分布式无线传感器网络竞争接入周期多级配置方法

摘要

分布式无线传感器网络竞争接入周期多级配置方法适用于环境监控、军事国防、工农业生产、城市管理等一系列新型分布式的无线传感器网络应用中。本方法把超帧中的竞争接入期分成若干个小的二级竞争接入期时隙，称之为有保证竞争接入周期(GCAP，Guaranteed CAP)，并为每一个发送信标的设备分配这样一个GCAP。每个设备在自己的GCAP时段内，不去尝试竞争接入信道，而是像星形网络中的协调器一样，打开自己的接收机，等待其他相邻设备发送的数据或数据请求。在这段时间里，其上层到达的数据按照目的地址放到相应得缓存队列里。网络负载不大，实时性要求不高的应用场合中，可以大大提高系统能耗效率，具有十分重要的现实意义。

说明书

技术领域

本专利适用于环境监控、军事国防、工农业生产、城市管理等一系列新型分布式的无线传感器网络应用中。特别是网络负载不大，实时性要求不高的应用场合中，可以大大提高系统能耗效率，具有十分重要的现实意义。

背景技术

在无线网络无处不在的今天，人们生活的很多方面因为无线通信而发生极大的改变。然而现今的无线网络大多都采用的是点对多点的通信方式，无论是蜂窝通信的基站与终端，还是无线局域网的AP与终端都是这种形式。这样的通信方式或者说拓扑结构具有简单可靠的特点，但覆盖范围和网络扩展的灵活性却很有限，为改善这一缺陷，无线通信领域兴起了一个新的研究热点——无线Mesh网络。

在无线Mesh网络中，节点之间构成网状结构，可以互相通信而不必通过中心节点。传统星型网络在操作与维护的费用、安装与扩容的速度、位置的适应性、可测量性等均存在着诸多不足。而点对点的网状网络对以上这些指标的性能将会有较大的提高。

由于Mesh结构无线网络的众多优点使其的应用领域越来越广泛。包括WLAN的IEEE802.11、WPAN的IEEE 802.15、以及WMAN的IEEE 802.16等众多标准化组织都在成立了专门开发支持Mesh结构的工作组。本专利主要针对低速WPAN的Mesh功能扩展。

WPAN是移动中的网络，只能采取无线接入，而且要求自动接入，而其它的局域网大多属于固定网络，既可以采用无线，也可以采用有线方式互连。WPAN的目的是“解决最后的几米电缆”的问题，同时“将无线联网进行到底”。IEEE专门为WPAN成立了IEEE 802.15工作组，目标是提供简单、低耗能、短距离的无线通信标准。它又分为几个重点研究小组，其中的IEEE 802.15.3关心的是高速或超高速的WPAN开发；IEEE 802.15.4主要针对低速率、低功耗、低成本的LR-WPAN的开发；而IEEE 802.15.5的目标是为WPAN提供Mesh结构的支持，包括低速和高速两部分。

我们首先来了解IEEE802.15.4MAC协议^[1]。在IEEE 802.15.4MAC协议中提供两种工作模式：信标使能和非信标使能。

在非信标使能的网络中，节点之间通过非时隙的CSMA/CA退避机制接入信道，可以支持点对点的通信模式，但由于节点间没有建立时间同步，节点的空闲侦听而导致了大量的能量消耗。我们知道，在低速的无线个域网中，设备大多基于电池供电，能耗是—个十分严峻的问题。而空闲侦听问题会使设备在没有数据传输时消耗大量的能量，从而导致设备很快的失效。因此非信标使能的通信机制并不是一种高效的通信机制。

在信标使能的IEEE 802.15.4MAC协议在只支持星形组网。大量的节点通过—个协调器构成一个星形网络，其中协调器称为Coordinator，与其相关联的每一个节点称为一个DEV。协调器为网络提供基本的定时和中心控制功能。DEV间的通信都要通过Coordinator。它是一种高效率、低能耗、简单易布置的工作模式，可以说，信标机制是IEEE 802.15.4协议的一个重要特征，但是由于其只能工作在星形网络拓扑结构下，并不能为Mesh结构的点对点网络提供支持。

由于非信标使能的网络不能为分布式的Mesh网络提供高效的信道接入机制。文献[3]中提出了一种多信标的超帧结构以支持无线个域网的Mesh组网需求。这种超帧结构基于IEEE 802.15.4标准。但与IEEE 802.15.4中的超帧结构相比，多信标的超帧结构在信标期是不同，即超帧中的信标期由多个信标组成。每个设备都可以在超帧期拥有一个专属的信标时隙，该时隙由设备所专属，用以发送本设备的信标帧。其他设备都不能占有该时隙。这样，可以使设备之间实现点对点的通信。多信标的超帧结构中的竞争接入期依然采用IEEE 802.15.4标准中的带冲突避免的载波监听多址接入(CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access withCollision Avoidance)机制，这种机制基于非坚持CSMA/CA算法。

