基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法，主要解决现有移动自组织网络中能耗过高的问题，其实现方案是根据时隙的调度和传输数据量的统计比较来实现：当无节点入网时只预留一个可用的入网接入时隙进行侦听，则在检测到节点入网时增加可用的入网接入时隙数进行侦听；当节点有时隙剩余时，根据相邻节点的实际时隙需求来分配本节点的剩余时隙，并动态调整下次时隙分配结果；当节点在一段时间内的数据传输量低于设定阈值时，通过增大周期长度来减少节点周期启动的频次，增加休眠期。本发明专利技术降低了网络运行时的功耗，并能精准的根据邻节点的需求来分配节点自己的剩余时隙，可用于小规模、低流量的移动通信网络。

Low Power Distributed Media Access Control Method Based on TDMA

【技术实现步骤摘要】
基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法
本专利技术属于通信
，更进一步涉及一种低功耗分布式介质访问控制方法，可用于小规模、低流量的移动通信网络。
技术介绍
当前低功耗的自组织网络MAC协议，研究方向主要集中在基于竞争的协议与基于调度的协议两方面，基于调度的协议主要还是基于TDMA的协议。基于调度的协议与基于竞争的协议相比，优势在于无冲突，不会产生碰撞，是当前的研究热点，但基于调度的协议会产生额外的控制开销，值得关注。此外，比较这些协议，无论从节点的接入和流量自适应的链路分配，还是从数据传输的公平性以及休眠的周期方面，都有值得改进的地方。因此，一个更加高效节能的MAC协议仍然是需要的。基于竞争的低功耗MAC协议，典型的有S-MAC、ContikiMAC和TA-ContikiMAC；基于调度的协议中典型的有TRAMA，以下具体来介绍这几个协议。1)S-MAC协议S-MAC(SensorMAC)是周期性启动的低功耗传感器网络协议，节点基于固定的唤醒与休眠占空比工作。在唤醒期开始时刻，节点会有一段时间的基于竞争方式的同步期，接着是同样基于竞争方式的业务数据传输期，周期最后阶段节点选择睡眠。在业务数据传输期中，有发送需求的节点通过发送RTS/CTS争用信道，没有争用到此次信道的节点根据RTS/CTS中的时间信息休眠相应时间，直到此次发送全部完成，才继续唤醒。在S-MAC协议中，数据的重传以及空闲的侦听，都消耗了大量能量；(2)ContikiMAC协议ContikiMAC是一个基于异步机制的低功耗MAC协议，没有信令消息与额外的报头。在ContikiMAC协议中，接收方会周期性唤醒侦听信道。如果检测到无线电信号，接收方就会保持侦听这帧数据。如果接收到完整的数据帧，接收方会发送一个确认。发送方在唤醒期内一直会发送数据帧，直到接收方返回确认帧。由于是异步机制唤醒与休眠，ContikiMAC协议难以精确确定邻节点的休眠与唤醒时间，从而可能出现接收方休眠，而发送方长时间发送数据的情况，消耗过多能量。(3)TA-ContikiMAC协议TA-ContikiMAC(Traffic-AwareContikiMAC)协议，通过改进ContikiMAC协议固定的活动周期和休眠周期的比例，使之能够动态调整，达到流量负载提出自适应的目的。TA-ContikiMAC协议通过动态调整活动与休眠比例，降低了功耗，但同样存在ContikiMAC协议中难以像同步型协议一样精确确定邻节点的休眠与唤醒时间，从而可能导致能量消耗过高。(4)TRAMATRAMA(Traffic.AdaptiveMediumAccess)协议即流量自适应协议，它分为随机接入期和调度接入期两部分。在随机接入期中中主要用于节点接入、同步以及节点拓扑信息的生成；在调度接入期中，可以根据节点自身的流量信息，自适应的选择是否接入链路，并且暂时释放多余的时隙让邻节点使用。在时隙分配与选择方面，TRAMA协议选择了分布式的选举算法，减少了控制信息的传送，也避免了冲突的发生，但其适用于非移动性或移动性很低的场景，并不太适合移动性较高的网络，否则会降低数据输出成功率，并增加功耗。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于TDMA的低功耗分布式MAC协议，以降低运行能耗，并保证数据传输的成功率。本专利技术的技术方案是这样在实现的：本专利技术首先改进了传统TDMA协议中入网节点的接入方式，采取了在接入期，无节点入网时，所有网络节点在多个预留接入时隙中只选择一个时隙进行侦听，其他时隙可休眠可复用，等到有节点入网，再增加侦听时隙的方式；其次提出了分布式场景下灵活分配节点暂时不使用的剩余固定时隙的方法，其中包括对该剩余时隙使用情况的监测及下次分配的优化；最后引入了一种保证数据发送成功率的周期可变的休眠机制。