一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统

摘要

本发明涉及一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统，属于无线传感器网络技术领域。本发明根据节点距离SINK节点的跳距不同，将网络划分为不同等级的区域，所有区域的节点都执行周期调度的工作方式，将每个周期分为周期数据接收时段、周期数据发送时段和周期睡眠时段，相邻区域节点的周期调度交错设置，以数据向低等级的节点传递，直至SINK节点，降低了对网络节点同步的要求，减少了每跳的数据传递等待时延；数据传递过程中利用节点的等级选择接收节点，将MAC和数据递送的路由结合在一起，因此，不需要上层路由协议的支撑，减少了控制开销，实现简单。

说明书

技术领域

本发明涉及一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统，属于无线传 感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络的寿命受到采用电池供电的节点生命期限制，因此在考虑无 线传感器网络应用要求的前提下，能量有效性是无线传感器网络设计中首要考虑 的基础问题，涉及所有协议层。无线传感器网络的MAC协议处于无线传感器网 络协议的底层部分，决定无线信道的使用方式，直接影响无线资源的使用效率、 网络吞吐量和时延等重要性能，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议 之一。

无线传感器网络能量有限的特点，决定了MAC协议的设计必须以节能为主 要目标。传统无线网络的MAC协议要求节点始终唤醒侦听信道，没有考虑节能 问题，因此不适合无线传感器网络。为了实现节能，为无线传感器网络设计的许 多MAC协议都采用了占空比机制。在基于占空比机制的MAC协议中，节点周 期唤醒和睡眠，为了邻居节点能同步唤醒，要求邻居节点要同步，每个节点要维 持一个邻居节点的调度表。SMAC是为无线传感器网络提出的基于占空比机制的 典型MAC协议，在它的基础上相继提出了TMAC、RMAC、PMAC、ASMAC等 多种基于占空比的MAC协议。这类协议不需要网络节点严格的全局时间同步， 仅需要局部的同步，具有执行简单、扩展性好及适应拓扑变化能力强等优点；但 由于相邻虚拟簇之间调度周期的不同步，使得报文的递送在每跳都存在一个不确 定的等待时延，造成报文的多跳递送时延较大且具有不确定性。另外这类协议需 要路由协议提供接收节点的地址，增加了控制开销。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统， 以解决基于占空比机制MAC协议所存在的不同程度递送时延问题以及需要独立 路由协议支撑数据传递所带来的网络控制开销大的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方 法，该通信方法包括如下步骤：

1）根据无线传感器网络各节点距离SINK节点的跳距，对各节点分配一相应 的等级；

2）将无线传感器网络中的各节点的每个工作周期化分为数据接收时段T_R、数 据发送时段T_S和睡眠时段T_sleep，且数据接收时段T_R等于数据发送时段T_S；

3）设置各等级节点的启动工作时间，使相同等级区域的节点周期调度同步， 使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周 期数据接收时段相对应，处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第 i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应，其中N为节点所处的最高等级， 1≤i≤N-1；

4）当节点处于工作周期的数据接收时段时，设置一个最大空闲侦听时间， 在该侦听时间内，判断侦听到的RTS消息内容中节点的等级是否大于该节点的等 级，当且仅当RTS消息中包含的节点等级比当前接收节点的等级大1时，则节点在 信道空闲时接收信息，否则该节点丢弃该RTS消息直接进入睡眠状态，直至该数 据接收时段结束；

5）当节点处于工作周期的数据发送时段且有数据需要发送时，侦听信道并 在信道空闲时发送数据，否则节点进入睡眠状态，直至当前周期数据发送时段时 间结束。

所述步骤1）中对节点划分等级是通过SINK节点采用洪泛协议向网络中所有 节点发送一个StartMessage消息实现的,StartMessage消息中包含一个跳距字段 Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时间值t₁及发送该消息 时节点当前的时间戳值。

所述各等级节点的启动工作时间为T_im，

T_im＝t₁+(N-i)T_S-R

其中，i为节点所处的等级，T_S-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数 据时段的时间，T_R＝T_S＝T_S-R，N为节点所处的最高等级，t₁为网络开始周期工 作的初始时间，由网络初始化阶段的工作持续时间确定，

t₁＝t₀+T_g

t₀是网络开始初始化时SINK节点的时间，T_g是网络初始化阶段所使用的时 间，由用户设置。

所述各节点的每个工作周期都是按照接收时段、发送时段和睡眠时段的顺序 执行的。

所述步骤4）中当侦听到的RTS消息内容中节点的等级小于该节点的等级时， 说明节点发生移动，将当前接收节点的等级设置为与发送RTS消息的节点等级相 同，丢弃该RTS消息，进入睡眠状态，直至周期数据接收时段时间结束。

