本发明专利技术公开了一种基于TDMA/FDMA的WSN网络mac层调度方法，该调度方法针对基于分簇的数据收集型WSN网络，在簇内采用时分复用机制、在簇间采用频分复用机制分配信道。时分复用机制和频分复用机制很好地克服了竞争式mac调度方法在网络高负载情况下访问冲突多的缺点。同时新mac调度方法在簇内通讯阶段引入了csma入网时隙，克服了TDMA类调度方法可拓展性差的缺点。节点在活跃期苏醒转发数据，在非活跃期进入休眠状态，降低能耗。根据网络负载情况，调度方法可自动调节活跃期在通讯周期中的占空比，满足网络对吞吐量的动态要求，并一定程度上降低了数据的时延。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)领域，尤其涉及一种基于TDMA/FDMA复用的无线传感器网络mac (medium access control介质访问控制) 层调度方法。
技术介绍
Mac处于无线传感器网络的底层，决定了节点的访问无线信道的方式，负责网络中无线信道的分配。网络的上层调度方法产生的数据要发送、物理层如何实现数据的接收，都要进过mac层的调度机制来实现。Mac层对网络的性能有着直接的影响，mac层的调度方式直接影响到网络的吞吐量、数据的实时性、网络的可拓展性、能耗等。针对具体的应用，设计一个好的mac层调度方法是决定网络性能的关键之一。目前存在的大部分mac层调度方法都是针对单信道的调度方法，这类调度方法只针对网络中的所有节点都工作在同一个信道的情况。网络中的所有节点在同一个信道上竞争同一个信道的使用权。根据信道的分配方式，单信道mac调度方法主要可分成基于竞争式的调度方法、基于调度式的调度方法和混合式调度方法。当网络中的数据量很大时，信道访问冲突将不可避免地加剧，单信道的通讯模式已成为提升网络吞吐量的瓶颈。然而，随着工艺的进步，早已出现了可实现多信道选择的无线芯片和模块 (CC2430,ember250等)，节点可以在不同的频道上进行切换，收发数据。工作在不同信道上的节点彼此之间不干扰，利用这一点可实提升现网络的吞吐量，降低通讯冲突，提升网络的各项性能。目前已经出现了一些多信道mac调度方法，比如匪SN、MC-LMAC、Y-MAC、TMCP等。1、MMSN是一种竞争式的mac调度方法。节点要在相应的时槽内竞争以发送数据。 MMSN相比于单信道的调度方法提高了网络的吞吐量，但是调度方法的复杂度较高，MMSN提出的Toggle Snooping /Toggle Transmission接收和发送方式需要新到的额频繁切换，可行性不高，且需要高精度的同步。并且由于MMSN是竞争式调度方法，当网络的节点密度高， 可分配信道不足够时，或者网络中的数据量流增大时，网络的拥塞将加大，丢包率和时延将随之增大。2、MC-LMAC是一种TDMA/FDMA复用的调度方法，调度方法同样需要高精度的同步；由于采用了 TDMA机制，调度方法存在拓展性的问题。MC-LMAC在每个slot的开始都要广播控制帧，引入了非常大的控制消耗。调度方法还存在节点发送冲突的问题，两个节点可能同时想一个节点发送数据，类似于隐藏终端问题。3、TMCP与其它调度方法的不同之处在于，其不需要高精度同步，甚至同步，而这一点正是其它很多调度方法的瓶颈和困难所在。该调度方法把网络划分成若干子树后，节点在簇内就采用CSMA方法竞争信道。由于csma方法的特性，当网络的流量增大时，TMCP的性能将会下降，网络的拥塞将会加重，收包率下降，时延增大等。但是当数据量较小时，网络表现出色。以上的调度方法虽然提出了多频道分配的各类方法，但都存在着一些缺点，Mac调度方法要么要求必须实现高精度的同步，要么要求复杂的信道和时隙分配方法和网络初始化过程，这些调度方法存在着方法的复杂度高、可拓展性差、能耗高等各类缺点。