一种无线传感器网络节能MAC的实现方法技术

本发明专利技术提供了一种无线传感器网络节能MAC的实现方法，源节点有数据包需要发送时进行载波监听：如果信道繁忙，则退避一段时间再侦听，如果信道空闲，则源节点向目标节点发送RTS，目标节点收到RTS，做好接收数据的准备并发送CTS给源节点，源节点收到CTS后将数据发送至目标节点，目标节点收到数据后返回一个ACK，源节点在收到ACK后，将继续传送数据，并由目标节点返回ACK，直到数据传送完毕。本发明专利技术所提出的MAC协议具有随机睡眠机制、异步接入、随机RTS等特点，避免了同步所带来的能量损耗，减少了由RTS引起的冲突，延迟比SMAC减少了1/2。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络相关
，尤其涉及一种新的无线传感器网络节能MAC (媒体接入控制)的实现方法。
技术介绍
采用节点周期睡眠机制的典型协议SMAC (睡眠媒体接入控制)，其基本思想是节点周期睡眠以减少空闲监听，苏醒后通过物理/虚拟载波监听信道，判断信道是否空闲或者是否需要接收数据。具有相同睡眠周期表的节点形成一个虚拟簇，并由簇头周期性地同步该簇的睡眠时间表，既保证了相邻节点调度周期同步，又满足可扩展性。为了避免冲突和串音，SMAC采用与802. 11类似的物理/虚拟载波监听以及握手RTS/CTS (请求发送/Clean To Send清除发送)机制。SMAC成功实现了周期睡眠调度，明显地减少了空闲监听，能够较好地满足无线传感器网络的节能需求。随后众多工作在此协议基础上展开，如TMAC(Time-MAC)同样采用了睡眠机制，不同的是，虽然TMAC中保持了固定的周期长度，但节点监听时间会根据信道情况进行调整，从而改变睡眠时间的长度；PMAC (Pipelining-MAC)通过网络流量信息自适应地调整睡眠时间；DMAC (Data-MAC)针对SMAC中存在的睡眠延迟，提出了数据成树形汇聚的通信方式，根据树状结构调整节点睡眠时间。此类方法需要节点周期的进行簇内同步，由同步所带来的额外节点能耗不能忽略，因此在节能方面具有一定局限性。SMAC协议的占空比固定，且需要定期更新睡眠时间表，当网络负载较小时，同步所消耗的能量较大。SMAC的改进版本采用了自适应监听机制将睡眠延迟减少了一半以上，但周期睡眠造成的传输延迟仍然十分显著。
技术实现思路
为了解决现有技术中问题，本专利技术提供了一种无线传感器网络节能MAC的实现方法，源节点有数据包需要发送时进行载波监听如果信道繁忙，则退避一段时间再侦听，如果信道空闲，则源节点向目标节点发送RTS，目标节点收到RTS，做好接收数据的准备并发送CTS给源节点，源节点收到CTS后将数据发送至目标节点，目标节点收到数据后返回一个ACK (接收确认)，源节点在收到ACK后，将继续传送数据，并由目标节点返回ACK，直到数据传送完毕。作为本专利技术的进一步改进，节点A，B (为源节点)同时发送RTS竞争信道，如果A的第二个RTS来的较B早，A争得信道，并随机发送RTS，直到目标节点给予CTS回复，如果在最大周期时间Tf内，目标节点没有给CTS回复，源节点则退避一段时间后，重新竞争信道。作为本专利技术的进一步改进，随机发送RTS，在时间上有如下边界限制Tet〈Trts〈Tld，其中=Trts为两个RTS帧之前的时间间隔；Tld为目标节点的监听时间；Trt为目标节点收到RTS后，CTS帧持续时间Trts与节点收发转换时间Tta之和，即=Irt = Tcts+Tta0作为本专利技术的进一步改进，节点的睡眠周期有如下限制tld < Td彡Tdr其中Tto是最大睡眠周期，tld是固定监听时间。作为本专利技术的进一步改进，源节点发送的RTS，目标节点发送的CTS、ACK中都包含有NAV，其中记录了对传输所需时间的估计，其他无关节点收到这些帧后即刻进入睡眠并根据NAV来制定新的睡眠表。本专利技术的有益效果是本专利技术所提出的MAC协议具有随机睡眠机制、异步接入、随机RTS等特点，避免了同步所带来的能量损耗，减少了由RTS引起的冲突，延迟比SMAC减少了 1/2。DRMAC协议是对现有的带同步睡眠机制的MAC协议的一种改进，相较于SMAC，DRMAC可以更好的应用在能量消耗要求小，延迟要求不高的WSN中。附图说明图I是本专利技术DRMAC协议的竞争机制与退避规则；图2是本专利技术随机RTS机制竞争信道；图3是本专利技术数据发送模式； 图4是本专利技术能耗参数示意图；图5是本专利技术延迟与睡眠周期的关系；图6仿真中网络拓扑结构图；图7不同跳数下三种协议能量消耗比较，发包间隔为3s ；图8发包间隔与能量消耗的关系；图9发包间隔Is时跳数与能量消耗的关系；图10DRMAC与其他协议不同跳数下的延迟；图11发包间隔与一跳平均延迟关系。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明。