[发明专利]一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感器网络的混合机制MAC协议通信方法，属于无线通信网络领域。

背景技术

介质访问控制(Media Access Control,MAC)协议处于无线传感器网络协议的底层部分，决定无线信道的使用方式，直接影响无线资源的使用效率、网络吞吐量和时延等重要性能，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

无线传感器网络的功能是由众多节点协作实现的，在局部范围需要MAC协议协调节点间的无线信道分配，在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。从通信网络看，无线传感器网络是一种特定的自组织网络。无线传感器网络的MAC协议设计存在着自组织网络中的共性问题，同时，又具有节点资源受限、网络负载低及业务流的方向性相对固定等特殊性。因此，为无线自组织网络设计的MAC协议并不能简单地直接用于无线传感器网络，无线传感器网络的MAC协议设计面临着新的挑战，需要重点考虑以下几方面的问题。

1 节点资源受限

 节点能量的限制：无线传感器网络一般采用电池供电，并且工作于无人职守的环境中，无法更换电池或补充能源。所以，节能成为无线传感器网络设计的重要目标，需要在满足应用要求的前提下尽可能延长网络的寿命。

 节点的计算和存储能力限制：受体积、成本等因素的影响，无线传感器节点的计算和存储能力有限，这就要求无线传感器网络的MAC协议设计要尽可能简单，减少计算和存储量。

2 多跳信道共享

无线传感器网络的信道共享方式为多跳共享方式，源节点通信覆盖范围外的节点不受源节点发送数据的影响，它们也可以发送数据信息，这也称为信道的空间复用方式。 信道共享提高了频谱的利用率，增加了网络的吞吐量，但也带来了以下的问题：

 消息的碰撞； 隐藏和暴露终端问题； 串音问题。

3 业务流的特殊性

无线传感器网络主要面向监测类的应用，其业务特征与无线自组织网络相比，有以下特点。

 业务单一、业务量小； 业务流向具有方向性； 业务分布在时间和空间上的差异。

4 拓扑的动态适应性

无线传感器网络的规模庞大，网络是自组织的，由于节点的移动、新节点加入、节点故障或死亡、链路故障等，易造成网络拓扑结构的动态性变化。因此，无线传感器网络的MAC协议必须具备可扩展性、分布性和自组织性，能够适应拓扑的动态性。

由于受到以上因素的影响，无线传感器网络MAC协议与传统无线网络关注的因素正好相反。传统无线网络的MAC协议设计的重点目标是提高节点使用带宽的公平性、带宽利用率及网络的实时性，而无线传感器网络MAC协议的设计把能量有效性放在首位，其次才考虑协议的可扩展性、延时、信道利用率、吞吐率、适应性等。

针对无线传感器网络的不同应用，目前研究人员提出了多种不同机制的MAC协议。包括基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议及竞争和基于混合机制的MAC协议。 

 基于竞争类的MAC协议都是随机接入的，当节点有数据发送请求时，通过竞争的方式占用无线信道，当数据发生冲突时，按照某种策略重新发送数据，直到数据发送成功或放弃数据的发送。典型的基于竞争的MAC协议有S-MAC、T-MAC、AS-MAC协议等。这类协议不需要网络节点严格的时间同步，具有执行简单、扩展性好及适应拓扑变化能力强等优点；但这类协议的缺点也很明显，随机竞争容易产生消息的碰撞，造成能量的浪费。

基于调度的MAC 协议就是预先为每个节点分配用于发送或接收数据的独立时间片，而在其它时间段节点进入睡眠状态。基于调度的MAC协议的主要优点有以下几个方面：避免了竞争机制中的消息碰撞重传问题；不存在节点竞争信道的开销，因此，减少了数据传输过程中的控制开销；节点接入信道的方式是确定性的，因此，对于要求实时服务的应用可以提供确定上限的时延；节点空闲监听的时间大大减少。但这类协议也存在如下的缺点：网络节点之间需要严格的时间同步；当新节点加入或旧节点失效时，很难调整MAC协议时间帧的大小和时间片的分配，可扩展性较差；对节点移动、节点失效引起的网络拓扑变化的适应性较差；对于业务量的变化不敏感。但由于基于调度的MAC协议的固有节能特性，不少研究者针对TDMA 协议的不足，同时结合具体的无线传感器网络应用，提出了多种基于调度的无线传感器网络MAC协议。典型的MAC协议有LMAC协议、TRAMA协议、DMAC协议等。