[发明专利]支持应急响应的传感器网络动态轮询介质访问控制方法

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