專利名稱：：一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是涉及一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法。
背景技術(shù)：
：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，能廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能空間、醫(yī)療系統(tǒng)和機(jī)器人開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信道接入控制(MAC，MediumAccessControl)協(xié)議是決定無(wú)線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的通信資源和保障無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。傳感器節(jié)點(diǎn)由于受成本和體積的限制，通常采用能量有限的電池供電，然而，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)的供電電池耗盡時(shí)，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，傳感器節(jié)點(diǎn)又通常隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，并且工作環(huán)境通常比較惡劣，為傳感器節(jié)點(diǎn)充電或更換電池不切實(shí)際，而且多數(shù)應(yīng)用環(huán)境要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠長(zhǎng)久連續(xù)工作。因此，最大限度節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，除此之外，在很多應(yīng)用中如環(huán)境監(jiān)測(cè)等，低延時(shí)也是重要的性能因素?，F(xiàn)有的應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議大致可以分為兩大類:基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議和基于調(diào)度的MAC協(xié)議?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)需維護(hù)，且所有的傳感器節(jié)點(diǎn)共享狀態(tài)信息，彼此之間相對(duì)獨(dú)立地競(jìng)爭(zhēng)無(wú)線信道，因此能夠提供很好的可擴(kuò)展性。但隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率的增大，這種基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議會(huì)使得數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生很高的數(shù)據(jù)碰撞、空閑監(jiān)聽(tīng)以及串音，從而造成很大的能量浪費(fèi)。自適應(yīng)睡眠的S-MAC(Self-organizingMAC)協(xié)議是在802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的一個(gè)典型的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，其主要采用周期性監(jiān)聽(tīng)/睡眠的低占空比工作方式，鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)商一致的睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，減少傳感器節(jié)點(diǎn)的空閑監(jiān)聽(tīng)；利用虛擬物理載波監(jiān)聽(tīng)機(jī)制及RTS/CTS(R叫uestToSend，請(qǐng)求發(fā)送/ClearToSend，清除發(fā)送)通信機(jī)制來(lái)避免數(shù)據(jù)碰撞和串音。然而由于在S-MAC協(xié)議中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的占空比都相同，這種固定的占空比不能隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量變化而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，為了滿足最高通信負(fù)載而使用較高的占空比，這將導(dǎo)致在低流量負(fù)載的情況下造成很大的能量浪費(fèi)，且增加數(shù)據(jù)傳送的延時(shí)?；谡{(diào)度的MAC協(xié)議，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)度來(lái)預(yù)約不同的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，能有效減少數(shù)據(jù)碰撞的產(chǎn)生，并且能夠使傳感器節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙盡可能處于睡眠狀態(tài)，具有很好的能效。然而，這種基于調(diào)度的MAC協(xié)議需要比較嚴(yán)格的時(shí)間同步，會(huì)帶來(lái)很大的管理開(kāi)銷，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性也較差，且數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)具有較大的延時(shí)。TRAMA(Tra伍c-AdaptiveMediumAccess)協(xié)議是基于調(diào)度的MAC協(xié)議之一，其將調(diào)度周期分為隨機(jī)接入和分配接入兩部分，基于各傳感器節(jié)點(diǎn)流量信息的分布式選舉算法來(lái)完成時(shí)隙的分配，能達(dá)到一定的吞吐量和公平性，可有效避免隱藏終端引起的數(shù)據(jù)碰撞。但TRAMA協(xié)議的數(shù)據(jù)延時(shí)較大，計(jì)算頻繁復(fù)雜且要求具有非常精確的時(shí)鐘同步。此外，現(xiàn)有的MAC協(xié)議大部分都只適應(yīng)于單一應(yīng)用且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，不能滿足支持多應(yīng)用的如融合多種數(shù)據(jù)采集和事件監(jiān)測(cè)等，要求能夠支持大數(shù)據(jù)流量且能夠提供低延時(shí)服務(wù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種在高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)下具有低能量消耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)和接收所述的傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的包含有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包的基站節(jié)點(diǎn)，所述的基站節(jié)點(diǎn)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)，所述的基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)輸入?yún)?shù)選取基本時(shí)幀長(zhǎng)度，并將所述的基本時(shí)幀長(zhǎng)度進(jìn)行全網(wǎng)廣播；各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)局部節(jié)點(diǎn)密度和所述的基本時(shí)幀長(zhǎng)度選取自己的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度；所述的時(shí)幀結(jié)構(gòu)包括時(shí)隙預(yù)約階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。在所述的時(shí)隙預(yù)約階段所述的傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制預(yù)約時(shí)隙。在所述的時(shí)隙預(yù)約階段所述的傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用路徑預(yù)約機(jī)制預(yù)約多跳時(shí)隙。所述的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度為所述的基本時(shí)幀長(zhǎng)度的整數(shù)倍。