snooping信道，在邻居node信息表中，并update自己邻居node信息表中相对此目标node的信息；发送数据的node即接收beacon的node向目标node发送RTS数据发送请求，通过RTS、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德干，牛红莉，侯越先，王晓晔，宋孝东，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12