專利名稱：適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)mac協(xié)議的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
背景技術(shù)：
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)以其低成本、低功耗等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中媒體介質(zhì)訪問(wèn)控制(Medium AccessControl, MAC)協(xié)議處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，主要用于在傳感器節(jié)點(diǎn)間公平有效地共享通信媒介，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要有三類第一類是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，其基本思想是當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)接入信道；如果發(fā)生沖突，則采用某種策略重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。該類協(xié)議通常采用載波偵聽工作模式，并結(jié)合沖突避免機(jī)制、握手信號(hào)和退避接入機(jī)制來(lái)減少?zèng)_突的可能性。其優(yōu)點(diǎn)是協(xié)議簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好、易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是存在碰撞、串音、公平性差、空閑偵聽、能耗大等問(wèn)題。第二類是基于調(diào)度的MAC協(xié)議，其基本思想是采用某種調(diào)度算法使每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只在給定的時(shí)間段接入信道進(jìn)行通信，沒有參與通信的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)達(dá)到節(jié)能目的，其主要優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)沖突通信、占空比可控性好、網(wǎng)絡(luò)能耗低等，缺點(diǎn)是擴(kuò)展性差、對(duì)節(jié)點(diǎn)同步要求高、調(diào)度維護(hù)開銷大等。第三類是混合MAC協(xié)議，其基本思想是結(jié)合基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度的MAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免各自缺點(diǎn)，在特定條件采取某種協(xié)議為主，其他協(xié)議為輔的方式。其優(yōu)點(diǎn)有利于網(wǎng)絡(luò)的整體性能優(yōu)化，缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)算法通常比較復(fù)雜。上述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議在設(shè)計(jì)時(shí)主要從網(wǎng)絡(luò)的能耗、可擴(kuò)展性、時(shí)延、其他網(wǎng)絡(luò)效率等方面出發(fā)，但是存在缺陷的是無(wú)法保證周期性感知數(shù)據(jù)傳輸可靠性。特別在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜惡劣的環(huán)境、多徑干擾、電磁干擾等使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃燥@得更加重要。針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化或突發(fā)狀況自適應(yīng)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙長(zhǎng)度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并兼顧整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗、時(shí)延和擴(kuò)展性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的不足之處，針對(duì)已有技術(shù)的缺陷，提供了一種適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，能在對(duì)無(wú)線通信鏈路進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估的基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)單次通信的時(shí)間，預(yù)測(cè)出數(shù)據(jù)可靠傳輸所需的時(shí)隙長(zhǎng)度，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性前提下，兼顧整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗、時(shí)延、吞吐量、擴(kuò)展性等性能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是
傳感器節(jié)點(diǎn)周期的采集感知數(shù)據(jù)，在簇頭分配的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過(guò)程中由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾等原因，使通信信道受到影響，從而影響節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，在時(shí)隙結(jié)束時(shí)還未發(fā)送數(shù)據(jù)成功則產(chǎn)生丟包，影響對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。如果擴(kuò)大時(shí)隙長(zhǎng)度，則會(huì)導(dǎo)致在環(huán)境狀況良好時(shí)，使節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙結(jié)束前完成了數(shù)據(jù)的成功發(fā)送和應(yīng)答幀的接收，一方面增大傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗，另一方面降低了 MAC協(xié)議的擴(kuò)展性，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延進(jìn)一步增大。所以需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化或突發(fā)狀況估計(jì)通信鏈路質(zhì)量，自適應(yīng)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)隙長(zhǎng)度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并兼顧整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗、時(shí)延和擴(kuò)展性。
