一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法

摘要

本发明公开了一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，该方法能够降低M2M网络中高能耗节点的能量消耗，在延长M2M网络中高能耗节点生命周期的同时可保证M2M网络数据传输的可靠性，该方法应用于M2M网络的CSMA/CA协议。包括：步骤1：在M2M网络中监测节点进行权限分配；步骤2：周期性检测M2M网络中监测节点运行状态，当监测节点处于空闲状态时执行步骤3，当监测节点处于数据待发送状态时执行步骤4；步骤3：监测节点执行休眠操作，间隔一段时间后执行步骤2；步骤4：M2M网络执行信道争用操作，监测节点获取信道使用权后，执行步骤5；步骤5：监测节点上传数据，数据上传完成后执行步骤2。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法，属于物联网 节能通信技术领域。

背景技术

目前在使用IEEE 802.11协议的M2M网络环境中，在基于“AP节点+终端节 点”模型的M2M网络场景中，终端节点具有数量多、分布随机、对环境信息采 集随机性强等特点，并且终端节点多用于向AP节点上传采集的数据，属于单向 传输模式，因此这类M2M网络中出现信道争用现象较为严重。虽然M2M网络中 终端节点通常具有较低的能量消耗，但对于终端节点数量多的M2M网络，有限 的能源仍然是其发展的瓶颈。在使用IEEE 802.11协议的M2M网络中，传统 CMSA/CA协议的应用可以在一定程度上缓解信道争用带来的影响，但该协议不能 解决M2M网络中高能耗节点在信道争用时能源使用效率低的问题。而通常在使 用电池型终端节点的M2M网络中，网络的生命周期通常受限于高能耗节点的生 命周期。

M2M网络中，对于CSMA/CA协议的改进通常是通过改进退避算法来提高网络 性能。徐志江等人在论文IEEE 802.11网络中增强的退避算法中给出了一种增 强型的退避算法，通过对网络中的动态站点数进行估计，自适应改变退避算法 的竞争窗口来提高系统的性能和吞吐量。

上述对CSMA/CA协议改进增强的退避算法可以使网络性能更稳定，可以使 吞吐量和每秒数据发送量随动态站点数量变化的波动比传统CSMA/CA协议要小。 但是，由于改进的增强性退避算法受限于事件发生频率和随机值的大小，因此 在事件发生频率较低的网络中该增强的退避算法适用性不强。

Hsiang-Ho Lin等人在论文DeepSleep:IEEE 802.11 Enhancement for  Energy-Harvesting Machine-to-Machine Communications中给出了网络中节点 的深度休眠方法，通过对高能耗节点在低于预先设定的能量值时授予其高权限， 这样可以实现高能耗节点在没有数据上传时可快速进入休眠模式进行节能；当 高能耗节点有数据需要上传时，可立即进入信道监听状态，且在信道空闲时获 得最少的退避时间，通过这种深度休眠方案的实施使得高能耗节点在通信中可 以尽可能的实现节能。文章中的实验表明，深度休眠算法有较好的节能效果， 并且不会大幅增加网络中其他节点的能耗。

上述深度休眠方法在节点数目较少的网络中有较好的适用性，但是在节点 数目较多的网络中，当大多数节点低于预先设定的能量值时，较多的高权限节 点会使网络中信道争用的几率增加，这种情况下该方案会增加网络能耗而无法 达到预期的节能效果。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于提出了一种应用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法， 该方法能够降低M2M网络中高能耗节点的能量消耗，在延长M2M网络中高能耗 节点生命周期的同时可保证M2M网络数据传输的可靠性，该方法应用于M2M网 络的CSMA/CA协议。

方法流程

步骤1：对M2M网络中监测节点进行权限分配；

步骤2：周期性检测M2M网络中监测节点运行状态，当监测节点处于空闲状 态时执行步骤3，当监测节点处于数据待发送状态时执行步骤4；

步骤3：监测节点执行休眠操作，间隔一段时间后执行步骤2；

步骤4：M2M网络执行信道争用操作，监测节点获取信道使用权后，执行步 骤5；

步骤5：监测节点上传数据，数据上传完成后执行步骤2。

在上述步骤1中，本发明对M2M网络中监测节点进行权限分配的方法，具体 包括：

M2M网络中监测节点均设置参数Priority,用于记录该节点的权限。其中， 节点Priority＝0表示低权限，节点为低能耗节点；节点Priority＝1表示高权限， 节点为高能耗节点。各监测节点Priority初值均设为0；

