[發明專利]一種基于能量收集速率的無線傳感器網絡競爭接入方法

有效

• 申請號: 201410488205.9
• 申請日: 2014-09-22
• 公開（公告）號: CN104219778B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 徐平平;鄭茂宗;朱文祥
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W74/08
• 分類號: H04W74/08;H04W84/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 黃成萍

技術領域

本發明涉及一種基于能量收集速率的無線傳感器網絡競爭接入方法，屬于無線傳感器網絡技術。

背景技術

縮略語和關鍵術語定義

無線傳感器網絡

無線傳感器網絡作為物聯網的“神經末梢”，已被廣泛應用于環境監測、工業控制、醫療健康、智能家居、戰場監視、目標定位和目標跟蹤等民用和軍事領域。由于傳感器節點通常由電池供電，能量十分有限，一旦節點能量耗盡，節點將停止工作，能量受限是無線傳感器網絡面臨的最大問題。針對上述問題，人們對能量高效的網絡協議進行了廣泛和深入的研究。但是一些新興的無線傳感器網絡應用要求傳感器節點在部署之后，能夠持續工作更長的時間，如幾年或者幾十年。典型應用有環境監測和關鍵設備、建筑物的結構健康監測。在這些應用中，一般很難、甚至不可能跟換電池或對電池充電。

能量收集技術的發展使微型傳感器節點通過收集能量收集設備提供能量成為可能。可收集的環境能量主要有太陽能、風能、熱電能、機械振動和RF能量。目前已有的商業能量收集設備有TI的基于太陽能收集的開發板套件、基于熱電能的能量收集設備和Powercast公司的RF能量收集設備等。基于能量收集的無線傳感器網絡是指由能收集環境能量的傳感器節點組成的無線傳感器網絡。節點能通過能量收集技術補充能量，這從本質上講，使得節點能量不會枯竭。但是由于環境能量收集速率隨著時間、空間和環境能量源等隨機浮動，這給基于能量收集的無線傳感器網絡設計提出了新的挑戰。

特別是，與太陽能、機械振動能量等環境能量不同，RF能量收集速率與接收節點到射頻發射節點的距離成反比，從而使得不同位置傳感器節點的能量供應不一樣，進一步影響不同位置節點數據傳輸公平性。

IEEE 802.15.4時隙CSMA-CA基本原理

IEEE 802.15.4描述了低速率無線個人局域網的物理層和媒體接入控制協議。媒體接入控制協議，主要包含帶沖突避免的載波監聽多路接入算法(CSMA-CA)和時隙帶沖突避免的載波監聽多路接入算法。在非信標網絡中，采用非時隙CSMA-CA信道接入機制，采用該機制的設備，每次發送數據幀或MAC層命令時，要隨機等待一定時間，若退避時間后，若發現信道空閑，就會發送數據幀或者MAC層命令；如果設備發現信道正忙，則隨機等待一定時間，再次嘗試接入信道。對于信標網絡，采用時隙的CSMA-CA信道接入機制，與非時隙CSMA-CA不同的是，每次信道接入必須在退避時隙邊界位置開始。本發明主要考慮時隙CSMA-CA信道接入機制。

圖1給出時隙CSMA-CA信道接入機制的流程圖。針對每次競爭接入，每個傳感器節點需維護3個變量：退避次數(NB)、退避指數(BE)、競爭接入窗口(CW)。退避次數NB記錄當前傳輸已經退避次數，每次進行新的傳輸前，數值為0。退避指數BE和節點接入信道前需等待的退避周期數有關，在電池壽命擴展子域為0的時隙系統中，BE初始化為macMinBE；在電池壽命擴展子域(BLE)為1時，BE初始化為macMinBE與2的最小值。競爭接入窗口(CW)為每次退避成功后節點執行空閑信道檢測(CCA)的次數，每次信道檢測到非空閑時，重新初始化為2。

現有技術方案的缺點

在以電池供電的無線傳感器網絡中，該技術方案保證數據傳輸的公平性。但是對于RF能量收集的無線傳感器網絡，由于節點能量供應受節點的能量收集速率的影響，即受到達RF發射節點的距離影響，從而使得不同位置傳感器節點存在數據傳輸不公平性的問題。

發明內容

發明目的：針對現有技術中RF能量收集無線傳感器網絡，由于節點能量收集速率與到RF發射節點的距離相關，導致不同位置節點數據傳輸不公平性問題，提出一種基于能量收集速率的競爭接入算法的解決方案；在該解決方案中，每個傳感器節點維持一個權重系數，使得節點競爭接入時間與本身能量收集速率成反比，從而提高不同位置數據傳輸公平性。

技術方案：為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于能量收集速率的無線傳感器網絡競爭接入方法，可以稱之為D-MAC機制，主要包含參數初始化、權重系數、隨機退避、空閑信道掃描和參數更新5個步驟；首先給無線傳感器網絡中的每一個節點定義一個權重系數，第i個節點的權重系數w_i的計算公式為：