一種無線傳感器網絡介質訪問控制方法
2023-05-31 09:35:46 4
專利名稱：一種無線傳感器網絡介質訪問控制方法
技術領域：
本發明屬於無線傳感器網絡，尤其涉及一種無線傳感器網絡介質訪問控制 方法。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種特殊的無線多 跳分布式網絡，具有快速組網、休眠節能、抗毀性強等特點，它相對於傳統的 無線網絡，有明顯的資源受限和動態變化的特點，節能效率和擴展性成為重要 性能指標。介質訪問控制(Medium Access Control, MAC)協議決定WSN無線 信道的使用方式，在傳感器節點之間分配有限的無線信道資源，是保證WSN高 效通信的關鍵網絡協議之一。針對具體的應用模型研究高效的MAC協議意義深 遠。
無線傳感器網絡研究的核心問題之一是能耗管理，無線傳感器網絡協議棧 各層的設計，都以節能效率作為首要的考慮。無線傳感器網絡與應用密切相關，
其介質訪問控制協議主要分為(1)基於競爭的隨機訪問方式；(2)基於時間
調度的MAC 協議，普遍採用T固A; (3)兩種機制的混合型方案，這也是廣受關
注的研究熱點之一。基於競爭和調度的機制各自側重考慮和解決的問題不同，
各有優勢，單純一種機制的MAC協議很難在各個性能指標中獲得較好的平衡。 競爭型的MAC協議擴展性好，但延時大；調度型的MAC協議開銷小，實時性比 較好，但擴展性差，時間同步要求嚴格。競爭性MAC機制與TDMA時間調度機制 的有機結合可以平衡兩者的優勢和不足，取得較好的性能。近年來吸引了不少 學者的參與和研究，但在實際應用仍需要進一步的討論，混合型方案是高效無 線傳感器網絡MAC協議的重要解決思路和發展趨勢。
U-MAC協議特別針對周期性數據採集型網絡應用，要求網絡中的數據流量是可預知的，且不存在動態變化，其主要不足及局限性討論如下
1) y -MAC的適用場合及遲鈍的流量適應性。ix-MAC針對周期性數據採集
型的網絡應用而設計，在該特殊的應用模型中，流量是可預測的，可從應用層信息獲得(傳感任務中直接包含了需要採集的數據類型、頻度、有效期等信息)，
一旦由基站發起INTEREST數據請求，預約好一個一定帶寬的傳感報告子信道(SensOTR印ort， SR)後，流量基本是固定的，直到傳感任務結束或基站明確再次發起新的INTEREST請求，才可能改變子信道帶寬。MAC只針對上述的周期性數據採集型應用，沒有也不需要提供對動態流量的主動調整機制，在廣泛需求的包含動態流量的數據採集應用場合中照樣實施U -MAC,其效率會非常低。
2) —般流量子信道(General Traffic, GT)效率低。GT功能主要是承載INTEREST/RESERVE包的傳輸，預約子信道帶寬。雖然其帶寬不大，是在網絡運行前固定設置的，但節點需要單獨為GT在無競爭期計算選擇時槽，且在這些時槽上所有鄰居節點都必須活動偵聽或發送。u -MAC協議還規定在GT子信道上如果沒有數據傳輸，也要發送冗餘的維持包攜帶未來n個時槽分配的信息。這都帶來額外的能量消耗。當GT帶寬較大時，GT子信道效率低的問題更加突出。
發明內容
針對以上問題，本發明基於U-MAC,擴展其適用模型為更廣泛需求的動態流量的數據採集型網絡應用，改進設計了一種高效的介質訪問控制方法。本發明的設計繼承"-MAC基本的拓撲建立和時槽分配算法，但擴展了其應用模型，不再單純適用於周期性數據的固定流量網絡，使用一種改進的信道結構和運行控制，引入流量自適應機制，適用於傳感節點主動式的動態流量監控網絡。
