支持应急响应的传感器网络动态轮询介质访问控制方法

摘要

本发明公开一种支持应急响应的传感器网络动态轮询介质访问控制方法，主要解决现有轮询方式接入时延大、带宽利用率低和系统开销大的问题，其实现步骤包括：(1)汇聚节点对工作节点列表进行轮询，先发送下行链路数据，再发送上行链路数据，并捎带发送确认帧，为工作节点动态分配数据包大小和带宽，控制其使用上行链路的时间；(2)汇聚节点通过短帧发送/短帧响应的方式对空闲节点列表轮询；(3)汇聚节点在进行工作节点列表和空闲节点列表的轮询过程中，对突发事件进行抢占式调度。本发明具有系统开销小，时延低，带宽利用率高，并支持突发事件应急响应的优点，适用于对带宽和时延要求较高的无线传感器网络信道接入。

说明书

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及一种无线传感器网络介质访问控制(MAC：Medium Access Control)方法，该方法通过动态轮询方式提升网络性能，并通过抢占式调度算法处理网络中的突发事件，适用于对带宽和时延要求较高的无线传感器网络领域。

背景技术

无线传感器网络(WSN：Wireless Sensor Networks)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知和采集网络覆盖区域中某些特定的物理量，并对所采集的信息进行处理，然后发送给观测者。由于数量众多，传感器节点通常随机投放在监测区域内，并且很难更换电源。通常相邻节点间距离很短，适于采用低功率的多跳通信模式，节省功耗的同时增强了通信的隐蔽性和抗干扰性。由于WSN具有易扩展、自组织、分布式结构、健壮性和实时性等特点，使其在军事、建筑、农业、环境监测、医疗等领域有着传统网络无法比拟的优势，必将开发出许多有价值的应用，同时这些独特要求和制约因素也为WSN的研究提出了新的技术问题。其中介质访问控制(MAC：Medium Access Control)技术决定无线信道的使用方式，影响着无线传感器网络的性能，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络技术之一。

目前，研究比较多的无线传感器网络MAC协议包括基于竞争的MAC协议和基于时间调度的MAC协议两种。S-MAC(Sensor Medium Access Control)是比较典型的基于竞争的MAC协议，它是在IEEE802.11MAC协议的基础上，针对WSN节省能量需求而提出的MAC协议，并采用CSMA/CA机制能有效处理传感器借点隐藏的问题，为网络提供了较好的扩展性，同时通过使节点周期性的侦听和睡眠来减少空闲侦听的能量损耗，但是该协议在数据量较大的情况下不能有效的降低数据之间的碰撞，从而导致平均接入时延的增加。而基于时间调度的MAC协议为每个节点分配了独立的时隙，避免了冲突，不需要过多的控制时隙，但是该机制要求节点间有比较严格的时间同步，网络扩展性比较差。随着无线传感器网络的应用的不断扩大，对时延和能耗的要求也越来越大，因此提出一种适用于低时延，低能耗的适用于无线传感器网络的MAC协议变得十分重要。

轮询MAC是一种广泛应用于蜂窝型或星型拓扑等无线通信网络中的一种介质访问控制技术。当前比较典型的一种轮询MAC协议为DTMP(Disposal Token MACProtocol)，该协议中，汇聚节点周期性的对每个节点发送Poll短轮询帧，节点收到Poll短轮询帧之后，相当于有了令牌，如果有数据需要发送，则向汇聚节点发送数据，如果没有数据需要发送，则发送No Data短响应帧。其优点在于通过合理的调度机制，使信道的带宽利用率达到最优，系统吞吐量达到最大，并使各节点处于无冲突使用信道的工作模式下从而减少接入时延并消除在竞争接入时浪费的带宽。而且由于节点的接入时延及使用带宽是确定的，是可以预测的，所以可以通过节点业务特点为节点分配不同的系统资源以保证如平均接入时延、使用带宽等QoS参数。然而，由于WSN本身的特殊性和局限性，传统的轮询MAC并不适用于无线传感器网络中。

所述传统的DTMP轮询MAC协议存在以下缺陷：

1传统的DTMP轮询方式中，对每个节点都会发送同样的轮询帧，然而由于节点的业务类型不同，带宽需求不同，有的需要发送数据，有的则不需要发送数据，有的数据量大，有的则数据量小，因此如果为每个节点进行同样的轮询会造成带宽的浪费。

