一种无线传感器网络MAC层的数据传输方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络MAC层的数据传输方法，涉及无线通信技术领域。包括：每个路由节点周期性广播信标帧至信道；以路由节点为父节点的若干子节点获取待传输的数据，侦听各自父节点的信标帧信息，发送前导帧；父节点根据前导帧信息选择传输数据的模式，并以广播的方式通知子节点；子节点根据父节点指定的传输模式将数据发送至父节点；父节点将数据按预先路由规划传输至汇聚节点。本发明专利技术在网络低负载运行时使用竞争接入方式，当负载增大到一定程度使用非竞争接入方式访问信道，各路由节点根据实时接收的各个子节点的负载信息自主判断当前负载状况，在不同场合及时进行接入方式的切换，提供了在负载变动的情况下高效地传送数据的解决方案。送数据的解决方案。送数据的解决方案。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络MAC层的数据传输方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，特别是指一种无线传感器网络MAC层的数据传输方法。

技术介绍

[0002]大量的传感器节点部署在特定监测区域内，通过无线通信、多跳和自组织的方式进一步组成了无线传感器网络。其中，传感器节点是整个无线传感器网络的基本单位，通常是一个微型的嵌入式系统，具有感知物理环境数据和处理数据的能力。由于其应用的独特性，无线传感器网络不同于传统意义上的无线通信网络。其功能体系框架结构通常分为多层协议栈，从功能上看，协议栈的每一组成部分都负责或参与完成能量管理、移动管理和任务管理等具体任务。其中MAC(Medium Access Control,介质访问控制)层负责管理无线信道的使用，实现流量控制、差错控制、媒体接入等功能。由于无线传感器网络与应用密切相关，研究人员根据不同的应用需求从不同方面提出了多种MAC协议，但到目前为止，无线传感器网络MAC协议仍然缺乏一个统一的分类方式。最常见的分类方式是依据信道访问策略将MAC协议分为基于竞争的访问方式、基于非竞争的访问方式。
[0003]基于竞争的MAC协议采用按需使用信道的方式，当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用公用信道，如果发送过程产生了数据碰撞则按照某种机制重新发送数据，直至发送成功。IEEE 802.11就是采用CMSA(Carrier Sense Multiple Access,载波侦听多路访问)机制的基于竞争MAC协议的代表。基于非竞争的访问方式的MAC协议预先对各个传输数据的传感器节点分配信道，因而不存在碰撞冲突的问题。而TDMA(Time Division Multiple Access，时分复用)是将传输过程分为若干时隙，不同节点利用不同时隙传输数据，从而避免了碰撞重传的问题，是一种简单成熟的机制。
[0004]基于竞争的MAC访问方式协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好的适应节点数量和变化以及网络拓扑结构的变化，另外不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法，网络较为简洁高效。但当负载增大到某种程度时，必然会导致各节点对公共信道的需求增加，从而使得访问变得频繁，碰撞冲突概率大大增加，最终系统性能指标如能耗，传输时延等急剧恶化。
[0005]基于非竞争的MAC访问方式协议可以通过预分配信道资源实现无冲突访问，因而适于负载较高的场合。但该协议需要节点具有较大存储空间与较高的计算性能，且不能适应网络流量变动，节点间的时钟同步算法较为复杂，、通信和计算开销较大。在负载较低的场合不能完全利用信道，致使效率低下。
[0006]在实际应用中通常会有负载变化剧烈的情况，如用于交通监控的无线传感器网络，在交通高峰期的数据传递量和平峰期有巨大差别，如何能够使得一个无线传感器网络能够对于剧烈变化的负载都能够始终保持高性能，是对于上述两种传统模式的一个严峻挑战。采用单一的竞争方式或非竞争方式访问公共信道，都不能很好地解决这一问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术针对在无线传感器网络负载变动剧烈的情况下(如监测环境出现突发数据流需要传递)，如何将网络中产生的数据及时、快速地传输至汇聚节点，并且尽量而为地降低不必要的能耗的问题，提出了本专利技术。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]本专利技术提供了一种无线传感器网络MAC层的数据传输方法。该方法包括：
[0010]S1、传感器网络中的每个路由节点周期性广播信标帧至信道。
[0011]S2、以每个路由节点为上一级父节点的若干子节点获取待传输的数据，并侦听子节点所属父节点的信标帧信息，子节点获取信标帧信息后发送子节点的前导帧至父节点。
