[发明专利]节点动态休眠的低功耗媒体访问控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络的通信协议技术领域，具体地说是一种节点动态休眠的低功耗媒体访问控制方法。

背景技术

在无线传感器网络领域(Wireless Sensor Networks，简称WSN)中，网络生存周期是衡量各种通信技术的首要标准。为了延长网络生存周期就必须降低功耗，其中包括节点硬件功耗和通信功耗等。通信功耗的降低则涉及到射频控制，物理层，媒体访问控制协议和路由协议等技术的研究。媒体访问控制协议(Media Access Control Protocol，简称MAC协议)用于解决无线传感器网络中信道争用的问题。WSN领域中的MAC协议设计须考虑能源效率、可扩展性和公平而高效地利用链路带宽等问题。

目前已有的MAC协议可分为以下两类：基于竞争和基于调度型。基于竞争的MAC协议是一种按需使用信道的协议。其优点是简单灵活，具有较好的可扩展性，缺点是采用竞争方式使用信道，在产生碰撞时会需要后退重传，这样就会浪费较多的能量，也不能保证实时性。目前基于竞争的典型代表有：S-MAC，T-MAC和B-MAC协议等。在基于调度的MAC协议中，节点通过一个调度算法来决定是否发送数据。这样多个节点间就可以同时没有冲突地在无线信道发送数据。在此类协议中，主要有TRAMA，D-MAC和DEANA等。其缺点是虽然有效地解决了信道争用冲突问题，但扩展性差，并且在能源效率上比基于竞争型的MAC协议要低。而能源效率却是衡量MAC协议设计的首要标准，本发明隶属于基于竞争型的MAC协议，以下将重点介绍基于竞争型的MAC协议的背景技术。

在信道争用过程中能量消耗存在于以下几个方面：空闲监听，争用冲突，数据重发，协议控制开销和信号串音等。其中空闲监听又是影响能耗的最主要因素，因为WSN应用中通常数据传输量较少，只要求低数据传输率，大量不必要的空闲监听将浪费能量。因此需要减少空闲监听次数，目前主要做法是首先实现所有节点间的时钟同步，然后让节点同步进行周期性工作和休眠，即在一个周期内节点固定地一段休眠时间和工作时间。这种做法能显著减少空闲监听次数并降低能耗，主要代表有S-MAC。该协议的缺点是休眠时间段固定，不能根据数据传输率动态地改变休眠时间以在吞吐量和能耗之间取得平衡。针对这个缺点，T-MAC提出了一种自适应调整忙闲度的MAC协议，即根据实际情况动态改变休眠时间。该协议在发送节点发送数据时首先监听信道是否空闲，当听到信道忙时，就根据监听退避间隔和RTS帧发送时间来确定下次监听时间，同时节点进入睡眠并等待下次监听时间到来。T-MAC协议进一步降低了能耗。但是该协议的缺点是规定节点在进入每个周期的工作时间时同时争用信道，相比S-MAC又增加了信道争用冲突和数据传输的时延。相比以上两种，B-MAC则采用了清晰信道监听和发送导频字节相结合来增加监听时间间隔和减少监听次数。该协议的缺点是监听时间间隔和导频字节数量成正比，即降低监听次数是以增加发送和接收数据的能耗为代价。

从上述可知，各种MAC协议都是在力求降低能耗的同时平衡吞吐量、时延等指标，各有优缺点，目前尚没有一种MAC协议能够适用于各种场景，MAC协议技术仍是一个难点。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种节点动态休眠的低功耗媒体访问控制方法，以便在高质量完成数据通信的同时降低通信所需能耗，同时具有自适应性强，扩展性好的特点。

为完成本发明的目的，本发明采取的技术方案是：节点动态休眠的低功耗媒体访问控制方法，步骤如下：

首先将网络拓扑结构组织为分簇拓扑，并给所有节点按序给定一个正整数编号，接着进行各簇内节点和各簇首节点间的粗粒度时钟同步，在时钟同步完成后节点根据自身编号选择下次工作周期中执行子时段的偏移方向，然后节点在一个周期内进行工作，工作包括发送过程和接收过程：

其中发送过程的源节点周期工作流程如下：

(1)若源节点的数据采样率改变，则调整节点的工作忙闲度，然后执行步骤(3)；

(2)若源节点的数据采样率未改变，则直接执行步骤(3)；

(3)将源节点的执行子时段偏移一个时间窗口W；

(4)判断源节点是否有数据要发送，如果无数据要发送则进行步骤(5)，如果有数据发送，则进行步骤(6)；

(5)让源节点在本周剩余时间进行预定的执行和休眠，完毕后进入下一周期工作；

(6)源节点计算自身与目的节点在本周期内的共同执行子时段；