所述的輸入?yún)?shù)包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)產(chǎn)生均值速率和最大突發(fā)速率；所述的節(jié)點(diǎn)密度為各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；所述的局部節(jié)點(diǎn)密度包括自己的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目和自己的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。所述的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)位長(zhǎng)為所述的數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，所述的時(shí)隙分配狀態(tài)字段的每一狀態(tài)位對(duì)應(yīng)一個(gè)傳輸時(shí)隙，指示所述的傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，所述的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述的時(shí)隙分配狀態(tài)字段選擇空閑傳輸時(shí)隙進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約；所述的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)接收調(diào)度表，所述的接收調(diào)度表中的信息包括源節(jié)點(diǎn)地址、預(yù)約的傳輸時(shí)隙的編號(hào)和數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，所述的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述的接收調(diào)度表中的信息在相應(yīng)的傳輸時(shí)隙接收數(shù)據(jù)包。所述的數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)為所述的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度與所述的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)之差。所述的單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制預(yù)約時(shí)隙的具體過(guò)程為在所述的時(shí)隙預(yù)約階段，發(fā)送節(jié)點(diǎn)査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段并選擇最小的空閑傳輸時(shí)隙通過(guò)CSMA/CA(CarrierSenseMulti-Access/CollisionAvoidance,載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免)機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含有該空閑傳輸時(shí)隙的編號(hào)的RTS(RequestToSend,請(qǐng)求發(fā)送)請(qǐng)求包，目的節(jié)點(diǎn)在接收到RTS請(qǐng)求包后査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，檢査相應(yīng)的傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，如果未被預(yù)約，則目的節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè)CTS(ClearToSend,清除發(fā)送)反饋包，同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)設(shè)置該傳輸時(shí)隙對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位并在自己的接收調(diào)度表中添加一個(gè)相應(yīng)條目，如果已被預(yù)約，則目的節(jié)點(diǎn)不反饋任何信息；當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)未收到CTS反饋包時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙預(yù)約階段結(jié)束前根據(jù)自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段繼續(xù)預(yù)約下一個(gè)空閑傳輸時(shí)隙。所述的路徑預(yù)約機(jī)制預(yù)約多跳時(shí)隙的具體過(guò)程為在所述的時(shí)隙預(yù)約階段，在待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位；發(fā)送節(jié)點(diǎn)査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段并選擇最小的空閑傳輸時(shí)隙通過(guò)CSMA/CA(CarrierSenseMulti-Access/CollisionAvoidance,載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免)機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道向路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含有該空閑傳輸時(shí)隙的編號(hào)且設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位的RTS請(qǐng)求包，目的節(jié)點(diǎn)在接收到RTS請(qǐng)求包后査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，檢査相應(yīng)的傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，如果未被預(yù)約，則目的節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè)設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位的CTS反饋包，并利用捎帶機(jī)制在CTS反饋包中捎帶自己向下一跳節(jié)點(diǎn)預(yù)約具有更大編號(hào)的傳輸時(shí)隙的信息；路徑上收到CTS反饋包的其余節(jié)點(diǎn)利用同樣的捎帶機(jī)制繼續(xù)向自己的目的節(jié)點(diǎn)預(yù)約時(shí)隙，直到預(yù)約過(guò)具有最大編號(hào)的傳輸時(shí)隙或時(shí)隙預(yù)約階段結(jié)束為止。定義具有不同實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度且互為鄰居的兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)，將該兩個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)分別記為i和j，邊界節(jié)點(diǎn)i的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)分別記為丄,和《，邊界節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)分別記為^和i"其中丄,<—，邊界節(jié)點(diǎn)游自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段延長(zhǎng)(￡」，￡,)位，在邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j同時(shí)進(jìn)入時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j分別提前預(yù)留出自己的當(dāng)前調(diào)度周期中自己處于數(shù)據(jù)傳輸階段而對(duì)方節(jié)點(diǎn)將處于時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)隙，邊界節(jié)點(diǎn)i采用更小的競(jìng)爭(zhēng)窗口優(yōu)先發(fā)送一個(gè)預(yù)約第一個(gè)到第(^-i,)個(gè)時(shí)隙的廣播包，邊界節(jié)點(diǎn)j發(fā)送一個(gè)預(yù)約第(A-&+1)到第(丄,+《)個(gè)時(shí)隙的廣播包，當(dāng)邊界節(jié)點(diǎn)i進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j分別將自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段向左移動(dòng)丄,位和(A-A+/,)位后重新當(dāng)作自己的新的時(shí)隙分配狀態(tài)字段來(lái)進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約；當(dāng)邊界節(jié)點(diǎn)j進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j采用與邊界節(jié)點(diǎn)i進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段相同的方式獲得自己的新的時(shí)隙分配狀態(tài)字段。