[发明专利]一种无线传感器网络多流竞争场景下的数据传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络中优化多流竞争传输的MAC层方法设计，尤其涉及解决低功耗竞争问题的MAC层方法设计。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息，并且发送给观察者。随着无线传感器网络理论和技术的不断成熟，其应用也由最初的军事领域扩张到环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等诸多领域。无线传感器网络的各个节点是由电池供电，由于节点数目庞大和地理位置严峻，电池的频繁更换是不现实的，因此降低各个节点的能耗是无线传感网络设计的主要目标。当面向洪水监控、森林防火等特定应用时，由于某一区域突发事件的产生，网络呈现出一种突发高负载状态。多个节点会在监测到这一事件后向网关节点传输大量数据包，越靠近网关节点处，节点竞争越激烈。在传统的无线传感器网络中，未竞争到信道的节点会一直唤醒等待直到竞争到信道的节点完成传输后放弃信道，所有有数据传输任务的节点会再一次竞争信道。当网络中存在多条竞争流时，这种竞争机制会使得未竞争到信道的节点持续唤醒较长时间，造成节点功耗急剧上升，降低网络性能。因此，在多流竞争场景下尽可能减少竞争节点的唤醒等待时间，降低节点的功耗至关重要。

MAC层处于无线传感器网络协议栈的底层部分，决定了无线信道的使用方式，对无线传感网络性能有极大影响。其主要负责信道接入、控制节点的数据传输对无线共享信道的占用，以及通过一组规则和过程来更有效、有序和公平使用共享信道以保证网络的整体性能，针对特定场景设计适合的MAC协议是解决数据传输问题的有效方法，因此MAC协议是无线传感器网络中最重要的技术之一。

多流竞争是无线传感网络应用中经常存在的问题。针对上述问题，人们提出了多种MAC协议解决方案。在基于TDMA的MAC协议中，不同的用户按照预先分配好的顺序占用信道的办法来共享同一频带，每个用户占用一个周期性重复的时隙。这种接入方式，由于TDMA的发射被时隙化，就要求接收机与每个数据分组保持同步，因此系统需要较高的同步开销。

在基于CSMA的MAC协议中，通常使用二进制指数退避策略解决多流竞争产生的碰撞问题，即当碰撞发生后，每个节点为了降低再次碰撞的概率，等待一个随机时间后再次发送数据。这种方法虽然没有控制开销，但是随着网络中数据流增加，数据包碰撞概率越来越大，消耗能量的同时增加了数据传输延时，使网络性能迅速降低。

发明内容

鉴于上述问题，本发明将针对多流竞争的无线传感网络应用场景，进行低功耗传输的MAC协议设计与实现。本发明的能够避免每次数据帧传输完毕后的重新信道竞争和未竞争到信道节点的持续唤醒等待问题，同时能避免隐藏节点竞争产生的碰撞，降低网络节点的功耗，提升网络性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

1、一种无线传感器网络多流竞争场景下的数据传输方法，采用数据量感知的自适应唤醒机制以及接收节点发放令牌机制。根据接收节点回复的ACK帧指定下一次发送节点的ID号，避免了指定发送节点的随机退避，减少了网络延时，同时根据ACK帧中携带的数据量来设定竞争节点休眠的时长，解决了竞争节点长时间唤醒问题，降低竞争节点的能耗，延长网络寿命。具体为：首先对加入网络的节点进行初始化，发送节点建立接收列表和邻居列表，当接收节点检测到碰撞时，接收节点发送一个带有竞争窗的信标帧，发送节点收到信标帧后做随机退避，竞争到信道的节点发送数据帧，在此数据帧中携带此刻缓存队列中的数据量。接收节点收到数据帧后，回复ACK确认帧，在ACK帧中指定下一次发送节点的ID号和发送节点的数据量。对于收到ACK帧带有的ID号是自己的发送节点不必做竞争退避，立刻发送数据帧，其余未竞争到信道的节点收到ACK帧后根据数据量开启定时器并休眠，等定时器超时后唤醒进行数据的传输。

上述方法具体包括如下步骤：

一种无线传感器网络多流竞争场景下的数据传输方法，分为三个步骤，其特征在于：

步骤a、对加入网络的节点进行初始化，发送节点建立接收列表和邻居列表，当接收节点检测到碰撞时，接收节点发送一个带有竞争窗的信标帧，发送节点收到信标帧后做随机退避，竞争到信道的节点发送数据帧，在此数据帧中携带此刻缓存队列中的数据量；

步骤b、接收节点收到数据帧后，回复ACK确认帧，在ACK帧中指定下一次发送节点的ID号和发送节点的数据量；