其具体实现步骤包括如下：(1)判断是否存在已知网络：如果在最大周期时长内没有侦听到集合控制帧，认为当前空间不存在已知网络，则需要独立建网，即执行(6)；否则，选择接入期接入时隙和临时上级节点，执行(2)；(2)向网络中的节点广播集合控制帧；(3)网络中的节点接收到新节点控制帧或接收数据出错，标志当前周期有节点正在入网，并在下一超帧的预留接入期时隙上侦听，再在下一次广播的控制帧中将正在入网标志位置1，告知复用预留接入时隙的邻节点放弃占用；同时，上级节点选择最近空闲的接入期时隙主动向入网节点发送反馈帧，或通过周期性广播的集合控制帧向入网节点反馈其时隙占用情况以及正在入网的标志；(4)入网节点判断反馈信息中自己的占用时隙是否正确，如果正确，则执行(6)；否则，执行(5)；(5)判断反馈信息中的正在入网标志位是否为1，如果是，则认为产生信道冲突，随机选取接入期，返回(2)；否则，保持选取的接入时隙不变，返回(2)；(6)建网或入网：(6a)入网后的每个节点，都占用固定的时隙，保证互不冲突；(6b)建立空的转让监测集合，并更换上级节点，即选择邻节点中最高级别的同步节点作为上级节点。(7)判断是否要发送调度帧或集合控制帧，如果是，则执行(10)；否则，执行(8)；(8)在已预约的时隙进行侦听、休眠或者业务数据的收发，执行(9)；(9)判断是否接收到集合控制帧，如果是，则记录控制帧中的时隙请求或转让标志以及时隙请求数或转让时隙，并将控制帧中的周期信息记录到本节点的周期记录数组t2和倒计时器数组t3中，在每个超帧结束时，将数组t3中每个大于零的位自减1后，执行(18)；否则，直接执行(18)；(10)判断是否要发送集合控制帧，如果是，则执行(11)；否则，执行(13)；(11)判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，如果是，则周期T＝1，执行(13)；否则，执行(12)；(12)判断前n个周期中数据帧传输的总数sum与阈值L的大小，如果sum<L，则T＝a，表明周期为a个超帧时长，并置周期倒计时器t1的初始值为T，进行倒计数计时，同时将T填充到控制帧的周期字段,执行(13)；否则，T＝1，将T填充到控制帧，执行(13)；(13)设固定调度间隔为H，设影响因子为β，并设类比时隙数为c，在队列中选取下一跳地址不处于休眠期的数据数a，将其下一跳地址依次记录到链路级预约与剩余时隙转让号数组m的0～a-1位，并统计队列中不包括下一跳地址休眠的数据总数b、当前可用时隙数d以及过去未使用的其它节点转让时隙e，则c＝d+β×e，其中，a<H，β属于实数集；(14)判断(c-b)是否小于0，如果是，则置剩余时隙请求或转让标志x1＝1，置剩余时隙请求数或起始转让时隙x2＝b-c，执行(16)；否则，置x1＝0，x2＝a+1，执行(15)；(15)判断(a+1-H)是否大于0，如果是，则执行(15)；否则，分配剩余时隙，并将分配的节点号依次记录在数组m的a～H-1位，再将分配节点转移到本节点的转让监测集合中，执行(16)；(16)确定下一唤醒时间w：判断本节点是否使用或准备请求剩余时隙，如果是，则下一唤醒时间w为本节点最近的一个发送时隙，执行(17)；否则，设w为0，执行(17)：(17)将x1、x2、数组m以及w填充到调度帧或集合控制帧，并广播该帧；(18)判断是否是调度间隔结束时刻，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法，特征在于，包括如下：(1)判断是否存在已知网络：如果在最大周期时长内没有侦听到集合控制帧，认为当前空间不存在已知网络，则需要独立建网，即执行(6)；否则，选择接入期接入时隙和临时上级节点，执行(2)；(2)向网络中的节点广播集合控制帧；(3)网络中的节点接收到新节点控制帧或接收数据出错，标志当前周期有节点正在入网，并在下一超帧的预留接入期时隙上侦听，再在下一次广播的控制帧中将正在入网标志位置1，告知复用预留接入时隙的邻节点放弃占用；同时，上级节点选择最近空闲的接入期时隙主动向入网节点发送反馈帧，或通过周期性广播的集合控制帧向入网节点反馈其时隙占用情况以及正在入网的标志；(4)入网节点判断反馈信息中自己的占用时隙是否正确，如果正确，则执行(6)；否则，执行(5)；(5)判断反馈信息中的正在入网标志位是否为1，如果是，则认为产生信道冲突，随机选取接入期，返回(2)；否则，保持选取的接入时隙不变，返回(2)；(6)建网或入网：(6a)入网后的每个节点，都占用固定的时隙，保证互不冲突；(6b)建立空的转让监测集合，并更换上级节点，即选择邻节点中最高级别的同步节点作为上级节点。