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于基站節(jié)點(diǎn)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)，這樣傳感器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)調(diào)度來(lái)預(yù)約不同的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，不僅減少了高密度監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的沖突概率，提高了無(wú)線信道的利用率，而且有效地避免無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)串音以及收發(fā)器頻繁的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使傳感器節(jié)點(diǎn)在空閑傳輸時(shí)隙盡可能處于睡眠狀態(tài)，大大降低了高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)條件下能量的浪費(fèi)，具有很好的能效；路徑預(yù)約機(jī)制可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)幀同步特性，在時(shí)隙預(yù)約階段沿?cái)?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方向提前預(yù)約多跳時(shí)隙，有效避免了單個(gè)數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上因間歇傳遞數(shù)據(jù)包帶來(lái)的端到端的傳輸延時(shí)；時(shí)幀的邊界節(jié)點(diǎn)采用融合各個(gè)不同的時(shí)幀結(jié)構(gòu)調(diào)度方式的方法，使得邊界節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)幀結(jié)構(gòu)的時(shí)隙預(yù)約階段都處于喚醒狀態(tài)，有效地避免了因使用不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)而引起的時(shí)幀重疊現(xiàn)象，從而避免了數(shù)據(jù)碰撞，同時(shí)能夠使數(shù)據(jù)包從一個(gè)時(shí)幀結(jié)構(gòu)區(qū)域快速轉(zhuǎn)入另一個(gè)使用不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)區(qū)域，有效降低了數(shù)據(jù)包的傳輸延時(shí)；此外，本發(fā)明特別適合大規(guī)模高負(fù)載且要求提供低能耗、低時(shí)延服務(wù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多跳通信傳輸應(yīng)用領(lǐng)域。圖1為兩個(gè)具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)的循環(huán)示意圖2為傳感器節(jié)點(diǎn)采用本發(fā)明方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的平均睡眠率比較示意圖3為傳感器節(jié)點(diǎn)采用本發(fā)明方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下全網(wǎng)能量消耗比較示意圖4為傳感器節(jié)點(diǎn)采用本發(fā)明方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的網(wǎng)絡(luò)吞吐量比較示意圖5為傳感器節(jié)點(diǎn)采用本發(fā)明方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的數(shù)據(jù)包端到端的傳輸延時(shí)比較示意圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常包括多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)是否有事件發(fā)生，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到某事件發(fā)生時(shí)，通過(guò)信道接入控制方法將監(jiān)測(cè)到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式傳送給基站節(jié)點(diǎn)。在本發(fā)明的信道接入控制方法中，基站節(jié)點(diǎn)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)，時(shí)幀結(jié)構(gòu)也稱調(diào)度周期，基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)輸入?yún)?shù)選取合適的基本時(shí)幀長(zhǎng)度，并將基本時(shí)幀長(zhǎng)度進(jìn)行全網(wǎng)廣播；各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)局部節(jié)點(diǎn)密度和基本時(shí)幀長(zhǎng)度選取自己的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度。實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度為基本時(shí)幀長(zhǎng)度的整數(shù)倍。在此具體實(shí)施例中，輸入?yún)?shù)包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)產(chǎn)生均值速率和最大突發(fā)速率；節(jié)點(diǎn)密度為各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；局部節(jié)點(diǎn)密度包括自己的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目及自己的一瑕輸居節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目?；竟?jié)點(diǎn)通過(guò)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目可獲得基本時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。本發(fā)明和現(xiàn)有的基于調(diào)度的MAC協(xié)議一樣，將時(shí)幀結(jié)構(gòu)(即調(diào)度周期)分成時(shí)隙預(yù)約和數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段，在時(shí)隙預(yù)約階段，主要采用了單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制預(yù)約單跳時(shí)隙，即傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道，并通過(guò)發(fā)送RTS/CTS包同目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)商來(lái)預(yù)約時(shí)隙。通過(guò)CSMA/CA機(jī)制能減少高密度監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的沖突概率，能提高無(wú)線信道的利用率；同時(shí)有效地避免了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)串音、數(shù)據(jù)碰撞以及收發(fā)器頻繁的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，大大降低了高負(fù)載網(wǎng)絡(luò)條件下能量的浪費(fèi)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立階段，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后將順序執(zhí)行以下幾個(gè)步驟鄰居發(fā)現(xiàn)、本地時(shí)幀長(zhǎng)度協(xié)商和全局時(shí)鐘同步。