本发明为解决上述技术问题还提供了一种跨层无线传感器网络MAC协议通信 系统，其特征在于，该通信系统包括各无线传感器节点和SINK节点，所述的无线 传感器节点根据其距SIKN节点的跳距而被分配一相应的等级，各节点的每个工作 周期化分为数据接收时段T_R、数据发送时段T_S和睡眠时段T_sleep，且数据接收时段 T_R等于数据发送时段T_S，通过设置各等级节点的工作时间，使相同等级区域的节 点周期调度同步，使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级 区域内节点的周期数据接收时段相对应，处于第i等级区域内节点的周期数据接收 时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应，其中N为节点所处 的最高等级，1≤i≤N-1。

所述的对节点划分等级是通过SINK节点采用洪泛协议向网络中所有节点发 送一个StartMessage消息实现的，StartMessage消息中包含一个跳距字段Hop、一个 最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时间值t₁及发送该消息时节点当前 的时间戳值。

所述各等级节点的启动工作时间为T_im，

T_im＝t₁+(N-i)T_S-R

其中，i为节点所处的等级，T_S-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数 据时段的时间，T_R＝T_S＝T_S-R，N为节点所处的最高等级，t₁为网络开始周期工 作的初始时间，由网络初始化阶段的工作持续时间确定，

t₁＝t₀+T_g

t₀是网络开始初始化时SINK节点的时间，T_g是网络初始化阶段所使用的时 间，由用户设置。

所述各节点的每个工作周期都是按照接收时段、发送时段和睡眠时段的顺 序执行。

本发明的有益效果是:本发明根据节点距离SINK节点的跳距不同，将网络 划分为不同等级的环行区域，所有区域的节点都执行周期调度的工作方式，每个 周期分为周期数据接收时段、周期数据发送时段和周期睡眠时段，同一区域内的 节点周期调度同步，相邻区域节点的周期调度交错设置，处于第i等级区域内节 点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应， 处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周 期数据发送时段相对应，从而实现数据向低等级的节点传递，直至SINK节点， 降低了对网络节点同步的要求，减少了每跳的数据传递等待时延；数据传递过程 中利用节点的等级选择接收节点，将MAC和数据递送的路由结合在一起，因此， 不需要上层路由协议的支撑，减少了控制开销，实现简单。

附图说明

图1是本发明无线传感器网络中节点生命期的工作过程示意图；

图2是本发明无线传感器网络中节点以等级分区域的示意图；

图3是本发明无线传感器网络中节点启动和周期调度工作示意图；

图4是本发明无线传感器网络中周期数据传递过程实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

针对无线传感器网络的特征提出的一类SMAC协议利用周期侦听/睡眠机制， 把网络节点分为不同的虚拟簇，采用IEEE802.11的RTS/CTS/DATA/ACK数据交 换机制、多跳的方式和上层的路由协议实现数据的传输。对SMAC类协议，由于 不同簇之间的节点具有不同的同步唤醒时间，因此每跳的数据传递等待时延具有 较大的不确定性；SMAC协议还需要维护邻居节点的调度表和路由表，必须有上 层路由协议的支撑才能实现多跳传递，因此对节点的存储能力要求高，控制开销 大。为了解决上述问题，本发明提供了一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方 法及系统，下面对本发明所述的基于跨层的无线传感器网络MAC协议通信方法和 系统进行具体描述。

本发明的一种基于跨层的无线传感器网络MAC协议通信系统的实施例

如图2所示，该通信系统包括各无线传感器节点和SINK节点，SINK节点 采用洪泛协议向网络中所有节点发送一个StartMessage消息,StartMessage消息中 包含一个跳距字段Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时 间值t₁及发送该消息时节点当前的时间戳值，各无线传感器节点根据其距SIKN 节点的跳距而被分配一相应的等级，各节点的每个工作周期化分为数据接收时段 T_R、数据发送时段T_S和睡眠时段T_sleep，且数据接收时段T_R等于数据发送时段T_S， 相同等级区域的节点周期调度同步，处于第i等级区域内节点的周期数据发送时 段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应，处于第i等级区域内 节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对 应，其中N为节点所处的最高等级，1≤i≤N-1；各等级节点的启动工作时间为 T_im，T_im＝t₁+(N-i)T_S-R，其中，i为节点所处的等级，T_S-R为节点周期持续接收 数据或周期持续发送数据时段的时间，T_R＝T_S＝T_S-R，N为节点所处的最高等级， t₁为网络开始周期工作的初始时间，由网络初始化阶段的工作持续时间确定， t₁＝t₀+T_g，t₀是网络开始初始化时SINK节点的时间，T_g是网络初始化阶段所使 用的时间，由用户设置；各节点的每个工作周期都是按照接收时段、发送时段和 睡眠时段的顺序执行。