AP节点中设置参数count_up[i](i＝1,2,3…)，用于记录各监测节点的数据 上传次数，count_up[i](i＝1,2,3…)初始值均设为0，每次监测节点i上传数据 成功时count_up[i]+1；

AP节点中设置参数count_all，用于记录M2M网络中监测节点上传总数， count_all初始值设为0，每次有节点上传数据成功时count_all+1；

AP节点中设置参数count_num，用于记录M2M网络中节点总数，AP节点通过 查看路由表信息获取count_num值；

AP节点中设置常数N，用于M2M网络中监测节点权限分配时，对设定高能耗 节点的标准进行控制。

AP节点中设置常数E_judge，监测节点能量消耗至E_judge时向AP节点请求权限变 更。

本发明设置上述参数完毕后，根据各监测节点事件发生量进行权限的分配 方法，具体包括：

以监测节点i为例，当监测节点i能量值低于E_judge时，监测节点i向AP节点发 出权限变更请求，AP节点根据监测节点i对应的count_up[i]值与网络中监测节 点上传次数的均值count_mean进行比较；

其中，$\mathrm{count}\_\mathrm{mean}=\frac{\mathrm{count}\_\mathrm{all}}{\mathrm{count}\_\mathrm{num}}$

若count_up≥N·count_mean，则AP节点向监测节点i发出允许修改权限的应 答，监测节点i收到AP节点的应答后将其Priority置1，即为高能耗节点；反之， AP节点向监测节点i发出禁止修改权限的应答，监测节点i收到AP节点的应答后 其Priority保持不变，即为低能耗节点。

本发明能够有效地对网络中各监测节点进行权限分配。M2M网络中监测节点 进行权限分配，可将M2M网络中事件发生频率明显高于事件平均发生频率的监测 节点从网络中标记出，将其Priority置1，即为高能耗节点。

