一种基于双向弯道交通指挥系统的ＷＳＮ　ＭＡＣ协议技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双向弯道交通指挥系统的ＷＳＮ　ＭＡＣ协议。该协议包括：将超帧结构分为非活动周期和活动周期，活动周期包括竞争访问周期、信标周期和非竞争访问周期；在非活动周期内，传感器节点进入睡眠状态，汇聚节进行数据融合，产生交通控制命令；在竞争访问周期内，检测到事件的传感器节点根据汇聚节点规定的访问权限，竞争时隙向汇聚点汇报事件的简要信息；在信标周期内，汇聚节点根据已有汇报事件信息，设置竞争访问周期访问权限，将非竞争访问周期内的时隙分配给具体的传感器节点；在非竞争访问周期内，传感器节点根据汇聚节点的时隙分配，在规定时隙内，以时分复用的方式向汇聚节点发送事件的详细数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络的通信技术，具体地说是针对双向弯道交通指挥系统，无线 传感器网络MAC协议的改进和实现方法，以提高数据传输实时性能，降低能耗。
技术介绍
智能交通指挥系统是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术以及计算机 处理技术相结合，使其有效地综合运用于交通运输的服务、控制和管理的大型系统。其目的 是使统一调度行人和车辆，极大地提高综合交通运输效率，保障交通安全。双向弯道处的交通情况较为复杂，控制更加困难。并且双向弯道是交通常见情形，盘山 公路、大型停车场门口、风景区小区门口、地下车库入口等处都存在双向弯道。由于受到视 觉范围、坡度及拐角弯度的限制，双向弯道处成为交通控制的一个难点，易造成交通堵塞和 车辆挂擦等事故。与普通转弯路口相比，双向弯道处的交通状况具有以下特点第一，上坡 行驶时，前导车可能会由于换档而下滑，因此跟驰车辆的司机保持与前导车的安全距离将会 比在相同速度条件下直线上行驶的安全距离大；并且跟驰车辆对前导车的加速反应迟缓，对 前导车的减速反应灵敏；第二，下坡行驶时，前导车一般情况下，坡上的速度小于坡下的速 度，会加速，不会突然减速；因此跟驰车紧随前导车的速度变化改变车速，比在一般情况下 更灵敏，坡度对司机的跟驰起正刺激作用；第三，当道路上车辆较少时，车辆容易发生行驶 过快的情况，在转弯处，由于拐角弯度的限制，易造成越界并与相向而行的车辆发生冲突等 危险；第四，当道路上车辆较多时，由于拐角处司机视觉所限，如果前导车在转弯处突然减 速，跟驰车辆的司机没有足够的反应时间，易发生堵车和挂擦等交通事故；第五，在风景游 览区和大型超市门口等地方，机动车、非机动车和行人混行，由于行驶速度上的差别及双向 弯道处对交通工具的影响，易因避让不及而发生碰撞事故。如何提高无线传感器网络的数据传输速度，降低传输时延，以获得最优的控制效果，是智 能交通指挥系统研究的关键。在无线传感器网络体系结构中，MAC (medium access control) 协议决定着无线信道的使用方式，负责为节点分配无线通信资源，是保证网络高效通信的重 要协议，直接影响网络整体性能。在传感器节点中，无线通信模块被认为是传感器节点中能 量消耗的主要所在，而由于MAC子层直接与物理层接口，即MAC协议的节能效率的好坏将 严重影响网络的生命周期。无线传感器网络与应用高度相关，研究人员从不同的方面出发提 出了多种MAC协议。目前对MAC协议有多种分类方法，如根据信道分配方式、数据通信类 型、性能需求等策略。根据信道访问策略，MAC协议可以分为竞争协议、调度协议和混合MAC协议。竞争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 用无线信道，若发送的数据发生了冲突，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放 弃发送为止。T-MAC、 S-MAC、 B-MAC等都是基于竞争的MAC协议。调度协议基本思想 是采用某种调度算法将时槽/频率/正交码映射为节点，这种映射导致一个调度决定一个节点 只能使用其特定的时槽/频率/正交码(一个或多个)无冲突访问信道。TRAMA(traffic-adaptive MAC)、 TDMA-W (TDMA-wakeup MAC)和ArDeZ (asymmetric rendezvous MAC)等都是基于 调度的MAC协议。混合协议综合竞争协议和调度协议的设计思想，既保留两者的优点，又 避免了各自的缺点。当时空或某种网络条件改变时，混合协议仍表现为以某类协议为主，其 他协议为辅的特性，混合协议更有利于网络全局优化。Z-MAC、 Funneling-MAC等是混合 MAC协议。
技术实现思路
