[发明专利]优化访问无线传感器网络信道的方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络(WSN)，特别涉及一种用于无线传感器网络中的混合MAC协议的优化访问信道的方法。

背景技术

随着“智慧地球”战略被世界各国认可，与其密切相关的物联网成了科技发达国家制定本国发展战略的重点，而WSN作为物联网中不可或缺的部分，正扮演着越来越重要的角色。

如图1所示WSN体系结构，主要由传感器节点、汇聚节点、以及用户组成。其中，无线传感器节点包括：数据采集模块、数据处理模块、无线收发模块以及电源管理模块。数据采集模块设置为采集自然界中的物理量并进行A/D转换，然后通过处理器的I/O接口送入处理器分析、储存并通过压缩处理，送给RF(Radio Frequency)收发模块；无线收发模块设置为对数字信号的调制与解调，保持与其他无线传感器网络节点的通信；整个传感器网络的能量由电源管理模块统一管理。其工作原理为：大量随机撒在监测区域的传感器节点采集环境信息，然后通过无线发送到汇聚节点，汇聚节点可以通过网卡、GPRS、WIFI等多种方式将数据发送到公网，用户可以通过电脑、手机等方式接入公网获取数据，同时也可以将管理控制命令发送到公网，再经过汇聚节点传到无线传感器网络。

在WSN中，介质访问控制(MAC)协议决定了无线信道的访问方式，是保证无线传感器网络通信的关键网络协议。MAC子层位于物理层与网络层之间，主要是为了控制共享信道的接入，建立可靠的点到点、点与多点以及多点之间的网状通信的可靠通信链路技术，而基于单跳、多跳的无线传感器网络首先要解决两个问题：第一，建立网络节点的通信链；第二、实现通信信道的共享，解决节点间数据发送的冲突。MAC协议按照固定分配信道方式和随机竞争信道方式可分为：基于竞争的MAC协议、基于调度的MAC协议、混合协议等。其中“竞争的MAC协议”以带冲突避免的载波侦听多路访问协议(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance：CSMA/CA)为代表，“调度的MAC协议”以时分多址协议(Time Division Multiple Address：TDMA)和频分多址(Frequence Division Multiple Access：FDMA)为代表。

CSMA/CA协议是基于“竞争”方式单独访问信道的无线传感器网络MAC协议，具体采用“按需使用信道”的方式，当需要发送数据时，采用竞争的方式竞争接入信道，当数据发生碰撞时，重新发送数据直至数据成功发送或放弃发送，但是在高负荷的情况下，该协议为了避免碰撞，只能以浪费访问信道的时隙为代价，这样不可避免的使网络节点的时延性能、吞吐量会急剧下降，时延长且拓展性差。

TDMA协议是基于“调度”方式为每个传感器节点分配一定的信道资源，这样当节点需要发送数据时就可不受干扰，使每个节点拥有绝对的“公平性”以及相同“时延性”，但由于每个节点占用不同的时隙，如果在该时隙内，节点没有发送数据，就会使该时隙白白浪费，并且对于新加入的节点，由于没有分配时隙，就不能传输数据，因此，网络吞吐量受到了限制，时延长且扩展性差。

发明内容

针对现有技术存在的各种缺陷，本发明提出一了种能够同时改善时延、容量、能耗、公平、扩展等性能的访问信道的方法及系统。

为此，根据本发明的一个方面，提供了一种基于混合MAC协议的优化访问无线传感器网络信道的方法，其中，所述混合MAC协议是基于CSMA/CA协议与TDMA协议的混合，所述优化访问无线传感器网络信道的方法包括：将高负载的无线传感器网络中的传感器节点分为多个组；所述多个组基于所述混合MAC协议访问所述信道；其中，每个组内的传感器节点采用CSMA/CA协议的竞争方式单独访问所述信道；各组间的传感器节点采用TDMA协议的调度方式共享访问所述信道。

采用本发明所提出的基于混合MAC协议(YB-MAC协议)的优化传感器节点访问信道的方法充分使用了信道来发送数据，能够改善网络的时延性能，提高网络的吞吐量，降低传感器节点能耗，提高访问的公平性，增强访问的扩展性。

在一些实施方式中，所述将高负载的无线传感器网络中的传感器节点分为多个组的步骤包括：根据各个传感器节点接入无线传感器网络时间的不同为每个节点分组；

各组间的传感器节点采用TDMA协议的调度方式共享访问所述信道的步骤包括：当一组传感器的节点基于CSMA/CA协议的竞争方式访问信道时，不属于该组的传感器节点进入睡眠模式，直到属于本组的TDMA协议的同步信号唤醒传感器节点的处理器后，再以CSMA/CA协议竞争的方式访问信道。