一种无线网状网络介质访问控制层节能方法

摘要

一种无线网状网络介质访问控制层节能方法，网络中的所有节点在时间同步的前提下，进行周期性同步的唤醒握手操作；对于有数据发送需求的节点，在唤醒握手时刻首先发送短时间的唤醒音通知目的节点其发送意图，然后使用基于竞争机制的信道访问方法发送数据帧；对于无数据发送需求的节点，则在唤醒握手时刻首先进行短时间的信道监听以检测信道活动，若感知到邻近节点的发送意图，保持接收状态以接收随后到达的数据帧，否则立即转入休眠模式；通过适应性唤醒握手机制适应负载的动态变化和突发性流量，并降低网络性能对“唤醒握手”周期设定的敏感性。本发明使得网络中的所有节点能以很小的代价在很大程度上实现按需唤醒，因而具有良好的节能效果。

说明书

技术领域

本发明属于无线网络通信领域，具体是用于无线网状(Mesh)网络中介质访问(MAC)层通信过程相邻节点间通信过程中的节能方法，属于一种MAC层节能机制。

背景技术

面向工业监测应用的无线Mesh网络的一个重要特点是：网络中用于数据采集和通信转发的节点是各类现场设备，它们的通信、存储能力非常有限，而且由于应用环境和成本的限制，大部分的节点依靠电池供电，因此如何实现节点以及整个网络的节能操作，从而延长其工作寿命是工业监测用无线Mesh网络急需解决的一个重要问题。

现有针对无线Mesh网络节点的能耗分析表明，射频能耗是节点运行过程中的主要能耗，而要有效地降低射频能耗，目前存在两种可能的技术手段，一是改进物理射频芯片的设计，在保证通信性能的前提下，降低射频芯片在各种操作状态下的功耗；二是通过设计新型的通信协议提高节点和网络的能量效率。具体解决办法如下。

在无线Mesh网络中，“空闲监听”是导致能量浪费的一个主要因素，是通过协议优化设计实现节能所需解决的主要问题。所谓“空闲监听”，是指网络中的节点由于无法预知其它节点何时会向自己发送数据帧，为了避免错过发给自己的数据帧，节点必须在自身无数据发送时，始终将射频保持在接收状态。而对于现有大部分商用射频芯片而言，其处于接收状态时的能耗基本上与处于发送状态的能耗处于同一数量级，因而“空闲监听”无疑会造成能量的极大浪费。

对“空闲监听”问题的解决需要对射频芯片进行休眠/唤醒控制，因而主要在MAC层实现，即通过设计有效融合休眠/唤醒控制策略的MAC协议，尽可能地让节点在无数据收发需求时休眠。现有的方法基本上可以分为两类：第一类是采用基于调度的方法，比如S-MAC，T-MAC，TRAMA协议等。这类方法要求相邻节点间同步或全网络同步。通过在相邻节点或全网络范围内实现相同的休眠/唤醒调度表，一方面允许节点周期性的进入休眠状态以节能，另一方面也能确保相邻节点或所有节点同步唤醒进行数据通信。但是由于休眠/唤醒调度表是预先设定的，这类协议无法很好地适应动态网络流量变化。比如，假定节点A的休眠/唤醒调度表为x/y，其中x为在一个休眠/唤醒周期中的休眠时间，y为唤醒时间，则节点A必须在每个周期唤醒时间y，即使在这段时间内A实际上并无数据需要收发，这样就会影响节能效果。

第二类方法是采用低功耗监听技术。在这类方法中，网络中的节点只需遵循统一的休眠/唤醒周期，无需保持同步的休眠/唤醒。在一个周期内，无数据收发需求的节点通过延续极短时间的低功耗信道探测技术监听信道上的发送活动，若发现信道忙，则保持唤醒以接收可能发给自己的数据帧，否则长时间保持在休眠状态；有数据发送需求的节点，必须发送一个长度不小于休眠/唤醒周期的前导序列以确保唤醒休眠节点，然后再发送数据。与第一类方法不同的是：

