面向鏈?zhǔn)綗o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合介質(zhì)訪問控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具體地說是一種面向鏈?zhǔn)綗o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合介質(zhì) 訪問控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用。輸電線路監(jiān)測、鐵路監(jiān)測、地鐵監(jiān)測、邊境監(jiān)測 等應(yīng)用，具有分散性大、距離長、難W維護等特點。之前較廣泛采用的周期性人工、直升機、 機器人巡檢的方式，不僅需要高開銷、高勞動強度，也難于持續(xù)地對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測。為 此，基于網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)成為該類應(yīng)用實現(xiàn)的必然。然而，基于有線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)具有布 設(shè)困難、成本高、維護不便等問題。那么，基于無線技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)是未來的發(fā)展趨勢。但 是，GSM、WIMAX、CDMA等移動通信技術(shù)，對于全方位的監(jiān)測系統(tǒng)來說依舊過于昂貴，因此該些 現(xiàn)有的系統(tǒng)僅用于部分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)W其實時在線、大面積覆蓋、自配置自 組織、低成本、靈活、維護方便等優(yōu)點，成為該類應(yīng)用的首選技術(shù)。
[0003] 對于上述輸電線路監(jiān)測、鐵路監(jiān)測、地鐵監(jiān)測、邊境監(jiān)測等應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 通常部署在無人值守的區(qū)域，更換電池困難，電池成本較高。為此，低能耗成為該類無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的首要需求。系統(tǒng)一般要求電池供電的簇首和簇成員可W工作5年W上。此外， 該類應(yīng)用對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實時性也提出了要求。W智能電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) (SupervisoiyControlandDataAcquisition,SCADA)為例，數(shù)據(jù)米集周期通常為 4 ~8 砂，特別當(dāng)異常事件或警告產(chǎn)生時，需要及時傳輸?shù)奖O(jiān)控中也。
[0004] 介質(zhì)訪問控制（MediaAccessControl,MAC)方法直接管理無線通信資源的合理 使用，成為決定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵技術(shù)。輸電線路監(jiān)測、鐵路監(jiān)測、地鐵監(jiān)測、邊境 監(jiān)測等應(yīng)用的特點，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計需要面臨如下挑戰(zhàn)：
[0005] ?上述應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常呈現(xiàn)鏈?zhǔn)交蚓€型，但同時還具有局 部密集的特點。W輸電線路為例，大部分傳感器架設(shè)于培桿之上或者接近培桿的區(qū)域，整個 被密集布設(shè)的區(qū)域直徑不超過10米，僅有少量傳感器布設(shè)在跨度200~1000米之間的輸 電線上，如舞動監(jiān)測傳感器。鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大量部署密集的局部區(qū)域。局部密集特性凸 顯了隱藏終端問題。
[0006] ?上述應(yīng)用中通常產(chǎn)生兩類數(shù)據(jù)；周期性監(jiān)測數(shù)據(jù)W及報警、網(wǎng)絡(luò)控制、系統(tǒng)查 詢、配置等非周期性數(shù)據(jù)。對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)工作周期劃分為有大量周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆泵r期 W及僅少量非周期數(shù)據(jù)傳輸?shù)目臻e時期。如何面對網(wǎng)絡(luò)時變的網(wǎng)絡(luò)流量特性W及復(fù)雜的非 均衡性，在節(jié)能的同時保證實時性是另一個難題。