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，除非網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生重大變化，否則各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)不重復(fù)上述步驟。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后首先開(kāi)始一個(gè)簡(jiǎn)單的鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)周期性廣播Ping消息包將自己當(dāng)前的一跳鄰居列表發(fā)送給自己的一跳鄰居，在仿真實(shí)驗(yàn)中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以選擇1秒為周期隨機(jī)接入信道發(fā)送Ping消息包，持續(xù)15秒的時(shí)間，通過(guò)這一過(guò)程，一跳鄰居得到自己的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目并發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)接收到的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目為節(jié)點(diǎn)密度，將節(jié)點(diǎn)密度作為基站節(jié)點(diǎn)選取基本時(shí)幀長(zhǎng)度A。^的輸入?yún)?shù)之一?；緯r(shí)幀長(zhǎng)度、^及具有基本時(shí)幀長(zhǎng)度^。^的基本幀對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)長(zhǎng)及^￡和同步周期5，^的值，都將由基站節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)建立初期根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署情況和實(shí)際的應(yīng)用需求計(jì)算選取的，并將結(jié)果進(jìn)行全網(wǎng)廣播。本發(fā)明的基本時(shí)幀長(zhǎng)度iA。iic的取值范圍可由式￡toc-2尸驗(yàn)U1-和丄w-^C尸離她[U1+Z^f1—確定，得到基本時(shí)幀長(zhǎng)度"。"c的取值范圍為^~~,7《U-"~。其中，4為數(shù)據(jù)產(chǎn)生均值速率，P,^為最大突發(fā)速率；^'為每個(gè)slot的時(shí)長(zhǎng)，slot為調(diào)度周期的最小單位；"為兩跳內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行傳輸時(shí)隙申請(qǐng)的同步率，節(jié)點(diǎn)密度越大可同時(shí)進(jìn)行傳輸時(shí)隙申請(qǐng)的傳感器節(jié)點(diǎn)越多；"為選擇某一相同時(shí)幀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)密度浮動(dòng)因子；*為基本時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目，A^,￡=2^Af,，M,、M。V(;，，M,。^為基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的全網(wǎng)各傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目求得的平均節(jié)點(diǎn)密度，《表示節(jié)點(diǎn)密度為M,.的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比重?；編瑢?duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)長(zhǎng)/^_值的大小要求滿足傳感器節(jié)點(diǎn)有充足的時(shí)間對(duì)個(gè)傳輸時(shí)隙進(jìn)行預(yù)約申請(qǐng)，即i^人ww-/C,,，尺,為一個(gè)傳輸時(shí)隙可完成的申請(qǐng)次數(shù)，《=1=-^--其中，^自為完成一次時(shí)鵬/Z服S+^adro#+^7S+,C7S+隙預(yù)約所需要的總時(shí)間；k^為分布式協(xié)調(diào)DFS的最短時(shí)間間隔；^^#為平均退避時(shí)間；Zffre為發(fā)送RTS請(qǐng)求包所需的發(fā)送時(shí)間；？CTS為發(fā)送CTS反饋包所需的發(fā)送時(shí)間；為分布式協(xié)調(diào)DFS的最短幀間間隔。在具體的仿真實(shí)驗(yàn)中可將控制包(即RTS請(qǐng)求包或CTS反饋包)設(shè)置為15個(gè)字節(jié)，通信帶寬設(shè)置為100Kbps，每個(gè)slot的時(shí)長(zhǎng)^。,設(shè)置為50ms，則&re=,cra=15x8/100幻，戸=1.2toj;最短時(shí)間間隔&附=0.6ms，平均退避時(shí)間^。^-3ms，最短幀間間隔&w-0.2ms，從而可得到&=8。注意到當(dāng)反饋CTS反饋包的傳感器節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，可以利用捎帶機(jī)制在CTS反饋包攜帶時(shí)隙預(yù)約信息，從而可進(jìn)一步增大&值?；編瑢?duì)應(yīng)的同步周期A一由公式^c4M/(A^,j鄉(xiāng))計(jì)算得到，其中，4m表示最大的可接受時(shí)鐘偏移，；^力表示傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘偏移率，W^為基本時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目，Wto=J^M,，M,、M。V，，M。^^為基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的全網(wǎng)各傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目求得的平均節(jié)點(diǎn)密度，《表示節(jié)點(diǎn)密度為M,的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)占總節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的比重。考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度可能與自己的鄰居節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度相差較大，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在鄰居發(fā)現(xiàn)過(guò)程之后進(jìn)行本地時(shí)幀長(zhǎng)度協(xié)商修改自己的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度，最終確定自己的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度，即最終確定自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)i得到的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目為M,，若M,"L碼/乂^」+^乂^，其中/為選擇某一相同時(shí)幀結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)密度浮動(dòng)因子，仏a^為基本時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目，則傳感器節(jié)點(diǎn)i最終選擇LM,./^^」F作為自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)，符號(hào)"L」"為向下取整符號(hào)，否則，最終選擇「M,/A^JF作為自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)，符號(hào)"「1"為向上取整符號(hào)，并周期性地向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播自己的最終確定的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)信息，鄰居節(jié)點(diǎn)將收到的此信息記錄在自己的鄰居時(shí)幀結(jié)構(gòu)表中。