本发明专利技术公开了一种无线传感器网络自适应混合MAC协议，属于无线传感器网络技术领域。其技术特点是：基于汇聚节点-骨干节点-普通节点分级粗同步和按需精同步的同步算法；用于解决异构传感器网络环境下节点接入公平性问题的基于固定时帧长度的交叉时隙分配算法；基于预留时隙块的突发数据竞争传输方法；基于业务等级加权退避的CSMA/CA算法；基于业务等级加权的交叉时隙块分配算法；基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消方法。本发明专利技术的MAC协议算法可以在降低无线传感器网络整体能耗的同时，满足不同业务等级的QoS需求，并为周期性感知和事件触发感知共存的无线传感网应用提供一种全新的实时数据传输解决方案。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种无线传感器网络自适应混合MAC协议，属于无线传感器网络
技术介绍
无线传感器网络作为现实世界和数字世界的接口，在军事、工农业、城市管理、数字楼宇、环境监测、抢险救灾、危险区域远程监控等领域具有非常广阔的应用前景。MAC协议是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一，它决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线信道资源，用来构建无线传感器网络系统的底层基础架构，对无线传感器网络的性能有非常重要的影响。目前，无线传感器网络MAC协议主要有三类第一类是基于竞争的MAC协议；其基本思想是当有数据需要发送时，传感器节点通过竞争接入信道；如果发生冲突，则采用某种策略重新发送数据，直至数据发送成功或放弃发送。该类协议通常采用载波侦听工作模式， 并结合冲突避免机制、握手信号和退避接入机制来减少冲突的可能性。其优点是协议简单、 可扩展好；缺点是存在碰撞、串音、公平性差和信道利用率低等问题。第二类是基于调度的 MAC协议；其基本思想是采用某种调度算法使每个传感器节点只在给定的时间段/子频带 /正交码内接入信道进行通信，没有参与通信的节点进入睡眠状态以节能，其主要优点是可以实现无冲突通信、占空比可控性好、网络能量效率高等，缺点是可扩展性差、同步要求高以及调度维护开销大等。第三类是混合MAC协议，其基本思想是结合基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议的优点，同时避免各自的缺点。当时空域或某种网络条件改变时，该类协议仍表现为以某类协议为主，其它协议为辅的特性。协议的主要优点是有利于网络全局优化，不足之处是算法通常比较复杂。以上现有无线传感器网络MAC协议存在以下共同缺陷无法同时保证周期性感知数据和突发数据的实时传输；无法保证异构传感器节点的信道使用公平性；无法满足异构传感器不同业务等级的QoS需要，这些问题导致现有MAC协议无法适应周期性事件感知和事件驱动感知共存的异构传感器网络的复杂应用场合。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服已有无线传感器网络MAC协议的不足之处，针对周期性事件感知和事件驱动感知共存的异构传感器网络应用，提出一种无线传感器网络自适应混合 MAC协议，解决无线传感器网络应用中周期性感数据和突发数据的实时传输、异构传感器节点信道接入公平性、异构传感器不同业务等级的不同QoS需要等问题，为无线传感器网络能够同时支持周期性事件感知和事件驱动感知任务提供技术支撑。