[發明專利]一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議

有效

• 申請號: 201510291731.0
• 申請日: 2015-06-01
• 公開（公告）號: CN104853445B
• 公開（公告）日: 2018-08-24
• 發明（設計）人: 鄭國強;亢丙午;馬華紅;聶方閣;李佩佩;冀保峰;李濟順;薛玉君;王玉婷;孫亞茹;李陽
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: H04W74/04
• 分類號: H04W74/04;H04W48/10;H04L1/16;H04W80/02;H04W84/18
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙) 41120
• 代理人: 羅民健

1.一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議，其特征在于：該協議采用周期工作制，且一個工作周期的時間長度為固定值，將一個工作周期按時間先后劃分為同步周期、廣播周期和數據周期，其中，數據周期被分割成若干時間長度相同的工作區間，每個工作區間的大小為相關節點使用最大CW進行一次完整RTS/CTS/DATE/ACK數據交換所需的時間；所述協議的實現過程包括如下步驟：

（1）、同步周期內，通過同步幀消息的交換，實現同一虛擬簇內的節點時間同步；

（2）、廣播周期內，源節點在廣播周期隨機選取工作區間，并利用廣播消息使相關節點在對應的工作區間完成數據交換；所述廣播的消息包含目的節點的地址和選取的工作區間；

在廣播周期內，所述協議利用節點數據緩存區的實時情況動態調整CW的大小，以實現節點接入信道的公平性；CW的自適應調整方法為：首先，節點初始化CW的尺寸為最大值CWmax，節點需要進行數據發送的時候，利用公式CWcur=[CWmax*(1-(BS/BST))]對CW進行實時調整，其中，CW當前值CWcur的取值范圍始終在[CWmin,CWmax]之間，并取整數； BST代表設定的數據緩存區閾值，BS代表數據緩存區的當前使用值；

（3）、數據周期內，相關節點在對應的工作區間喚醒，源節點開始進行信道競爭，其中CW的大小采用廣播周期的CW自適應調整方法進行調整，源節點成功接入信道后與目的節點進行RTS/CTS/DATE/ACK數據交換。

2.如權利要求1所示的一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議，其特征在于：在步驟（2）的源節點在廣播周期隨機選取工作區間過程中，隨機數的生成方法包括如下步驟：

（2.1）、網絡中所有的節點維持一個隨機數發生器，包含三個變量：最大值NBmax=m，最小值NBmin=1及當前值NBcur；

（2.2）、初始化節點的NBcur=[NBmax/2]，并取整數；

（2.3）、需要發送數據的源節點在 [NBmin,NBcur]之間生成一個隨機數，并在廣播周期競爭信道廣播請求消息；其中，生成的隨機數即為源節點隨機選取的工作區間；

（2.4）、源節點在成功廣播自己的請求消息后，在對應的工作區間喚醒進行再次競爭信道進行數據交換；源節點在每次數據交換完成后，對通信結果進行判斷，如果數據包發送失敗，那么當前值 NBcur加1，反之當前值NBcur減1，其中NBcur的取值范圍在[NBmin, NBmax]之間；

（2.5）、重復步驟（2.2）~步驟（2.4）過程。

3.如權利要求1所示的一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議，其特征在于：所述協議根據節點數據緩存區的實時狀態采用下述兩種數據發送模式：當BS<=BST時，節點使用正常數據傳輸機制；當BS>BST時，節點使用數據突發機制；所述數據突發機制的工作機制為：

需要使用數據突發機制的源節點，在廣播周期以最小CW接入信道發送MORE_RTS進行信道預約，并預定若干個工作區間，目的節點接收到MORE_RTS后，發送MORE_CTS，源節點和目的節點交換控制幀后進入睡眠狀態，在廣播周期結束后進行連續的數據交換，直到雙方節點發現達到預定的工作區間個數，并且剩余時間不足以完成一次數據交換，源節點和目的節點放棄這次數據傳輸進入睡眠狀態；無線傳感器網絡內的其他源節點根據MORE_RTS進行判斷：如果與自己位于同一虛擬簇，則根據包含的預約工作區間數進行判斷，定義預約工作區間數為c，如果c< NBmax，源節點暫時在[c+1, NBmax]之間進行工作區間的隨機選取，反之直接進入睡眠狀態；如果與自己不屬于同一虛擬簇，直接進行睡眠狀態。

4.如權利要求3所示的一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議，其特征在于：節點根據本地的觀測自主調整數據緩存區閾值BST，所述數據緩存區閾值BST的調整方法為：首先，節點初始化BST當前值為(BSTM+BSTN)/2，并以Tbuffer為一個時間周期記錄在此期間發送失敗的數據包數量，節點在每個Tbuffer周期結束的時刻利用公式Change=(CDEM-BDEM)/ BDEM得出當前Tbuffer周期數據包發送失敗數量的變化率，并根據公式BSTC=BSTC*（1+Change）確定節點在下個Tbuffer周期使用的BSTC值，其中，BSTC的取值范圍始終在[BSTN, BSTM]之間；

BSTC代表BST的當前值，BSTM代表設定的BST最大值，BSTN代表設定的BST最小值，Tbuffer為緩存區閾值的更新周期，CDEM為當前Tbuffer周期內發送失敗的數據包個數，BDEM為上個Tbuffer周期內發送失敗的數據包個數，Change為發送失敗數據包的變化率。