如果某傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)有三個(gè)或三個(gè)以上的鄰居節(jié)點(diǎn)選擇了更長(zhǎng)的時(shí)幀結(jié)構(gòu)nF時(shí)，則把自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)更改為nF并進(jìn)行更新廣播；如果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有鄰居節(jié)點(diǎn)與自己選擇的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)相同時(shí)，則將自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)更改為與自己所選的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)最相近的鄰居節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)，并同樣進(jìn)行更新廣播。經(jīng)過(guò)多個(gè)調(diào)度周期后全網(wǎng)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)都將最終確定好自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)NF(N=1，2，...)，而具有最終確定好自己的實(shí)際工作時(shí)幀結(jié)構(gòu)的實(shí)際幀對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)長(zhǎng)為NU(N=1，2，…)。全局時(shí)鐘同步可直接采用現(xiàn)有的任意成熟的全局時(shí)鐘同步機(jī)制，將全網(wǎng)所有的傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘都調(diào)整為統(tǒng)一的相同時(shí)間。在本地時(shí)幀長(zhǎng)度協(xié)商之后，傳感器節(jié)點(diǎn)i最終確定了自己的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度丄,和自己的實(shí)際幀對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)/,.，在本發(fā)明中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)位長(zhǎng)為數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，時(shí)隙分配狀態(tài)字段的每一狀態(tài)位對(duì)應(yīng)一個(gè)傳輸時(shí)隙，指示該傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)該時(shí)隙分配狀態(tài)字段選擇空閑傳輸時(shí)隙進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約；數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)為傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)之差，如傳感器節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)為(A-《)。此外，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)接收調(diào)度表，接收調(diào)度表中的信息主要包括源節(jié)點(diǎn)地址、預(yù)約的傳輸時(shí)隙的編號(hào)、轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)該接收調(diào)度表中的信息在相應(yīng)傳輸時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)包的接收。在時(shí)隙預(yù)約階段，通過(guò)單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制預(yù)約時(shí)隙的具體過(guò)程為假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)i有數(shù)據(jù)包要向傳感器節(jié)點(diǎn)j發(fā)送，傳感器節(jié)點(diǎn)i首先査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，選擇最小的未分配的空閑傳輸時(shí)隙通過(guò)CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道向傳感器節(jié)點(diǎn)j發(fā)送一個(gè)包含有該空閑傳輸時(shí)隙的編號(hào)的RTS請(qǐng)求包，傳感器節(jié)點(diǎn)j在收到此RTS請(qǐng)求包后，同樣?xùn)丝醋约旱臅r(shí)隙分配狀態(tài)字段，檢查相應(yīng)的傳輸時(shí)隙是否己被預(yù)約，如果未被預(yù)約，則向傳感器節(jié)點(diǎn)i反饋一個(gè)CTS反饋包，同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)設(shè)置該傳輸時(shí)隙對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位并在自己的接收調(diào)度表中添加一個(gè)相應(yīng)條目；如果該時(shí)隙已被預(yù)約，則傳感器節(jié)點(diǎn)j不反饋任何信息；傳感器節(jié)點(diǎn)i若沒(méi)收到CTS反饋包，則在時(shí)隙預(yù)約階段結(jié)束前根據(jù)自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段繼續(xù)預(yù)約下一個(gè)未被占用的空閑傳輸時(shí)隙。傳感器節(jié)點(diǎn)i和傳感節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)收到RTS請(qǐng)求包或CTS反饋包時(shí)，會(huì)根據(jù)RTS請(qǐng)求包或CTS反饋包中所預(yù)約的傳輸時(shí)隙設(shè)置自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段相應(yīng)的狀態(tài)位，指示該傳輸時(shí)隙已被鄰居節(jié)點(diǎn)預(yù)約。這樣，在數(shù)據(jù)傳輸階段，傳感器節(jié)點(diǎn)可在各自預(yù)約的傳輸時(shí)隙中進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，時(shí)幀結(jié)構(gòu)(即調(diào)度周期)中未分配的空閑傳輸時(shí)隙則都處于睡眠狀態(tài)。在時(shí)隙預(yù)約階段，本發(fā)明也可以采用除單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制外的其他方法進(jìn)行預(yù)約時(shí)隙。為避免單個(gè)數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上因間歇傳遞數(shù)據(jù)包帶來(lái)的端到端的傳輸延時(shí)，本發(fā)明提出了路徑預(yù)約機(jī)制，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)幀同步特性，在時(shí)隙預(yù)約階段沿?cái)?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方向?yàn)閱蝹€(gè)數(shù)據(jù)提前預(yù)約多跳時(shí)隙。