(7)判断是否要发送调度帧或集合控制帧，如果是，则执行(10)；否则，执行(8)；(8)在已预约的时隙进行侦听、休眠或者业务数据的收发，执行(9)；(9)判断是否接收到集合控制帧，如果是，则记录控制帧中的时隙请求或转让标志以及时隙请求数或转让时隙，并将控制帧中的周期信息记录到本节点的周期记录数组t2和倒计时器数组t3中，在每个超帧结束时，将数组t3中每个大于零的位自减1后，执行(18)；否则，直接执行(18)；(10)判断是否要发送集合控制帧，如果是，则执行(11)；否则，执行(13)；(11)判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，如果是，则周期T＝1，执行(13)；否则，执行(12)；(12)判断前n个周期中数据帧传输的总数sum与阈值L的大小，如果sum<L，则T＝a，表明周期为a个超帧时长，并置周期倒计时器t1的初始值为T，进行倒计数计时，同时将T填充到控制帧的周期字段,执行(13)；否则，T＝1，将T填充到控制帧，执行(13)；(13)设固定调度间隔为H，设影响因子为β，并设类比时隙数为c，在队列中选取下一跳地址不处于休眠期的数据数a，将其下一跳地址依次记录到链路级预约与剩余时隙转让号数组m的0～a‑1位，并统计队列中不包括下一跳地址休眠的数据总数b、当前可用时隙数d以及过去未使用的其它节点转让时隙e，则c＝d+β×e，其中，a<H，β属于实数集；(14)判断(c‑b)是否小于0，如果是，则置剩余时隙请求或转让标志x1＝1，置剩余时隙请求数或起始转让时隙x2＝b‑c，执行(16)；否则，置x1＝0，x2＝a+1，执行(15)；(15)判断(a+1‑H)是否大于0，如果是，则执行(15)；否则，分配剩余时隙，并将分配的节点号依次记录在数组m的a～H‑1位，再将分配节点转移到本节点的转让监测集合中，执行(16)；(16)确定下一唤醒时间w：判断本节点是否使用或准备请求剩余时隙，如果是，则下一唤醒时间w为本节点最近的一个发送时隙，执行(17)；否则，设w为0，执行(17)：(17)将x1、x2、数组m以及w填充到调度帧或集合控制帧，并广播该帧；(18)判断是否是调度间隔结束时刻，如果是，本轮调度结束；否则，执行(7)；...

【技术特征摘要】
1.一种基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法，特征在于，包括如下：(1)判断是否存在已知网络：如果在最大周期时长内没有侦听到集合控制帧，认为当前空间不存在已知网络，则需要独立建网，即执行(6)；否则，选择接入期接入时隙和临时上级节点，执行(2)；(2)向网络中的节点广播集合控制帧；(3)网络中的节点接收到新节点控制帧或接收数据出错，标志当前周期有节点正在入网，并在下一超帧的预留接入期时隙上侦听，再在下一次广播的控制帧中将正在入网标志位置1，告知复用预留接入时隙的邻节点放弃占用；同时，上级节点选择最近空闲的接入期时隙主动向入网节点发送反馈帧，或通过周期性广播的集合控制帧向入网节点反馈其时隙占用情况以及正在入网的标志；(4)入网节点判断反馈信息中自己的占用时隙是否正确，如果正确，则执行(6)；否则，执行(5)；(5)判断反馈信息中的正在入网标志位是否为1，如果是，则认为产生信道冲突，随机选取接入期，返回(2)；否则，保持选取的接入时隙不变，返回(2)；(6)建网或入网：(6a)入网后的每个节点，都占用固定的时隙，保证互不冲突；(6b)建立空的转让监测集合，并更换上级节点，即选择邻节点中最高级别的同步节点作为上级节点。(7)判断是否要发送调度帧或集合控制帧，如果是，则执行(10)；否则，执行(8)；(8)在已预约的时隙进行侦听、休眠或者业务数据的收发，执行(9)；(9)判断是否接收到集合控制帧，如果是，则记录控制帧中的时隙请求或转让标志以及时隙请求数或转让时隙，并将控制帧中的周期信息记录到本节点的周期记录数组t2和倒计时器数组t3中，在每个超帧结束时，将数组t3中每个大于零的位自减1后，执行(18)；否则，直接执行(18)；(10)判断是否要发送集合控制帧，如果是，则执行(11)；否则，执行(13)；(11)判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，如果是，则周期T＝1，执行(13)；否则，执行(12)；(12)判断前n个周期中数据帧传输的总数sum与阈值L的大小，如果sum<L，则T＝a，表明周期为a个超帧时长，并置周期倒计时器t1的初始值为T，进行倒计数计时，同时将T填充到控制帧的周期字段,执行(13)；否则，T＝1，将T填充到控制帧，执行(13)；(13)设固定调度间隔为H，设影响因子为β，并设类比时隙数为c，在队列中选取下一跳地址不处于休眠期...

【专利技术属性】
技术研发人员：史琰，杨志明，盛敏，仲伟慧，宋文强，刘俊宇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61