2传统的DTMP轮询方式中，当工作节点收到汇聚节点的轮询命令后首先发送上行数据之后才接收下行数据，这种工作方式将使传感器节点的射频进行接收-＞发送-＞接收三次切换，射频切换频繁；另外，传统的轮询MAC方式中，需要专门的发送确认帧，传输效率较低，系统开销较大。

3传统的DTMP轮询方式不能够很好的处理网络中的突发数据业务，突发事件节点接入时延大，不能得到及时处理，因此突发事件处理能力差，服务质量低。

发明内容

本发明的目的是避免传统轮询MAC协议的不足，提出一种支持应急响应的无线传感器网络动态轮询介质访问控制方法，从而高效合理的利用带宽资源，提高系统吞吐量和降低平均接入时延，并能及时处理网络突发事件。

实现本发明目的的技术方案是通过在现有DTMP协议的基础上进行改进而得到，具体步骤包括如下：

1)对工作节点列表轮询步骤

1a)汇聚节点按照工作节点列表依次发送Poll短轮询帧，并根据工作节点业务类型动态控制工作节点数据包大小和个数，以控制工作节点对上行链路的使用时间，提高网络带宽利用率；

1b)当轮询到某个工作节点时，若上行链路和下行链路都有数据需要发送，则汇聚节点在发送Poll短轮询帧后，首先向被轮询节点发送下行链路的数据，再由工作节点向汇聚节点发送上行链路数据，并捎带发送确认帧ACK，以减少节点射频切换次数，降低系统开销；

2)对空闲节点列表轮询步骤

2a)汇聚节点对空闲节点列表依次发送Poll短轮询帧，查询节点在下一时刻是否有数据需要发送，若空闲节点没有数据需要发送，则发送No Data短响应帧；若有数据需要发送，则空闲节点向汇聚节点发送Have Data短响应帧；

2b)若汇聚节点收到Have Data短响应帧，则将该空闲节点从空闲列表中删除并将其添加到工作列表中，使空闲节点成为工作节点，该工作节点按照步骤1)在下一个对工作节点列表轮询的过程中发送和接收数据；

3)对突发事件进行抢占式调度步骤

3a)汇聚节点按照步骤1)和步骤2)对节点列表轮询，当未被轮询的某个节点发生突发事件时，通过事件驱动中断发送“最后完成时限”的事件通知广播帧，汇聚节点接收到广播帧后，指定该突发事件节点为下一个待轮询节点，并在当前节点被轮询完后处理该突发事件，之后汇聚节点继续按照原节点列表依次进行轮询；

3b)汇聚节点按照步骤1)和步骤2)对节点列表轮询，当未被轮询的多个节点发生突发事件时，这些节点通过事件驱动中断发送事件通知广播帧，汇聚节点接收到广播帧后，将突发事件按照“最后完成时限”分为不同接入优先级，建立一个按照突发事件“最后完成时限”排序的主队列，并在当前节点被轮询完后依次处理主队列突发事件；

3c)汇聚节点在轮询主队列的过程中，若产生新的突发事件，则将其放入辅助队列，辅助队列按照与主队列相同的方式对节点进行排序，直到主队列中的事件处理完后，处理辅助队列中的事件；当处理辅助队列突发事件时，若再有新突发事件发生，则放入主队列，以避免后发生的突发事件因“最后完成时限”比先发生的突发事件早，而抢先被处理的“插队”现象。

与传统的DTMP轮询方式相比，本发明具有以下优点：

1、本发明的汇聚节点参照节点下一时刻状态，将节点分为工作节点列表和空闲节点列表；对于工作节点列表，汇聚节点根据工作节点的业务类型为其动态分配相应的数据包长度和个数，以限制工作节点使用上行链路的时间；对于空闲节点列表，汇聚节点采用短帧轮询，短帧响应的方法进行轮询，相对于传统方法，提高了带宽利用率。

2、本发明的汇聚节点对工作节点列表轮询，在工作节点在收到轮询帧后，其射频只需要进行接收和发送两次切换，并且采用了捎带技术来发送确认帧，提高了传输效率，减少了系统开销。