本发明的一种基于跨层的无线传感器网络MAC协议通信方法的实施例

如图1所示本发明的通信方法将无线传感器网络的MAC协议通信过程分为 网络初始化和周期工作两个阶段，周期工作阶段进一步分为周期数据接收时段、 数据发送时段和周期睡眠时段。其具体过程如下：

1网络初始化阶段

在网络部署后，由SINK节点发送一个StartMessage消息,并采用洪泛协议把 该消息传递到网络的所有节点，设置SINK节点所处等级Grade为0。StartMessage 消息中包含一个跳距字段Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的 初始时间值t₁及发送该消息时节点当前的时间戳值。根据节点所处等级将跳距字 段Hop设置为Grade加1，最大跳距信息H_max根据网络的覆盖范围和节点的通信 环境在网络部署前由用户确定，这里设置为N（大于2的整数），其它网络节点 的等级信息Grade在网络部署前设置为任意负整数。网络开始周期工作的初始时 间值t₁要根据网络初始化阶段的工作持续时间确定：

t₁＝t₀+T_g

上式中，t₀是网络开始初始化时SINK节点的时间，T_g是网络初始化阶段所 使用的时间，由用户设置，要根据网络的覆盖区域和节点通信能力设置的足够大。

接收到StartMessage消息的节点，首先利用消息中包含的时间戳信息，应用 无线传感器网络的同步协议与发送消息的节点进行同步。然后根据下列情况对节 点的Grade进行更新：若其等级Grade为任意负整数，则说明节点是首次接收到 StartMessage消息，将其等级Grade更新为StartMessage消息中跳距字段Hop的 大小，并将StartMessage消息中跳距字段Hop的值加1；若节点的等级Grade为 正整数，且Grade不大于StartMessage消息中跳距字段Hop的值，则丢弃该消息； 若节点的等级Grade为正整数，且Grade大于StartMessage消息中跳距字段Hop 的值，则用消息StartMessage中跳距字段Hop的值更新当前节点的Grade值，然 后将StartMessage消息中跳距字段Hop的值加1。

根据节点的等级Grade是否更新，决定节点是否发送StartMessage消息：若 节点的Grade更新了，则节点重新发送消息StartMessage，但消息中包含的时间 戳信息应是当前节点的时间。

根据节点当前的等级，设置节点的启动工作时间T_im。

T_im＝t₁+(N-i)T_S-R

上式中，i＝Grade，T_S-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数据时段 的时间。

设置节点的工作周期T_cycle为:

T_cycle＝2T_S-R+T_sleep

上式中,T_sleep的设置主要根据以下两点进行：

任意第i级和第i-1级的节点之间的通信不能受到第i+1级和i-2级的节点通 信干扰；相邻等级节点之间的周期数据发送时段和周期数据接收时段要交错执 行，且高等级的节点周期数据发送时段对应低等级节点的周期数据接收时段，因 此：

T_sleep＝αT_S-R

上式中，α为大于等于2的整数，根据用户对数据递送时延及网络业务量大小在 网络部署前设定。设置一个对应的计数器初值为T_cycle。

将节点的周期工作时间分为三部分：周期数据接收时段、周期数据发送时段 和周期睡眠时段，并对应设置三个时间计数器的初值分别为T_R、T_S、T_sleep，且有：

T_R＝T_S＝T_S-R

如图2给出了网络经初始化后划分为以SINK为中心的多个环行区域的网络 节点等级划分示意图，SINK节点的等级为0，距离SINK节点的跳距分别为1、2、 3跳的三个环行区域中的节点对应的等级分别为1、2、3，按照该划分方法，数 据从高等级到低等级区域逐跳传递，直至到达SINK节点。

如图3给出了节点的启动时间和节点的周期调度的交错实现方法。从图中可 看出，等级为N的环行区域中的节点最先启动工作，然后在等级为N的环行区域 中的节点周期数据接收时段结束时，等级为N-1的环行区域中的节点启动工作， 按这个方法，最后SINK节点启动工作。从而实现相邻区域中节点的周期交错调 度工作。

2节点周期数据接收时段的工作

到达节点的启动工作时间T_im或新的周期工作开始后，节点进入新工作周期 的数据接收时段，立即启动初值分别为T_R和T_cycle的时间计数器开始计时，节点 首先进入空闲侦听状态，并设置一个最大空闲侦听时间T_idel。设置空闲侦听时间 T_idel为一跳信息传递时延的两倍，根据通信环境和节点的工作参数确定信息传递 时延。

