一种基于媒介接入控制协议的无线传感器网络传输方法技术

本发明专利技术公开了一种基于媒介接入控制协议的无线传感器网络传输方法，采用自适应占空比调整机制和片段分组响应ACK机制，在考虑控制开销的情况下，增加了节点在一帧中交互数据的数量，有效地减小了延迟、提高了传输率，同时增大了网络吞吐量。本发明专利技术是基于竞争的MAC协议，同时采用了常见的周期性侦听/休眠机制、虚拟载波侦听机制、RTS/CTS/DATA/ACK带内信令以及消息分割机制，这些机制对节点的能耗，避免串听等都有积极的影响。本发明专利技术使得该MAC协议在面对突发事件时能够出色的完成检测任务，不仅适用于稀疏的、有突发传输的网络，也同样适用于密集的、高吞吐量的WSN网络。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于计算机网络
，特别涉及
技术介绍
在一些监测突发事件的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)中，如监测森林火灾的发生、在救护和反恐中的枪声、爆炸以及エ业安全生产等领域，对数据传输要求比较高的实时性。节点在感知到事件发生吋，需要快速地将采集到的信息传输给汇聚节点，通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。同吋，对突发的事件采取及时有效的应对措施，使突发事件造成的损失最小。作为WSN网络协议栈重要基础架构的媒介接入控制(mediun access control,简称MAC)协议，它决定无线信道的接入方式，负责为节点分配无线通信资源，对无线传感器网络的性能有极大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。无线传感器网络MAC协议一般采用周期性的侦听和睡眠机制来降低能耗，有一部分的MAC采用ー个固定占空比的侦听睡眠调度机制，协议中预先设定周期长度和占空比，节点在唤醒期间侦听数据包和进行数据通信，在睡眠期间使射频模块进入睡眠状态以降低能耗。为避免由于睡眠而影响节点的通信问题，节点之间需要形成一致的睡眠调度以确保同时睡眠同时唤醒。侦听/休眠机制能够有效的降低能耗。然而，采用侦听/休眠机制会在一定程度上导致传输数据的延迟，这在面向突发事件的无线传感器网络中严重的影响了网络的性能。减小延迟已是MAC协议普遍面临的问题，因为许多的突发事件都是采用无线传感器网络进行检测，如果检测到的数据不能够及时地传输，会造成严重的后果。DMAC协议对于传统的数据转发停顿问题，采用了对不同深度节点之间的活动和睡眠的交错调度机制，对多跳路径上的节点，交替地调度它们的活动期，顺序地唤醒各个节点就像ー个连锁反应。数据包可以不断地在各节点间转发，传输给汇聚节点，这样就减小了数据的传输延迟。但是，DMAC协议要求严格的树形结构才能体现它的特性，在实际的应用中很难满足这ー要求，所以DMAC协议的应用范围就受到了极大的限制。
技术实现思路
技术问题本专利技术针对由突发事件引发的有较大流量需要快速传输的无线传感网络应用场景，提供了 ー种能够在考虑能耗的情况下，降低延时、提高呑吐量，高效传输数据的基于媒介接入控制协议的无线传感器网络传输方法。技术方案本专利技术基于媒介接入控制协议的无线传感器网络传输方法，由应用程序确定通信周期，节点在所述通信周期里进行传输工作流程，当ー个通信周期结束后，进入下一通信周期继续进行传输工作流程；所述通信周期的传输工作流程里，节点进行数据包发送，当每ー个数据包发送结束吋，所有节点进入睡眠，间隔时长t后进入下一数据包发送，直至本通信周期结束；每个所述的数据包的发送流程包括以下步骤I)唤醒所有节点，判断节点是否有数据发送，当节点有数据发送时，该节点为发送节点，该发送节点通过ニ进制指数退避方法竞争通信信道，如果赢得通信信道就发送请求发送帧RTS，然后进入步骤2)，否则进入步骤6)；当节点没有数据发送吋，判断节点是否有数据要接收，如果是，该节点为接收节点，该接收节点回复清除发送帧CTS，与发送节点进行互相确认后开始传输数据，在成功传输该数据后，进入步骤6)，否则该节点根据收到的请求发送帧RTS或者清除发送帧CTS更新自身的网络分配矢量NAV后，进入步骤6 )；2)发送节点的邻居节点收到请求发送帧RTS后，判断所述请求发送帧RTS是否是发给自身的，如果是，所述发送节点的邻居节点就是接收节点，所述接收节点回复清除发送帧CTS后，进入步骤3);否则，所述发送节点的邻居节点更新自身的网络分配矢量NAV后， 进入步骤6)；3)接收节点的邻居节点收到清除发送帧CTS后，判断所述清除发送帧CTS是否是发给自身的，如果是，就进入步骤4)，否则，所述接收节点的邻居节点更新自身的网络分配矢量NAV后，进入步骤6)；4)发送节点采用片段分组响应确认字符机制与接收节点交互数据包片段，具体步骤为41)发送节点采用消息分割机制，将每个数据包分割成多个片段并赋予编号，按照编号顺序将每三个所述片段分为ー个分组，发送节点将所述数据包以片段为单位传输给接收节点；42)接收节点接收到ー个所述分组后，判断所述分组是否正确，如果正确则进入步骤5)，否则回到步骤41);5)接收节点向发送节点发送确认字符ACK，发送节点接收到所述确认字符ACK后，进入步骤6)；6)结束本数据包发送流程。