[发明专利]基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法

说明书

本发明是一种基于流量自适应的无线传感器网络S‑MAC协议优化方法，其特点是：包括多因素交叉控制的退避机制、基于流量自适应的占空比机制和基于流量自适应的功率控制机制。具有科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

技术领域

本发明属于无线传感器网络技术领域，涉及一种基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法。

背景技术

介质访问控制(Medium Access Control,MAC)协议是无线传感器网络中的核心技术之一，对传感器网络的性能有较大影响。为了使无线传感器网络节能高效，许多MAC协议被提出。MAC协议协调分配众多节点接入公用的信道，决定了节点的信道获取方式，是决定无线传感器网络系统性能的基础协议之一。同时由于MAC协议直接操作传感器节点的最大能耗部件—射频模块，因而研究高效MAC协议是延长节点生命周期和提高节点工作效率的有效途径。

目前MAC协议主要有三种工作方式：基于竞争的MAC协议、基于预留的MAC协议和混合MAC协议。由于基于竞争的MAC协议采用CSMA(Carrier Sense Multiple Access)方式接入信道，其性能与预留的MAC协议相比，不需要严格的时钟同步，利用的信道带宽窄，信道利用率高，而且在同等条件下，单位时间内发送的数据量多。与混合MAC协议相比，基于竞争的MAC协议能更好地适应簇结构，具有良好的稳定性以及适应性。S-MAC(Sensor MAC)协议是一个非常经典的基于竞争的MAC协议，后续提出的很多MAC协议都是在此协议基础上进行改进的。S-MAC协议通过采用周期性侦听休眠机制，减少空闲侦听所消耗的能量；通过采用流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟；通过采用消息分割和突发传递机制，减少控制消息的开销。因而S-MAC协议具有很好的节能特性，但是它依然存在一些问题，主要体现在：

(1)S-MAC协议采用的是二进制指数退避机制(BEB)，该机制只是简单地根据传输成功与否对竞争窗口进行调节，无法适应网络的动态变化。同时，由于节点在每次成功传输时，竞争窗口复位到最小值，使得该节点在下次传输中相对于其他节点更容易竞争到信道，甚至会造成信道长时间的独占，造成节点之间的不公平，进而影响网络整体的吞吐量。此外，长时间占用信道的节点能量消耗过快，竞争不到信道的节点能耗很少，造成了网络能量消耗的不均匀，严重缩短整体网络的生存周期。

(2)S-MAC协议采用的是固定时间的占空比机制，这是S-MAC协议关键的节能手段之一。但是节点的休眠周期长度是固定的，在网络流量变化的环境中不具有良好的适应性，会导致很多不必要的能量浪费。

(3)S-MAC协议采用的是固定功率发送机制，并没有考虑网络流量对发送功率的影响。如果每一个节点都以很大的功率进行数据的传输，传输距离就会变的相对较远，传输半径内覆盖的节点数目就会有很多，这样会加剧节点之间的冲突，降低数据的传输效率，并造成节点能量的大量浪费。另一方面，如果节点发送功率太小，无线传感器网络的连通性就得不到保证，可能会出现有的传感器节点不能与外界节点进行通信，使得网络性能受到严重影响。

发明内容

本发明的目的是，针对节点竞争信道失败次数、缓冲区队列长度和节点的剩余能量对节点退避时间的影响以及网络平均流量因子对节点占空比和发送功率的影响，提出一种科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期的基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法。

本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于流量自适应的无线传感器网络S-MAC协议优化方法，其特征是，它包括的内容有：多因素交叉控制的退避机制、基于流量自适应的占空比机制和基于流量自适应的功率控制机制，

1)所述的多因素交叉控制的退避机制