[发明专利]一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，属于网络通信领域。

背景技术

近年来，无线传感器网络获得全世界范围内的高度关注。无线传感器网络拥有大量的传感器节点，但节点的能量十分有限，能量耗尽意味着节点将脱离网络，导致网络拓扑改变或者网络瘫痪。因此传感器节点的能耗问题是制约无线传感器网络协议设计的重要因素之一。

其中，信道接入控制(Media Access Control，以下简称MAC)协议是用来分配有限的无线通信资源，它决定节点无线收发机的工作方式。针对无线传感器网络能量敏感的特点，MAC协议设计的首要目标是要能够有效控制传感器节点的能量消耗，提高网络生存周期；并在此基础上提高节点信道的接入效率，减少发生冲突的可能，提升网络整体效率。

目前在基于竞争的MAC协议中，主要是通过阶段性的睡眠机制来提高网络的生存周期，但此方法会导致时延的增加和网络吞吐量的降低。特别当网络中负载变化大时，现有协议对于突发性负载缺乏有效的处理策略。如果网络设置过高的占空比会使得网络能量消耗过快并且能量有效利用率降低，而过小的占空比会使得应对突发负载时的网络性能急剧下降。其次，仅仅单一节点进行负载变化的自适应调节会使得邻近节点的反应较慢，因为邻近节点自身可能不处于信息源区域，不知道当前局部网络即将发生的负载变化情况，通常需要很长时间后才能适应。负载爆发时的信息不能及时由邻近节点传输出去，较易造成能量利用率下降、网络拥塞和时延的增加。

因此，如何针对负载频繁变化的大规模无线传感器网络设计出一种能量高效且时延受限的信道接入方法已经成为一项急需解决的关键技术。

发明内容

本发明涉及一种无线传感器网络动态信道动态接入控制方法，所述方法包括如下步骤：

在网络形成期，对整体网络进行管理区域划分，由管理节点控制区域网络接入参数；对于管理节点的选举采用一种基于能量控制的选举方法，各传感器节点都可以参与管理节点的选举；

通过一个等待时间(wt，wait time)的控制函数waitforCWP(ELR)来控制竞争窗口位置；如下公式所示，该函数通过一个参数“能量剩余率”(ELR，Energy Left Rate)来计算其值，能量剩余率等于节点剩余能量值比上节点总能量值(ELR＝Eleft/Etotal)：

其中，Eleft为节点剩余能量；Etotal为节点总能量；β为控制参数，使得所有竞争结束后形成期能预留出一部分时隙使网络得到有效收敛；C为整个形成期的总时隙数；

最后，得到等待时间wt为：

wt＝waitforCWP(ELR)×t_slot

在网络稳定期，节点的状态分为工作期和睡眠期；工作期又分为两个小时期：控制同步期、监听期；每个控制同步期分为三个小阶段，分别为控制阶段、管理节点同步阶段、成员同步阶段；

在控制同步期管理节点通过广播控制同步信息对网络接入参数进行调节，对区域网络内的成员节点进行同步，并且安排每个成员节点在睡眠阶段的汇报时隙；未收到控制同步信息或新加入的节点可以向邻近的管理节点进行申请，管理节点收到后进行回复；

处于网络数据交互期时，管理节点监听网络状态，根据当前区域网络状态判断网络的承载能力；处于睡眠阶段时，区域内所有成员节点在各自特定时隙时醒来向管理节点汇报队列中分组等待数目，管理节点通过等待分组总数预估未来短期内区域网络的负载情况；

管理节点根据网络承载能力和预估负载情况动态调节区域网络的接入控制参数，包括工作模式、工作睡眠时长、初始竞争窗口等；如果区域网络信道利用率高、冲突频发、等待分组数量多，那么当前网络参数承载能力不足，需要提高网络工作时间和稍大的初始竞争窗口；如果当前网络的信道利用率低、冲突鲜发、等待分组数量少或无，那么当前网络的承载能力过剩，可以适当降低工作时间或者进入多次短监听短睡眠状态来控制睡眠造成的时延，并且提供较小的初始竞争窗口；如果网络信道占用率处于稍高状态，并且冲突鲜发，那么当前网络承载能力比较适应；

在下一个工作阶段开始时，管理节点通过广播控制同步信息通知管理区域内成员节点改变网络接入控制参数；邻近区域的管理节点能通过边界节点提前感知负载变化，并做出提前做出判断和预测，使整体网络逐渐适应；

当管理节点因为某些原因将不能履行管理职责时会进入管理失效状态，此时立刻发出网络控制失效信息，该区域成员节点进行会在下一工作周期开始时进行信息同步并且重新选取管理节点，提高网络容错性；