通過(guò)路徑預(yù)約機(jī)制預(yù)約多跳時(shí)隙的具體過(guò)程為首先在待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中增加一表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)i監(jiān)測(cè)到某事件發(fā)生，傳感器節(jié)點(diǎn)i將査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段并選擇最小的空閑傳輸時(shí)隙通過(guò)CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道向路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含有該空閑傳輸時(shí)隙的編號(hào)且設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位的RTS請(qǐng)求包，假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)j收到此RTS請(qǐng)求包，如果傳感器節(jié)點(diǎn)j的時(shí)隙分配狀態(tài)字段中的相應(yīng)狀態(tài)位未被占用，將反饋一個(gè)同樣設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位的CTS反饋包給傳感器節(jié)點(diǎn)i，并利用捎帶機(jī)制在CTS反饋包中捎帶自己向下一跳節(jié)點(diǎn)預(yù)約具有更大編號(hào)的傳輸時(shí)隙的信息；路徑上收到設(shè)置有事件標(biāo)志位的CTS反饋包的的其余節(jié)點(diǎn)利用同樣的捎帶機(jī)制繼續(xù)向自己的目的節(jié)點(diǎn)預(yù)約時(shí)隙，直到預(yù)約過(guò)具有最大編號(hào)的傳輸時(shí)隙或時(shí)隙預(yù)約階段結(jié)束為止，這樣一個(gè)數(shù)據(jù)包在一個(gè)實(shí)際幀循環(huán)中可被連續(xù)前傳多跳，有效降低了數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的延時(shí)。經(jīng)過(guò)該實(shí)際幀的數(shù)據(jù)傳輸階段后，最后收到設(shè)置有事件標(biāo)志位的數(shù)據(jù)包的傳感器節(jié)點(diǎn)將在下一個(gè)時(shí)隙預(yù)約階段采用相同的方式進(jìn)行路徑預(yù)約，從而可快速地將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點(diǎn)。捎帶機(jī)制為目的節(jié)點(diǎn)在向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋CTS反饋包時(shí)在CTS反饋包中捎帶了目的節(jié)點(diǎn)自己向下一跳節(jié)點(diǎn)預(yù)約傳輸時(shí)隙的信息，省去了目的節(jié)點(diǎn)向自己的下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTS請(qǐng)求包過(guò)程。由于在本發(fā)明中使用了具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)(即調(diào)度周期)，在一個(gè)多跳的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，使用不同時(shí)幀長(zhǎng)度交界處的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)處于不同時(shí)幀結(jié)構(gòu)的調(diào)度中，出現(xiàn)時(shí)幀重疊的現(xiàn)象。假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)i和傳感器節(jié)點(diǎn)j互為鄰居，傳感器節(jié)點(diǎn)i和傳感器節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)各分別為^、及,、^.、/;，且L,《L,，傳感器節(jié)點(diǎn)i和傳感器節(jié)點(diǎn)j的時(shí)幀結(jié)構(gòu)循環(huán)如圖1所示，從圖1中可以看出傳感器節(jié)點(diǎn)i在時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)j卻可能處于數(shù)據(jù)傳輸階段，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)碰撞并且傳感器節(jié)點(diǎn)i無(wú)法向傳感器節(jié)點(diǎn)j預(yù)約時(shí)隙。為了解決時(shí)幀重疊帶來(lái)的問(wèn)題，本發(fā)明采用了如下方法定義具有不同實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度且互為鄰居的兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)，即圖1中的傳感器節(jié)點(diǎn)i和傳感器節(jié)點(diǎn)j都為邊界節(jié)點(diǎn)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j將融合不同的時(shí)幀結(jié)構(gòu)的調(diào)度方式，即邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j在對(duì)方的時(shí)隙預(yù)約階段中也將處于喚醒狀態(tài)，對(duì)于選擇更短的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度^的邊界節(jié)點(diǎn)i將自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段延長(zhǎng)(i^-A)位，這樣邊界節(jié)點(diǎn)i的時(shí)隙分配狀態(tài)字段能夠同時(shí)標(biāo)識(shí)邊界節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度~的時(shí)隙預(yù)約情況。如圖1，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j同時(shí)進(jìn)入時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j都將分別提前預(yù)留出自己的當(dāng)前調(diào)度周期中自己處于數(shù)據(jù)傳輸階段而對(duì)方節(jié)點(diǎn)將處于時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)隙；邊界節(jié)點(diǎn)i采用更小的競(jìng)爭(zhēng)窗口優(yōu)先發(fā)送一個(gè)預(yù)約第一個(gè)到第(^-/,)個(gè)時(shí)隙的廣播包，邊界節(jié)點(diǎn)j發(fā)送一個(gè)預(yù)約第(丄,-^+1)到第(丄,-^+《)個(gè)時(shí)隙的廣播包。當(dāng)邊界節(jié)點(diǎn)i進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j分別將自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段向左移動(dòng)丄,位和(4-^+《)位后重新當(dāng)作自己的新的時(shí)隙分配狀態(tài)字段來(lái)進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約。當(dāng)邊界節(jié)點(diǎn)j進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j采用與邊界節(jié)點(diǎn)i進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段相同的方式獲得自己的新的時(shí)隙分配狀態(tài)字段。如果邊界節(jié)點(diǎn)i在某次調(diào)度周期中要進(jìn)行時(shí)鐘同步，則邊界節(jié)點(diǎn)j采用相同的方式將同步的時(shí)隙預(yù)留出來(lái)。這種方法能夠避免時(shí)幀重疊區(qū)域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)碰撞現(xiàn)象，同時(shí)邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j能夠進(jìn)行不被間斷的正常時(shí)隙申請(qǐng)，使數(shù)據(jù)包能從一個(gè)時(shí)幀結(jié)構(gòu)(即調(diào)度周期)區(qū)域快速轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)入另一個(gè)使用不同實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)的區(qū)域中，有效降低了傳輸延時(shí)。更小的競(jìng)爭(zhēng)窗口用于避免數(shù)據(jù)碰撞而設(shè)置的一段隨機(jī)接入信道的空閑時(shí)間段。下面將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本發(fā)明的信道接入控制方法與現(xiàn)有的自適應(yīng)睡眠的S-MAC和自適應(yīng)能量的T-MAC(Timeout-MAC)協(xié)議在能量消耗、網(wǎng)絡(luò)吞吐量和數(shù)據(jù)包端到端的傳輸延時(shí)等性能上進(jìn)行比較。