在上述步骤4中，本发明M2M网络执行信道争用操作，监测节点发生信道争 用的的情况可分为三种，包括：

1、高能耗节点与低能耗节点之间发生的信道争用；

2、高能耗节点与高能耗节点之间发生的信道争用；

3、低能耗节点与低能耗节点之间发生的信道争用。

其中，本发明的高能耗节点与低能耗节点之间发生的信道争用方法，包括：

高能耗节点A与低能耗节点B同时向AP节点发出RTS请求；

当AP节点检测到冲突产生时，AP节点向M2M网络中发出询问信息，询问是否 有高能耗节点需要数据上传；

A节点收到询问信息后向AP节点发出确认信息，确认其为高能耗节点，B节 点收到询问信息后进行回退,退出本次信道争用；

AP节点收到A节点的确认信息后，向A节点发出CTS信息；

A节点收到CTS信息后进行数据上传。

本发明的高能耗节点与高能耗节点之间发生的信道争用方法，包括：

高能耗节点A与高能耗节点B同时向AP节点发出RTS请求；

当AP节点检测到冲突产生时，AP节点向M2M网络中发出询问信息，询问是否 有高能耗节点需要数据上传；

A节点收到询问信息后发出确认信息，确认其为高能耗节点，B节点收到询 问信息后也发出确认信息，确认其为高能耗节点；

AP节点再次检测到冲突后，不进行任何操作；

A、B节点在一段时间内没有收到AP节点发出的CTS信息后均进行回退，A、B 节点进入下一次信道争用；

本发明的低能耗节点与低能耗节点之间的信道争用方法，包括：

低能耗节点A与低能耗节点B同时向AP节点发出RTS请求；

当AP节点检测到冲突产生时，AP节点向M2M网络中发出询问信息，询问是否 有高能耗节点需要数据上传；

A节点收到询问信息后进行回退，相应的B节点收到询问信息后也进行回退， A、B节点进入下一次信道争用。

有益效果：

1、本发明能够在监测节点能量消耗的初期进行权限分配，可使监测节点中 高能耗节点更早的进行节能操作。

2、本发明为M2M网络中高能耗节点提供优先使用信道的权利，有利于延长 网络中高能耗节点的生命周期，进而延长M2M网络的整体生命周期。

附图说明

图1为本发明实施例中适用的M2M网络模型图。

图2为本发明实施例中CSMA/CA协议的设计方法流程图。

图3为本发明实施例中监测节点i实施权限分配流程图。

图4为本发明实施例中AP节点实施权限分配流程图。

图5为本发明实施例中监测节点i实施信道争用流程图。

图6为本发明实施例中AP节点实施信道争用流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的优选实施例进行详细描述。

图1为本发明实施例中适用的M2M网络模型图，如图1所示，本发明适用于“AP 节点+监测节点”的M2M网络场景，该类型M2M网络场景具有的特点包括：

1、监测节点负责采集周边环境数据，并上传至AP节点；

2、监测节点在M2M网络中随机分布，监测节点与AP节点进行数据交互时可 直接通信，不需要中继节点；

3、监测节点单次上传数据量较小、节点采集数据的时间具有随机性；

4、监测节点为电池型设备，节点能源有限，AP节点对能源供应无限制要求；

5、监测节点具备可休眠特性。

常见的此类M2M网络模型应用，如火灾预警系统、小区安监报警系统、土壤 湿度监测系统等。

本发明实施例中，适用于M2M网络的CSMA/CA协议的设计方法需要多个步骤， 图2为本发明实施例中CSMA/CA协议的设计方法流程图。如图2所示，CSMA/CA协 议的设计方法的具体实施过程有如下步骤：

步骤A1—M2M网络中实施监测节点权限分配算法。

步骤A1具体为，M2M网络中实施监测节点权限分配算法分两部，分别为监测 节点实施权限分配算法和AP节点实施权限分配算法。

其中，监测节点实施权限分配算法具体实施过程，以监测节点i为例，图3 为本发明实施例中监测节点i实施权限分配流程图。如图3所示，监测节点i实施 权限分配具体过程包括：

步骤B1—在监测节点i中设置参数Priority，并赋初值为0；设置常数E_judge。

步骤B2—监测节点i检测节点剩余电量E_i，并根据E_i与E_judge比较结果执行相 应操作。当E_i≤E_judge时，执行步骤B3；当E_i＞E_judge时，在等待一段时间后，执行 步骤B2。

步骤B3—监测节点i向AP节点发送权限变更请求，并等待AP节点应答。

步骤B4—监测节点i在收到AP节点的应答后，根据应答信息执行相应操作。 若应答内容为允许修改权限，监测节点i将Priority置1；若应答信息为禁止修 改权限，监测节点i不进行任何操作。

以此类推，M2M网络中其余各监测节点按照上述步骤B1、步骤B2、步骤B3、 步骤B4进行，可完成M2M网络中监测节点实施权限分配算法的操作。

其中，AP节点实施权限分配具体实施过程，图4为本发明实施例中AP节点实 施权限分配流程图。如图4所示，AP节点实施权限分配具体过程包括：

步骤C1—AP节点设置参数count_up[i](i＝1,2,3…),并赋初值为0；设置参 数count_all，并赋初值为0；设置参数count_num，通过AP节点路由表信息获取 count_num值；设置常数N。

步骤C2—AP节点监听信道，接收来自监测节点的请求信息。在收到监测节 点请求信息后，以监测节点i为例，根据监测节点i请求信息执行相应操作。当 监测节点i请求上传数据时，执行步骤C3；当监测节点i请求权限变更时，执行 步骤C4。

步骤C3—AP节点将监测节点i对应参数count_up[i]进行加1操作，参数 count_all进行加1操作，同时执行步骤C2；

步骤C4—AP节点读取监测节点i相关参数值count_up[i]、count_all、 count_num以及常数N。根据公式计算出监测节点上传次数 均值count_mean，并根据count_up与N·count_mean值比较结果执行相应操作。当 count_up＞N·count_mean时，执行步骤C5；当count_up≤N·count_mean时，执行 步骤C6。

