[發明專利]基于虛擬分簇和路徑預約的自適應同步MAC協議

有效

• 申請號: 202110722452.0
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113453304B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 漆華妹;楊春萌;陳硒;江蘇
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/20;H04W40/32;H04W80/02;H04W84/18
• 代理公司: 長沙軒榮專利代理有限公司 43235
• 代理人: 李喆

本發明提供了一種基于虛擬分簇和路徑預約的自適應同步MAC協議，包括：步驟1，根據各個節點剩余能量水平和各個節點與基站之間的距離設計基于節點的剩余能量和基站距離的簇頭選取機制。本發明將節點的一個調度周期分為路徑預約階段和數據傳輸階段，在路徑預約階段發送一個預約同步幀實現對傳輸路徑進行提前預約，在數據傳輸階段預約傳輸路徑上的節點開始依次喚醒完成數據傳輸，在保證節能的前提下實現在一個調度周期傳輸多跳的目的，減少時延，將數據包進行優先等級劃分，根據劃分的數據信息量、數據包數量和節點剩余能量水平的優先等級確定退避函數，并計算出對應的退避窗口大小，數據包的優先級越高則退避窗口越小，進而實現網絡周期壽命最大化。

技術領域

本發明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種基于虛擬分簇和路徑預約的自適應同步MAC協議。

背景技術

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是由大量以自組織和多跳方式的微型傳感器節點構成的網絡，網絡能夠通過傳感器節點之間的交互來實現對于監測區域內被監測對象信息的感知、采集、處理和傳輸等一系列操作，具有大規模、自組織、動態拓撲以及多跳路由等特點，廣泛地應用于環境監測、軍事領域、智能家居、醫療健康以及交通管理等方面。但由于WSN中傳感器節點采用電池供電，存在電池能量有限且不易更換的問題，其在一定程度上影響了WSN網絡和節點的生命周期，阻礙了WSN網絡的進一步發展。因此，如何解決網絡的節能問題成為了設計WSN網絡協議所要考慮的關鍵因素。

在WSN中，網絡能耗來源除了必要的事件監測和數據收發外，MAC層還面臨著空閑偵聽、碰撞沖突和控制開銷大等問題。網絡節點在進行數據收發時，一直使無線通信模塊處于打開狀態，來判斷傳輸信道是否可用，因而在此過程中節點過多的空閑偵聽增加了節點的能耗。而媒質訪問控制(Media Access Control，MAC)層決定著無線信道獲取方式和節點數據收發方式，所以網絡中MAC協議的能量有效性將對網絡節點的性能產生直接影響。因此，為了平衡網絡的能耗和傳輸時延，設計出一種低耗能低延時的MAC協議是非常必要的。

已有MAC協議中，其中一個典型的同步MAC協議是S-MAC協議。在S-MAC協議中，節點采用周期性休眠/喚醒工作方式，在網絡的初始化階段節點被劃分為不同的虛擬簇，同一個虛擬簇中的所有節點都具有相同的調度。S-MAC協議中節點只在喚醒階段進行數據傳輸，而后進入睡眠階段等待下一個調度周期的到來。通過這種調整節點占空比的方式，S-MAC協議減少了節點的空閑偵聽，實現了節能的目的。但在喚醒階段不需要進行數據傳輸的節點也一直保持喚醒狀態監聽信道，從而引入了不必要的空閑偵聽能量消耗。此外每一個調度周期數據包只能被轉發一跳，因此也會產生大量的時延。T-MAC協議基于S-MAC協議進行改進，在保持S-MAC協議原有調度周期不變的基礎上，將節點調度周期的喚醒和休眠階段劃分為可變時間長度，根據網絡中的通信流量動態地調整節點喚醒時間，進而調整節點的占空比，通過動態改變節點處于喚醒階段的時間來保持網絡負載均衡。并且T-MAC采用突發方式發送數據，減少節點的空閑偵聽時間和節點的能量消耗。但T-MAC協議仍具有時延較大、吞吐量低等問題，尤其是在網絡流量大的時候。

作為經典的低功耗自適應分簇協議，LEACH協議將網絡運行過程的生命周期分成若干輪，每一輪又細分為成簇和穩定數據傳輸階段。在成簇階段，網絡采用隨機簇頭選舉算法將節點隨機劃分成若干個虛擬簇；在數據傳輸階段，要進行傳輸的數據由簇內的成員節點發送到簇頭節點，簇頭節點在接收到數據后對數據進行融合操作，融合完成后再將數據發送到基站。但由于LEACH算法的簇頭選取采用隨機選擇簇首的方式，剩余能量較低的節點也可能被選為簇首節點，這樣會導致節點的更快死亡。此外，LEACH算法是一種均勻分簇路由協議算法，這種算法大都存在熱區問題。產生熱區問題的原因是，在以多跳方式進行數據傳輸時，基站附近的簇頭不僅要將自身數據傳輸給基站，還需要多次充當中繼節點轉發其他簇頭的數據，從而導致該區域的簇頭能量消耗比其他簇頭更多，加速了這類簇頭的死亡速度。

發明內容