[發明專利]基于事件觸發應用的無線傳感器網絡介質訪問調度方法

有效

• 申請號: 201310543053.3
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN103582095A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 王智;吳連濤;卓書果
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04W52/02
• 分類號: H04W52/02;H04W72/04;H04W74/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡（Wireless?Sensor?Network,?WSN）領域，尤其涉及一種基于事件觸發應用的負載自適應的無線傳感器網絡介質訪問調度方法。

背景技術

無線傳感器網絡中的傳感器節點一般都是由電池供電，且電池能量通常難以補充，這就要求通信協議需要保障節點處于高能效運行狀態，以延長系統的使用壽命。

在WSN的通訊協議棧中，MAC（Medium?Access?Control，介質訪問控制）協議處于無線傳感器網絡的底層，決定了節點的訪問無線信道的方式，負責網絡中無線通訊資源的分配。由于MAC層處于通訊協議的底層，直接負責對硬件進行操作，故?MAC層對網絡的性能有著直接的影響，MAC層的調度方式直接影響到網絡的能耗、數據的實時性、網絡的可拓展性等。

節約能耗是無線傳感器網絡的首要任務，為了實現這一目標，現在大部分的MAC調度機制都采用工作/休眠交替的占空比式的調度方式，即在大部分時間內關閉射頻模塊以節約能耗，只有在特定的時間段打開射頻模塊發送和接收數據。

低占空比MAC協議對于極低的網絡負載來說是比較適用的，但是一旦負載增加甚至是有激增負載的產生，MAC協議一般不能處理好占空比與負載之間的關系以提供足夠的通信帶寬，造成數據傳輸碰撞，從而導致能量的浪費及數據傳輸的大時延。

變化的負載廣泛地存在于各種應用場景中。例如，在監測應用領域中，無線傳感器節點可能隨機布置在大片區域用來探測目標。當沒有目標出現時，僅僅需要傳輸少量的常規信息，該傳感器網絡只需工作在低占空比的情況下；但是一旦一個或多個目標出現后，檢測到目標的傳感器節點就要及時地將數據傳輸給匯聚節點。而現有的MAC協議大多適用于某一單一的負載場景，還沒有一種MAC協議能夠適用于事件觸發類型的應用，即在沒有事件發生時保持高能效性，在檢測到事件發生后能夠快速地傳輸數據。

目前，學術界已經提出了許多低占空比的MAC調度機制，比如IEEE?802.15.4?MAC，Queue-MAC，SCP-MAC，MaxMAC,??RI-MAC等。?

1.?IEEE?802.15.4?MAC把時間劃分成重復的超幀周期，每個周期含16個可用時隙。這16個時隙又分別組成競爭訪問期CAP（Contention?Access?Period）和非競爭訪問期CFP（Contention?Free?Period）。由于IEEE?802.15.4MAC不能在線地調節時隙的個數和長度，即不能調節協議的占空比，所以IEEE?802.15.4MAC協議是固定的低占空比協議，只適用于低負載場景中。IEEE?802.15.4MAC協議由于含有載波偵聽多路訪問(Carrier?Sense?Multiple?Access,?CSMA)時段，故保障了網絡的可拓展性。

2.?Queue-MAC采用超幀結構，該超幀結構由信標幀時段，動態自適應的TDMA?（Time?Division?Multiple?Access，時分復用）時段，固定時間的CSMA時段及休眠時段組成。該協議利用子節點數據幀中負載部分的第一個字節指示子節點的MAC層緩沖數據包的個數，當數據幀傳輸給簇頭節點時，簇頭節點即可了解到各個子節點的緩沖數據包個數，從而相應地為子節點分配時隙以供子節點下一個周期傳輸數據，達到了根據負載動態調節占空比的目的。然而在網絡負載較小，甚至處于極低負載的情況下，采用該協議能耗較大。

3.SCP-MAC和MaxMAC都是發送節點觸發的MAC協議。它們都采用了低功耗偵聽（low?power?listening，LPL）發送前導碼的信道訪問技術，節點處于周期性休眠狀態，在需要發送和接收數據時打開射頻模塊。SCP-MAC可以根據時間同步減少前導碼的長度，并且能夠根據負載的變化相應地改變接收節點信道輪詢的次數以供數據的傳輸。MaxMAC能夠隨著負載的增高，將傳輸模式切換到變占空比的CSMA機制以適應負載的變化。但兩種協議都基于發送節點觸發，只適用于低負載場景。

4.?RI-MAC是接收節點觸發的MAC協議。接收節點周期性地發送信標幀以輪詢其他節點的發送請求，其他節點收到信標消息后檢查自己是否有發給該節點的數據，如果有，則發送給該節點。接收節點接收數據后再發送一個信標消息，并通過該信標消息達到自適應負載的目的：該信標幀一方面確認接收到數據包，另一方面初始化下一周期的數據發送過程。如果接收節點廣播信標消息后沒有數據包發送過來，節點進入休眠。但是若采用該協議，當發送數據的節點增多時，RI-MAC會產生較為嚴重的數據碰撞。