[发明专利]基于等待时间的MAC资源管理方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种MAC资源管理方法，特别是涉及一种基于等待时间的MAC资源管理方法。

背景技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过短距离无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的、互联互通的传感网络系统，其目的是通过各种微型传感器协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，由嵌入式计算对感知信息进行处理，并通过无线通信网络将信息发送给远程观察者，使得人们能在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。由于无线传感器网络具有易扩展、自组织、分布式结构以及健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在家庭网络、环境检测、城市交通、生物医疗、抢险救灾、空间探索、危险区域远程控制等诸多领域。

在无线传感器网络中，媒介访问控制（medium access control，MAC）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源（能耗，带宽）。无线传感器网络MAC协议处于传感器网络协议栈的底层，对无线传感器网络的性能有很大的影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。因为传感器节点体积很小，携带的电池的电量十分有限，又无法给电池充电或更换新电池，所以传感器节点常常由于电池的电量耗尽而失效或废弃。故在传感器网络设计过程中，任何资源管理算法或协议的使用都是要以节能为前提的。

根据无线传感器网络MAC层的不同特性的特点，可以将MAC层资源管理算法分为3类：一类是基于竞争的MAC资源管理算法；一类是基于调度的MAC资源管理算法；一类是混合型MAC资源管理算法。竞争算法无须全局网络信息，扩展性好、易于实现，但因退避产生的能耗大；调度算法有节省优势和延时保障，但帧长度和调度难以调整，扩展性差，且时钟同步要求高；混合算法具有上述两种MAC资源管理的优点，但通常比较复杂，实现难度大。其中，基于竞争MAC资源管理算法尝试通过使各传感器节点以最小复杂度、独立地进行运算的策略来保存能量、提高吞吐量、控制延时时间。其基本思想是：传感器节点需要发送数据时，以某种竞争机制访问无线信道；如果发送的数据产生了冲突，就按照某种策略（如IEEE8021.11 MAC协议的分布式协调工作模式DCF采用的是二进制退避重传机制）重新发送数据，直到数据发送成功或放弃发送为止。目前已提出为不同的业务提供不同优先级的接入，保证高级业务的实时性，主要考虑对不同业务采用不同的竞争窗口参数，满足业务QoS方面的要求。这些算法基于竞争机制，冲突难以避免，因此产生的能量消耗仍然很大。现有的基于竞争的MAC资源管理算法有：

1）SMAC：它是在IEEE802.11基础上做的改进，更适合无线传感器网络；其引入了周期工作/睡眠机制、竞争退避机制、RTS/CTS/DATA传输机制、消息分割机制来节省能量，但是由于睡眠机制的引入，使得网络的时延有所上升，吞吐量有所下降，而且还不能根据网络中的业务量变化进行适应性调整。

2）TMAC：它是在SMAC的基础上提出的，可以根据通信流量动态调整活动时间，但该算法引入了“早睡”问题，增加了通信时延。

3）Wise-MAC：它采用前导码采用技术控制节点处于空闲侦听状态时的能量消耗，与SMAC和TMAC相比，节能效果更加显著，但该算法会占用无线传感器节点本就不多的存储空间，增加算法实现的复杂度，在节点密度较高的网络内这种情况更加突出。

4）PMAC：它根据检测到的网络状况和流的权重来动态调整节点的竞争窗口CW值为最佳值；该算法在公平性和吞吐量性能方面得到了大幅度提高，但时延增加了，算法实现复杂度增加了。

5）FCR：它是在竞争节点还没在碰撞发生时就增加自己的竞争窗口CW，以此降低网络中的碰撞概率，同时又使系统相邻两次发送之间的退避时间尽可能少，从而提高系统吞吐量；但该算法不能保证高优先级业务的QoS，公平性差。

6）REBS：它根据节点的剩余能量来动态分配节点的接入优先级，以降低节点碰撞概率并延长网络工作时间，但公平性降低，不能保证各业务的QoS。

7）SDDB：它为不同的业务提供不同优先级的接入，保证高级业务的实时性，主要考虑业务QoS方面的要求，没有仔细考虑信道吞吐量，算法复杂度，能耗等性能。