[發明專利]一種跨層無線傳感器網絡MAC協議通信方法及系統

有效

• 申請號: 201310503404.8
• 申請日: 2013-10-23
• 公開（公告）號: CN103596236A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 鄭國強;李濟順;亢丙午;李冰;侯云山;祁志娟;徐素莉;陳建華;劉偉;高宏峰;沈森;王斐
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W40/24;H04W56/00;H04W80/02;H04W84/18
• 代理公司: 鄭州睿信知識產權代理有限公司 41119
• 代理人: 胡泳棋

技術領域

本發明涉及一種跨層無線傳感器網絡MAC協議通信方法及系統，屬于無線傳感器網絡技術領域。

背景技術

無線傳感器網絡的壽命受到采用電池供電的節點生命期限制，因此在考慮無線傳感器網絡應用要求的前提下，能量有效性是無線傳感器網絡設計中首要考慮的基礎問題，涉及所有協議層。無線傳感器網絡的MAC協議處于無線傳感器網絡協議的底層部分，決定無線信道的使用方式，直接影響無線資源的使用效率、網絡吞吐量和時延等重要性能，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協議之一。

無線傳感器網絡能量有限的特點，決定了MAC協議的設計必須以節能為主要目標。傳統無線網絡的MAC協議要求節點始終喚醒偵聽信道，沒有考慮節能問題，因此不適合無線傳感器網絡。為了實現節能，為無線傳感器網絡設計的許多MAC協議都采用了占空比機制。在基于占空比機制的MAC協議中，節點周期喚醒和睡眠，為了鄰居節點能同步喚醒，要求鄰居節點要同步，每個節點要維持一個鄰居節點的調度表。SMAC是為無線傳感器網絡提出的基于占空比機制的典型MAC協議，在它的基礎上相繼提出了TMAC、RMAC、PMAC、ASMAC等多種基于占空比的MAC協議。這類協議不需要網絡節點嚴格的全局時間同步，僅需要局部的同步，具有執行簡單、擴展性好及適應拓撲變化能力強等優點；但由于相鄰虛擬簇之間調度周期的不同步，使得報文的遞送在每跳都存在一個不確定的等待時延，造成報文的多跳遞送時延較大且具有不確定性。另外這類協議需要路由協議提供接收節點的地址，增加了控制開銷。

發明內容

本發明的目的是提供一種跨層無線傳感器網絡MAC協議通信方法及系統，以解決基于占空比機制MAC協議所存在的不同程度遞送時延問題以及需要獨立路由協議支撐數據傳遞所帶來的網絡控制開銷大的問題。

本發明為解決上述技術問題而提供一種跨層無線傳感器網絡MAC協議通信方法，該通信方法包括如下步驟：

1）根據無線傳感器網絡各節點距離SINK節點的跳距，對各節點分配一相應的等級；

2）將無線傳感器網絡中的各節點的每個工作周期化分為數據接收時段T_R、數據發送時段T_S和睡眠時段T_sleep，且數據接收時段T_R等于數據發送時段T_S；

3）設置各等級節點的啟動工作時間，使相同等級區域的節點周期調度同步，使處于第i等級區域內節點的周期數據發送時段與處于第i-1等級區域內節點的周期數據接收時段相對應，處于第i等級區域內節點的周期數據接收時段與處于第i+1等級區域內節點的周期數據發送時段相對應，其中N為節點所處的最高等級，1≤i≤N-1；

4）當節點處于工作周期的數據接收時段時，設置一個最大空閑偵聽時間，在該偵聽時間內，判斷偵聽到的RTS消息內容中節點的等級是否大于該節點的等級，當且僅當RTS消息中包含的節點等級比當前接收節點的等級大1時，則節點在信道空閑時接收信息，否則該節點丟棄該RTS消息直接進入睡眠狀態，直至該數據接收時段結束；

5）當節點處于工作周期的數據發送時段且有數據需要發送時，偵聽信道并在信道空閑時發送數據，否則節點進入睡眠狀態，直至當前周期數據發送時段時間結束。

所述步驟1）中對節點劃分等級是通過SINK節點采用洪泛協議向網絡中所有節點發送一個StartMessage消息實現的,StartMessage消息中包含一個跳距字段Hop、一個最大跳距信息Hmax、網絡開始周期工作的初始時間值t₁及發送該消息時節點當前的時間戳值。

所述各等級節點的啟動工作時間為T_im，

T_im＝t₁+(N-i)T_S-R

其中，i為節點所處的等級，T_S-R為節點周期持續接收數據或周期持續發送數據時段的時間，T_R＝T_S＝T_S-R，N為節點所處的最高等級，t₁為網絡開始周期工作的初始時間，由網絡初始化階段的工作持續時間確定，

t₁＝t₀+T_g

t₀是網絡開始初始化時SINK節點的時間，T_g是網絡初始化階段所使用的時間，由用戶設置。