[0007] 現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)路MAC協(xié)議還無法滿足上述應(yīng)用需要，具體表現(xiàn)在；（1)采用時 分多路訪問（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)的方式能夠有效避免隱藏終端問題， 應(yīng)對繁忙時期的傳輸。但面向鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如何設(shè)計有效的TDM機制，在低能耗前 提下保證網(wǎng)絡(luò)的實時性，研究剛剛起步。（2)現(xiàn)有面向網(wǎng)狀、低數(shù)據(jù)率等特點的無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，如X-MAC、SMAC、TMAC等，協(xié)議的實時性取決于接收方的占空比，僅從數(shù)據(jù)率 看可w應(yīng)對實時性要求較低的非周期性數(shù)據(jù)的傳輸。因此，如何保證周期性數(shù)據(jù)傳輸?shù)母?實時性W及緊急數(shù)據(jù)的傳輸成為了一個挑戰(zhàn)性難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對現(xiàn)有面向鏈?zhǔn)交蛘呔€型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議研究中，存在的無法 有效保障低能耗和高實時性的缺陷，針對MC協(xié)議如何在自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量特性的前提下， 滿足節(jié)能、實時性能需求，避免隱藏終端問題，調(diào)整簇首和簇成員角色W達到節(jié)能和實時性 之間的平衡該H個問題，提出了一種面向鏈?zhǔn)綗o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混合介質(zhì)訪問控制方法， 旨在使簇首簇首和簇成員能夠及時響應(yīng)請求，簇成員能夠盡可能地節(jié)省能量，從而在節(jié)能 的同時，滿足系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)實時性的苛刻要求。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種面向鏈?zhǔn)綗o線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的混合介質(zhì)訪問控制方法，
[0010] 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要同時發(fā)送數(shù)據(jù)的簇首和簇成員達到一定比例時，采用 時分訪問控制PipelinedTDMA，包括W下步驟：
[0011] 簇內(nèi)收集階段：每個時隙內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)中部分簇首收集后繼簇中所有簇成員的傳感數(shù) 據(jù)；
[0012] 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段：簇首轉(zhuǎn)發(fā)收集到的傳感數(shù)據(jù)；
[0013] 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要同時發(fā)送數(shù)據(jù)的簇首和簇成員沒有達到所述比例時， 采用競爭訪問控制S-XMAC，即基于位置信息的喚醒時間調(diào)度；根據(jù)簇首和簇成員在網(wǎng)絡(luò)中 的地理位置，有次序地喚醒各簇首和簇成員。
[0014] 所述后繼簇為遠(yuǎn)離Sink的方向，當(dāng)前簇首的相鄰簇首。
[0015] 所述部分簇首為；令簇的跳數(shù)表示為hop,
[0016]1)第一個時隙內(nèi)的部分簇首為3%hop==0的簇首，即從遠(yuǎn)離匯聚簇首和簇成員 Sink方向的第3個簇首計起，每隔2個簇首的簇首；
[0017]2)第二個時隙內(nèi)的部分簇首為3%hop==2的簇首，即第一個時隙內(nèi)的部分簇首向 靠近Sink方向的相鄰簇首的集合；
[0018]3)第H個時隙內(nèi)的部分簇首為3%hop==l的簇首，即第二個時隙內(nèi)的部分簇首向 靠近Sink方向的相鄰簇首的集合。
[0019] 所述簇內(nèi)收集階段和/或數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段需要H個時隙完成網(wǎng)絡(luò)傳輸調(diào)度并使所 有簇成員與相鄰簇同時發(fā)送的數(shù)據(jù)不產(chǎn)生碰撞。
[0020] 所述每個簇成員發(fā)送數(shù)據(jù)的過程包括：
[0021] 將時隙二次等分為多個小時隙；
[0022] 基于地址命名算法的小時隙分配過程；簇成員按照ad化值從小到大的順序選擇 相應(yīng)的小時隙發(fā)送數(shù)據(jù)；
[0023] 所述acMr值為；簇成員加入網(wǎng)絡(luò)時，被分配的簇內(nèi)地址acMrG[l，Ni]，其中Ni表 示第i個簇內(nèi)的簇成員的數(shù)量。
[0024] 所述數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段的實現(xiàn)過程為；簇首被分配連續(xù)的多個時隙，并利用該連續(xù)時 隙發(fā)送多個數(shù)據(jù)包。
[0025] 所述S-XMAC的實現(xiàn)過程為：
[0026]每個簇首和簇成員按照占空比Tduty_wie周期性休眠和喚醒；
[0027] 待發(fā)送數(shù)據(jù)的簇首不立即啟動射頻發(fā)送前導(dǎo)碼，而是比目的接收端的簇喚醒時間 提前^^/，,胃,《。時間發(fā)送包含發(fā)送端和目的接收端的簇首地址信息的前導(dǎo)碼；
[0028] 前導(dǎo)碼發(fā)送完成后，待發(fā)送數(shù)據(jù)的簇首等待來自目的接收端的簇首的前導(dǎo)確認(rèn)響 應(yīng)ACK，重復(fù)此過程直到收到ACK后，發(fā)送數(shù)據(jù)；
[0029] 接收端周期性地喚醒；若在喚醒期間，收到包含簇首地址信息的前導(dǎo)碼后，判斷前 導(dǎo)碼中的目的接收端地址信息和自身是