在仿真實(shí)驗(yàn)中，44個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在250mx250m的監(jiān)測(cè)區(qū)域隨機(jī)部署，基站節(jié)點(diǎn)部署在右邊界的中間。在仿真實(shí)驗(yàn)中不考慮數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的動(dòng)態(tài)路由算法，而直接采用固定的路由；實(shí)驗(yàn)環(huán)境中仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>圖2給出了本發(fā)明的方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的平均睡眠率的比較，從圖2中可以看出本方法比S-MAC和T-MAC協(xié)議提供了更長(zhǎng)的睡眠機(jī)會(huì)，本方法的單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制和路徑預(yù)約機(jī)制有效地避免了串音及空閑監(jiān)聽(tīng)的產(chǎn)生，減少了傳感器節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)與睡眠狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使傳感器節(jié)點(diǎn)處于更多的睡眠狀態(tài)，在高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)下效果更為明顯。但是在低負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)下，由于本方法的占空比為20%，而S-MAC協(xié)議的占空比為10%，T-MAC協(xié)議的占空比更低，造成本方法在低負(fù)載網(wǎng)絡(luò)條件下的睡眠率較低。圖3給出了本發(fā)明的方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下全網(wǎng)的能量消耗的比較，從圖3中可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，本方法與S-MAC和T-MAC協(xié)議相比，具有更好的節(jié)能效果，但在低負(fù)載的情況下T-MAC協(xié)議具有更好的能效。圖4給出了本發(fā)明的方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下網(wǎng)絡(luò)吞吐量變化的比較，從圖4中可以看出本方法具有更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量，這是由于引入了不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)，實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度為基本時(shí)幀長(zhǎng)度的整數(shù)倍，并采用基于調(diào)度的方式將時(shí)幀結(jié)構(gòu)分成時(shí)隙預(yù)約與數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)階段，在時(shí)隙預(yù)約階段有數(shù)據(jù)包發(fā)送的傳感器節(jié)點(diǎn)充分預(yù)約空閑傳輸時(shí)隙，可有效提高信道的利用率，增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境中隨機(jī)選取最左邊區(qū)域的三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，假設(shè)這三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均監(jiān)測(cè)到有事件發(fā)生，圖5顯示了在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，本發(fā)明的方法與現(xiàn)有的S-MAC和T-MAC協(xié)議在不同的數(shù)據(jù)發(fā)送速率下，選取的三個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到基站節(jié)點(diǎn)的端到端平均延時(shí)的比較。從圖5中可以看到相比S-MAC和T-MAC協(xié)議，由于本發(fā)明中每個(gè)調(diào)度周期(即時(shí)幀結(jié)構(gòu))都為數(shù)據(jù)包提前預(yù)約多個(gè)時(shí)隙，因此，能夠提供穩(wěn)定的更低延時(shí)的數(shù)據(jù)包傳輸服務(wù)。權(quán)利要求1、一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)和接收所述的傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的包含有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包的基站節(jié)點(diǎn)，其特征在于所述的基站節(jié)點(diǎn)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)，所述的基站節(jié)點(diǎn)根據(jù)輸入?yún)?shù)選取基本時(shí)幀長(zhǎng)度，并將所述的基本時(shí)幀長(zhǎng)度進(jìn)行全網(wǎng)廣播；各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)局部節(jié)點(diǎn)密度和所述的基本時(shí)幀長(zhǎng)度選取自己的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度；所述的時(shí)幀結(jié)構(gòu)包括時(shí)隙預(yù)約階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于在所述的時(shí)隙預(yù)約階段所述的傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制預(yù)約時(shí)隙。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于在所述的時(shí)隙預(yù)約階段所述的傳感器節(jié)點(diǎn)之間釆用路徑預(yù)約機(jī)制預(yù)約多跳時(shí)隙。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于所述的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度為所述的基本時(shí)幀長(zhǎng)度的整數(shù)倍。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于所述的輸入?yún)?shù)包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度、數(shù)據(jù)產(chǎn)生均值速率和最大突發(fā)速率；所述的節(jié)點(diǎn)密度為各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目；所述的局部節(jié)點(diǎn)密度包括自己的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目和自己的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的兩跳內(nèi)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。6、根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于所述的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)位長(zhǎng)為所述的數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，所述的時(shí)隙分配狀態(tài)字段的每一狀態(tài)位對(duì)應(yīng)一個(gè)傳輸時(shí)隙，指示所述的傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，所述的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)所述的時(shí)隙分配狀態(tài)字段選擇空閑傳輸時(shí)隙進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約；所述的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)接收調(diào)度表，所述的接收調(diào)度表中的信息包括源節(jié)點(diǎn)地址、預(yù)約的傳輸時(shí)隙的編號(hào)和數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，所述的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)所述的接收調(diào)度表中的信息在相應(yīng)的傳輸時(shí)隙接收數(shù)據(jù)包。