[發(fā)明專利]適用于工業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210130134.6
• 申請日: 2012-04-28
• 公開（公告）號: CN102638901A
• 公開（公告）日: 2012-08-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐利明;付敬奇;蘇偉;靳上
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 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(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種適用于工業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless?Sensor?Network，WSN)以其低成本、低功耗等特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測過程中。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中媒體介質(zhì)訪問控制(Medium?Access?Control，MAC)協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分,主要用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介,對傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議主要有三類：第一類是基于競爭的MAC協(xié)議，其基本思想是當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，傳感器節(jié)點通過競爭接入信道；如果發(fā)生沖突，則采用某種策略重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送。該類協(xié)議通常采用載波偵聽工作模式，并結(jié)合沖突避免機(jī)制、握手信號和退避接入機(jī)制來減少沖突的可能性。其優(yōu)點是協(xié)議簡單、擴(kuò)展性好、易于實現(xiàn)；缺點是存在碰撞、串音、公平性差、空閑偵聽、能耗大等問題。第二類是基于調(diào)度的MAC協(xié)議，其基本思想是采用某種調(diào)度算法使每個傳感器節(jié)點只在給定的時間段接入信道進(jìn)行通信，沒有參與通信的節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)達(dá)到節(jié)能目的，其主要優(yōu)點是可以實現(xiàn)無沖突通信、占空比可控性好、網(wǎng)絡(luò)能耗低等，缺點是擴(kuò)展性差、對節(jié)點同步要求高、調(diào)度維護(hù)開銷大等。第三類是混合MAC協(xié)議，其基本思想是結(jié)合基于競爭的MAC協(xié)議和基于調(diào)度的MAC協(xié)議的優(yōu)點，同時避免各自缺點，在特定條件采取某種協(xié)議為主，其他協(xié)議為輔的方式。其優(yōu)點有利于網(wǎng)絡(luò)的整體性能優(yōu)化，缺點在于實現(xiàn)算法通常比較復(fù)雜。

上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議在設(shè)計時主要從網(wǎng)絡(luò)的能耗、可擴(kuò)展性、時延、其他網(wǎng)絡(luò)效率等方面出發(fā)，但是存在缺陷的是無法保證周期性感知數(shù)據(jù)傳輸可靠性。特別在工業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜惡劣的環(huán)境、多徑干擾、電磁干擾等使數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃燥@得更加重要。針對上述問題，本發(fā)明提出了一種適用于工業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，能夠根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境變化或突發(fā)狀況自適應(yīng)調(diào)整傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙長度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⒓骖櫿麄€網(wǎng)絡(luò)的能耗、時延和擴(kuò)展性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服已有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的不足之處，針對已有技術(shù)的缺陷，提供了一種適用于工業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，能在對無線通信鏈路進(jìn)行質(zhì)量評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點單次通信的時間，預(yù)測出數(shù)據(jù)可靠傳輸所需的時隙長度，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性前提下，兼顧整個網(wǎng)絡(luò)的能耗、時延、吞吐量、擴(kuò)展性等性能。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是：

傳感器節(jié)點周期的采集感知數(shù)據(jù)，在簇頭分配的時隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在傳輸過程中由于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境干擾等原因，使通信信道受到影響，從而影響節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸，在時隙結(jié)束時還未發(fā)送數(shù)據(jù)成功則產(chǎn)生丟包，影響對工業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)測。如果擴(kuò)大時隙長度，則會導(dǎo)致在環(huán)境狀況良好時，使節(jié)點在時隙結(jié)束前完成了數(shù)據(jù)的成功發(fā)送和應(yīng)答幀的接收，一方面增大傳感器節(jié)點的能耗，另一方面降低了MAC協(xié)議的擴(kuò)展性，使得整個網(wǎng)絡(luò)的時延進(jìn)一步增大。所以需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境變化或突發(fā)狀況估計通信鏈路質(zhì)量，自適應(yīng)調(diào)整傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時隙長度，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕⒓骖櫿麄€網(wǎng)絡(luò)的能耗、時延和擴(kuò)展性。

本發(fā)明的協(xié)議作以下假設(shè)：???????????????????????????????????????????????有一個外部的信標(biāo)源實現(xiàn)了本地時鐘同步（本發(fā)明的MAC協(xié)議不需要考慮MAC層同步功能）；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的簇頭節(jié)點和冗余簇頭節(jié)點通過有線電源供電（本發(fā)明的MAC協(xié)議不需要考慮簇頭節(jié)點的能耗問題）；每個簇采用不同信道進(jìn)行通信（本發(fā)明的MAC協(xié)議簇與簇工作在不同的信道）。

根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用以下技術(shù)方法：適用于工業(yè)監(jiān)測得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議其特征在于：1）采用三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2）協(xié)議提出了時隙長度分配算法；3）MAC協(xié)議在實現(xiàn)過程中的時隙分配幀的設(shè)計和傳感器節(jié)點對時隙分配幀的處理；4）最后在該MAC協(xié)議中加入傳感器節(jié)點提前休眠的節(jié)能機(jī)制。

上述適用于工業(yè)監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)MAC協(xié)議，其特征在于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用基于網(wǎng)關(guān)節(jié)點，簇頭節(jié)點、冗余簇頭節(jié)點，傳感器節(jié)點的三層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點是一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，主要負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)環(huán)境中的其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)映射，實現(xiàn)不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互連。