[发明专利]一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络的寿命受到采用电池供电的节点生命期限制，因此在考虑无线传感器网络应用要求的前提下，能量有效性是无线传感器网络设计中首要考虑的基础问题，涉及所有协议层。无线传感器网络的MAC协议处于无线传感器网络协议的底层部分，决定无线信道的使用方式，直接影响无线资源的使用效率、网络吞吐量和时延等重要性能，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。

无线传感器网络能量有限的特点，决定了MAC协议的设计必须以节能为主要目标。传统无线网络的MAC协议要求节点始终唤醒侦听信道，没有考虑节能问题，因此不适合无线传感器网络。为了实现节能，为无线传感器网络设计的许多MAC协议都采用了占空比机制。在基于占空比机制的MAC协议中，节点周期唤醒和睡眠，为了邻居节点能同步唤醒，要求邻居节点要同步，每个节点要维持一个邻居节点的调度表。SMAC是为无线传感器网络提出的基于占空比机制的典型MAC协议，在它的基础上相继提出了TMAC、RMAC、PMAC、ASMAC等多种基于占空比的MAC协议。这类协议不需要网络节点严格的全局时间同步，仅需要局部的同步，具有执行简单、扩展性好及适应拓扑变化能力强等优点；但由于相邻虚拟簇之间调度周期的不同步，使得报文的递送在每跳都存在一个不确定的等待时延，造成报文的多跳递送时延较大且具有不确定性。另外这类协议需要路由协议提供接收节点的地址，增加了控制开销。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法及系统，以解决基于占空比机制MAC协议所存在的不同程度递送时延问题以及需要独立路由协议支撑数据传递所带来的网络控制开销大的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种跨层无线传感器网络MAC协议通信方法，该通信方法包括如下步骤：

1）根据无线传感器网络各节点距离SINK节点的跳距，对各节点分配一相应的等级；

2）将无线传感器网络中的各节点的每个工作周期化分为数据接收时段T_R、数据发送时段T_S和睡眠时段T_sleep，且数据接收时段T_R等于数据发送时段T_S；

3）设置各等级节点的启动工作时间，使相同等级区域的节点周期调度同步，使处于第i等级区域内节点的周期数据发送时段与处于第i-1等级区域内节点的周期数据接收时段相对应，处于第i等级区域内节点的周期数据接收时段与处于第i+1等级区域内节点的周期数据发送时段相对应，其中N为节点所处的最高等级，1≤i≤N-1；

4）当节点处于工作周期的数据接收时段时，设置一个最大空闲侦听时间，在该侦听时间内，判断侦听到的RTS消息内容中节点的等级是否大于该节点的等级，当且仅当RTS消息中包含的节点等级比当前接收节点的等级大1时，则节点在信道空闲时接收信息，否则该节点丢弃该RTS消息直接进入睡眠状态，直至该数据接收时段结束；

5）当节点处于工作周期的数据发送时段且有数据需要发送时，侦听信道并在信道空闲时发送数据，否则节点进入睡眠状态，直至当前周期数据发送时段时间结束。

所述步骤1）中对节点划分等级是通过SINK节点采用洪泛协议向网络中所有节点发送一个StartMessage消息实现的,StartMessage消息中包含一个跳距字段Hop、一个最大跳距信息Hmax、网络开始周期工作的初始时间值t₁及发送该消息时节点当前的时间戳值。

所述各等级节点的启动工作时间为T_im，

T_im＝t₁+(N-i)T_S-R

其中，i为节点所处的等级，T_S-R为节点周期持续接收数据或周期持续发送数据时段的时间，T_R＝T_S＝T_S-R，N为节点所处的最高等级，t₁为网络开始周期工作的初始时间，由网络初始化阶段的工作持续时间确定，

t₁＝t₀+T_g

t₀是网络开始初始化时SINK节点的时间，T_g是网络初始化阶段所使用的时间，由用户设置。