步骤C5—AP节点向监测节点i发出允许修改权限应答。AP节点执行监测节点 权限分配算法结束。

步骤C6—AP节点向监测节点i发出禁止修改权限应答。AP节点执行监测节点 权限分配算法结束。

M2M网络中AP节点按照上述步骤C1、步骤C2、步骤C3、步骤C4、步骤C5和步 骤C6执行，可完成AP节点实施权限分配算法的操作。

步骤A2—监测节点查看自身状态执行相应操作。当监测节点处于空闲状态 时，执行步骤A3；当监测节点处于数据待传状态时，执行步骤A4。

步骤A3—监测节点执行休眠操作，等待一段时间后执行步骤A2。

步骤A4—M2M网络执行信道争用算法。

步骤A4具体为，M2M网络实施信道争用算法分两部分，分别为监测节点实施 信道争用算法和AP节点实施信道争用算法。

其中，监测节点实施信道争用算法具体实施过程，以监测节点i为例，图5 为本发明实施例中监测节点i实施信道争用流程图，如图5所示，监测节点i实施 信道争用的具体过程包括：

步骤D1—监测节点i有数据待上传时，节点进行信道监听；当检测到信道空 闲时，监测节点i向AP节点发送RTS请求，请求数据上传。

步骤D2—监测节点i根据AP节点响应信息执行相应操作。当响应信息为询问 权限信息时，执行步骤D3；当响应信息为允许发送数据时，执行步骤D6。

步骤D3—监测节点i查看自身权限Priority，并根据Priority值执行相应操 作。当Priority＝1时，执行步骤D4；当Priority＝0，时执行步骤D5。

步骤D4—监测节点i向AP节点发出高权限确认信息，并根据AP节点响应信息 执行相应操作。当响应信息为允许发送数据信息时，执行步骤D6；当监测节点i 在一段时间内没有收到AP点的应答，执行步骤D5。

步骤D5—监测节点i进行回退，回退结束后执行步骤D1。

步骤D6—监测节点i获得信道使用权，准备数据上传，信道争用过程结束。

M2M网络中监测节点按照上述步骤D1、步骤D2、步骤D3、步骤D4、步骤D5和 步骤D6进行，可完成对监测节点实施的信道争用操作。

其中，AP节点实施信道争用算法具体实施过程，图6为本发明实施例中AP节 点实施信道争用流程图。如图6所示，AP节点实施信道争用的具体过程包括：

步骤E1—AP节点进行信道监听，当有监测节点发送RTS信息时，AP节点检测 RTS信息是否完整。若RTS信息完整，执行步骤E2；若RTS信息不完整，执行步骤 E3。

步骤E2—AP节点向RTS请求节点发送CTS信息，允许请求节点上传数据，并 执行步骤E5。

步骤E3—AP节点向M2M网络发送权限询问信息，询问RTS请求节点Priority 值是否为1，并根据监测节点响应信息执行相应操作。当收到监测节点响应信息 为Priority＝1时，执行步骤E4；若在一段时间内没有收到响应信息或者响应信 息接收不正确，执行步骤E1。

步骤E4—AP节点向响应节点发送CTS信息，允许该响应节点上传数据，并执 行步骤E5。

步骤E5—AP节点信道争用算法执行结束。

M2M网络中AP节点按照上述步骤E1、步骤E2、步骤E3、步骤E4、步骤E5进行， 可完成对AP节点实施的信道争用操作。

步骤A5—监测节点进行数据上传操作。数据上传完毕后，执行步骤A2。

M2M网络各节点按照上述步骤A1、步骤A2、步骤A3、步骤A4、步骤A5执行， 可完成对CSMA/CA协议的设计方法的实施操作。

本发明的实施例，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述实施 例已经对本发明进行了详细的叙述，但本领域技术人员应当理解，本领域技术 人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其形式上 和细节上做出各种各样的改变、修改、替换和变形。