本發(fā)明的協(xié) 議作以下假 設(shè)①有一個(gè)外部的信標(biāo)源實(shí)現(xiàn)了本地時(shí)鐘同步(本發(fā)明的MAC協(xié)議不需要考慮MAC層同步功能)；②網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的簇頭節(jié)點(diǎn)和冗余簇頭節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線電源供電(本發(fā)明的MAC協(xié)議不需要考慮簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗問(wèn)題)每個(gè)簇采用不同信道進(jìn)行通信(本發(fā)明的MAC協(xié)議簇與簇工作在不同的信道)。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用以下技術(shù)方法適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議其特征在于1)采用三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)協(xié)議提出了時(shí)隙長(zhǎng)度分配算法；3) MAC協(xié)議在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的時(shí)隙分配幀的設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)隙分配幀的處理；4)最后在該MAC協(xié)議中加入傳感器節(jié)點(diǎn)提前休眠的節(jié)能機(jī)制。上述適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用基于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)、冗余簇頭節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，主要負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)環(huán)境中的其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互連。簇頭節(jié)點(diǎn)可以作為網(wǎng)絡(luò)管理代理，負(fù)責(zé)構(gòu)建由傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星型結(jié)構(gòu)，監(jiān)測(cè)星型子網(wǎng)通信性能，負(fù)責(zé)匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)子網(wǎng)成員的數(shù)據(jù)。冗余簇頭節(jié)點(diǎn)主要用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。在傳感器節(jié)點(diǎn)首次向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)未成功的情況下，將數(shù)據(jù)發(fā)送給冗余簇頭節(jié)點(diǎn)，再由冗余簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴鞲衅鞴?jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。上述適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于所述時(shí)隙長(zhǎng)度分配算法，具體步驟如下
(I)通過(guò)公式=計(jì)算均值鏈路質(zhì)量指示！^,
LQIk表示第k次的LQI采樣值，Wh和Wh分別表示第k-1次和k次的均值LQI ;常量
Of asi反映了對(duì)最近采樣信息的重視程度，通過(guò)以指數(shù)加權(quán)的方式對(duì)過(guò)去的數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在正常環(huán)境下，傳感器節(jié)點(diǎn)在某一固定位置固定發(fā)射功率下的數(shù)據(jù)成功發(fā)送的RSSI門限值為Act _,當(dāng)某次RSSI的測(cè)量值大于門限值時(shí)環(huán)境狀況良好不需要補(bǔ)償，小于門限值時(shí)環(huán)境狀況產(chǎn)生干擾需要補(bǔ)償，通過(guò)實(shí)際測(cè)量的RSSI值對(duì)IPr進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)式
--Ql^ 4-aLQlRssi > Rssi Threshold
LQlk = V ; k一對(duì)—進(jìn)行補(bǔ)償?shù)玫芥溌饭?br> ()-a)LQll jTdLQl^l Rssi < Rssi _Threshold ￡Ql
計(jì)器，其中0<^< <1反映了當(dāng)環(huán)境產(chǎn)生干擾時(shí)，最近采樣的LQI值重要性增加；(2)當(dāng)在4以下時(shí)，包接收率幾乎全為O，當(dāng)IgJ在,爲(wèi)以上時(shí)，包接收率幾乎全為1，而當(dāng)在[,4爲(wèi)]之間時(shí)PRR隨著W的增大而上升，所以通過(guò)式
PM(LQI)^i A 7 ^ ^ ;1' j 0 ^^ ' 獲得—預(yù)測(cè)出數(shù)據(jù)包成功接收率，其中七^(guò)^，…表示擬合系數(shù)；
(3)數(shù)據(jù)包從發(fā)送端到接受端在無(wú)線通信模塊和無(wú)線信道的傳遞過(guò)程中，可以把傳輸時(shí)間分為①發(fā)送時(shí)間在應(yīng)用層上構(gòu)造分組并把分組傳遞到MAC層的時(shí)間；②訪問(wèn)時(shí)間在分組到達(dá)MAC層之后，分組等待網(wǎng)絡(luò)傳輸信道空閑的時(shí)間r傳輸時(shí)間在物理層上傳輸分組的時(shí)間，還包括了對(duì)分組的編碼和把分組轉(zhuǎn)換成電磁波形式的時(shí)間傳播時(shí)間從發(fā)送端到接收端無(wú)線傳輸?shù)臅r(shí)間；⑤接收時(shí)間接收端將分組按照比特方式進(jìn)行接收，并且把分組傳到MAC層的時(shí)間；中接收處理時(shí)間把接收到的比特還原成發(fā)送者發(fā)送的分組，然后把分組傳送到應(yīng)用層的時(shí)間。傳感器節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送和接收應(yīng)答所需的時(shí)間有發(fā)送端節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間S論,訪問(wèn)信道時(shí)間,按照比特傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度Is字節(jié)和I個(gè)字節(jié)傳輸時(shí)間r數(shù)據(jù)在無(wú)線鏈路上的傳播時(shí)間馬->j 。接收端天接收處理數(shù)據(jù)的時(shí)間,接收端回復(fù)應(yīng)答幀的訪問(wèn)時(shí)間為，應(yīng)答幀按照比特傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度^字節(jié)和I個(gè)字節(jié)傳輸時(shí)間￡,數(shù)據(jù)在無(wú)線鏈路上的傳播時(shí)間Bs_>r ,發(fā)送端接收處理應(yīng)答幀的時(shí)間Uwr。得出傳感器節(jié)點(diǎn)完成一次數(shù)據(jù)發(fā)送和接收應(yīng)答所需的時(shí)間，即時(shí)隙長(zhǎng)度T :
T =這通紐 + A-Jkta:. + nS1 + SS->& ++ hws + + SS->S + 過(guò)r—掀，，當(dāng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境
產(chǎn)生干擾影響信道質(zhì)量時(shí)，影響傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸是訪問(wèn)信道的過(guò)程；
(4)利用步驟(2)中傳感器節(jié)點(diǎn)一次發(fā)送數(shù)據(jù)包接收率則發(fā)送數(shù)據(jù)包接收成功服從幾何分布，節(jié)點(diǎn)i次數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中，前i_l次發(fā)送失敗，第i次發(fā)送成功的概率Hh) P {X = I) = ￠1 - PRR(LQl)T1 PRR(Ml),在傳感
器節(jié)點(diǎn)嘗試發(fā)送的最大次數(shù)J^，計(jì)算其數(shù)據(jù)包接收成功的期望發(fā)送次數(shù)對(duì):