本专利技术的一种无线传感器网络自适应混合MAC协议，包括以下步骤1、一种无线传感器网络自适应混合MAC协议，其特征在于，包括以下步骤1)网络为三层拓扑结构；网络由汇聚节点、骨干节点和普通节点组成，普通节点将感知数据发送给骨干节点，由骨干节点完成数据融合后转发给汇聚节点；2)基于固定时帧长度的交叉时隙分配算法；21)时帧用TF表示，时隙用TS表示，则TF = 3X2kTS(0彡k彡15)，其中k由簇容量大小确定，TS由数据分组大小、数据传输速率和时钟漂移参数确定，时帧的开始用时帧信标标识，其中包含子网号、信标时戳、信标持续时间、时隙总数、剩余时隙数等参数；22)将一个时帧分为A、B、C三组，每组包括2k个时隙，每组中的时隙都分配一个索引号，取值范围为0 2k-l。每个时隙组的时隙与其它时隙组的时隙交替编排A-0，B-0, c-o, A-I，B-I，C-I，…，A-2kl, B_2k_l，C_2k_l ；23)A-O, B-0, C-O为预留时隙，其中A_0用于骨干节点与汇聚节点精同步；B_0用于新增节点入网精同步，C-O用于新增节点接收时隙分配参数；24)不包括预留时隙，A组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向骨干节点发送数据；B组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向骨干节点发送突发数据；C组时隙为骨干节点预留时隙，用于骨干节点向汇聚节点发送数据；25)根据QoS需求，每个节点可分配多个时隙，称为时隙块，时隙块的大小由重复率数表征，重复率数等于所分配时隙个数的对数，节点η所分配的时隙块可表示为 W-/。-凡，其中A表示节点η的时隙块是A组时隙的子集，/。表示节点η的时隙块起始时隙索引值，&表示节点η的时隙重复率值，时隙块中的各个时隙索引可表示为:r0+mx”，其中m的取值为[。，胪-⑴/〃」];26)网络初始拓扑形成时，骨干节点分配给普通节点的A组时隙不能超过A组总时隙数的80%，除预留时隙外，未分配时隙为新增节点备用时隙；3)基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消方法；传感器节点的时间精度随着本地时钟的漂移而下降，在发送时隙的开始和结束预留一段时间At可以抵消时钟漂移产生的时间重叠导致的发送冲突，At由有以下公式给出A/ = 7Fx外，其中TF为时帧长度，外《_为传感器节点本地时钟漂移率；4)基于业务等级加权的交叉时隙块分配算法；利用步骤2)所述的时隙块分配算法，为业务等级高的节点分配较多的时隙；5)基于汇聚节点-骨干节点-普通节点分级粗同步和按需精同步的同步算法；51)在网络拓扑形成阶段，汇聚节点周期性地广播入网同步报文，该同步报文中包含汇聚节点的当前时间；骨干节点根据接收到的入网同步报文调整自己的本地时间，实现粗同步。粗同步完成以后，骨干节点采用CSMA/CA和随机退避机制接入信道，通过双向报文交换机制与汇聚节点实现入网精同步；52)在网络运行阶段，骨干节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步，骨干节点根据时间精度等级要求，按需在时隙A-O内采用CSMA/CA和随机退避机制接入信道，通过双向报文交换机制与汇聚节点实现精同步；53)在网络拓扑形成阶段，当骨干节点实现与汇聚节点精同步后，开始周期性地广播信标，信标中包括子网号、时戳、发射功率等信息；普通节点收到信标后，根据信标时戳调整自己的时间，实现粗同步；普通节点可能会收到多个来自于不同骨干节点信标，普通节点根据接收信标功率的强度选择合适的汇聚节点发送入网请求；骨干节点根据入网请求节点的特征参数(包括剩余能量、业务等级、申请时隙个数等)为每个节点分配相应时隙块；每个节点利用所分配时隙块的起始时隙完成与骨干节点的入网精同步；54)在网络运行阶段，普通节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步；普通节点根据时间精度等级要求，按需在所分配时隙块的起始时隙，通过双向报文交换机制与骨干节点实现精同步，不需要同步时，所分配时隙块的起始时隙用来传输数据；55)在网络运行阶段，新增节点利用时帧信标进行入网粗同步，然后在B-O时隙通过双向报文交换机制与骨干节点实现精同步，在C-O时隙接收骨干节点的时隙分配参数进行入网；6)基于公共竞争时隙块的突发数据传输方法；需要传输突发数据的节点在B组时隙(B-0除外)通过CSMA/CA竞争机制接入信道；7)基于业务等级加权退避的CSMA/CA算法；将传感器节点按照业务等级分类，业务等级高的节点在竞争时隙块内退避时间较短，从而获得更高的信道接入概率。