為實現上述目的，本發明的技術方案為 一種無線傳感器網絡介質訪問控制方法，該無線傳感器網絡包括傳感節點、基站及傳感節點與基站之間傳輸數
據的信道，其包括以下步驟
a)傳感節點由環境事件驅動，產生數據傳輸的帶寬需求，通過一般流量子信道向基站發送RESERVE包，主動請求預約傳感報告子信道的初始帶寬，中間節點進行帶寬註冊和綁定，並傳遞RESERVE包；b) 基站收到RESERVE包後，通過一般流量子信道回發ACK確認包，並逐個跳傳回傳感節點，在跳傳回過程中預約帶寬，激活請求的傳感報告子信道；
c) 傳感節點接收到ACK確認包後產生REPORT包，通過已建立的傳感報告子信道向基站發送報告；
d) 當環境事件變化，數據傳輸的帶寬需求變化，若流量波動超出閾值，傳感節點將通過一般流量子信道觸發同a)、 b)兩歩的RESERVE/ACK流量自適應調整過程，主動請求預約新的帶寬，以適應動態流量。
上述RESERVE包由路由層協議決定傳輸路徑，初始帶寬根據傳感節點的應用層信息獲得。
傳感節點處通過發送緩衝器來監測和感知其流量變化，若流量波動超出閾值，則進行自適應調整過程。
流量感知的方法為如果流量波動在時間段tl內保持大於閾值q，則認為預約的帶寬不夠，觸發新的一次預約過程，申請更大帶寬的子信道；如果流量波動在時段t2內小於閾值q，則認為帶寬冗餘，觸發新的預約過程，減少佔用的帶寬。
本發明相對於現有技術的優勢
本發明把P-MAC擴展成為自適應流量變化、自動調整合適帶寬子信道的協議，減少了動態流量的傳輸延時，而保留了"-MAC的時槽分配機制的優越性。改進的運行控制過程及流量感知和自適應調整過程能很好應付動態流量的數據採集型網絡應用。
圖1為原信道結構；
圖2為改進型的信道結構；
圖3為原"-MAC運行控制；
圖4為改進的運行控制；
圖5為本發明實驗模型；
圖6為節點平均睡眠比例仿真實驗圖；圖7為ii -MAC報告包平均時延仿真實驗圖；圖8為本發明的報告包平均時延仿真實驗圖；圖9為傳達率仿真實驗圖。
具體實施例方式
本發明動態流量的數據採集型網絡模型的特點是傳感節點以環境事件為驅動，主動向基站預約帶寬和傳輸報告數據，並同時啟動流量感知，如果發現
所使用的傳感報告(Sensor R印ort， SR)子信道帶寬不足或過度空閒，則將自動觸發自適應調整。概括之，主要特點有a)主動性，基站只作為一個數據集合中心，而不再做採集任務的集中控制，數據採集任務由傳感節點根據環境情況主動產生，主動預約到基站的路徑和帶寬，主動周期性地上傳報告數據；b)事件驅動，傳感節點起監控和數據採集功能，環境事件直接驅動節點的數據採集任務，並影響採集的數據類型和頻度；c)動態流量，環境變化，傳感任務和數據亦隨之變化，網絡允許存在動態流量，應用實例如農田生態保護智能監控網絡等。
本發明對ix-MAC的信道結構進行了改進，原信道結構見圖1，改進型的信道結構見圖2，仍分為隨機競爭接入方式的競爭期，和TDMA調度接入的無競爭期，但簡化了y-MAC的無競爭期子信道，只保留傳感報告SR子信道，而把一般流量GT子信道的功能(主要是基站的興趣任務分發和節點流量預約)轉移到競爭期。這樣，無競爭期完全由佔網絡主要流量的周期性報告數據的調度使用，信道使用率得到提高。
對於競爭期，開頭加入同步信標，在此階段，可約定由某個參考節點(如編號最小的節點)引發本地局部同歩；並採用類似T-MAC協議的Time Out機制限制了競爭期過多的空閒偵聽。同步後，鄰居節點保持在競爭期偵聽，直到TA時間超時後仍沒有數據接收，節點則自動進入睡眠模式，直到整個競爭期結束，然後進入無競爭期只在被調度的時槽上活動。這個思路目的在於儘可能減少節點空閒偵聽，不需要在每個競爭期中讓節點一直偵聽，同時保持了原競爭期的功能。木發明設計的介質訪問控制方法基於流量感知和自適應調整機制，以適應於其拓展的應用模型動態流量的數據採集型網絡。在新的應用環境中， 一方面
