一種壓縮工作時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，尤其涉及一種介質(zhì)訪問(wèn)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的彼此之間通過(guò)多跳無(wú)線鏈路和通信的傳感器節(jié)點(diǎn)以 自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)線傳感器的供能往往是通過(guò)電池作為其能源 的，所以如何合理利用以及分配能耗顯得至關(guān)重要。
[0003] 介質(zhì)訪問(wèn)控制（medium access control, MAC)協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種基礎(chǔ) 協(xié)議。其作用是保證節(jié)點(diǎn)正常的數(shù)據(jù)操作與環(huán)境監(jiān)測(cè)的同時(shí)盡可能的減少能量消耗，從而 極大化網(wǎng)絡(luò)壽命。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為了減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗通常采用一種方法是讓 節(jié)點(diǎn)周期性的工作（work)與睡眠（sle?。Ｓ捎趥鞲衅髌鞴?jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)時(shí)的能量消耗 是處于睡眠狀態(tài)時(shí)的100倍甚至1000倍。因而為了節(jié)省能量，應(yīng)該盡可能的讓節(jié)點(diǎn)處于睡 眠狀態(tài)。但是節(jié)點(diǎn)處于睡眠會(huì)影響其功能，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)不能對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感 知與監(jiān)測(cè)，也不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。特別是在分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的 決定是否工作還是睡眠。這就有可能造成節(jié)點(diǎn)在欲進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于工作時(shí)隙與 其所有的下一節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙沒(méi)有相交時(shí)隙（intersection slot)，從而使得其數(shù)據(jù)不能 向前傳輸。特別是在占空比（指節(jié)點(diǎn)在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)處于工作的時(shí)間與工作周期長(zhǎng)度的 比值，duty cycle)比較小的網(wǎng)絡(luò)中，要保證相鄰路由路徑的任意二個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在相交的工 作時(shí)隙是傳感器網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議設(shè)計(jì)的重要課題。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙越多，則節(jié)點(diǎn) 之間相交的工作時(shí)隙越多，但節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙越多，節(jié)點(diǎn)的能量消耗越大，影響網(wǎng)絡(luò)壽命。 反之，降低節(jié)點(diǎn)的占空比，雖然能夠節(jié)省能量，但是有可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有相交的工作時(shí) 隙，因而導(dǎo)致路由不能建立。而另一方面，在節(jié)點(diǎn)的占空比確定的情況下，不同節(jié)點(diǎn)選擇工 作時(shí)隙的方法也影響節(jié)點(diǎn)的介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議的性能。不好的節(jié)點(diǎn)工作時(shí)隙選擇方法會(huì)導(dǎo)致節(jié) 點(diǎn)間的相交工作時(shí)隙的數(shù)量不等，影響數(shù)據(jù)的傳輸與網(wǎng)絡(luò)延遲等問(wèn)題。因而，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的節(jié) 點(diǎn)工作時(shí)隙選擇方法是一個(gè)挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服以上【背景技術(shù)】中提到的不足和缺陷，提供一 種減少網(wǎng)絡(luò)延遲、提高網(wǎng)絡(luò)壽命的用于同步無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中壓縮工作時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控 制（medium access control, MAC)方法。
[0005] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種壓縮工作時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控 制方法，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)數(shù)據(jù)到達(dá)開始與結(jié)束的時(shí)間段來(lái)安排節(jié)點(diǎn)的工 作時(shí)隙，在節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)操作的時(shí)段不安排工作時(shí)隙，將節(jié)點(diǎn)的Quorum系統(tǒng)時(shí)隙集中安排 在其需要工作的時(shí)間區(qū)段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要數(shù)據(jù)操作時(shí)有充分的Quorum系統(tǒng)時(shí)隙，而當(dāng)不需 要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。
[0006] 上述的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法中，優(yōu)選的，所述Quorum系統(tǒng)為：對(duì)于給定的一個(gè)正整 數(shù) n，以及一個(gè)通用集合 U = {0, 1，…，n-1}，而 Q = (Q1, Q2,--Qj ,VQe Q λ Qi c U , 即Q是U的子集集合，而％是Q的一個(gè)元素，如果滿足Q的任意2個(gè)元素的交集不為空，即 e 矣 0，則稱 q 是通用集合 u = {〇, 1，...，n-i}下的一個(gè) Quorum 系統(tǒng)。