1)该技术不需要统一调度，各节点异步独立地进行周期性的休眠/唤醒操作。

2)在一个休眠/唤醒周期内，节点保持唤醒的时间由通信需求而定，在无通信需求时可全部保持休眠。

这类方法的优点是实现了一定程度上的按需休眠与唤醒，无数据收发需求节点的休眠效率很高，其代价是：由于节点间异步的休眠与唤醒，发送数据的节点需要付出额外通知的代价(每次发送数据前，都需发送很长的前导序列来唤醒接收节点)，并且这种代价会随着网络流量的增加而上升。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种能很好地适应动态网络流量变化、且不会出现随着网络流量的增加而需要付出额外通知的代价的适用于无线Mesh网络的低功耗MAC层通信过程节能方法。

为了实现上述目的本发明的技术解决方案如下：网络中的所有节点在时间同步的前提下，进行周期性的、同步的“唤醒握手”操作；对于有数据发送需求的节点而言，在“唤醒握手”时刻首先发送短时间的“唤醒音”通知目的节点其发送意图，然后使用基于竞争机制的信道访问方法发送数据帧；对于无数据发送需求的节点而言，则在“唤醒握手”时刻首先进行短时间的信道监听以检测信道活动，若感知到邻近节点的发送意图，则保持接收状态以接收随后到达的数据帧，否则立即转入休眠模式；

通过适应性“唤醒握手”机制适应负载的动态变化和突发性流量，并降低网络性能对“唤醒握手”周期设定的敏感性；其中所述适应性唤醒握手为：是在周期性“唤醒握手”基础上的一种流量自适应方案；通过在相邻两个周期性“唤醒握手”之间增加适应性“唤醒握手”，在一个周期性“唤醒握手”的周期内，可以根据当前流量情况进行多次报文传输，从而获得更好的带宽利用效果；

其中所述唤醒音是指节点在唤醒射频时刻其发送缓冲中有数据等待发送，则该节点在这段唤醒时间里发送一段预定义的前导序列；其中所述唤醒握手操作是一种节点唤醒射频由发送节点通知或由接收节点感知传输意图的行为；其中所述在唤醒握手时刻进行信道监听的短时间的长度：由时间同步的精度和射频硬件检测信道活动所需最小时间决定，即：2ε+θ：其中ε为时间同步误差，θ为射频硬件检测信道活动所需最小时间；在节点在周期性唤醒握手时检测到信道活动时，适应性唤醒握手之间的时间间隔为一次基于竞争机制的完整传输所需最长时间，包括最大退避时间，数据帧传输时间，等待ACK时间；若节点在适应性唤醒握手时仍然检测到了信道活动，则再增加1个适应性唤醒握手，直到在适应性唤醒握手时检测到信道空闲；对于发送节点而言，只需保证在前一个适应性唤醒握手时刻发送唤醒音，即可保证预约到下一个适应性唤醒握手。

本发明通过让网络中的所有节点进行周期性的，同步的“唤醒握手”操作，使得网络中的所有节点能够以很小的代价在很大程度上实现了按需唤醒，因而具有良好的节能效果。同时，本发明给出了一种流量自适应增强方案，可以很好地适应网络流量的动态变化以及突发性流量。

本发明的优点：

1)本发明通过周期性“唤醒握手”操作，在很大程度上实现了按需唤醒，使得网络中的节点只在确实需要进行数据传输的时刻醒来进行数据收发。

2)由于“唤醒握手”操作是同步进行的，所以发送节点只需在事先调度好的“唤醒握手”时刻醒来，发送很短的“唤醒音”即可确保唤醒接收节点。

3)本发明同时给出了基于适应性“唤醒握手”机制的增强方案，可以较好地适应网络流量的动态变化以及突发性流量，并降低本发明的性能对“唤醒握手”周期设定的敏感性。

附图说明

图1是本发明的一个基础方法的工作原理示意图。

图2是本发明的流量自适应增强方案的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明一种面向工业监测应用的无线Mesh网络MAC层节能方法：基于网络中所有节点通过网络同步协议进行同步，包括一个基础方法和一个流量自适应的增强方案。

在本发明的基础方法中，网络中所有的节点将射频芯片置于休眠状态，并周期性地、同步地、在所有节点在同一时刻醒来的时刻将射频唤醒很短的一段时间。若节点在唤醒射频时刻其发送缓冲中有数据等待发送，则该节点在这段唤醒时间里发送一段预定义的前导序列，称之为“唤醒音”；否则，该节点在这段唤醒时间里将射频置于接收状态。由于节点唤醒射频的目的是通知(对于发送节点而言)或感知(对接收节点而言)传输意图，本发明将这种行为称为“唤醒握手”。

