[发明专利]无线传感器网络中基于数据队列长度的信道接入方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线网络领域，特别涉及无线传感器网络设计领域，具体给出无线传感器网络中基于数据队列长度的信道接入方法。

背景技术

目前无线传感器网络应用系统中信道接入方法是其中最重要的技术之一，是影响网络总体性能的关键因素，当多个节点进行数据通信的时候，需要比较有效的方法来协调节点的信道接入以达到较高的网络通信性能和较低的能耗。由于目前无线传感器网络应用通常对功耗要求比较高，故在信道接入的技术中节点一般采用周期性的侦听和睡眠调度机制，即节点周期性地进入睡眠状态以降低能耗，在唤醒的时候侦听信道以及和邻居节点进行数据通信。

目前比较有代表性的周期性侦听睡眠的同步信道接入机制是叶伟提出的S-MAC协议，它最早由参考文献“An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks” (W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, IEEE INFOCOM, June 2002)提出。S-MAC协议按照周期性方式运行，协议的一个周期分为侦听期和睡眠期两个部分，节点在侦听期间唤醒进行数据通信，在睡眠期间进入睡眠状态以降低功耗。为保证节点之间正确通信，协议设计采用定期同步的机制，通过周期性接收和转发同步包使得节点之间形成一致的侦听睡眠调度，节点在发送同步包和发送数据传输请求包时候采用固定竞争窗口方式接入信道。代表性的异步信道接入方法主要是Michael Buettner等人提出的X-MAC，由参考文献 “X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks” (Michael Buettner, Gary V. Yee, Eric Anderson, and Richard Han, ACM SenSys, November 2006)给出，X-MAC协议中节点自身维护独立的侦听睡眠调度，在唤醒期间通过竞争信道发送前导包以等待接收节点回复后建立通信过程，竞争信道的方式依然采用固定竞争窗口大小。

但是在实际的无线传感器网络应用中，往往存在许多难点问题需要解决：1） 数据通常是通过汇聚的方式从源节点传输到汇聚节点，数据包容易在中间节点中堆积起来导致拥塞，从而严重降低网络性能；2）节点采用周期性侦听睡眠调度的方式，实际上导致很多数据包在本周期内无法发送出去，从而进一步加剧数据包堆积和加重拥塞；3）目前存在的无线传感器网信道接入方法中，缺少有效的手段能够让拥塞的节点有较高的优先权将堆积的数据快速发送出去从而消除拥塞。这些存在的问题导致严重影响了无线传感器网络各个行业的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术中存在的问题，提供一种无线传感器网络中基于数据队列长度的信道接入方法，使得网络中的节点在网络数据负载变化尤其是数据包堆积的情况下，能够根据当前的数据队列长度合理调节竞争窗口的大小，使得拥塞越严重的节点有更多的机会接入信道取得发送权，从而有效缓解拥塞。

本发明的无线传感器网络中基于数据队列长度的信道接入方法，基本思想是让节点在进行竞争信道前通过测量当前的数据队列长度估计拥塞状况，并根据数据队列长度调节竞争窗口大小，使得数据队列长度越大的拥塞节点能够有更高的优先获得信道接入权，并尽快将堆积在数据队列中的数据包发送出去以缓解拥塞。其步骤如下：

1. 节点周期性地进行唤醒和睡眠调度以降低能耗，并在唤醒期间通过竞争方式接入信道进行数据发送；节点在每次唤醒后实时测量数据队列长度估测拥塞程度，令当前测量的数据队列长度为Qcur、节点数据队列的最大容量为Qmax，则测量的数据队列长度越大则代表拥塞越严重，节点根据测量的队列长度调节竞争窗口大小；

2. 如果测量的数据队列长度0＜Qcur≤Qmax/3，节点判断当前有数据包堆积并发生拥塞，此时处于拥塞的前期阶段，节点按照平缓的方式调节竞争窗口的大小，使节点接入信道时的竞争窗口大小随着队列长度增大而缓慢减小，节点的队列长度越大则竞争窗口越小，从而使得拥塞节点有更大的概率接入信道，用于缓解和避免节点早期的拥塞；