[发明专利]一种无线传感器网络介质访问控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络，尤其涉及一种无线传感器网络介质访问控制方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种特殊的无线多跳分布式网络，具有快速组网、休眠节能、抗毁性强等特点，它相对于传统的无线网络，有明显的资源受限和动态变化的特点，节能效率和扩展性成为重要性能指标。介质访问控制(Medium Access Control，MAC)协议决定WSN无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线信道资源，是保证WSN高效通信的关键网络协议之一。针对具体的应用模型研究高效的MAC协议意义深远。

无线传感器网络研究的核心问题之一是能耗管理，无线传感器网络协议栈各层的设计，都以节能效率作为首要的考虑。无线传感器网络与应用密切相关，其介质访问控制协议主要分为：(1)基于竞争的随机访问方式；(2)基于时间调度的MAC协议，普遍采用TDMA；(3)两种机制的混合型方案，这也是广受关注的研究热点之一。基于竞争和调度的机制各自侧重考虑和解决的问题不同，各有优势，单纯一种机制的MAC协议很难在各个性能指标中获得较好的平衡。竞争型的MAC协议扩展性好，但延时大；调度型的MAC协议开销小，实时性比较好，但扩展性差，时间同步要求严格。竞争性MAC机制与TDMA时间调度机制的有机结合可以平衡两者的优势和不足，取得较好的性能。近年来吸引了不少学者的参与和研究，但在实际应用仍需要进一步的讨论，混合型方案是高效无线传感器网络MAC协议的重要解决思路和发展趋势。

μ-MAC协议特别针对周期性数据采集型网络应用，要求网络中的数据流量是可预知的，且不存在动态变化，其主要不足及局限性讨论如下：

1)μ-MAC的适用场合及迟钝的流量适应性。μ-MAC针对周期性数据采集型的网络应用而设计，在该特殊的应用模型中，流量是可预测的，可从应用层信息获得(传感任务中直接包含了需要采集的数据类型、频度、有效期等信息)，一旦由基站发起INTEREST数据请求，预约好一个一定带宽的传感报告子信道(Sensor Report，SR)后，流量基本是固定的，直到传感任务结束或基站明确再次发起新的INTEREST请求，才可能改变子信道带宽。μ-MAC只针对上述的周期性数据采集型应用，没有也不需要提供对动态流量的主动调整机制，在广泛需求的包含动态流量的数据采集应用场合中照样实施μ-MAC，其效率会非常低。

2)一般流量子信道(General Traffic，GT)效率低。GT功能主要是承载INTEREST/RESERVE包的传输，预约子信道带宽。虽然其带宽不大，是在网络运行前固定设置的，但节点需要单独为GT在无竞争期计算选择时槽，且在这些时槽上所有邻居节点都必须活动侦听或发送。μ-MAC协议还规定在GT子信道上如果没有数据传输，也要发送冗余的维持包携带未来n个时槽分配的信息。这都带来额外的能量消耗。当GT带宽较大时，GT子信道效率低的问题更加突出。

发明内容

针对以上问题，本发明基于μ-MAC，扩展其适用模型为更广泛需求的动态流量的数据采集型网络应用，改进设计了一种高效的介质访问控制方法。本发明的设计继承μ-MAC基本的拓扑建立和时槽分配算法，但扩展了其应用模型，不再单纯适用于周期性数据的固定流量网络，使用一种改进的信道结构和运行控制，引入流量自适应机制，适用于传感节点主动式的动态流量监控网络。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种无线传感器网络介质访问控制方法，该无线传感器网络包括传感节点、基站及传感节点与基站之间传输数据的信道，其包括以下步骤：

a)传感节点由环境事件驱动，产生数据传输的带宽需求，通过一般流量子信道向基站发送RESERVE包，主动请求预约传感报告子信道的初始带宽，中间节点进行带宽注册和绑定，并传递RESERVE包；

b)基站收到RESERVE包后，通过一般流量子信道回发ACK确认包，并逐个跳传回传感节点，在跳传回过程中预约带宽，激活请求的传感报告子信道；

c)传感节点接收到ACK确认包后产生REPORT包，通过已建立的传感报告子信道向基站发送报告；

d)当环境事件变化，数据传输的带宽需求变化，若流量波动超出阈值，传感节点将通过一般流量子信道触发同a)、b)两步的RESERVE/ACK流量自适应调整过程，主动请求预约新的带宽，以适应动态流量。

上述RESERVE包由路由层协议决定传输路径，初始带宽根据传感节点的应用层信息获得。