3、本发明的汇聚节点按照最后完成时限对突发事件设定优先级，并按优先级将突发事件节点放入主队列和辅助队列中，进行抢占式调度，降低了平均接入时延，保证了服务质量。

附图说明

图1是本发明采用的场景模型图；

图2是本发明支持应急响应的动态轮询总流程图；

图3是本发明对工作节点列表的轮询示意图；

图4是本发明对空闲节点列表的轮询示意图；

图5是本发明对主队列突发事件调度示意图；

图6是本发明对辅助队列突发事件调度示意图。

具体实施方式

本发明采用的网络模型如图1所示，传感器节点通过一跳接入汇聚节点维护的网络，并通过IEEE 802.15.4中的关联/去关联原语向汇聚节点发送关联/去关联请求；汇聚节点处理传感器节点的关联/去关联请求，将成功关联的传感器节点加入所维护的节点列表，并为其分配节点短地址，令节点短地址简化为正整数表示，将去关联的传感器节点从节点列表中删除；汇聚节点依据传感器节点的工作状态将节点划分为工作节点和空闲节点，并将其分别放入工作节点列表和空闲节点列表中，不同的类型的传感器节点对数据包大小和带宽的需求不同，令汇聚节点维护N+M个节点，其中工作节点列表中包括N个节点，短地址分别为：1、2、3、4、...、i、...、N；空闲节点列表中包括M个节点，短地址分别为：N+1、N+2、...、j、...、N+M。

汇聚节点周期性的对工作节点列表和空闲节点列表进行轮询，每一个轮询周期分为工作期和休眠期两部分：在工作期，汇聚节点对节点列表进行轮询，收集数据；在休眠期，节点关闭射频接收器，以减少由于空闲监听产生的能量消耗；

参照图2，本发明支持应急响应的传感器网络动态轮询介质访问控制方法，就是在工作期由汇聚节点对工作节点列表进行轮询和对空闲节点列表进行轮询，具体步骤如下：

步骤1：汇聚节点对工作节点列表轮询。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

1a)汇聚节点按照工作节点列表依次轮询，以节点短地址表示的轮询次序为：1-＞2-＞3-＞4-＞...-＞i-＞...-＞N，这里i表示节点短地址，取值范围为1≤i≤N；当汇聚节点轮询到某个节点时，以节点i为例，汇聚节点判断节点i业务类型为“实时”或“普通”，若节点i业务类型为“实时”，则为节点i分配较高的数据包大小和个数；若节点i业务类型为“普通”，则为其分配较低的数据包大小和个数；节点i按照该数据包大小和个数向汇聚节点发送上行链路数据；

若节点i希望更新数据包大小和个数，则在汇聚节点向节点i发送轮询帧后，通过上行链路向汇聚节点发送更新请求；汇聚节点收到更新请求之后，根据系统资源情况决定是否批准该请求，并在下一个轮询周期，通过下行链路向节点i发送请求应答；若节点i收到的应答信息为“批准”，则按照新的数据包大小和个数使用上行链路，否则，按照原数据包大小和个数使用上行链路；

1b)当汇聚节点轮询某个工作节点时，以节点1为例，下行链路和上行链路都没有数据发送，则汇聚节点向节点1发送Poll+No Data轮询帧，节点1向汇聚节点发送No Data响应帧，之后汇聚节点开始轮询下一节点；如果工作节点连续两次向汇聚节点发送No Data响应帧，则汇聚节点将该节点从工作节点列表删除，放入到空闲节点列表中；

1c)当汇聚节点轮询某个工作节点时，以节点2为例，只有上行链路有数据发送，则汇聚节点向节点2发送Poll+No Data轮询帧，节点2向汇聚节点发送上行链路数据帧，汇聚节点收到节点2的数据帧后，向节点2发送ACK Data确认帧，之后汇聚节点开始轮询下一节点；

1d)当汇聚节点轮询某个工作节点时，以节点3为例，只有下行链路有数据发送，则汇聚节点向节点3发送Poll+Data轮询帧，随后向节点3发送下行链路数据帧，节点3向汇聚节点发送ACK Data+No Data确认帧，汇聚节点开始轮询下一节点；