虽然多信标的超帧结构可以为Mesh组网提供支持，但是其竞争接入期却存在两个问题：“空闲侦听”问题和“互相退避”问题。空闲侦听问题我们前面已有介绍，下面对竞争接入期的“互相退避”问题进行简要阐述。

IEEE802.15.4协议中的竞争接入期时段采用的是CSMA/CA机制是基于非坚持的CSMA/CA算法。非坚持的CSMA/CA可以减少碰撞的发生并实现节能。在这种方式中，有数据要发送的节点首先侦听信道，如果信道空闲，就立即发送；如果信道忙，节点就立即进行退避，节点在退避的过程中不侦听信道的状况，而是在退避计数器减小到0的时刻，进行信道估计，判断信道的忙闲状况，如果空闲则发送数据，否则，继续以一个更大的时间进行退避。

“互相退避”问题是由于非坚持的CSMA/CA算法的自有特性造成的。我们考虑这样的场景：设备B和C同时有数据需要发送对方，竞争接入期开始后，B和C同时开始竞争信道，开始退避。假设设备B先于C完成退避，B会在退避计数器为0的时候估计信道状态，发现信道空闲，则开始发送。但是由于设备C此时处于退避状态，无法接收B向自己发送的数据，导致设备B频繁的退避重发；同样由于B处于退避状态，无法接收C发送的数据。这就导致B和C两个设备互相退避重传，直到其中一个结束整个发送过程。我们把这种问题称之为“互相退避的问题”。

互相退避问题导致了频繁退避重传的发生，极大地影响了数据传输的效率，浪费了网络传输带宽，增加了丢包的概率。

本发明主要是针对多信标超帧结构在竞争接入期中存在的问题，提出了一种新颖的多级配置的竞争接入机制。在Mesh拓扑结构下，可以有效地改善竞争接入期“空闲侦听”问题和“互相退避”问题，并提高能耗效率，吞吐率性能。

参考文献

[1]IEEE 802.15.42003：Wireless Medium Access Control(MAC)and PysicalLayer(PHY)Specifications for Low-Rae Wireless Personal AreaNetworks(LR-WPANs)[S].USA；The Institute of Electrical and ElectronicsEngineers，Inc，2003

[2]D S.Chan，T.Berger，R.Bridgelall，“Energy Efficiency of CSMAProtocols for Wireless Packet Switched Networks”，WCNC 2004.

[3]Ho-In Jeon and Yeonsoo Kim，“BOP Location Considerations and BeaconScheduling for Backward Compatibility to Legacy IEEE 802.15.4Devices”，IEEE 802.15-06-0351-00-0005，20July.2006.

[4]TR Park，TH Kim，JY Choi，S.Choi and WH Kwon，“Throughput and energyconsumption analysis of IEEE 802.15.4slotted CSMA/CA”，IEEE ElectronicsLetters，vol.41，issue 18，pp.1017-1019，Sept.2005.

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种分布式无线传感器网络竞争接入周期多级配置方法，在基于Mesh结构的分布式无线传感器网络中，可以达到更佳的能量效率。

技术方案：本发明首先定义缩略语和关键术语：

LR-WPAN 低速无线个人区域网络

WSN     无线传感器网络

MAC     媒体接入控制

CSMA/CA 载波侦听多点接入/冲突避免

CAP     竞争接入周期

CFP     非竞争接入器

GCAP    优先竞争接入周期

Beacon  信标

CCA     空闲信道估计

FFD     全功能设备

BOP     信标期

PNC     微微网协调点

MPNC    Mesh网络协调器

WLAN    无线局域网

WMAN    无线城域网

为了达到上述目的，我们提出了一种竞争接入期多级配置方法---有保证的CAP(Guaranteed Content Access Period)机制，如图1所示：

本方案把超帧中的竞争接入期分成若干个，小的二级竞争接入期时隙，称之为有保证竞争接入周期(GCAP，Guaranteed CAP)，并为每一个发送信标的设备分配这样一个GCAP。每个设备在自己的GCAP时段内，不去尝试竞争接入信道，而是像星形网络中的协调器一样，打开自己的接收机，等待其他相邻设备发送的数据或数据请求。在这段时间里，其上层到达的数据按照目的地址放到相应得缓存队列里。

