[发明专利]无线传感器网络的媒体访问控制协议

说明书

技术领域

本发明关于一种媒体访问控制协议，尤其是关于一种无线传感器网络的媒体访问控制协议。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Networks——WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集中的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。

最大化节省能量、提高能量效率一直以来就是无线传感器网络致力解决的关键问题。在无线传感器网络中，数据通信消耗的能量占所有能量消耗的绝大部分，而MAC层是无线传感器网络节点中直接进行数据通信处理的部分。因此，如何提高MAC层的能量利用效率是无线传感器网络实际应用中的关键问题。

目前，已经产生了一些以提高能量效率为目标的MAC协议，它们主要是通过极小化节点用于空闲侦听的时间来降低能量消耗，这些协议通常可划分为两类工作方式：请求唤醒方式和计划唤醒方式。

采用请求唤醒方式的协议一般采用“带外信令”技术，例如，STEM协议、PAMAS协议等，通常需要一个专门的信道来传送控制信号，即：采用请求唤醒方式的协议一般通过额外申请，为控制信令的传送订制专门的信道，从而实现控制信令和用户数据的传送分离，这样，控制信令就可以通过专门的控制信道进行传送，而无需唤醒处于睡眠状态的数据传输信道，这样数据传输信道就可以长时间保持在睡眠状态，从而达到节省能量消耗的目的，然而增加其他的信道就意味着硬件成本的增加，这就有可能导致其超出无线传感器网络的成本控制，而变的不适合于无线传感器网络运用。

对于采用计划唤醒方式的协议，根据它们的工作方式不同，又可进一步划分为同步工作方式和异步工作方式。典型的异步方案协议，如B-MAC协议，采用“带内信令”的方案，一般仅需要简单的通过一条信道就能实现控制信令和用户数据的传送，但它同时也必须面对数据传送过程中的最糟糕分组转发延时问题。

和异步工作方式不同的，同步工作方式的协议通常会引入TDMA和占空比分配方案，基于TDMA的协议，例如：SMACS和LEACH协议，这两种协议通过引入TDMA技术在提高节点能量使用效率方面具备了与生俱来的优势，但因为TDMA技术本身的缺陷，使得这两种协议也不可避免的有着自身的不足。首先，基于TDMA的协议，都不可避免的要实现网络中各节点的时间同步，而要对全网节点，尤其是大规模的网络，实现这种同步非常困难，条件难以保证。此外，当有新的节点成员加入到或离开网络，要动态调整各节点帧长非常困难，而且时槽也需要重新分配。

S-MAC协议是最早建立在传统802.11协议基础之上提出占空比的基本协议。它包括四个基本阶段：侦听和睡眠期、碰撞避免、侦听避免和消息传送。S-MAC协议通过在节点没有信息传送的时候，将节点推入睡眠态而实现了能量的节省。但它仍存在以下几个不足：首先，在一个多跳的网络内，其端到端数据转发延迟呈线性增加。第二，全网范围内的时间同步耗时过长，可能会存在多个时间计划的情况而造成更多的空闲侦听时间；最后，没有通信任务，在一个活跃期后，节点将转入睡眠状态(如图1所示)，然而，当节点在睡眠太执行数据传送任务，并完成任务后仍有时间结余的情况下，节点将继续空闲侦听而不是睡眠，直到本睡眠期结束(如图2所示)，从而仍存在不必要的空闲侦听能量浪费。

发明内容

为克服上述传统无线传感器网络媒体访问控制协议(MAC)设计上的不足，本发明的主要目的在于提供一种无线传感器网络的媒体访问控制协议(E-MAC)，其通过增加睡眠窗口来使用于空闲侦听的时间进一步降低，节省了能量；增加数据发送窗口实现单轮工作周期中的数据发送量的增加，并且用两次握手机制代替初次数据发送时的四次握手机制，从而在高网路数据流量出现时，动态调整单轮工作周期中数据发送窗口的占空比，使得本发明的无线传感器网络在没有显著提高能量开销的前提下，网络数据吞吐量的得到了极大的提高。

为达上述及其它目的，本发明一种无线传感器网络的媒体访问控制协议，包括同步、侦听/睡眠期、碰撞避免期及数据传送期，该媒体访问控制协议对该睡眠期包括主动睡眠与被动睡眠两种模式，，其中，该主动睡眠模式增加一主动睡眠窗口，当节点结束该睡眠期的通信任务时，若该睡眠期还有时间剩余，则该节点仍又进入睡眠态的窗口，直至下一侦听期的到来。