[0007] 基于Quorum系統(tǒng)提供了介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議的方法，其中用的最多的方法是一種grid Quorum方法。在grid Quorum方法中，一個(gè)周期被分為η個(gè)時(shí)隙（slot)，時(shí)隙是時(shí)間的基 本單位。η個(gè)時(shí)隙按時(shí)間順序被排列成的矩陣。節(jié)點(diǎn)A選擇其中的Hi1行時(shí)隙作為 工作時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在這些選擇的時(shí)隙上保持工作狀態(tài)（稱為Quorum Time Slot (QTS))。而節(jié) 點(diǎn)B選擇矩陣中的m2列作為工作時(shí)隙。這樣節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B必定有m 個(gè)相交工作時(shí) 隙（intersection slot)。從而可以保證節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。顯然Quorum 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使得任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的相交工作時(shí)隙越多，而節(jié)點(diǎn)的占空比越小。
[0008] 上述的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法中，優(yōu)選的，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中奇數(shù)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)選 擇S-clique，偶數(shù)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)選擇T-clique ;所述S-clique為S(n, w, u, Iii1):對(duì)于給定的 一個(gè)正整數(shù)n，以及一個(gè)通用集合U= {0,1,.;
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種壓縮工作時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié) 點(diǎn)依據(jù)數(shù)據(jù)到達(dá)開始與結(jié)束的時(shí)間段來(lái)安排節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙，在節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)操作的時(shí)段 不安排工作時(shí)隙，將節(jié)點(diǎn)的Quorum系統(tǒng)時(shí)隙集中安排在其需要工作的時(shí)間區(qū)段，當(dāng)節(jié)點(diǎn)需 要數(shù)據(jù)操作時(shí)有充分的Quorum系統(tǒng)時(shí)隙，而當(dāng)不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于，所述Quorum系統(tǒng)為：對(duì) 于給定的一個(gè)正整數(shù)n，以及一個(gè)通用集合U= {0, 1，. . .，n-1}，而Q=他，Q2,--Qq},
，即Q是U的子集集合，而％是Q的一個(gè)元素，如果滿足Q的任意2個(gè)元素 的交集不為空，即
則稱Q是通用集合U= {0, 1，. . .，n-1}下的一 個(gè)Quorum系統(tǒng)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 中奇數(shù)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)選擇S-clique，偶數(shù)環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)選擇T-clique;所述S-clique為 S(n,w,u,m):對(duì)于給定的一個(gè)正整數(shù)n，以及一個(gè)通用集合U= {0, 1，. . .，n-1};令 1 ^w,
，S-clique表示為S(p,m)如下式所示：
所述1'_(：11(1脫為1'(11，^1112):對(duì)于給定的一個(gè)正整數(shù)11，以及一個(gè)通用集合。= {0, 1，? ? ?，n-1};令 1 <niiSw,
，T-clique表示為T(n,w,v,m2)如下式所 示：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于，所述S(n,w,u,mJ與 T(n，w，v，m2)中的參數(shù)按以下原則選?。涸O(shè)第i環(huán)節(jié)點(diǎn)的第1次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間是<，最后 一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間是：丨z，則第i環(huán)節(jié)點(diǎn)選取的S(n,w,u,iV和T(n,w,V，m2)參數(shù)應(yīng) 該取
n^，m2依據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載而確 定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，其特征在于，所述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所 有的傳感器節(jié)點(diǎn)部署于一個(gè)圓形區(qū)域，基站節(jié)點(diǎn)位于圓形區(qū)域中心，所有傳感器節(jié)點(diǎn)的分 布符合節(jié)點(diǎn)密度為P的齊次泊松分布，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的選擇工作 時(shí)隙。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種壓縮工作時(shí)隙的介質(zhì)訪問(wèn)控制方法，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)依據(jù)數(shù)據(jù)到達(dá)開始與結(jié)束的時(shí)間段來(lái)安排節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)隙，在節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)操作的時(shí)段不安排工作時(shí)隙，將節(jié)點(diǎn)的Quorum系統(tǒng)時(shí)隙集中安排在其需要工作的時(shí)間區(qū)段,當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要數(shù)據(jù)操作時(shí)有充分的Quorum系統(tǒng)時(shí)隙,而當(dāng)不需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，從而提高了節(jié)點(diǎn)的能量有效利用率,減少了網(wǎng)絡(luò)延遲。理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，于中等規(guī)模的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),本發(fā)明網(wǎng)絡(luò)壽命提高了16％，網(wǎng)絡(luò)延遲減少了9.08％到29.32％，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)具有很好的意義。
【IPC分類】H04W80-02, H04W52-02, H04W84-18
【公開號(hào)】CN104780595
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510133211
【發(fā)明人】龍軍, 劉安豐, 張金煥, 何岸
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日