[發明專利]一種無線傳感器網絡動態信道動態接入控制方法

有效

• 申請號: 201410129841.2
• 申請日: 2014-04-01
• 公開（公告）號: CN103957602B
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 饒元;曹一明;李紹穩;朱軍;江朝輝;張武;陳衛;傅雷揚;許高建;商伶俐;高寧;鄧成;駱琛
• 申請（專利權）人: 安徽農業大學
• 主分類號: H04W74/00
• 分類號: H04W74/00;H04W28/08
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡動態信道動態接入控制方法，屬于網絡通信領域。

背景技術

近年來，無線傳感器網絡獲得全世界范圍內的高度關注。無線傳感器網絡擁有大量的傳感器節點，但節點的能量十分有限，能量耗盡意味著節點將脫離網絡，導致網絡拓撲改變或者網絡癱瘓。因此傳感器節點的能耗問題是制約無線傳感器網絡協議設計的重要因素之一。

其中，信道接入控制(Media Access Control，以下簡稱MAC)協議是用來分配有限的無線通信資源，它決定節點無線收發機的工作方式。針對無線傳感器網絡能量敏感的特點，MAC協議設計的首要目標是要能夠有效控制傳感器節點的能量消耗，提高網絡生存周期；并在此基礎上提高節點信道的接入效率，減少發生沖突的可能，提升網絡整體效率。

目前在基于競爭的MAC協議中，主要是通過階段性的睡眠機制來提高網絡的生存周期，但此方法會導致時延的增加和網絡吞吐量的降低。特別當網絡中負載變化大時，現有協議對于突發性負載缺乏有效的處理策略。如果網絡設置過高的占空比會使得網絡能量消耗過快并且能量有效利用率降低，而過小的占空比會使得應對突發負載時的網絡性能急劇下降。其次，僅僅單一節點進行負載變化的自適應調節會使得鄰近節點的反應較慢，因為鄰近節點自身可能不處于信息源區域，不知道當前局部網絡即將發生的負載變化情況，通常需要很長時間后才能適應。負載爆發時的信息不能及時由鄰近節點傳輸出去，較易造成能量利用率下降、網絡擁塞和時延的增加。

因此，如何針對負載頻繁變化的大規模無線傳感器網絡設計出一種能量高效且時延受限的信道接入方法已經成為一項急需解決的關鍵技術。

發明內容

本發明涉及一種無線傳感器網絡動態信道動態接入控制方法，所述方法包括如下步驟：

在網絡形成期，對整體網絡進行管理區域劃分，由管理節點控制區域網絡接入參數；對于管理節點的選舉采用一種基于能量控制的選舉方法，各傳感器節點都可以參與管理節點的選舉；

通過一個等待時間(wt，wait time)的控制函數waitforCWP(ELR)來控制競爭窗口位置；如下公式所示，該函數通過一個參數“能量剩余率”(ELR，Energy Left Rate)來計算其值，能量剩余率等于節點剩余能量值比上節點總能量值(ELR＝Eleft/Etotal)：

其中，Eleft為節點剩余能量；Etotal為節點總能量；β為控制參數，使得所有競爭結束后形成期能預留出一部分時隙使網絡得到有效收斂；C為整個形成期的總時隙數；

最后，得到等待時間wt為：

wt＝waitforCWP(ELR)×t_slot

在網絡穩定期，節點的狀態分為工作期和睡眠期；工作期又分為兩個小時期：控制同步期、監聽期；每個控制同步期分為三個小階段，分別為控制階段、管理節點同步階段、成員同步階段；

在控制同步期管理節點通過廣播控制同步信息對網絡接入參數進行調節，對區域網絡內的成員節點進行同步，并且安排每個成員節點在睡眠階段的匯報時隙；未收到控制同步信息或新加入的節點可以向鄰近的管理節點進行申請，管理節點收到后進行回復；

處于網絡數據交互期時，管理節點監聽網絡狀態，根據當前區域網絡狀態判斷網絡的承載能力；處于睡眠階段時，區域內所有成員節點在各自特定時隙時醒來向管理節點匯報隊列中分組等待數目，管理節點通過等待分組總數預估未來短期內區域網絡的負載情況；

管理節點根據網絡承載能力和預估負載情況動態調節區域網絡的接入控制參數，包括工作模式、工作睡眠時長、初始競爭窗口等；如果區域網絡信道利用率高、沖突頻發、等待分組數量多，那么當前網絡參數承載能力不足，需要提高網絡工作時間和稍大的初始競爭窗口；如果當前網絡的信道利用率低、沖突鮮發、等待分組數量少或無，那么當前網絡的承載能力過剩，可以適當降低工作時間或者進入多次短監聽短睡眠狀態來控制睡眠造成的時延，并且提供較小的初始競爭窗口；如果網絡信道占用率處于稍高狀態，并且沖突鮮發，那么當前網絡承載能力比較適應；

在下一個工作階段開始時，管理節點通過廣播控制同步信息通知管理區域內成員節點改變網絡接入控制參數；鄰近區域的管理節點能通過邊界節點提前感知負載變化，并做出提前做出判斷和預測，使整體網絡逐漸適應；

當管理節點因為某些原因將不能履行管理職責時會進入管理失效狀態，此時立刻發出網絡控制失效信息，該區域成員節點進行會在下一工作周期開始時進行信息同步并且重新選取管理節點，提高網絡容錯性；