当节点N需要发送数据时，必须暂时缓存数据并等待“唤醒握手”时刻到达，才可以发送“唤醒音”以通知目的节点其传输意图，然后采用基于竞争机制的信道访问控制方法(如CSMA/CA)竞争信道并进行数据发送。若节点N在“唤醒握手”时刻到达时无数据需要发送，则将射频置于接收状态并进行信道监听，监听的目的是通过检测当前信道状态来感知邻近节点的发送意图。若节点N检测到信道忙，则表明其邻近节点中至少存在一个节点想要发送数据，节点N保持接收状态以接收随后到达的数据帧，并在接收完成后重新进入休眠状态；否则，节点N立即转入休眠状态以节能。

由于在“唤醒握手”时刻可能会有多个节点想要发送数据，因此可能会有多个节点同时发送“唤醒音”，但由于发送“唤醒音”的目的只是为了使其目的节点检测到信道变忙，因而即使多个节点发送的“唤醒音”发生碰撞也不会影响机制的正确性。

“唤醒音”的长度由时间同步的精度和射频硬件检测信道活动所需最小时间决定。假定时间同步误差为ε，射频硬件检测信道活动所需最小时间为θ，则“唤醒音”的最小长度为2ε+θ。

图1给出了本发明的上述基础方法的一个实施例。图中第一发送节点A和第二发送节点B在休眠时产生了目的节点C的数据发送需求，它们暂时将数据缓存并等待“唤醒握手”时刻到达。在“唤醒握手”时刻，节点第一发送节点A，第二发送节点B和目的节点C同时唤醒射频。第一发送节点A和第二发送节点B因为有数据发送需求而同时发送“唤醒音”，目的节点C因无数据发送需求而将射频置于接收状态，因而检测到“唤醒音”并保持接收状态。随后第一发送节点A和第二发送节点B采用基于竞争机制的信道访问控制方法(如CSMA/CA)竞争信道。第一发送节点A首先完成随机退避，竞争到信道，开始数据传输过程，而第二发送节点B则只能等到下一个“唤醒握手”时刻来临继续发送“唤醒音”。

由于在进行周期性“唤醒握手”时，可能会有多个节点想要发送数据，但最终在一个冲突域内只有一个发送节点能够成功竞争到信道，也就是说，在一个周期性“唤醒握手”的周期内，最多只能进行一次成功的报文传输。这样，周期性“唤醒握手”的周期设定与网络负载紧密相关。若该值设定过小，网络节点频繁地唤醒，但通常检测不到传输请求，从而造成能量浪费；反之，若该值设定过大，虽然可以获得较好的节能效果，但在网络负载较大时，会造成网络带宽利用不充分，大量报文堆积在各节点的发送缓冲，甚至由于缓冲溢出而被丢弃。由于在实际应用中，要想事先确切地获得一个准确的网络负载值并不容易，并且事件触发的网络流量具有极强的随机性和突发性，因而本发明在上述基本同步信道监听机制的基础上，提出了一种流量自适应增强方案，如附图2所示。

在增强方案中，网络节点在周期性“唤醒握手”的基础上，增加了适应性“唤醒握手”。适应性“唤醒握手”是在周期性“唤醒握手”基础上的一种流量自适应方案。通过在相邻两个周期性“唤醒握手”之间增加适应性“唤醒握手”，在一个周期性“唤醒握手”的周期内，可以根据当前流量情况进行多次报文传输，从而获得更好的带宽利用效果。

节点在周期性“唤醒握手”的基础上，增加适应性“唤醒握手”的规则为：

1)若节点在周期性“唤醒握手”时检测到了信道活动，则即时增加1个适应性“唤醒握手”，适应性“唤醒握手”之间的时间间隔为一次基于竞争机制的完整传输所需最长时间(包括最大退避时间，数据帧传输时间，等待ACK时间)；

2)若节点在适应性“唤醒握手”时仍然检测到了信道活动，则再增加1个适应性“唤醒握手”，直到在适应性“唤醒握手”时检测到信道空闲。

这样，对于发送节点而言，只需保证在前一个适应性“唤醒握手”时刻发送“唤醒音”，即可保证预约到下一个适应性“唤醒握手”。

流量自适应增强方案可以很好地适应网络负载的动态变化，以及突发性流量，并且可以有效降低网络性能对“唤醒握手”周期设定的敏感性。