若节点在侦听时间T_idel内，侦听到RTS消息，则按以下情况节点执行如下不 同的操作：

⑴若RTS消息中包含的节点等级Grade与当前接收节点的等级相等，则节 点丢弃该RTS消息，立即进入睡眠状态，直至T_R时间结束；

⑵若RTS消息中包含的节点等级Grade比当前接收节点的等级小，则说明 节点发生移动，将当前接收节点的等级Grade设置为与发送RTS消息的节点等级 相同，然后节点丢弃该RTS消息，立即进入睡眠状态，直至T_R时间结束；

⑶若RTS消息中包含的节点等级Grade比当前接收节点的等级大1，则节 点在时间窗[0，T_win]内随机设置一个退避时间T_backoff,并继续侦听信道T_backoff时间。

⑷若节点在退避时间T_backoff内侦听到信道忙，即存在空中载波信号，则节点 立即进入睡眠状态，直至T_R时间结束；若节点在退避时间T_backoff内侦听到信道空 闲，则节点立即用CTS信息帧应答，然后等待接收数据DATA，在接收完数据后， 发送ACK确认，与IEEE802.11的RTS/CTS/DATA/ACK执行过程类似，但这里 的CTS消息中并不包含NAV信息、源节点和接收节点的地址信息；

若节点在侦听时间T_idel内，没有侦听到RTS消息，则在空闲侦听时间T_idel。 结束后，节点进入睡眠状态，直至T_R时间结束。

3节点周期数据发送时段的工作

节点的周期数据接收时段T_R结束后，节点立即启动对应T_S的计数器，进入 周期数据发送时段。

若节点没有数据需要发送，则节点立即进入睡眠状态，直至周期数据发送时 段T_S时间结束；

若节点有数据需要发送，则节点在时间窗[0，T_win]内随机设置一个退避时间 T_backoff，然后节点对信道侦听T_backoff的时间。侦听T_backoff时间结束后，若节点在T_backoff时间期间，侦听到信道忙，则节点进入睡眠状态，直至当前周期数据发送时段T_S时间结束，在下个周期再准备发送数据；若节点在T_backoff时间期间，侦听到信道 空闲，则节点发送包含节点等级大小、当前时间戳的RTS消息，然后进入侦听状 态，等待接收CTS应答消息，一旦接收到CTS应答消息，节点就开始发送数据 DATA，发送完后等待接收ACK消息，与IEEE802.11的RTS/CTS/DATA/ACK 执行过程类似，但这里的RTS消息中并不包含NAV信息、源节点和接收节点的 地址信息；

执行数据发送的节点，在完成RTS/CTS/DATA/ACK的数据传递过程后，进 入睡眠状态，直至当前周期数据发送时段T_S时间结束。

4节点周期睡眠时段的工作

节点在周期数据发送时段结束后，不论节点之前处于何种状态，这时节点都 进入周期睡眠状态，节点立即启动对应T_Sleep的计数器，直至当前周期睡眠时段 T_Sleep结束或当前周期T_cycle结束；

根据节点当前的剩余能量判定节点生命期是否结束。用户在部署节点前设定 一个最小的剩余能量门限值，一旦节点的剩余能量小于该门限值，节点就停止工 作，否则继续工作；

重新设置节点周期数据接收时段、周期数据发送时段和周期睡眠时段对应的 时间计数器值，分别为T_R、T_S、T_sleep，设置节点周期工作时间计数器的值为T_cycle。

图3也给出了节点周期交错调度的实现过程示意图。图中T_sleep＝2T_S-R，从图 中可以看出相邻区域节点周期调度的数据接收和数据发送正好交错进行,且上一 级节点的周期数据发送时段对应于下一级节点的周期数据接收时段，下一级节点 的周期数据发送时段对应上一级节点的周期睡眠时段。因此可以避免正在通信的 节点受到其它区域节点通信的干扰。

图4说明了第i+1级的源节点S经第i级的节点A、第i-1级的节点B、第i-2 级的节点C的数据传递过程。图中考虑了节点状态转换的时间。从图4可以看出， 相邻区域节点之间的数据传递采用类似IEEE802.11的RTS/CTS/DATA/ACK通信 过程,每次发送数据之前采用随机侦听和退避减少数据传递的碰撞，相邻区域内的 节点采用周期交错的调度机制避免了其它区域节点的通信干扰，且减少了数据传 递的等待时延；数据在传递过程中经历的每一级接收节点A、B、C都是采用竞 争选取的，发送节点发送的RTS消息中并不包含接收节点的地址，因此本发明实 现了路由和MAC的结合，不需要路由层协议，简化了实现，减少了控制开销。