B[x]=jj(\~PM(Mrt1PmlQi)。得到節(jié)點(diǎn)嘗試訪問(wèn)信道的次數(shù)中
iJiTbms
「K_______ —
I!麗=[丑[if]] + l= 22(1_ LQiyf-1 PRR(LQi) +1 ；
I I-
(5)在傳感器節(jié)點(diǎn)以及通信鏈路沒有收到環(huán)境的干擾時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能夠在步驟(3)中的傳輸時(shí)間r內(nèi)，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和應(yīng)答幀的接收。但是在在鏈路質(zhì)量受到影響時(shí)步驟(3)
中的訪問(wèn)信道時(shí)間為-| 5和為會(huì)受到影響，需要重新估算完成數(shù)據(jù)發(fā)送和應(yīng)答幀接收所需的時(shí)間，進(jìn)而調(diào)整時(shí)隙長(zhǎng)度r。根據(jù)步驟(4)預(yù)測(cè)的訪問(wèn)信道次數(shù)，調(diào)整后時(shí)隙長(zhǎng)度
計(jì)算式
權(quán)利要求
1.適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于1)采用三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)協(xié)議提出了時(shí)隙長(zhǎng)度分配算法；3) MAC協(xié)議在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的時(shí)隙分配幀的設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)隙分配幀的處理；4)最后在該MAC協(xié)議中加入傳感器節(jié)點(diǎn)提前休眠的節(jié)能機(jī)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于所述三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(I)、簇頭節(jié)點(diǎn)(2 )、冗余簇頭節(jié)點(diǎn)(3 )，傳感器節(jié)點(diǎn)(4)構(gòu)成,傳感器節(jié)點(diǎn)(4)負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù),在傳感器節(jié)點(diǎn)(4)向簇頭節(jié)點(diǎn)(2)發(fā)送數(shù)據(jù)未成功時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給冗余簇頭節(jié)點(diǎn)(3)，再由冗余簇頭節(jié)點(diǎn)(3)將數(shù)據(jù)發(fā)給簇頭節(jié)點(diǎn)(2)，最后由簇頭節(jié)點(diǎn)(2)將數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(I)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議其特征在于所述時(shí)隙長(zhǎng)度分配算法的具體操作步驟如下 (1)通過(guò)均值鏈路質(zhì)量指示W(wǎng)和信號(hào)接收強(qiáng)度指示RSSI補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，通過(guò)式
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于所述時(shí)隙分配幀的設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)隙分配幀的處理，采用所述的時(shí)隙長(zhǎng)度分配算法，由簇頭廣播時(shí)隙分配幀給簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，傳感器節(jié)點(diǎn)接收并處理時(shí)隙分配幀，具體操作步驟如下 (1)將時(shí)隙長(zhǎng)度處理成微時(shí)隙結(jié)構(gòu)，微時(shí)隙的時(shí)間長(zhǎng)度為「每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙長(zhǎng)度包含若干個(gè)微時(shí)隙； (2)簇頭廣播時(shí)隙分配幀； (3)在步驟(2)時(shí)隙分配幀的時(shí)隙分配段中，第個(gè)字節(jié)表示傳感器節(jié)點(diǎn)/ 的微時(shí)隙
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于所述傳感器節(jié)點(diǎn)提前休眠的節(jié)能機(jī)制，如果傳感器節(jié)點(diǎn)在分配時(shí)隙結(jié)束前，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和應(yīng)答幀的接收，提前進(jìn)入休眠節(jié)省能耗，具體操作步驟如下 (I)傳感器節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的時(shí)隙起始時(shí)刻，開啟定時(shí)器用于記錄活動(dòng)時(shí)間；(2)如果傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功并收到應(yīng)答幀，獲取收到應(yīng)答幀時(shí)刻的計(jì)時(shí)時(shí)間節(jié)點(diǎn)提前- SOTgri進(jìn)入休眠； (3)如果傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功，未收到應(yīng)答幀則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給冗余簇頭，轉(zhuǎn)發(fā)成功獲取計(jì)時(shí)時(shí)間,節(jié)點(diǎn)提前進(jìn)入休眠； 轉(zhuǎn)發(fā)失敗則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)直到時(shí)隙結(jié)束； (4)如果傳感器節(jié)點(diǎn)在嘗試相應(yīng)的發(fā)送次數(shù)后仍未發(fā)送成功，則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給冗余簇頭，發(fā)送成功獲取計(jì)時(shí)時(shí)間,節(jié)點(diǎn)提前num _ Sloti -Hmeq'進(jìn)入休眠；如果仍未發(fā)送成功則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)直到時(shí)隙結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議。本協(xié)議1)采用三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2)協(xié)議提出了時(shí)隙長(zhǎng)度分配算法；3)MAC協(xié)議在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的時(shí)隙分配幀的設(shè)計(jì)和傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)時(shí)隙分配幀的處理；4)最后在該MAC協(xié)議中加入傳感器節(jié)點(diǎn)提前休眠的節(jié)能機(jī)制。本發(fā)明在提高周期性感知數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗和發(fā)送時(shí)延，以及提高了MAC協(xié)議的擴(kuò)展性。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102638901SQ20121013013
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月28日
發(fā)明者付敬奇, 徐利明, 蘇偉, 靳上 申請(qǐng)人:上海大學(xué)