DRMAC(双随机媒体介入控制Double Random MAC)协议的竞争机制以及退避规则DRMAC是一种采用双随机模式，介质异步接入的WSN MAC协议。首先，节点有数据包需要发送时会进行载波监听，在监听一段时间后，如果信道繁忙，则退避一段时间再监听。如果信道空闲，则向目标节点发送RTS，由于接入方式是异步接入，源节点并不知道目标节点的睡眠时间表，无法得知该节点的活跃时间，为了让目标节点能够在活跃时间内收到RTS，源节点需保证在目标节点活跃时间内发送了一个RTS。如果目标节点收到RTS，它做好接收数据的准备并发送CTS，源节点收到CTS后将数据发送至目标节点，目标节点收到数据后返回一个ACK，源节点在收到ACK后，将继续传送数据，并由目标节点返回ACK，直到数据传送完毕，如图I所示。源节点发送的RTS，目标节点发送的CTS、ACK中都包含有NAV(Network Allocation Vector),其中记录了对传输所需时间的估计。其他无关节点收到这些帧后即刻进入睡眠并根据NAV来制定新的睡眠表。当发送的数据为编码组合包时，包中的MAC接收地址将对应多个接收节点，节点通过如上所述的方式竞争获得信道，与之不同的是，该节点需等待所有的接收节点均处于接收状态时，才通过伪广播的形式发送数据包，在这种情况下增加了额外的等待延迟，在本章后面章节将对增加的延迟进行分析。异步接入方式有以下几个优点I)节省了周期同步的开销。在网络吞吐量较小时(事实上很多情况如此，节点可能在相当长的时间内都没有工作任务)，周期睡眠机制带来的开销相对与网络总开销来说占的比重将是很大的。2)吞吐量较大时，异步接入可以更好的避免信道堵塞。采用周期同步的网络，如果在一个周期内有多个节点需要发送数据，由于周期同步节点的睡眠/活跃时间的一致性，使得这些节点需要在相同的时间内去竞争信道，这样将导致网络信道的繁忙，也增大了信道堵塞的概率。3)节点的监听时间得到缩减。在SMAC中，节点的监听时间需要保证同步更新时间和接收RTS的时间。而对于异步接入方式如DRMAC，仅仅需要保证能够接收到RTS的时间。DRMAC中的随机RTS机制分析传统的竞争机制较好的避免了因信道竞争带来的冲突。假设两个节点需要向同一目标节点发送数据包，则节点在监听与退避后将会对目标节点发送RTS。如果发生了冲突， 则节点根据退避规则退避一段时间后，再次发送RTS，直到其中之一竞争到信道为止。本文所定义的随机RTS，继承了传统信道竞争退避机制的优点，并且通过重复发送RTS来获得目标节点的接入权。假设两个节点同时发出RTS帧，并同时进入监听，由于第一个RTS发生了冲突，节点将发送第二个RTS来竞争信道，如果两个节点发送RTS的时间间隔相同，则会导致冲突始终存在，介于此，本文采用随机RTS模式，避免了上述情况的发生。如图2所示节点A，B同时发送RTS竞争信道，由于A的第二个RTS来的较B早，A争得信道，并随机发送RTS，直到目标节点给予CTS回复，如果在最大周期时间Tf内，目标节点没有给CTS回复，源节点则退避一段时间后，重新竞争信道。时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络节能MAC的实现方法，其特征在于：源节点有数据包需要发送时进行载波监听：如果信道繁忙，则退避一段时间再侦听，如果信道空闲，则源节点向目标节点发送RTS，目标节点收到RTS，做好接收数据的准备并发送CTS给源节点，源节点收到CTS后将数据发送至目标节点，目标节点收到数据后返回一个ACK，源节点在收到ACK后，将继续传送数据，并由目标节点返回ACK，直到数据传送完毕。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络节能MAC的实现方法，其特征在于 源节点有数据包需要发送时进行载波监听 如果信道繁忙，则退避一段时间再侦听， 如果信道空闲，则源节点向目标节点发送RTS， 目标节点收到RTS，做好接收数据的准备并发送CTS给源节点， 源节点收到CTS后将数据发送至目标节点， 目标节点收到数据后返回一个ACK， 源节点在收到ACK后，将继续传送数据，并由目标节点返回ACK，直到数据传送完毕。2.根据权利要求I所述的一种无线传感器网络节能MAC的实现方法，其特征在于 节点A，B同时发送RTS竞争信道，如果A的第二个RTS来的较B早，A争得信道，并随机发送RTS，直到目标节点给予CTS回复，如果在最大周期时间Tf内，目标节点没有给CTS回复，源节点则退避一段时间后，重新竞争信道。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张钦宇，王亚松，李云鹤，林威，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：