[發明專利]基于能量優化的無線傳感器網絡混合Z-MAC協議優化方法

有效

• 申請號: 201611059316.3
• 申請日: 2016-11-27
• 公開（公告）號: CN106792568B
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 李建坡;蘇丹;趙立權
• 申請（專利權）人: 東北電力大學
• 主分類號: H04W4/06
• 分類號: H04W4/06;H04W52/38;H04W74/02;H04W74/08;H04W84/18
• 代理公司: 吉林市達利專利事務所 22102
• 代理人: 陳傳林

本發明是一種基于能量優化的無線傳感器網絡混合Z?MAC協議優化方法，其特點是：包括基于單輪競爭窗口固定的退避機制、基于節點剩余能量的隨機退避時間選取、流量自適應機制、數據發送控制機制。具有方法科學合理，適用性強，低時延，高吞吐量，能夠適用于復雜環境，延長網絡生命周期等優點。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，涉及一種基于能量優化的無線傳感器網絡混合Z-MAC協議優化方法。

背景技術

能耗優化技術是無線傳感器網絡中的核心技術之一，對傳感器網絡的性能有較大影響。為了使無線傳感器網絡節能高效，許多介質訪問控制(Medium Access Control,MAC)協議被提出。介質訪問控制(MAC)協議協調分配眾多節點接入公用的信道，決定了節點的信道獲取方式，是決定無線傳感器網絡系統性能的基礎協議之一。同時由于介質訪問控制(MAC)協議直接操作傳感器節點的最大能耗部件—射頻模塊，因而研究高效介質訪問控制(MAC)協議是延長節點生命周期的有效途徑。

目前介質訪問控制(MAC)協議主要有兩種工作方式：基于預留方式—時分多址(Time Division Multiple Access,TDMA)技術和基于競爭方式—載波偵聽多路訪問(Carrier Multiple Access,CSMA)技術。基于競爭和預留的協議在介質訪問性能方面有各自的優點和缺點，混合MAC協議旨在通過結合隨機訪問方式和預留訪問TDMA協議來進行信道的分配權衡。Z-MAC(Zebra-MAC)協議是一種典型的混合MAC協議，它將競爭和調度機制相結合，既降低了節點發送數據時的沖突發生概率，又提高了協議對網絡變化的適應性，同時對節點同步的要求大大降低了，并能提供均衡的網絡性能，但是它依然存在一些問題，主要體現在：

(1)Z-MAC協議采用的是二進制指數退避算法(BEB)，該算法已經被廣泛的應用于MAC協議。每個節點發生沖突以后就使它們的退避間隔雙倍直到最大退避間隔CW_max，而當成功傳輸以后就使他們的退避間隔回到最小退避間隔CW_min。這樣退避間隔的大范圍波動，勢必會影響網絡的吞吐量、延遲等性能。

(2)Z-MAC協議沒有考慮節點剩余能量對退避時間的影響，這樣導致剩余能量較少的節點可能需要等待很長一段時間，這樣會由于無效偵聽浪費很多的能量，導致節點過早死亡。

(3)Z-MAC協議通過不斷發送競爭狀態標志ECN來切換高競爭模式HCL和低競爭模式LCL，這與網絡實際流量情況不符，實際應用中，網絡流量會持續一段時間，而不是瞬時的。這就造成在那一段時間不斷發送ECN消息，造成不必要的能量浪費，嚴重影響網絡性能。

(4)由于請求發送/清除發送協議(RTS/CTS)對網絡開銷的影響，Z-MAC協議并不采用傳統的RTS/CTS機制，所以Z-MAC協議存在“隱終端問題”，會造成WSN時隙資源的爭用和浪費，增加數據碰撞的概率，嚴重影響網絡的吞吐量、容量和數據傳輸時延。受隱藏終端的影響，接收端將因為數據碰撞而不能正確的接收信息，造成發送端的有效信息的丟失和大量的時間浪費(數據幀較長時尤為嚴重)，從而降低了網絡的吞吐量。

發明內容

本發明的目的是，針對剩余能量對節點退避時間的影響及隱終端問題、不斷發送競爭狀態標志對網絡性能的影響，提出一種科學合理，適用性強，低時延，高吞吐量，能夠適用于復雜環境，延長網絡生命周期的基于能量優化的無線傳感器網絡混合Z-MAC協議優化方法。

本發明的目的是由以下技術方案來優化的：一種基于能量優化的無線傳感器網絡混合Z-MAC協議優化方法，其特征是，它包括的內容有：基于單輪競爭窗口固定的退避機制、基于節點剩余能量的隨機退避時間選取、流量自適應機制和數據發送控制機制。