[0012]S3、父节点接收前导帧，根据前导帧信息选择传输数据的传输模式，并以广播的方式通知父节点下属的子节点。
[0013]S4、子节点根据父节点指定的传输模式将数据发送至父节点。
[0014]S5、父节点接收数据，并将数据按预先路由规划传输至汇聚节点。
[0015]可选地，S3中的父节点接收前导帧，根据前导帧信息选择传输数据的传输模式包括：
[0016]S31、父节点接收前导帧，并根据前导帧信息解析出子节点需要发送的数据信息。
[0017]S32、父节点根据数据信息判断无线传感器网络的负载状况；其中，负载状况包括轻负载以及重负载。
[0018]S33、父节点根据负载状况选择传输数据的传输模式。
[0019]可选地，S33中的父节点根据负载阶段选择传输数据的传输模式包括：
[0020]若负载状况为轻负载，则采用竞争模式传输数据。
[0021]若负载状况为重负载，则采用非竞争模式传输数据。
[0022]可选地，采用竞争模式传输数据包括：
[0023]采用载波监听多路访问CSMA方式传输数据。
[0024]采用非竞争模式传输数据包括：
[0025]采用时分复用TDMA方式传输数据。
[0026]可选地，S4中的子节点根据父节点指定的传输模式将数据发送至父节点包括：
[0027]子节点将数据分割封装为多个数据帧。
[0028]子节点根据父节点指定的传输模式将多个数据帧发送至父节点。
[0029]可选地，数据帧包括帧头、介质访问控制MAC负载数据以及帧尾。
[0030]其中，帧头包括帧控制信息、帧序列号以及地址信息。
[0031]MAC负载数据包括队列指示器以及数据单元。
[0032]帧尾采用16位循环冗余校验CRC校验码序列。
[0033]可选地，S4中的子节点根据父节点指定的传输模式将数据发送至父节点还包括：
[0034]子节点根据父节点指定的传输模式将待数据发送至父节点，数据传输完毕后，子节点关闭天线进入休眠阶段。
[0035]可选地，S5中的父节点接收数据，并将数据按预先路由规划传输至汇聚节点包括：
[0036]父节点接收数据，并将数据按预先路由规划传输至汇聚节点，数据传输完毕后，父节点关闭天线进入休眠阶段，并以预设时间间隔周期性广播信标帧至信道。
[0037]可选地，子节点为非全功能节点，具有数据采集和数据传输功能，汇聚节点以及路由节点为全功能节点，具有数据传输、集中计算和控制管理功能。
[0038]可选地，汇聚节点、路由节点以及若干子节点构成树形网络拓扑结构。
[0039]本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0040]上述方案中，提出的MAC协议充分利用现有两种访问方式的优点，在网络低负载运行时使用竞争接入方式，当负载增大到一定程度，使用非竞争接入方式访问信道，按不同场合进行有机切换，即混合式MAC访问方式。从而提供了一种在负载变动的情况下高效地传送数据的解决方案。能够很好地应对负载变化剧烈的情况，在突发负载发生时就立即将其传输出去，能实现较高的吞吐量和较少的传输延时，因而保证了网络整体性能始终优良。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络MAC层的数据传输方法，其特征在于，所述方法包括：S1、传感器网络中的每个路由节点周期性广播信标帧至信道；S2、以所述每个路由节点为上一级父节点的若干子节点获取待传输的数据，并侦听子节点所属父节点的信标帧信息，所述子节点获取所述信标帧信息后发送子节点的前导帧至所述父节点；S3、所述父节点接收所述前导帧，根据前导帧信息选择传输所述数据的传输模式，并以广播的方式通知所述父节点下属的子节点；S4、所述子节点根据父节点指定的传输模式将所述数据发送至所述父节点；S5、所述父节点接收所述数据，并将所述数据按预先路由规划传输至汇聚节点。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中的所述父节点接收所述前导帧，根据前导帧信息选择传输所述数据的传输模式包括：S31、所述父节点接收所述前导帧，并根据前导帧信息解析出子节点需要发送的数据信息；S32、所述父节点根据所述数据信息判断无线传感器网络的负载状况；其中，所述负载状况包括轻负载以及重负载；S33、所述父节点根据所述负载状况选择传输所述数据的传输模式。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S33中的所述父节点根据所述负载状况选择传输所述数据的传输模式包括：若所述负载状况为轻负载，则采用竞争模式传输所述数据；若所述负载状况为重负载，则采用非竞争模式传输所述数据。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用竞争模式传输所述数据包括：采用载波监听多路访问CSMA方式传输所述数据；所述采用非竞争模式传输所述数据包括：采用时分复用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张轶，郁文生，张琦，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：