[发明专利]面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法

说明书

本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法。本发明方法充分考虑输电线路监测等应用的无线传感器网络链式或线型拓扑结构的特征，在网络不同时段采用了不同的接入策略，提出繁忙时期的时分访问控制Pipelined TDMA以及空闲时期的竞争访问控制S‑XMAC方法。在繁忙时期，采用了流水线式的调度传输方法来避免隐藏终端问题，以提高传输可靠性和资源利用率；在空闲时期，设置簇首和普通簇成员采用不同的MAC参数，在使簇首簇首和簇成员能够更及时地响应请求的同时，使得普通簇成员尽可能地节省能量，从而使得网络在节省能量的同时，满足应用系统对网络实时性的要求。

技术领域

本发明涉及无线网络技术，具体地说是一种面向链式无线传感器网络的混合介质访问控制方法。

背景技术

近年来，无线传感器网络广泛应用。输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用，具有分散性大、距离长、难以维护等特点。之前较广泛采用的周期性人工、直升机、机器人巡检的方式，不仅需要高开销、高劳动强度，也难于持续地对整个系统进行监测。为此，基于网络的监控系统成为这类应用实现的必然。然而，基于有线网络的监测系统具有布设困难、成本高、维护不便等问题。那么，基于无线技术的监测系统是未来的发展趋势。但是，GSM、WIMAX、CDMA等移动通信技术，对于全方位的监测系统来说依旧过于昂贵，因此这些现有的系统仅用于部分关键的环节。无线传感器网络以其实时在线、大面积覆盖、自配置自组织、低成本、灵活、维护方便等优点，成为这类应用的首选技术。

对于上述输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用，无线传感器网络通常部署在无人值守的区域，更换电池困难，电池成本较高。为此，低能耗成为该类无线传感器网络的首要需求。系统一般要求电池供电的簇首和簇成员可以工作5年以上。此外，这类应用对无线传感器网络的实时性也提出了要求。以智能电网中的数据采集与监控系统（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）为例，数据采集周期通常为4～8秒，特别当异常事件或警告产生时，需要及时传输到监控中心。

介质访问控制（Media Access Control，MAC）方法直接管理无线通信资源的合理使用，成为决定无线传感器网络性能的关键技术。输电线路监测、铁路监测、地铁监测、边境监测等应用的特点，使得无线传感器网络MAC协议的设计需要面临如下挑战：

●上述应用中的无线传感器网络拓扑结构通常呈现链式或线型，但同时还具有局部密集的特点。以输电线路为例，大部分传感器架设于塔杆之上或者接近塔杆的区域，整个被密集布设的区域直径不超过10米，仅有少量传感器布设在跨度200～1000米之间的输电线上，如舞动监测传感器。链式网络中出现大量部署密集的局部区域。局部密集特性凸显了隐藏终端问题。

●上述应用中通常产生两类数据：周期性监测数据以及报警、网络控制、系统查询、配置等非周期性数据。对应的网络工作周期划分为有大量周期性数据传输的繁忙时期以及仅少量非周期数据传输的空闲时期。如何面对网络时变的网络流量特性以及复杂的非均衡性，在节能的同时保证实时性是另一个难题。

现有无线传感器网路MAC协议还无法满足上述应用需要，具体表现在：（1）采用时分多路访问（Time Division Multiple Access，TDMA）的方式能够有效避免隐藏终端问题，应对繁忙时期的传输。但面向链式拓扑结构网络，如何设计有效的TDMA机制，在低能耗前提下保证网络的实时性，研究刚刚起步。（2）现有面向网状、低数据率等特点的无线传感器网络MAC协议，如X-MAC、SMAC、TMAC等，协议的实时性取决于接收方的占空比，仅从数据率看可以应对实时性要求较低的非周期性数据的传输。因此，如何保证周期性数据传输的高实时性以及紧急数据的传输成为了一个挑战性难题。

发明内容