流量可以動態變化；另一方面節點採集任務轉為主動產生，這都要求在運行控制上作較大改進。附圖3是原U -MAC的控制方式，附圖4是本發明改進的接入控制方法，它取消了圖3中ii -MAC運行的INTEREST/RESERVE流量預約過程，由基站主控方式改為傳感節點主動調控方式。傳感器節點根據環境事件的變化主動產生作業任務，以及帶寬需求，然後節點主動向網絡預約通向基站的子信道，並周期性地上傳傳感報告數據。
介質訪問的運行控制繼承了 wMAC的四個鏈路層命令兩個數據通信命令send、 r印ort，禾口兩個子信道建立命令register、 reserve,流量預約過程傳輸的三種類型數據包INTEREST、 RESERVE、 REPORT (主要是為了實現基站分發任務而設計的)在動態流量的數據採集型應用模型中不全適用，需耍改進為RESERVE、 ACK、 REP0RT。不同的數據類型交互過程和功能參見附圖4。主要的運行控制過程有以下步驟
a) 傳感節點由環境事件驅動，產生數據傳輸的帶寬需求，在GT子信道向基站發送RESERVE包，主動請求預約SR子信道的初始帶寬，中間節點進行帶寬註冊和綁定，傳遞RESERVE包；
b) 基站在GT子信道回發ACK確認包，逐跳傳回傳感器節點，並一路上預約帶寬，激活請求的SR子信道；
c) 傳感節點產生REPORT包，在已建立的SR子信道向基站發送報告，並監測節點的發送緩衝器；
d) 當環境事件變化，傳輸任務需求變化，若流量波動超出閾值，節點將在GT子信道觸發同a、b兩歩的RESERVE/ACK流量自適應調整過程，預約新的帶寬，以適應動態流量。
上述RESERVE包由路由層協議決定傳輸路徑，初始帶寬根據傳感節點的應用層信息獲得。
本發明的運行基於流量感知及自適應調整機制。P-MAC協議的節點維護一個發送緩衝器，網絡存在時延，緩衝器可以在子信道尚未準備好或忙碌時暫存數據包。由於針對周期性數據採集應用的特殊性，MAC對緩存器的要求不大，且隊列也不長，主要是在協議啟動階段臨時存儲待發送的包。本發明設計正好利用率這一發送緩衝器來監控和感知流量變化，從而觸發進一步的自適應調整。
本設計取消了 INTEREST/RESERVE流量預約過程，而讓節點根據自身的流量需求初始一個從傳感節點到基站的一定帶寬的子信道。然後傳感器節點監控自身的隊列緩衝器，流量感知的策略為如果隊列在時間段tl內的長度保持大於閾值q，則可認為預約的帶寬不夠，可觸發新的一次預約過程，申請更大帶寬的子信道；如果在時段t2內緩衝器保持空，則可認為帶寬冗餘，可觸發新的預約過程，減少佔用的時槽數(帶寬)。自適應調整過程基於上文所述的運行控制過程。tl、q、 t2是協議的關鍵參數，它們決定了流量感知的敏感程度。
這樣改進的特點在於把U-MAC擴展成為自適應流量變化、自動調整合適帶寬子信道的協議，減少了動態流量的傳輸延時，而保留了"-MAC的時槽分配機制的優越性。改進的運行控制過程及流量感知和自適應調整過程能很好應付動態流量的數據採集型網絡應用。