在邻居的GCAP时段，如果设备此时有目的地址为该邻居的数据分组或数请求需要发送，则采用CSMA/CA机制竞争接入信道；如果设备此时没有数据要发送给该邻居，即自己的缓存队列里没有目的地址为该邻居的分组时，设备进入休眠状态以节省能耗，直到当前GCAP时段结束，否则，就开始利用CSMA/CA机制竞争信道，并发送相应的数据帧或者数据请求帧。

我们假设网络中的设备已经取得了超帧同步，在建立了超帧同步后每个设备通过接收相邻设备的信标帧获得相邻设备的GCAP的相关信息。在单跳网络中，只包括该邻居设备所占用的GCAP的位置及长度；在多跳的Mesh网络中，除了该设备自己的GCAP需要在信标帧的负载中说明以外，还需要记录其一跳邻居的所占用的GCAP信息。下面我们主要介绍多跳Mesh网络中的情况。多跳Mesh网络中的信标帧负载中包括如下信息，如表1：

表1多信标超帧中的信标负载

  名称  长度  My GCAP  16bits  Neighbors’GCAPs  64bits

其中My GCAP表示该设备自己占用的GCAP时段，而Neighbors’GCAP表示该设备所有一跳邻居所占用的GCAP时段。该设备通过相邻设备的信标帧中的GCAP占用情况，在当前的CAP时段选择一个可用的GCAP时段，并通过自己的信标帧将其通知所有相邻设备。

本发明的分布式无线传感器网络竞争接入周期多级配置方法包括竞争接入周期的多级配置方法和配置完成后的对待发送数据的处理方法：

a.竞争接入周期的多级配置方法：

分布式无线传感器设备根据被动/主动信道扫描时接收到的邻居设备的信标帧，获取多级配置竞争接入周期同步信息，信标帧携带的信息包括超帧同步信息和有保证竞争接入周期同步信息；超帧同步信息包括：信标期开始/结束时间、竞争接入期开始/结束时间、非竞争接入期开始/结束时间以及非活跃期开始/结束时间；有保证竞争接入周期同步信息包括：信标帧源设备地址及其占用的有保证竞争接入周期的开始/结束时间和该信标帧的源设备的一跳邻居设备占用的有保证竞争接入周期的开始/结束时间；

根据上述同步信息，建立有保证竞争接入周期占用情况表，有保证竞争接入周期占用情况表包括：竞争接入周期中每个一跳邻居设备地址及其占用的有保证竞争接入周期的起始/结束时间以及被一跳邻居的邻居占用的有保证竞争接入周期的起始/结束时间；除了上述已被占用的有保证竞争接入周期，剩余的未被其一跳邻居和一跳邻居的邻居占用的有保证竞争接入周期设置为空闲有保证竞争接入周期；

设备根据以上有保证竞争接入周期占用情况表，选择当前空闲的、起始时间开始最早的有保证竞争接入周期为自己的有保证竞争接入周期，并通过自己的信标帧广播自己的竞争接入周期同步信息，广播的同步信息包括：本设备及本设备的一跳邻居设备的有保证竞争接入周期占用情况；

设备按照加入网络的顺序依次建立竞争接入周期的多级配置；

竞争周期多级配置完成后，设备根据上述建立的多级配置竞争接入周期、有保证竞争接入周期占用情况表以及待发送数据队列，对待发送数据进行处理；

b.对待发送数据的处理方法：

P1：信标期结束，竞争接入期开始；

P2：当前有保证竞争接入周期是否自己占用？如果是，转P3，否则，转P4；

P3：进入接收状态，准备接收邻居设备的数据或数据请求，等待有保证竞争接入周期结束，转P2；

P4：查看数据缓存队列里是否有待发送数据/数据请求需要发送给拥有当前有保证竞争接入周期的设备，如果有转P5，否则，转P7；

P5：使用非坚持的载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，发送数据，数据发送结束转P6；

P6：当前有保证竞争接入周期是否结束？是则转P8，否则，判断是否仍有数据等待发送给拥有当前有保证竞争接入周期的设备，是，则转P5，否则，转P7；

P7：休眠状态，等待当前有保证竞争接入周期结束，转P2；

P8：判断竞争接入期是否结束，是，则转P9，否则，转P2；

P9：超帧结束。

所述的有保证竞争接入周期为超帧中整个竞争接入周期的一部分，设备在自己的有保证竞争接入周期始终保持接收状态；在其一跳邻居设备的有保证竞争接入周期，如果有数据需要发送给该设备时，接入信道的方式采用非坚持的载波侦听竞争接入/冲突避免机制发送数据，否则，进入休眠状态，在其他设备或空闲的有保证竞争接入周期，进入睡眠状态。