本专利技术的有益效果是能够克服已有无线传感器网络MAC协议的不足之处；解决无线传感器网络应用中周期性事件感知和事件驱动感知数据的实时传输、异构传感器节点信道接入公平性、异构传感器不同业务等级的不同QoS需要等问题，为无线传感器网络能够同时支持周期本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种无线传感器网络自适应混合ＭＡＣ协议，其特征在于，包括以下步骤：１）网络为三层拓扑结构；网络由汇聚节点、骨干节点和普通节点组成，普通节点将感知数据发送给骨干节点，由骨干节点完成数据融合后转发给汇聚节点；２）基于固定时帧长度的交叉时隙分配算法；２１）时帧用ＴＦ表示，时隙用ＴＳ表示，则ＴＦ＝３×２ｋＴＳ（０≤ｋ≤１５），其中ｋ由簇容量大小确定，ＴＳ由数据分组大小、数据传输速率和时钟漂移参数确定，时帧的开始用时帧信标标识，其中包含子网号、信标时戳、信标持续时间、时隙总数、剩余时隙数等参数；２２）将一个时帧分为Ａ、Ｂ、Ｃ三组，每组包括２ｋ个时隙，每组中的时隙都分配一个索引号，取值范围为０～２ｋ－１。每个时隙组的时隙与其它时隙组的时隙交替编排：Ａ－０，Ｂ－０，Ｃ－０，Ａ－１，Ｂ－１，Ｃ－１，…，Ａ－２ｋ－１，Ｂ－２ｋ－１，Ｃ－２ｋ－１；２３）Ａ－０，Ｂ－０，Ｃ－０为预留时隙，其中Ａ－０用于骨干节点与汇聚节点精同步；Ｂ－０用于新增节点入网精同步，Ｃ－０用于新增节点接收时隙分配参数；２４）不包括预留时隙，Ａ组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向骨干节点发送数据；Ｂ组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向骨干节点发送突发数据；Ｃ组时隙为骨干节点预留时隙，用于骨干节点向汇聚节点发送数据；２５）根据ＱｏＳ需求，每个节点可分配多个时隙，称为时隙块，时隙块的大小由重复率数表征，重复率数等于所分配时隙个数的对数，节点ｎ所分配的时隙块可表示为：其中Ａ表示节点ｎ的时隙块是Ａ组时隙的子集，表示节点ｎ的时隙块起始时隙索引值，Ｒｎ表示节点ｎ的时隙重复率值，时隙块中的各个时隙索引可表示为：其中ｍ的取值为２６）网络初始拓扑形成时，骨干节点分配给普通节点的Ａ组时隙不能超过Ａ组总时隙数的８０％，除预留时隙外，未分配时隙为新增节点备用时隙；３）基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消方法；传感器节点的时间精度随着本地时钟的漂移而下降，在发送时隙的开始和结束预留一段时间Δｔ可以抵消时钟漂移产生的时间重叠导致的发送冲突，Δｔ由有以下公式给出：其中ＴＦ为时帧长度，为传感器节点本地时钟漂移率；４）基于业务等级加权的交叉时隙块分配算法；利用步骤２）所述的时隙块分配算法，为业务等级高的节点分配较多的时隙；５）基于汇聚节点－骨干节点－普通节点分级粗同步和按需精同步的同步算法；５１）在网络拓扑形成阶段，汇聚节点周期性地广播入网同步报文，该同步报文中包含汇聚节点的当前时间；骨干节点根据接收到的入网同步报文调整自己的本地时间，实现粗同步。