本發明針對動態流量的採集型WSN應用，繼承了 w -MAC主要的高效控制策略，在性能改進方面，擴展了協議的應用模型，使用一種改進的信道結構和控制方式，提高了無競爭期信道使用率，並提供了良好的動態流量自適應性，主要體現在網絡流量動態變化時，協議還能保持良好的性能。理論上定性分析，這些改進措施將能良好地改善y-MAC的動態負載流量自適應性，代價是稍微降低協議的節能效率，尤其是網絡流量變化較大時，因為更大的流量會需求更多的時槽調度，節點的睡眠機會自然減少，睡眠比例降低。而流量恆定或變化較小的情況下，本設計能保持與U-MAC相近的節能效率和時延性能。下文將用仿真實驗定量地分析本發明的性能。
實驗在NS-2平臺中進行。為了對比評價，同時實現了U-MAC協議。測試的性能指標為在不同的流量下的節能效率、時延和傳達率。實驗模型參考原u-MAC的實驗，結構如圖5。只有直接相鄰兩個節點能互相通信，這種簡化的結構幫助研究直接的MAC指標，排除路由層選擇的影響。協議的主要參數為無
線信道的速率為20Kbps，競爭期時槽長度為20ms，無競爭期時槽長度40ms (含轉換間隔。此期間可容長達100位元組的數據包傳輸)；競爭期包重發最多為7次，為保證99%傳達率，選擇盈餘的參數N=25，故競爭期時槽總數為7 X 1. 44XN=252個；發給基站的報告包為50位元組；實驗中只實現一個SR子信道；NCR算法採用MD5作為偽隨機數產生器；緩衝器為20個包；參數Rc取為1%。 li -MAC的興趣任務初始化為每秒8個包(8p/s)並在實驗中不改變。本設計的tl、 q、 t2參數取為10個時槽、18個包、4個時槽。實驗仿真兩種協議，並多次運行，結果及分析如下
1) 節能效率實驗分析
節能效率用節點的睡眠比例來間接衡量。圖6中，橫坐標Ti'是包產生間隔，表示了在節點感知不同的環境事件時觸發的不同作業任務(包產生間隔)，該值越小(越往坐標左邊)，包產生越密集；該值越大(越往坐標右邊)，包產生越稀疏。而y-脆c是基站主控的方式，傳感器節點不能主動調整產生的數據包類型和頻度等。對於P-MAC協議，u-MAC的興趣任務初始化為每秒8個包(8p/s)並在實驗中不改變。
由圖6可見，Ay-MAC節點睡眠比例在流量變大時(包間隔Ti， 〈8p/s)低於U-MAC，而在Ti， 〉8p/s時睡眠比例稍高於u-MAC。體現了 Ay-MAC動態的SR子信道帶寬，可用節能效率換取負載適應。因為本發明的控制方式中，隨著流量的增大會自動為SR子信道分配更多的時槽以適應新的需求，故在包產生間隔Ti'小於初始值8p/s時的節點平均睡眠比例降低，而Ti， 〉8p/s時，節點睡眠比例也會自動調大。這是節能效率與流量適應性之間的平衡和轉換。
2) 時延性能實驗分析
圖7和8分別表示"-MAC和本發明的改進設計的報告包時延。圖中橫坐標Ti'仍是包產生間隔，圖示三條曲線表示在編號1、 3、 5的節點中測試的平均隊列時延。w-MAC並不保證數據包被立即傳輸，而是保證根據包產生率對應分配足夠多的時槽。節點n不僅要傳輸自身的數據，還要傳遞前n-1個節點的數據，故5個節點的通過負載和時延表現是不同的，圖中記錄了其中三個節點的 情況。由圖，在包間隔Ti，較大(流量小)時，本發明設計的時延性能與ti-MAC 相近，但隨著Ti'減小(流量增大)，11-MAC時延明顯增大，而本發明的方案 卻表現很穩定。這是因為在流量增大時，滯留在節點緩衝器中的包增多，"-MAC 子信道的帶寬(容量)是固定的，流量過大，會引起隊列過長，時延也明顯增 大，負載過重時甚至可能出現丟包；而本發明的子信道是自適應動態流量的， 可確保緩衝器的隊列長度適宜，保證時延性能。 3)傳達率實驗分析
