[发明专利]一种无线传感器网络的信道接入控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络技术，尤其是涉及一种无线传感器网络的信道接入控制方法。

背景技术

无线传感器网络是一项新兴的技术，能广泛应用于环境监测、智能空间、医疗系统和机器人开发等领域。在无线传感器网络中，信道接入控制(MAC，Medium AccessControl)协议是决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的通信资源和保障无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。传感器节点由于受成本和体积的限制，通常采用能量有限的电池供电，然而，当传感器节点的供电电池耗尽时，由于无线传感器网络中传感器节点数量众多，传感器节点又通常随机部署在监测区域内，并且工作环境通常比较恶劣，为传感器节点充电或更换电池不切实际，而且多数应用环境要求无线传感器网络能够长久连续工作。因此，最大限度节省能量，延长网络寿命成为无线传感器网络的要解决的关键问题，除此之外，在很多应用中如环境监测等，低延时也是重要的性能因素。

现有的应用于无线传感器网络的MAC协议大致可以分为两大类：基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议。

基于竞争的MAC协议实现相对简单，传感器节点无需维护，且所有的传感器节点共享状态信息，彼此之间相对独立地竞争无线信道，因此能够提供很好的可扩展性。但随着无线传感器网络数据率的增大，这种基于竞争的MAC协议会使得数据传输过程中产生很高的数据碰撞、空闲监听以及串音，从而造成很大的能量浪费。自适应睡眠的S-MAC(Self-organizing MAC)协议是在802.11MAC协议基础上，针对无线传感器网络的节省能量需求而提出的一个典型的基于竞争的MAC协议，其主要采用周期性监听/睡眠的低占空比工作方式，邻居节点通过协商一致的睡眠调度机制形成虚拟簇，减少传感器节点的空闲监听；利用虚拟物理载波监听机制及RTS/CTS(Request To Send，请求发送/Clear To Send，清除发送)通信机制来避免数据碰撞和串音。然而由于在S-MAC协议中每个传感器节点的占空比都相同，这种固定的占空比不能随着无线传感器网络的流量变化而进行相应的调整，为了满足最高通信负载而使用较高的占空比，这将导致在低流量负载的情况下造成很大的能量浪费，且增加数据传送的延时。

基于调度的MAC协议，传感器节点通过调度来预约不同的时隙进行数据传输，能有效减少数据碰撞的产生，并且能够使传感器节点在空闲时隙尽可能处于睡眠状态，具有很好的能效。然而，这种基于调度的MAC协议需要比较严格的时间同步，会带来很大的管理开销，对无线传感器网络的动态拓扑结构适应性也较差，且数据转发具有较大的延时。TRAMA(Traffic-Adaptive Medium Access)协议是基于调度的MAC协议之一，其将调度周期分为随机接入和分配接入两部分，基于各传感器节点流量信息的分布式选举算法来完成时隙的分配，能达到一定的吞吐量和公平性，可有效避免隐藏终端引起的数据碰撞。但TRAMA协议的数据延时较大，计算频繁复杂且要求具有非常精确的时钟同步。

此外，现有的MAC协议大部分都只适应于单一应用且网络负载较低的传统的无线传感器网络，不能满足支持多应用的如融合多种数据采集和事件监测等，要求能够支持大数据流量且能够提供低延时服务的无线传感器网络。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在高负载网络下具有低能量消耗的无线传感器网络的信道接入控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种无线传感器网络的信道接入控制方法，无线传感器网络包括多个部署在监测区域的传感器节点和接收所述的传感器节点传送的包含有监测数据的数据包的基站节点，所述的基站节点和各个传感器节点采用具有不同时帧长度的时帧结构，所述的基站节点根据输入参数选取基本时帧长度，并将所述的基本时帧长度进行全网广播；各个传感器节点根据局部节点密度和所述的基本时帧长度选取自己的实际工作时帧长度；所述的时帧结构包括时隙预约阶段和数据传输阶段。

在所述的时隙预约阶段所述的传感器节点之间采用单跳时隙预约机制预约时隙。

在所述的时隙预约阶段所述的传感器节点之间采用路径预约机制预约多跳时隙。

所述的实际工作时帧长度为所述的基本时帧长度的整数倍。

所述的输入参数包括无线传感器网络的节点密度、数据产生均值速率和最大突发速率；所述的节点密度为各个传感器节点的两跳内邻居节点数目；所述的局部节点密度包括自己的两跳内邻居节点数目和自己的一跳邻居节点的两跳内邻居节点数目。