有益效果：本发明提出了一种新颖的竞争接入周期多级配置方法，可以为Mesh结构的低速无线个域网提供一种高效的媒体接入控制机制，在不影响吞吐率的性能下，提高了网络能耗效率，有着十分重要的现实意义。特别是在传感器网络、工业控制等网络负载不大，实时性要求不高，但对协议的能耗效率要求很高的应用场合中，有着非常重要的现实意义。对比于以前的一些MAC协议，我们提出的协议应用于基于Mesh结构的IEEE 802.15.4协议中，可以显著地提高能耗效率。考虑到未来环境监控、军事国防、工农业生产、城市管理等一系列新兴应用中，网络设备需要提供数以年计的工作能力，而能量通常只能由电池来提供，其能量补给常常会很困难有时甚至是不可能的，因此这些应用对能量效率的要求十分苛刻，单纯地使用现有的一些MAC协议无法满足其应用需要，而我们提出的协议更能满足低速率无线Mesh网络MAC协议的要求。

附图说明

图1为本专利提出的竞争接入周期多级配置的超帧结构，

图2为多级配置的竞争接入周期内数据转发算法流程图，

图3为Mesh结构拓扑图，

图4为竞争接入周期多级配置方法示意图，

图5为归一化吞吐率示意图，

图6为归一化的能耗示意图。

具体实施方式

本发明适用于分布式传感器网络多级竞争接入周期的建立和配置，以尽量降低空闲状态的能耗。该方法包括竞争接入周期的多级配置方法和配置完成后的对待发送数据的处理方法：

为了便于对本发明的理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。针对如图3所示的网络拓扑结构的应用场景，具体步骤如下：

a.竞争接入周期的多级配置方法：

分布式无线传感器设备根据被动/主动信道扫描时接收到的邻居设备的信标帧，获取多级配置竞争接入周期同步信息。信标帧携带的信息包括超帧同步信息和有保证竞争接入周期同步信息。

每个设备根据上述同步信息，建立有保证竞争接入周期占用情况表。

首先加入网络的设备1，在主动/被动信道扫描完成后发现当前没有网络信息，则首先建立一个超帧，并占有该超帧中信标期结束后的第一个有保证竞争接入周期gcap_1。然后通过信标帧将上述同步信息进行广播，以通知后来加入的设备。其中超帧同步信息包括：信标期持续时间、竞争接入期持续时间、非竞争接入期持续期时间、非活跃期持续时间以及有保证竞争接入周期时长，分别为：t_bop、t_cap、t_cfp、t_inactive和Δt_gcap，超帧同步信息各参数由上层协议决定并结合网络动态变化进行调整。由于设备1加入网络时其他设备还没有加入，此时设备1的一跳邻居设备为空，因此，其有保证竞争接入同步信息只有自己占用的有保证竞争接入周期gcap_1的信息。

第一个加入网络的设备1称之为Mesh网络协调器。设备2，3，……，10依次加入网络。后来加入的设备在经过主动/被动信道扫描后，通过接收网络中已存在设备广播的信标帧，获取信息。

设备2经过主动/被动信道扫描后，只收到设备1的信标帧，通过该信标帧信息，建立如表2所示的有保证竞争接入周期占用情况表。

表2设备2的有保证竞争接入周期占用情况表

 设备2  一跳邻居设备  设备1  一跳邻居设备占用的gcap  gcap_1  一跳邻居的一跳邻居占用的gcap  无

根据表2，设备2选择当前未被占用的gcap_2为自己的有保证竞争接入周期，并通过信标帧广播自己的有保证竞争接入周期占用情况：包括自己的占用的有保证竞争接入周期gcap_2和自己一跳邻居设备的有保证竞争接入周期占用情况gcap_1。

设备3在加入网络时首先进行主动/被动信道扫描，接收到设备1和设备2的信标帧后，根据信标帧携带的同步信息，建立如表3所示的有保证竞争接入周期占用情况表。

表3设备3的有保证竞争接入周期占用情况表

 设备3  一跳邻居设备  设备1，设备2  一跳邻居设备占用的gcap  gcap_1，gcap_2  一跳邻居的一跳邻居占用的gcap  无

根据表3，设备3选择当前未被占用的gcap_3为自己的有保证竞争接入周期，并通过信标帧广播自己的有保证竞争接入周期占用情况：包括自己的占用的有保证竞争接入周期gcap_3和自己一跳邻居设备的有保证竞争接入周期占用情况gcap_1，gcap_2。

