适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议

摘要

本发明公开了适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议。本协议：1）采用三层网络拓扑结构；2）协议提出了时隙长度分配算法；3）MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理；4）最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制。本发明在提高周期性感知数据传输可靠性的同时，降低了整个网络的能耗和发送时延，以及提高了MAC协议的扩展性。

主权项

适用于工业监测的无线传感器网络自适应MAC协议的确定方法，其特征在于：a.  采用三层网络拓扑结构，所述三层网络拓扑结构由网关节点（1）、簇头节点（2）、冗余簇头节点（3），传感器节点（4）构成，传感器节点（4）负责感知数据，在传感器节点（4）向簇头节点（2）发送数据未成功时，将数据转发给冗余簇头节点（3），再由冗余簇头节点（3）将数据发给簇头节点（2），最后由簇头节点（2）将数据汇聚到网关节点（1）；b.  协议提出了时隙长度分配算法，所述时隙长度分配算法的具体操作步骤如下：（1）通过均值链路质量指示和信号接收强度指示RSSI补偿的方法对链路质量进行估计，通过式：计算出链路质量估计值，其中表示最近一次LQI采样值的重要程度，表示正常环境下RSSI的门限值，表示第k次的LQI采样值，和分别表示第k‑1次和k次的均值LQI；（2）当在以下时，包接收率几乎全为0 ；当在以上时，包接收率几乎全为1；当在之间时包接收率PRR随着的增大而上升，所以通过式预测出数据包成功接收率，其中表示拟合系数；（3）节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间：发送端节点发送时间，访问信道时间，按照比特传输数据的长度字节和1个字节传输时间，数据在无线链路上的传播时间；接收端接收处理数据的时间，接收端回复应答帧的访问时间，应答帧按照比特传输数据的长度字节和1个字节传输时间，数据在无线链路上的传播时间，发送端接收处理应答帧的时间；得出传感器节点完成一次数据发送和接收应答所需的时间，即时隙长度：，当工业现场环境产生干扰影响信道质量时，影响传感器节点传输是访问信道的时间；（4）利用步骤（2）中节点一次发送数据包接收率，则发送数据包接收成功服从几何分布，节点i次数据发送过程中，前i‑1次发送失败，第i次发送成功的概率：，在传感器节点尝试发送的最大次数，计算其数据包接收成功的期望发送次数：；得到节点尝试访问信道的次数：；（5）在传感器节点以及通信链路没有受到环境的干扰时，传感器节点能够在步骤（3）中的传输时间内，完成数据的发送和应答帧的接收；但是在链路质量受到影响时步骤（3）中的访问信道时间和会受到影响，需要重新估算完成数据发送和应答帧接收所需的时间，进而调整时隙长度；根据步骤（4）预测的访问信道次数，调整后时隙长度计算式：；c.  MAC协议在实现过程中的时隙分配帧的设计和传感器节点对时隙分配帧的处理，采用所述的时隙长度分配算法，由簇头广播时隙分配帧给簇内传感器节点分配时隙，传感器节点接收并处理时隙分配帧，具体操作步骤如下：（1）将时隙长度处理成微时隙结构，微时隙的时间长度为，每个传感器节点的时隙长度包含若干个微时隙；（2）簇头广播时隙分配帧；（3）在步骤（2）时隙分配帧的时隙分配段中，第个字节表示传感器节点的微时隙个数；（4）传感器节点在接收到时隙分配帧以后，计算时隙分配段前个字节微时隙个数总和，获得第个字节的值，传感器节点的时隙的时间偏移量为，时隙长度；（5）冗余簇头接收到时隙分配帧后，计算时隙分配段所有字节的微时隙个数总和，冗余簇头在时间后开始向簇头转发数据；d.  最后在该MAC协议中加入传感器节点提前休眠的节能机制；如果传感器节点在分配时隙结束前，完成数据的发送和应答帧的接收，提前进入休眠节省能耗，具体操作步骤如下：（1）传感器节点在相应的时隙起始时刻，开启定时器用于记录活动时间；（2）如果传感器节点发送成功并收到应答帧，获取收到应答帧时刻的计时时间，节点提前进入休眠；（3）如果传感器节点发送成功，未收到应答帧则将数据转发给冗余簇头，转发成功获取计时时间，节点提前进入休眠；转发失败则继续转发直到时隙结束；（4）如果传感器节点在尝试相应的发送次数后仍未发送成功，则将数据转发给冗余簇头，发送成功获取计时时间，节点提前进入休眠；如果仍未发送成功则继续转发直到时隙结束。