[發明專利]適用于工業監測的無線傳感器網絡自適應MAC協議

有效

• 申請號: 201210130134.6
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN102638901A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發明（設計）人: 徐利明;付敬奇;蘇偉;靳上
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H04W80/02
• 分類號: H04W80/02;H04W84/18
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.適用于工業監測的無線傳感器網絡自適應MAC協議，其特征在于：1）采用三層網絡拓撲結構；2）協議提出了時隙長度分配算法；3）MAC協議在實現過程中的時隙分配幀的設計和傳感器節點對時隙分配幀的處理；4）最后在該MAC協議中加入傳感器節點提前休眠的節能機制。

2.根據權利要求1所述的適用于工業監測的無線傳感器網絡自適應MAC協議，其特征在于所述三層網絡拓撲結構由網關節點（1）、簇頭節點（2）、冗余簇頭節點（3），傳感器節點（4）構成，傳感器節點（4）負責感知數據，在傳感器節點（4）向簇頭節點（2）發送數據未成功時，將數據轉發給冗余簇頭節點（3），再由冗余簇頭節點（3）將數據發給簇頭節點（2），最后由簇頭節點（2）將數據匯聚到網關節點（1）。

3.根據權利要求1所述的適用于工業監測的無線傳感器網絡自適應MAC協議其特征在于所述時隙長度分配算法的具體操作步驟如下：

（1）通過均值鏈路質量指示?和信號接收強度指示RSSI補償的方法對鏈路質量進行估計，通過式：?

計算出鏈路質量估計值，其中表示最近一次LQI采樣值的重要程度，表示正常環境下RSSI的門限值，表示第k次的LQI采樣值，和分別表示第k-1次和k次的均值LQI；

（2）當在以下時，包接收率幾乎全為0?；當在以上時，包接收率幾乎全為1；當在之間時包接收率PRR隨著的增大而上升，所以通過式預測出數據包成功接收率，其中表示擬合系數；

（3）節點完成一次數據發送和接收應答所需的時間：發送端節點發送時間，訪問信道時間，按照比特傳輸數據的長度字節和1個字節傳輸時間，數據在無線鏈路上的傳播時間；接收端接收處理數據的時間，接收端回復應答幀的訪問時間，應答幀按照比特傳輸數據的長度字節和1個字節傳輸時間，數據在無線鏈路上的傳播時間，發送端接收處理應答幀的時間；得出傳感器節點完成一次數據發送和接收應答所需的時間，即時隙長度：，當工業現場環境產生干擾影響信道質量時，影響傳感器節點傳輸是訪問信道的時間；

（4）利用步驟（2）中節點一次發送數據包接收率，則發送數據包接收成功服從幾何分布，節點i次數據發送過程中，前i-1次發送失敗，第i次發送成功的概率：，在傳感器節點嘗試發送的最大次數，計算其數據包接收成功的期望發送次數：；

得到節點嘗試訪問信道的次數：；

（5）在傳感器節點以及通信鏈路沒有受到環境的干擾時，傳感器節點能夠在步驟（3）中的傳輸時間內，完成數據的發送和應答幀的接收；

但是在鏈路質量受到影響時步驟（3）中的訪問信道時間和會受到影響，需要重新估算完成數據發送和應答幀接收所需的時間，進而調整時隙長度；

根據步驟（4）預測的訪問信道次數，調整后時隙長度計算式：。

4.根據權利要求3所述的適用于工業監測的無線傳感器網絡自適應MAC協議，其特征在于所述時隙分配幀的設計和傳感器節點對時隙分配幀的處理，采用所述的時隙長度分配算法，由簇頭廣播時隙分配幀給簇內傳感器節點分配時隙，傳感器節點接收并處理時隙分配幀，具體操作步驟如下：

（1）將時隙長度處理成微時隙結構，微時隙的時間長度為，每個傳感器節點的時隙長度包含若干個微時隙；

（2）簇頭廣播時隙分配幀；

（3）在步驟（2）時隙分配幀的時隙分配段中，第個字節表示傳感器節點的微時隙個數；

（4）傳感器節點在接收到時隙分配幀以后，計算時隙分配段前個字節微時隙個數總和，獲得第個字節的值，傳感器節點的時隙的時間偏移量為，時隙長度；

（5）冗余簇頭接收到時隙分配幀后，計算時隙分配段所有字節的微時隙個數總和，冗余簇頭在時間后開始向簇頭轉發數據。

5.根據權利要求4所述的適用于工業監測的無線傳感器網絡自適應MAC協議，其特征在于所述傳感器節點提前休眠的節能機制，如果傳感器節點在分配時隙結束前，完成數據的發送和應答幀的接收，提前進入休眠節省能耗，具體操作步驟如下：

（1）傳感器節點在相應的時隙起始時刻，開啟定時器用于記錄活動時間；

（2）如果傳感器節點發送成功并收到應答幀，獲取收到應答幀時刻的計時時間，節點提前進入休眠；

（3）如果傳感器節點發送成功，未收到應答幀則將數據轉發給冗余簇頭，轉發成功獲取計時時間，節點提前進入休眠；

轉發失敗則繼續轉發直到時隙結束；

（4）如果傳感器節點在嘗試相應的發送次數后仍未發送成功，則將數據轉發給冗余簇頭，發送成功獲取計時時間，節點提前進入休眠；如果仍未發送成功則繼續轉發直到時隙結束。