并且，传感器网络是针对应用的网络，一种mac调度方法很难适用于多个不同的应用场景，一般都是针对具体的应用场景提出相应的通讯调度方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有MAC层调度方法的不足和无线传感器网络的工作特点，针对基于分簇结构的数据收集型WSN网络和WSN底层调度方法对空闲侦听、数据冲突、低能耗、网络可拓展性等性能的要求，提供了一种。为了实现上述的目的，本专利技术采取如下技术方案一种基于TDMA/FDMA的WSN网络 mac层调度方法，该技术方案包括以下步骤(1)Sink节点周期性地发布全网同步帧，用于全网的时间同步；(2)簇头接收同步帧，完成和Sink节点的同步，并转发同步帧，子节点接收簇头同步帧，完成与簇头的同步，既而完成全网同步；(3)子节点根据簇头同步帧信息，判断自己所属时隙，簇内完成TDMA时分复用，簇间完成FDMA频分复用；(4)子节点和簇头在各自的时隙和频段上完成数据的发送；(5)新加入节点采用切换频道的侦听方式，侦听簇头广播帧，完成入网，簇头通过同步帧中的时隙分配向量，调整时隙分配。本专利技术的有益效果是1、应用本专利技术的方法，簇内的TDMA时分复用机制消除了节点之间的数据发送冲突；不同簇采用不同的信道进行通讯，簇与簇之间不存在通讯干扰。2、时隙分配针对数据收集型网络，采用了针对发送者的时隙分配，降低了网络中的空闲侦听，节点在没有数据发送时，进入休眠状态，降低能耗。3、在通讯时间帧中引入了 csma入网时隙，允许新节点入网，提高了网络的可拓展性。4、本专利技术调度方法可动态调整时间帧中活跃周期的长度，可动态地提高网络的吞吐量。附图说明图1为网络的拓扑结构图； 图2为本专利技术的通讯周期结构图3为本专利技术的通讯周期活跃期结构图； 图4为本专利技术的通讯周期活跃期的簇内通讯阶段示意图； 图5为本专利技术的通讯周期活跃期的簇头和Sink通讯阶段示意图； 图6为本专利技术上行数据传输示意图； 图7为本专利技术下行数据传输示意图。具体实施例方式本专利技术基于分簇的网络结构，新的mac调度方法的应用背景主要为监测类型的无限传感器网络应用。网络负责数据的收集，网络中的主要产生的是上行数据，簇内的子节点产生数据，并最终汇集到Sink节点处，子节点之间不需要经常性的相互通讯。网络的拓扑结构如图1所示，假设网络包含了四个簇，Sink节点直接与各个簇的簇头通讯。每个簇由簇头和子节点组成。簇头管理子节点，给子节点分配时隙，管理新节点的加入。网络初始化阶段，Sink节点发布组网命令。新的Mac调度方法设定了一个公共信道，用来发布控制命令和收集簇头的上传数据；Sink节点和所有簇头之间在公共信道上通讯，Sink节点向簇头发送同步帧和控制帧。各个簇的簇头和子节点工作在不同的唯一指定的信道上，其中簇头在指定的簇内信道和公共信道上切换；信道的分配在网络的初始化阶段完成，由Sink节点向申请成为簇头的节点指定。簇头收到Sink节点的同步帧后，加入控制信息并转发同步帧。调度方法统一约定一些网络参数，子节点接收同步帧后，根据帧内包含的时隙分配数组，安排自己的发送时隙。如图2所示，调度方法将时间划分为一个个通讯帧。每个通讯帧长度为5秒，其中通讯帧内又分为活跃阶期和非活跃期。节点和簇头在活跃期内收发数据，并向Sink节点汇报。如图3通讯帧的活跃期分为两个阶段，簇内通讯阶段和簇头和Sink节点通讯阶段。簇头与子节点在簇内通讯阶段通信，子节点在这个阶段内向簇头汇报数据，簇头将收到的数据在簇头和Sink节点通讯阶段上报给Sink节点，这两个阶段都采用TDMA时分复用方式通讯，节点在各自的时隙发送数据。簇内通讯阶段的时隙图如图4所示，第一个时隙为控制时隙，是分配给簇头的数据下行时隙，其余为子节点时隙。为了改善调度方法的可拓展性，引入了一个csma竞争时隙，用来给新的入网节点发送入网申请，应对网络的拓扑结构的动态改变。