圖9所示是在不同流量負載下的傳達率(l-丟包率)，圖中橫坐標Ti'是包 產生間隔，表示網絡屮實際流動的負載數據的密度，而4-MAC的興趣任務初始 化為每秒8個包(8p/s)並在實驗中不改變。實驗中y-MAC和Au-MAC緩衝器 均為20個包。可見本發明在流量增大的情況下保持良好的包傳達率，保證很高 的可靠性；而ix-MAC在不堪重荷時丟包率明顯增大。這與時延實驗的分析是相 似的，W-MAC的SR子信道不能應對動態流量，負載變重時協議甚至無法正常工 作。
綜上所述，本發明增強了無線傳感器網絡數據鏈路層介質訪問控制的流量 適應性，適用於更廣泛需求的動態流量數據採集型網絡應用，同時保留了跟U -MAC在正常運行時相近的性能，負載重而P -MAC明顯劣化時("-MAC由基站主 控，集中分發數據採集任務，網絡中實際的流量變化基站無法應對)，本發明卻 能以稍微降低節能效率來保證數據傳輸的時延性能和可靠性，體現了良好的動 態流量適應性。本發明具備一定實用意義和工程應用價值。
權利要求
1、一種無線傳感器網絡介質訪問控制方法，該無線傳感器網絡包括傳感節點、基站及傳感節點與基站之間傳輸數據的信道，其特徵在於包括以下步驟a)傳感節點由環境事件驅動，產生數據傳輸的帶寬需求，通過一般流量子信道向基站發送RESERVE包，主動請求預約傳感報告子信道的初始帶寬，中間節點進行帶寬註冊和綁定，並傳遞RESERVE包；b)基站收到RESERVE包後，通過一般流量子信道回發ACK確認包，並逐個跳傳回傳感節點，在跳傳回過程中預約帶寬，激活請求的傳感報告子信道；c)傳感節點接收到ACK確認包後產生REPORT包，通過已建立的傳感報告子信道向基站發送報告；d)當環境事件變化，數據傳輸的帶寬需求變化，若流量波動超出閾值，傳感節點將通過一般流量子信道觸發同a)、b)兩步的RESERVE/ACK流量自適應調整過程，主動請求預約新的帶寬，以適應動態流量。
2、 根據權利要求1所述的無線傳感器網絡介質訪問控制方法，其特徵在於 上述RESERVE包由路由層協議決定傳輸路徑，初始帶寬根據傳感節點的應用層 信息獲得。
3、 根據權利要求2所述的無線傳感器網絡介質訪問控制方法，其特徵在於 傳感節點處通過發送緩衝器來監測和感知其流量變化，若流量波動超出閾值， 則進行自適應調整過程。
4、 根據權利要求3所述的無線傳感器網絡介質訪問控制方法，其特徵在於 流量感知的方法為如果流量波動在時間段U內保持大於閾值q，則認為預約 的帶寬不夠，觸發新的一次預約過程，申請更大帶寬的子信道；如果流量波動 在時段t2內小於閾值q，則認為帶寬冗餘，觸發新的預約過程，減少佔用的帶 寬。
全文摘要
本發明涉及一種無線傳感器網絡介質訪問控制方法，包括以下步驟a)傳感節點由環境事件驅動，產生數據傳輸的帶寬需求，通過一般流量子信道向基站發送RESERVE包，主動請求預約傳感報告子信道初始帶寬，中間節點進行帶寬註冊和綁定，並傳遞RESERVE包；b)基站收到RESERVE包後，通過一般流量子信道回發ACK確認包，並逐個跳傳回傳感節點，在跳傳回過程中預約帶寬，激活請求傳感報告子信道；c)傳感節點接收到ACK確認包後產生REPORT包，通過傳感報告子信道向基站發送報告；d)當環境事件變化，數據傳輸帶寬需求變化，若流量波動超出閾值，傳感節點將通過一般流量子信道觸發a)、b)兩步流量自適應調整過程，主動請求預約新帶寬，以適應動態流量。
文檔編號H04W84/18GK101568151SQ20091003949
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月15日 優先權日2009年5月15日
發明者古連華, 程良倫, 衷柳生 申請人:廣東工業大學