设备4，5，6，7，8依次加入网络并按上述方法对竞争接入周期进行多级配置。

当设备9加入网络时，设备9收到其一跳邻居：设备7、设备8的信标帧，并根据该信标帧的信息建立如表4所示的有保证竞争接入周期占用情况表。

表4设备9的有保证竞争接入周期占用情况表

 设备1  一跳邻居设备  设备7，设备8  一跳邻居设备占用的gcap  gcap_3，gcap_7  一跳邻居的一跳邻居占用的gcap  gcap_4，gcap_5

设备9根据以上有保证竞争接入周期占用情况表，选择当前空闲的、除Mesh协调器占用的、起始时间开始最早的有保证竞争接入周期gcap_2为自己的有保证竞争接入周期，并通过自己的信标帧广播自己的竞争接入周期同步信息，广播的同步信息包括：本设备占用的有保证竞争接入周期gcap_2以及本设备的一跳邻居设备的有保证竞争接入周期占用情况gcap_3，gcap_7。

如图4所示，设备按照加入网络的顺序依次建立多级配置的竞争接入周期。先前加入网络的设备在收到后来加入网络设备的信标帧后对自己的有保证竞争接入周期占用情况表进行更新，为后来的数据处理服务。

竞争周期多级配置完成后，设备根据上述建立的有保证竞争接入周期占用情况表以及待发送数据队列，对待发送数据进行处理。

b.对待发送数据的处理方法，此处以设备1为例进行说明：

P1：信标期结束，竞争接入期开始；

P2：有保证竞争接入周期gcap_1开始，由于该gcap被自己占用，设备1进入接收状态，准备接收邻居设备的数据或数据请求，等待当前有保证竞争接入周期结束；

P3：gcap_1结束gcap_2开始，由于gcap_2被设备1的一跳邻居设备2所占有，因此在该gcap时段，设备1首先查看自己的缓存队列里是否有到设备2的数据/数据请求，如果有，则使用非坚持载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，发送数据直到缓存队列里没有给设备2的数据/数据请求或本次gcap结束；否则，进入睡眠状态以节省能量并等待gcap_2结束；

P4：gcap_2结束gcap_3开始，由于gcap_3被设备1的一跳邻居设备3所占用，因此在该gcap时段，设备1首先查看自己的缓存队列里是否有到设备3的数据/数据请求，如果有，则使用非坚持载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，发送数据直到缓存队列里没有给设备3的数据/数据请求或本次gcap结束；否则，进入睡眠状态以节省能量并等待gcap_3结束；

P5：gcap_3结束gcap_4开始，由于gcap_4被设备1的一跳邻居设备4所占用，因此在该gcap时段，设备1首先查看自己的缓存队列里是否有到设备4的数据/数据请求，如果有，则使用非坚持载波侦听多址接入/冲突避免机制竞争信道，发送数据直到缓存队列里没有给设备4的数据/数据请求或本次gcap结束；否则，进入睡眠状态以节省能量并等待gcap_4结束；

P6：gcap_4结束后设备1进入休眠状态，等待竞争接入周期结束；

P7：竞争接入周期结束；

基于上述应用场景，本专利用OPNET仿真了提出的协议，并且与现有的IEEE802.15.4协议进行了比较。仿真中有保证竞争接入周期长度分别去960个symbol和1920个symbol，其中，每个symbol的时间为16us。假设接收状态和发送状态的功率分别为Pr＝35mW和Pt＝31mW^[4]。在IEEE 802.15.4协议中，退避状态的功率忽略不计，CCA以及接收状态的功率为Pr，发送状态的功率为Pt。另外，假设信道是无错的，数据帧的所有错误都是由于碰撞引起的，数据速率为250kbps。仿真结果如图5、6所示。

其中，几个参数的定义如下。

归一化吞吐率：网络吞吐率与数据速率的比值。

归一化的能耗：平均每个包消耗的能量。

由上面仿真结果可以看出，对比于现有的MAC协议，我们提出的算法在增加了一定的时延的代价下极大的优化了能耗状况，尤其是对传输速率较低的场景下，另外，在各种网络负载下，对系统的吞吐率也有明显的提升。因此，我们提出的CAP多级配置方法---GCAP机制，在基于Mesh结构的LR-WAPN网络中有着很高的能耗效率，因此有着十分重要的现实意义。