[发明专利]一种面向无线传感器网络的媒体接入同步周期调度技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种面向无线传感器网络的媒体接入同步周期调度技术，该技术主要用来解决目前无线传感器网络中媒体接入控制机制的问题。在该技术中提出了一种媒体接入控制层同步周期调度算法，定义了特有的帧结构和时隙结构。应用该技术可以有效降低传感器节点能耗，降低信息传输时延，并且易于在实际产品中实现，从而可以推动无线传感器网络技术在各行业中得到实际有效地应用。

背景技术

无线传感器网络的特点是工作节点能量有限，节点工作于单工通信模式，共享通信信道，节点数量大，拓扑呈网状结构。这些特点对媒体接入控制技术有着特殊的要求，包括MAC层能够有效地控制各节点访问无线传输信道，保证足够的网络吞吐量，同时尽量降低能耗、延长网络寿命。

目前的无线传感器网络媒体接入控制方案，主要分为两大类：基于竞争的解决方案和基于调度的解决方案。基于竞争的解决方案以CSMA技术为基础(如IEEE 802.11中的CSMA/CA)，各节点根据自己的需要随机发起数据传输请求，节点间发生随机碰撞冲突的概率很大，浪费了节点的能量，同时降低了网络吞吐量。另外，这类方案同时也要求节点保持较长时间的信道监听状态，以能够实现相邻节点之间的数据转发。一些改进的方法可以降低冲突，但仍然不能有效降低节点能耗。基于调度的解决方案可以有效避免节点间冲突，如基于簇状结构的方法，要求有多个簇头充当调度中心，这对网络的实际应用提出了一定限制，适合于簇状组网的应用。已有基于调度的解决方案通常采用TDMA方式。这种方式可以有效避免冲突，但是对节点间同步提出较严格的要求，并且自组织和可扩展性较弱，这些都限制了其推广应用。

发明内容

为了克服以上这些方案的缺点，本发明涉及一种应用于无线传感器网媒体接入控制层的同步周期调度技术，并详细定义了媒体接入控制流程和处理方法，兼顾低能耗、低传输时延，对应用环境要求较低，从而易于在实际的无线传感器网络产品中实现。

本发明涉及的同步调度媒体访问控制机制中，由于采用时隙划分的方法，避免了节点间的发送冲突，减少了接收等待时间，从而节省节点能量。与其它基于调度的MAC方法相比，本发明技术对节点间同步没有非常严格的要求，并且具有随时更新定时同步的机制，实现较简单。

本发明涉及的同步调度媒体访问控制机制通过定义特有的帧结构和处理流程，使处在活动时隙(主时隙)内的每个节点具有调度功能，既可以发送数据也可以接收数据，也可以接收随机接入的信息。这使得全网实现的是网状网的结构，网络在一个时隙周期内具备簇状网络的调度能力。根据用户配置，为一部分骨干节点分配多个主时隙，而其它节点配置为无主时隙，就可以支持簇状网络应用。按照类似的办法也可以把网络配置为星形、簇形和网状网的混合形式，使得网络的自组织性和可扩展性增强。

以往的基于时隙分配的MAC机制的缺点是，如果当前节点时隙没有使用，也不能被其它节点使用。本发明涉及技术中，主时隙节点在发送期内可以根据需要调整发往不同相邻节点的信息传输的带宽；在接收期内可以分配不同带宽给相邻节点。同样，如果在发送期内发送不完的数据也可以请求目的节点在其主时隙内为本节点分配发送带宽。

本发明涉及的同步调度媒体访问控制机制通过在一个时隙内设立发送和接收周期，在每一个帧周期，每个节点有多次机会向外发送数据，从而大大降低网络时延。

附图说明

图1时隙结构

图2主时隙分配

具体实施方式

本发明涉及技术是基于TDMA技术思想的，对于网络结构没有任何特殊要求。

首先，将无线信道划分为周期性的帧，每一帧中分为若干等长时隙，每个节点可以分配一个或多个时隙。这个(或这些)时隙称为该节点的主时隙；并且，这个(或这些)时隙同时也成为该节点的相邻节点的非主时隙。没有分配到主时隙的节点成为无主时隙节点。

每个节点在主时隙与非主时隙具有不同的工作状态和处理逻辑，参见附图1。

(I)处于主时隙的节点工作过程如下：

1、在保护期1内，发送机打开准备，但并不发送/接收数据。

2、在发送周期内，首先要广播发送同步及调度消息给其相邻节点。调度信息包括：

1)在发送周期内是否将要发送信息给相邻节点。

节点根据发送缓冲区待发送的数据确定哪些相邻节点需要等待接收状态以及其中每个节点所需的接收时间，无信息接收的节点可以进入休眠状态。

2)在接收周期内指定时间期待接收特定相邻节点的信息。