本专利技术的目的针对基于WSN的双向弯道交通指挥系统，提供一个事件驱动应用感知无线 传感器网络MAC协议，以提高数据传输速率，降低网络传输延迟；降低无线传感器节点的 能量消耗，提高网络的生存周期。本专利技术的目的是通过如下方式实现的 一种基于双向弯道交通指挥系统的WSN MAC协 议，将超帧结构分为非活动周期和活动周期，活动周期包括竞争访问周期、信标周期和非竞 争访问周期；在非活动周期内，传感器节点进入睡眠状态，汇聚节进行数据融合，产生交通 控制命令；在竞争访问周期内，检测到事件的传感器节点根据汇聚节点规定的访问权限，竞 争时隙向汇聚点汇报事件的简要信息；在信标周期内，汇聚节点根据已有汇报事件信息，设 置竞争访问周期访问权限，将非竞争访问周期内的时隙分配给具体的传感器节点；在非竞争 访问周期内，传感器节点根据汇聚节点的时隙分配，在规定时隙内，以时分复用的方式向汇 聚节点发送事件的详细数据。该MAC协议结合了基于竞争的MAC和基于时分复用的MAC的优点，在竞争访问周期 内，传感器节点利用竞争的方式向汇聚节点汇报事件；在非竞争访问周期，传感器节点以时 分复用方式访问信道，在指定时隙内向汇聚节点发送数据。作为本专利技术的进一步改进，协议还包括竞争时隙分配算法和时隙动态调整算法。竞争时隙分配算法通过指定访问竞争访问周期的事件优先级和传感器类型，限制低优先级事件的汇 报，以降低了传输冲突的概率。时隙动态调整算法根据传感器节点向汇聚节点汇报的事件数 据数量，动态调整时隙在活动周期和非活动周期的分配比例，使无收发任务的传感器节点进 入睡眠状态，减少节点的空闲监听时间。本专利技术中，符合要求的传感器节点检测到事件后， 在竞争访问周期内通过竞争方式向汇聚节点汇报检测的事件，以获得时隙发送事件数据包，协议将时隙分配给优先级高的事件，同时事件优先级随着等待时间的增加而增加，避免了饿 死现象。本专利技术利用竞争时隙分配算法指定竞争访问周期时隙的事件优先级别和传感器类型来限 制事件的汇报，降低数据包传输冲突；时隙动态调整算法根据已有汇报事件信息，调整时隙 在活动周期和非活动周期的分配比例，使没有收发任务的节点处于睡眠状态，减少空闲监听 周期，降低了节点能耗。下面对这两个算法进行详细介绍算法l:竞争时隙分配算法汇聚节点执行竞争时隙分配算法来为传感器节点分配竞争访问周期中的时隙，减少节点 汇报事件时的数据包传输冲突、提高信道的利用率。汇聚节点有Ne (Ne为传感器节点分组 个数)个事件链表，存储每组传感器节点汇报的事件信息，事件信息包括事件的优先级、数 据包的个数、检测到该事件的传感器节点信息等。链表中的事件按照优先级别进行排序。汇 聚节点根据链表中己汇报事件的情况，设定可以竞争竞争访问周期内时隙的传感器节点和事 件优先级别。在本系统模型中，我们设定Ncj-3，将所有传感器节点分为三个组Gt、 G2、 G3，分别检 测上坡、下坡和拐角三个区域。汇聚节点内部定义Nc5个链表L L2、 L3，分别存储G。 G2、 G3内节点的事件。竞争访问周期内有Nc个竞争访问周期子帧CS,、 CS2、 CS3,传感器节点 在竞争访问周期子帧内汇报其检测到的事件。算法的基本思想如下初始条件下，事件链表均为空，汇聚节点设定竞争访问周期子帧CSj (i=l， 2， 3)可以被对应组号Gi (i=l， 2， 3)的传感器节点竞争汇报任意优先级别的事件， 并将时隙分配信息写入信标数据包中。在运行过程中，汇聚节点接收到若干事件汇报，根据 汇报节点的组号将事本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双向弯道交通指挥系统的ＷＳＮ　ＭＡＣ协议，其特征在于，将超帧结构分为非活动周期和活动周期，活动周期包括信标周期、竞争访问周期和非竞争访问周期；在非活动周期内，传感器节点进入睡眠状态，汇聚节进行数据融合，产生交通控制命令；在信标周期内，汇聚节点根据已有汇报事件信息，设置竞争访问周期的访问权限，将非竞争访问周期内的时隙分配给具体的传感器节点；在竞争访问周期内，检测到事件的传感器节点根据汇聚节点规定的访问权限，竞争时隙向汇聚点汇报事件的简要信息；在非竞争访问周期内，传感器节点根据汇聚节点的时隙分配，在规定时隙内，以时分复用的方式向汇聚节点发送事件的详细数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于双向弯道交通指挥系统的WSN MAC协议，其特征在于，将超帧结构分为非活动周期和活动周期，活动周期包括信标周期、竞争访问周期和非竞争访问周期；在非活动周期内，传感器节点进入睡眠状态，汇聚节进行数据融合，产生交通控制命令；在信标周期内，汇聚节点根据已有汇报事件信息，设置竞争访问周期的访问权限，将非竞争访问周期内的时隙分配给具体的传感器节点；在竞争访问周期内，检测到事件的传感器节点根据汇聚节点规定的访问权限，竞争时隙向汇聚点汇报事件的简要信息；在非竞争访问周期内，传感器节点根据汇聚节点的时隙分配，在规定时隙内，以时分复用的方式向汇聚节点发送事件的详细数据。2. 根据权利要求1所述的一种基于双向弯道交通指挥系统的WSNMAC协议，其特征 在于，所述协议采用竞争时隙分配算法，为传感器节点分配竞争访问周期中的时隙，该算法 包括根据事件信息限定访问竞争访问周期的事件优先级和传感器类型，将竞争周期内时隙 被划分为若干子帧，每个子帧接收不同优先级事件的汇报，符合竞争权限的传感器节点，在 竞争访问周期内通过竞争方式向汇聚节点汇报检测的事件。3. 根据权利要求1所述的一种基于双向弯道交通指挥系统的WSNMAC协议，其特征 在于，所述协议采用时隙动态调整算法，动态调时隙在...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐广华，王良民，詹永照，毛启容，饶静宜，屈小茜，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]