簇头和Sink节点通讯阶段的时隙图如图5所示，由簇头时隙和控制时隙组成，簇头时隙分配给相应的簇头，簇头在该时隙内向Sink节点发送数据，控制时隙用来本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡ复用的无线传感器网络ｍａｃ调度方法，其特征在于，包含如下步骤：（１）无线传感器网络部署完毕后，Ｓｉｎｋ节点周期性地发布全网同步帧，用于全网的时间同步；（２）簇头接收同步帧，完成和Ｓｉｎｋ节点的同步，并转发同步帧，子节点接收簇头同步帧，完成与簇头的同步，既而完成全网同步；（３）子节点根据簇头同步帧信息，判断自己所属时隙，簇内完成ＴＤＭＡ时分复用，簇间完成ＦＤＭＡ频分复用；（４）当子节点、簇头和Ｓｉｎｋ节点有数据发送时，在各自的时隙和频段上完成数据的发送；（５）新加入节点采用切换频道的侦听方式，侦听簇头广播帧，完成入网，簇头通过同步帧中的时隙分配向量，调整时隙分配。
【技术特征摘要】
1.一种基于TDMA/FDMA复用的无线传感器网络mac调度方法，其特征在于，包含如下步骤(1)无线传感器网络部署完毕后，Sink节点周期性地发布全网同步帧，用于全网的时间同步；(2)簇头接收同步帧，完成和Sink节点的同步，并转发同步帧，子节点接收簇头同步帧，完成与簇头的同步，既而完成全网同步；(3)子节点根据簇头同步帧信息，判断自己所属时隙，簇内完成TDMA时分复用，簇间完成FDMA频分复用；(4)当子节点、簇头和Sink节点有数据发送时，在各自的时隙和频段上完成数据的发送；(5)新加入节点采用切换频道的侦听方式，侦听簇头广播帧，完成入网，簇头通过同步帧中的时隙分配向量，调整时隙分配。2.如权利要求1所述的基于TDMA/FDMA复用的无线传感器网络mac层调度方法，其特征在于所述步骤(2)中，Sink节点周期性地发布同步帧，用来进行全网同步，Sink节点在发送的同步帧中加入自己的时间，并在公共频道上广播，全网所有设备在经过一定的周期时间后认为全网已不再精确同步，打开射频，处于侦听状态，侦听同步帧，簇头在公共信道上侦听Sink节点的同步帧，实现与Sink节点的同步；然后簇头进行跳频，设定自己的信道为本簇通讯信道，再转发同步帧给各自簇的子节点，实现簇头与子节点的同步，继而实现全网同步。3.如权利要求1所述的基于TDMA/FDMA复用的无线传感器网络mac层调度方法，其特征在于所述步骤(3)中，系统时间被划分成很多个连续的通讯周期，通讯周期又划分为活跃期和非活跃期，簇头和子节点在活跃期内发送数据，在非活跃期内进入休眠状态，关掉射频模块以节约能量，一个通讯周期内的活跃期长度可动态调整，活跃期进一步划分为簇内通讯阶段和簇头和Sink节点通讯阶段，在簇内通讯阶段，各个簇的簇头和子节点工作在唯一指定的信道上，不同的两个簇的信道不一致，即簇间采用FDMA频分复用机制，簇内通讯阶段采用TDMA机制，将时间细分成若干个时隙，由4部分组成控制时隙、节点时隙、空闲时隙和csma入网时隙，簇头和Sink节点通讯阶段被划分为10个时隙，前面9个时隙被分配给可能的9个簇头，为簇头时隙；最后一个时隙为控制时隙；簇头广播的同步帧内含有一个时隙分配向量，可以看成是一个数组，这个数组的长度为所有可分配给子节点时隙数，由于子节点时隙长度为185ms，且每个子节点时隙为5ms，所以调度方法设定可分配给子节点的时隙为17个；如果一个时隙被分配给了一个子节点，那么该数组的相对应的字节单元...
【专利技术属性】
技术研发人员：王智，卓书果，李元实，沈杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86
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