[发明专利]一种压缩工作时隙的介质访问控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及一种介质访问控制方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，而无线传感器的供能往往是通过电池作为其能源的，所以如何合理利用以及分配能耗显得至关重要。

介质访问控制(medium access control,MAC)协议是无线传感器网络中一种基础协议。其作用是保证节点正常的数据操作与环境监测的同时尽可能的减少能量消耗，从而极大化网络寿命。在无线传感器网络中，为了减少节点的能量消耗通常采用一种方法是让节点周期性的工作(work)与睡眠(sleep)。由于传感器器节点处于工作状态时的能量消耗是处于睡眠状态时的100倍甚至1000倍。因而为了节省能量，应该尽可能的让节点处于睡眠状态。但是节点处于睡眠会影响其功能，因为节点在睡眠状态时不能对周围环境进行感知与监测，也不能进行数据传输。特别是在分布式无线传感器网络中，每个节点都是独立的决定是否工作还是睡眠。这就有可能造成节点在欲进行数据传输时，节点处于工作时隙与其所有的下一节点的工作时隙没有相交时隙(intersection slot)，从而使得其数据不能向前传输。特别是在占空比(指节点在一个时间周期内处于工作的时间与工作周期长度的比值，duty cycle)比较小的网络中，要保证相邻路由路径的任意二个节点间存在相交的工作时隙是传感器网络介质访问协议设计的重要课题。传感器节点的工作时隙越多，则节点之间相交的工作时隙越多，但节点的工作时隙越多，节点的能量消耗越大，影响网络寿命。反之，降低节点的占空比，虽然能够节省能量，但是有可能导致节点之间没有相交的工作时隙，因而导致路由不能建立。而另一方面，在节点的占空比确定的情况下，不同节点选择工作时隙的方法也影响节点的介质访问协议的性能。不好的节点工作时隙选择方法会导致节点间的相交工作时隙的数量不等，影响数据的传输与网络延迟等问题。因而，设计优秀的节点工作时隙选择方法是一个挑战性的任务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种减少网络延迟、提高网络寿命的用于同步无线传感器网络中压缩工作时隙的介质访问控制(medium access control,MAC)方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种压缩工作时隙的介质访问控制方法，无线传感器网络的每一个节点依据数据到达开始与结束的时间段来安排节点的工作时隙，在节点没有数据操作的时段不安排工作时隙，将节点的Quorum系统时隙集中安排在其需要工作的时间区段,当节点需要数据操作时有充分的Quorum系统时隙,而当不需要数据转发时,节点处于睡眠状态。

上述的介质访问控制方法中，优选的，所述Quorum系统为：对于给定的一个正整数n，以及一个通用集合U＝{0,1,...,n-1},而Q＝{Q₁,Q₂,....Q_q}，即Q是U的子集集合，而Q_i是Q的一个元素，如果满足Q的任意2个元素的交集不为空，即则称Q是通用集合U＝{0,1,...,n-1}下的一个Quorum系统。

基于Quorum系统提供了介质访问协议的方法，其中用的最多的方法是一种grid Quorum方法。在grid Quorum方法中，一个周期被分为n个时隙(slot)，时隙是时间的基本单位。n个时隙按时间顺序被排列成的矩阵。节点A选择其中的m₁行时隙作为工作时隙，节点在这些选择的时隙上保持工作状态(称为Quorum Time Slot(QTS))。而节点B选择矩阵中的m₂列作为工作时隙。这样节点A与节点B必定有m₁×m₂个相交工作时隙(intersection slot)。从而可以保证节点A与节点B之间进行数据通信。显然Quorum系统设计的目标是使得任意2个节点间的相交工作时隙越多，而节点的占空比越小。

上述的介质访问控制方法中，优选的，所述无线传感器网络中奇数环内的节点选择S-clique，偶数环内的节点选择T-clique；所述S-clique为S(n,w,u,m₁)：对于给定的一个正整数n，以及一个通用集合U＝{0,1,...,n-1}；令1≤m₁≤w,S-clique表示为S(p,m)如下式所示：