粗同步完成以后，骨干节点采用ＣＳＭＡ／ＣＡ和随机退避机制接入信道，通过双向报文交换机制与汇聚节点实现入网精同步；５２）在网络运行阶段，骨干节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步，骨干节点根据时间精度等级要求，按需在时隙Ａ－０内采用ＣＳＭＡ／ＣＡ和随机退避机制接入信道，通过双向报文交换机制与汇聚节点实现精同步；５３）在网络拓扑形成阶段，当骨干节点实现与汇聚节点精同步后，开始周期性地广播信标，信标中包括子网号、时戳、发射功率等信息；普通节点收到信标后，根据信标时戳调整自己的时间，实现粗同步；普通节点可能会收到多个来自于不同骨干节点信标，普通节点根据接收信标功率的强度选择合适的汇聚节点发送入网请求；骨干节点根据入网请求节点的特征参数为每个节点分配相应时隙块；每个节点利用所分配时隙块的起始时隙完成与骨干节点的入网精同步；５４）在网络运行阶段，普通节点的时间精度会随着本地时钟的漂移而下降，因此需要再同步；普通节点根据时间精度等级要求，按需在所分配时隙块的起始时隙，通过双向报文交换机制与骨干节点实现精同步，不需要同步时，所分配时隙块的起始时隙用来传输数据；５５）在网络运行阶段，新增节点利用时帧信标进行入网粗同步，然后在Ｂ－０时隙通过双向报文交换机制与骨干节点实现精同步，在Ｃ－０时隙接收骨干节点的时隙分配参数进行入网；６）基于公共竞争时隙块的突发数据传输方法；需要传输突发数据的节点在Ｂ组时隙，Ｂ－０除外，通过ＣＳＭＡ／ＣＡ竞争机制接入信道；７）基于业务等级加权退避的ＣＳＭＡ／ＣＡ算法；将传感器节点按照业务等级分类，业务等级高的节点在竞争时隙块内退避时间较短，从而获得更高的信道接入概率。...
【技术特征摘要】
1. 一种无线传感器网络自适应混合MAC协议，其特征在于，包括以下步骤1)网络为三层拓扑结构；网络由汇聚节点、骨干节点和普通节点组成，普通节点将感知数据发送给骨干节点，由骨干节点完成数据融合后转发给汇聚节点；2)基于固定时帧长度的交叉时隙分配算法；21)时帧用TF表示，时隙用TS表示，则TF= 3X2kTS(0彡k彡15)，其中k由簇容量大小确定，TS由数据分组大小、数据传输速率和时钟漂移参数确定，时帧的开始用时帧信标标识，其中包含子网号、信标时戳、信标持续时间、时隙总数、剩余时隙数等参数；22)将一个时帧分为A、B、C三组，每组包括2k个时隙，每组中的时隙都分配一个索引号，取值范围为0 2k-l。每个时隙组的时隙与其它时隙组的时隙交替编排A-0，B-0，C-0， A-I, B-I, C-I,…，A-2k-l，B-2k-l，C_2k_l ；23)A-0,B-0, C-O为预留时隙，其中A-O用于骨干节点与汇聚节点精同步；B-O用于新增节点入网精同步，C-O用于新增节点接收时隙分配参数；24)不包括预留时隙，A组时隙为分配给普通节点的固定时隙，用于普通节点向骨干节点发送数据；B组时隙为公共竞争时隙，用于普通节点向骨干节点发送突发数据；C组时隙为骨干节点预留时隙，用于骨干节点向汇聚节点发送数据；25)根据QoS需求，每个节点可分配多个时隙，称为时隙块，时隙块的大小由重复率数表征，重复率数等于所分配时隙个数的对数，节点η所分配的时隙块可表示为其中A表示节点η的时隙块是A组时隙的子集，/。表示节点η的时隙块起始时隙索引值，Rn表示节点η的时隙重复率值，时隙块中的各个时隙索引可表示为-J:他”，其中m的取值为[θ,[(2'·- /2^·\]；26)网络初始拓扑形成时，骨干节点分配给普通节点的A组时隙不能超过A组总时隙数的80%，除预留时隙外，未分配时隙为新增节点备用时隙；3)基于发送抖动和传播时延保护的时钟漂移影响抵消方法；传感器节点的时间精度随着本地时钟的漂移而下降，在发送时隙的开始和结束预留一段时间At可以抵消时钟漂移产生的时间重叠导致的发送冲突，At由有以下公式给出 Ai = TF...
【专利技术属性】
技术研发人员：何遵文，贾建光，刘阳，匡镜明，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11
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