1e)当汇聚节点轮询某个工作节点时，以节点4为例，下行链路和上行链路都有数据发送，则汇聚节点向节点4发送Poll+Data轮询帧，随后向节点4发送下行链路数据帧，节点4向汇聚节点发送上行链路数据，并捎带发送ACK Data确认帧，汇聚节点向节点4发送ACK Data确认帧，汇聚节点开始轮询下一个节点；

1f)当汇聚节点轮询完某个工作节点，以节点i为例，如果接收到突发事件广播帧，则有突发事件发生，汇聚节点执行步骤3对突发事件进行抢占式调度；否则轮询下一个工作节点i+1；

1g)当汇聚节点轮询完节点N后，则对工作节点列表的轮询完毕，汇聚节点开始执行步骤2对空闲节点列表进行轮询；

步骤2：汇聚节点对空闲节点列表轮询。

参照图4，本步骤的具体实现如下：

2a)汇聚节点按照空闲节点列表依次轮询，以节点短地址表示的轮询次序为：N+1-＞N+2-＞...-＞j-＞...-＞N+M，这里j表示节点短地址，取值范围为N+1≤j≤N+M；汇聚节点对空闲节点发送短轮询帧，查询空闲节点下一时刻是否有数据发送；

2b)当汇聚节点轮询到节点N+1时，该节点没有数据发送，节点N+1向汇聚节点发送No Data短响应帧，汇聚节点轮询节点N+2；

2c)当汇聚节点轮询到节点N+2时，该节点有数据发送，节点N+2向汇聚节点发送Have Data短响应帧，汇聚节点将节点N+2从空闲节点列表中删除，并将节点N+2加入到工作节点列表中，汇聚节点轮询下一个空闲节点；

2d)当汇聚节点轮询完某个空闲节点，以节点j为例，如果接收到突发事件广播帧，则有突发事件发生，汇聚节点执行步骤3对突发事件进行抢占式调度，否则轮询下一个空闲节点j+1；

2e)当汇聚节点轮询完节点N+M后，则对空闲节点列表的轮询完毕，汇聚节点开始返回步骤1对工作节点列表进行轮询；

步骤3：汇聚节点对突发事件进行抢占式调度。

3a)参照图5，当汇聚节点轮询节点1时，节点3和节点5发生突发事件，节点3和节点5分别通过事件驱动中断发送广播信息，广播信息包括突发事件的最后完成时限，汇聚节点接收到广播信息后，按照最后完成时限将节点3和节点5的突发事件分为不同优先级：这里假设节点3的最后完成时限较早，节点5的最后完成时限较晚，因此节点3的突发事件优先级高于节点5的突发事件优先级；

汇聚节点建立一个先入先出主队列，将优先级高的突发事件节点3放入主队列前面，将优先级低的突发事件节点5放入主队列后面；汇聚节点轮询完节点1后，立即轮询主队列，先轮询主队列中的节点3，再轮询主队列中的节点5，汇聚节点处理完主队列突发事件后，轮询节点2；

汇聚节点对网络中的节点轮询次序为：1-＞3-＞5-＞2-＞4...-＞N-＞N+1-＞N+2-＞...-＞M；

3b)参照图6，当汇聚节点轮询主队列中的节点5时，节点N和节点N+2发生突发事件，节点N和节点N+2分别通过事件驱动中断发送广播信息，广播信息包括突发事件的最后完成时限，汇聚节点接收到广播信息后，按照最后完成时限将节点N和节点N+2的突发事件分为不同优先级：这里假设节点N的最后完成时限较早，节点N+2的最后完成时限较晚，因此节点N的突发事件优先级高于节点N+2的突发事件优先级；

汇聚节点建立一个先入先出辅助队列，将优先级高的突发事件节点N放入辅助队列前面，将优先级低的突发事件节点N+2放入辅助队列后面；汇聚节点轮询完主队列后，立即轮询辅助队列，先轮询辅助队列中的节点N，再轮询辅助队列中的节点N+2，汇聚节点处理完辅助队列突发事件后，轮询节点4；

汇聚节点对网络中的节点轮询次序为：1-＞3-＞5-＞N-＞N+2-＞2-＞4...-＞N+1-＞...-＞M。