[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

一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議，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，數據周期被分割成若干時間長度相同的工作區間；所述協議的實現過程為：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；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；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，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。本發明與現有的ADV?MAC協議和S?MAC協議相比，其網絡功耗，及時延、遞送率等網絡性能均具有較好的水準。

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡的MAC協議，具體為一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議。

背景技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在監測區域內大量的微型傳感器節點通過無線通信的方式形成的一個多跳自組織網絡系統。WSN的數據感知、聚合、傳輸等過程均由傳感器節點完成的，但傳感器節點受到體積、成本的約束，一般設計的十分微小，這直接造成節點本身的計算及存儲能力有限，所以如何節約節點的能量消耗成為WSN的首要考慮因素。WSN同時是一個應用相關性的網絡，網絡需要按照應用的相關要求，將用戶感興趣的數據傳遞到終端。經過分析得知，節點所消耗能量的90%被無線通信模塊使用，因此WSN要做到能量高效，通常要以通信模塊作為重點目標。因為網絡節點的通信模塊由MAC（Medium Access Control）層控制，所以通過改進MAC協議來優化通信模塊的工作是實現WSN能量高效的一條較好的途徑。

目前，按照信道的接入方式，低功耗MAC協議可以分為調度類、競爭類、混合類。調度類MAC協議是一種無碰撞的MAC協議，大多數采用TDMA機制，該機制將連續的時間分割成一系列連續的時隙，節點只在發送和接收信息的時隙喚醒。TRAMA就是一種流量自適應的調度類MAC協議。競爭類MAC協議是一種自適應的MAC協議，一般采用CSMA機制即載波偵聽多路訪問。S-MAC是競爭類的代表協議，采用占空比機制減少空閑偵聽，利用RTS/CTS/DATE/ACK數據交換機制消除串音并保障數據的完整性，利用自適應偵聽減少多跳傳輸的時延。結合不同信道接入方式的MAC協議就是混合類MAC協議，典型代表有CSMA/TDMA的Z-MAC 和I-MAC已經TDMA/FDMA的SMACS/EAR協議等。上述幾種MAC協議在對網絡壽命（低功耗）和網絡性能（時延、遞送率等）均有較高要求的應用環境均存在一定的局限性，為此，本發明提出了一種基于廣播消息的自適應MAC協議：SA-MAC。

發明內容

本發明的目的是為對網絡壽命（低功耗）和網絡性能（時延、遞送率等）均有較高要求的應用環境提供一種低碰撞、低功耗的競爭類MAC協議：SA-MAC(self-adaptionAdvertisement MAC )。本發明的SA-MAC協議是在S-MAC的基礎上提出的競爭類MAC協議，其是利用源節點發送的廣播消息使無關節點進入睡眠狀態，相關節點則在對應的時刻喚醒進行數據交換，目的是通過減少節點的空閑偵聽時間和數據碰撞概率，以降低網絡的能耗并提高網絡性能。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種基于廣播消息的無線傳感器網絡MAC協議，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；