[发明专利]一种基于无线传感网MAC层协议的节能方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于WSN的MAC层通信过程节能方法，属于无线传感网技术领域。

背景技术

模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制系统的架构包含了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及解模糊化：

[1].定义变量，也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作。

[2].模糊化，将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，根据适合的语言值(linguistic value)求该值相对的隶属度，此口语化变量称为模糊子集合(fuzzy subsets)。

[3].知识库，包括数据库(data base)与规则库(rule base)两部分，其中数据库提供处理模糊数据的相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。

[4].逻辑判断，模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，得到模糊控制讯号。该部分是模糊控制器的精髓所在。

[5].解模糊化(defuzzify)，将推论所得到的模糊值转换为明确的控制讯号，作为系统的输入值。

无线传感网(WSN)由许多体积很小的传感器节点组成，这些节点是集成了感知、计算、通信和供电等功能模块的小芯片。目前有各种功能的无线传感网，像环境监测、习惯追踪、健康观测、军事监控等，这些网络都需要较长的工作寿命，但是一旦节点的电池耗完，又难以更换电池。

媒体访问控制(MAC)协议用来对接入网络的节点进行控制。对于MAC层协议的研究依次从节省能量、可扩展性、公平性、实时性、网络吞吐量以及信道利用率等几个方面考虑协议的性能。而节省能量成为WSN首先考虑的问题。在WSN中，MAC协议尤其重要，因为如果没有合适的协议控制节点射频芯片适时地唤醒/休眠，就会存在长时间的“空闲监听”，这将导致不必要的能量浪费。理想的WSN是一旦部署就不需要人工干预，通过自组织和自我维护可以工作若干年。因此，对节点能量消耗的严格控制就成了WSN至关重要的研究课题。

现有技术中，IEEE802.11协议组是国际电工电子工程学会(IEEE)为无线局域网络制定的标准，它定义了物理层和媒体访问控制层(MAC层)的标准。IEEE802.11协议应用到无线传感网上存在一定的问题，因为它没有休眠机制，节点一直保持唤醒状态，在空闲监听的时候会有大量的电量被浪费。

SMAC协议是由Ye W等人较早提出的一种基于调度的WSN MAC协议。在该协议中，节点监听一段时间然后休眠，直到计时器计时完毕重新唤醒。节点之间需要同步，每个节点也向邻居节点广播自己的休眠策略，同时保存相邻节点的下一次休眠的信息。尽管SMAC协议能够有效地减少空闲监听的时间从而节省电量，但是监听时间是固定的，与网络中的流量和节点的剩余能量无关。当网络中流量较小时，就可能存在不必要的监听时间；当网络中流量较大时，监听时间又可能嫌短，导致吞吐量降低。尽管监听时间的长短是由用户定义的，但是只能在网络部署初期定义，且以后不可更改，这就无法适应网络流量和节点能量的变化。

发明内容

为了更好地解决上述传感器节点的能耗问题，本发明以SMAC协议基本思想为基础，提出一种根据节点能量变化动态调整节点休眠时间、适应网络流量变化的基于无线传感网MAC层协议的节能方法，本发明用到的相关术语定义及缩略词如下：

WSN/WSNs:Wireless Sensor Networks，无线传感网。

MAC:Medium Access Control，媒体访问控制。

IEEE:Institute of Electrical and Electronics Engineers，电气和电子工程师协会。

SMAC:Sensor Medium Access Control，传感器媒体访问控制。

RTS:Request To Send，请求发送。

CTS:Clear to send，允许发送。

ACK:Acknowledgement，应答。

本发明方法具体包括模糊控制动态调节占空比机制、通知握手机制，其中：

模糊控制动态调节占空比机制具体为：