本专利技术中，两相邻数据包发送流程之间的间隔时长t是根据网络带宽和ー个通信周期中所包括的时槽数确定的，取值为节点发送ー个字节所需的时间长的80 120倍。本专利技术的步骤42)中，接收节点接收到ー个所述分组后，判断所述分组是否正确的方法为根据数据包片段的编号，判断每个分组的三个片段是否完整，如果不完整，则判断为不正确，如果完整则进一歩判断每个片段是否有错误，如果有错误，则判断为不正确，如果所有片段均无错误，则判断为正确。无线传感器网络主要集中的领域有环境的监测和保护、医疗护理、智能家居、军事领域等。应用层主要用于传感器网络应用系统的开发，包括一系列基于监测任务的应用层软件，部署的传感器网络往往执行多种任务，如环境监测系统、交通管理系统、灾难预防系统、治疗系统维护等，在这些具体的应用中，都需要具体的应用程序。针对不同的应用场合，需要不同的应用程序来对网络中的数据业务进行控制，包括确定数据传输的通信周期。在网络中传输的数据包都与应用程序有关，包括数据包的大小、类型以及数量等。由于网络应用在不同的环境下，节点可感知到风速、温度、湿度、压力、位置等，在感知到这些物理量后，经过处理就可以在网络中传输。有益效果本专利技术由于采取以上技术方案，具有以下优点I.现有的MAC协议在ー帧中只侦听一次，也就是在ー帧中只传输ー个数据包。而在本专利技术中，节点在一帧中可以侦听多次，所以可以传输多个包，极大地减小了数据包传输的延迟，増大了呑吐量。2.本专利技术中在动态添加侦听期的过程中并没有同步帧SYNC，主要是考虑到同步帧SYNC会増加不必要的开销。而且，现有的MAC协议在接收节点每收到ー个片段，就会响应一次ACK。本专利技术中将片段进行了分组，每个分组包含三个片段，接收节点每收到ー个分组就回复一次确认字符ACK，这样可以使确认字符ACK的开销减小到原来的三分之一左右。3.在考虑开销的情况下，有效地減少了同步帧SYNC和确认字符ACK的使用，这样 并没有影响到节点之间的同步和隐藏终端情況。另外，结合自适应占空比调整机制，使数据包的传输延迟减小，増大了呑吐量。4.由于本专利技术的无线传感器网络传输方法是针对突发事件的场景设计的，所以该方法不仅适用于稀疏的、有突发传输的网络，也同样适用于流量较密集的WSN网络。附图说明图I是本专利技术实施例应用场景示意图；图2是自适应占空比调整机制不意图；图3是片段分组响应ACK机制示意图；图4是本专利技术方法的逻辑流程框图。图中有第一节点I、第二节点2、第三节点3、第四节点4、第五节点5、第六节点6、第一数据源节点SI、第二数据源节点S2、第三数据源节点S3、第四数据源节点S4。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细点描述。本专利技术的基于媒介接入控制协议的无线传感器网络传输方法，由应用程序本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于媒介接入控制协议的无线传感器网络传输方法，其特征在于，该方法由应用程序确定通信周期，节点在所述通信周期里进行传输工作流程，当ー个通信周期结束后，进入下一通信周期继续进行传输工作流程；所述通信周期的传输工作流程里，节点进行数据包发送，当每ー个数据包发送结束时，所有节点进入睡眠，间隔时长t后进入下一数据包发送，直至本通信周期结束； 每个所述的数据包发送流程包括以下步骤 1)唤醒所有节点，判断节点是否有数据发送，当节点有数据发送时，该节点为发送节点，该发送节点通过ニ进制指数退避方法竞争通信信道，如果赢得通信信道就发送请求发送帧RTS，然后进入步骤2)，否则进入步骤6)； 当节点没有数据发送时，判断节点是否有数据要接收，如果是，该节点为接收节点，该接收节点回复清除发送帧CTS，与发送节点进行互相确认后开始传输数据，在成功传输该数据后，进入步骤6)，否则该节点根据收到的请求发送帧RTS或者清除发送帧CTS更新自身的网络分配矢量NAV后，进入步骤6)； 2)发送节点的邻居节点收到请求发送帧RTS后，判断所述请求发送帧RTS是否是发给自身的，如果是，所述发送节点的邻居节点就是接收节点，所述接收节点回复清除发送帧CTS后，进入步骤3);否则，所述发送节点的邻居节点更新自身的网络分配矢量NAV后，进入步骤6); 3)接收节点的邻居节点收到清除发送帧CTS后，判断...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘昊，姜毅鑫，蒋富龙，吴建辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：