7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)傳輸階段的時(shí)長(zhǎng)為所述的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度與所述的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)之差。8、根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于所述的單跳時(shí)隙預(yù)約機(jī)制預(yù)約時(shí)隙的具體過(guò)程為在所述的時(shí)隙預(yù)約階段，發(fā)送節(jié)點(diǎn)査看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段并選擇最小的空閑傳輸時(shí)隙通過(guò)CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含有該空閑傳輸時(shí)隙的編號(hào)的RTS請(qǐng)求包，目的節(jié)點(diǎn)在接收到RTS請(qǐng)求包后查看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，檢查相應(yīng)的傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，如果未被預(yù)約，則目的節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè)CTS反饋包，同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)設(shè)置該傳輸時(shí)隙對(duì)應(yīng)的狀態(tài)位并在自己的接收調(diào)度表中添加一個(gè)相應(yīng)條目，如果已被預(yù)約，則目的節(jié)點(diǎn)不反饋任何信息；當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)未收到CTS反饋包時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙預(yù)約階段結(jié)束前根據(jù)自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段繼續(xù)預(yù)約下一個(gè)空閑傳輸時(shí)隙。9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于所述的路徑預(yù)約機(jī)制預(yù)約多跳時(shí)隙的具體過(guò)程為在所述的時(shí)隙預(yù)約階段，在待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位；發(fā)送節(jié)點(diǎn)查看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段并選擇最小的空閑傳輸時(shí)隙通過(guò)CSMA/CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道向路徑上的下一跳節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)包含有該空閑傳輸時(shí)隙的編號(hào)且設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位的RTS請(qǐng)求包，目的節(jié)點(diǎn)在接收到RTS請(qǐng)求包后查看自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段，檢査相應(yīng)的傳輸時(shí)隙是否已被預(yù)約，如果未被預(yù)約，則目的節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)反饋一個(gè)設(shè)置有表示要求快速轉(zhuǎn)發(fā)的事件發(fā)生標(biāo)志位的CTS反饋包，并利用捎帶機(jī)制在CTS反饋包中捎帶自己向下一跳節(jié)點(diǎn)預(yù)約具有更大編號(hào)的傳輸時(shí)隙的信息；路徑上收到CTS反饋包的其余節(jié)點(diǎn)利用同樣的捎帶機(jī)制繼續(xù)向自己的目的節(jié)點(diǎn)預(yù)約時(shí)隙，直到預(yù)約過(guò)具有最大編號(hào)的傳輸時(shí)隙或時(shí)隙預(yù)約階段結(jié)束為止。10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，其特征在于定義具有不同實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度且互為鄰居的兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)，將該兩個(gè)邊界節(jié)點(diǎn)分別記為i和j，邊界節(jié)點(diǎn)i的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)分別記為丄,和《，邊界節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際工作時(shí)幀長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)長(zhǎng)分別記為^和A，其中丄,<~，邊界節(jié)點(diǎn)i將自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段延長(zhǎng)(^-i,)位，在邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j同時(shí)進(jìn)入時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j分別提前預(yù)留出自己的當(dāng)前調(diào)度周期中自己處于數(shù)據(jù)傳輸階段而對(duì)方節(jié)點(diǎn)將處于時(shí)隙預(yù)約階段的時(shí)隙，邊界節(jié)點(diǎn)i采用更小的競(jìng)爭(zhēng)窗口優(yōu)先發(fā)送一個(gè)預(yù)約第一個(gè)到第(^.-《)個(gè)時(shí)隙的廣播包，邊界節(jié)點(diǎn)j發(fā)送一個(gè)預(yù)約第(A-^+l)到第(A-^+《)個(gè)時(shí)隙的廣播包，當(dāng)邊界節(jié)點(diǎn)i進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j分別將自己的時(shí)隙分配狀態(tài)字段向左移動(dòng)丄,位和(A-^+i,)位后重新當(dāng)作自己的新的時(shí)隙分配狀態(tài)字段來(lái)進(jìn)行時(shí)隙預(yù)約；當(dāng)邊界節(jié)點(diǎn)j進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段時(shí)，邊界節(jié)點(diǎn)i和邊界節(jié)點(diǎn)j采用與邊界節(jié)點(diǎn)i進(jìn)入自己的下一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)隙預(yù)約階段相同的方式獲得自己的新的時(shí)隙分配狀態(tài)字段。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信道接入控制方法，基站節(jié)點(diǎn)和各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用具有不同時(shí)幀長(zhǎng)度的時(shí)幀結(jié)構(gòu)，這樣傳感器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)調(diào)度來(lái)預(yù)約不同的時(shí)隙進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，不僅減少了高密度監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的沖突概率，提高了無(wú)線信道的利用率，而且有效地避免無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)串音以及收發(fā)器頻繁的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使傳感器節(jié)點(diǎn)在空閑傳輸時(shí)隙盡可能處于睡眠狀態(tài)，大大降低了高負(fù)載的網(wǎng)絡(luò)條件下能量的浪費(fèi)，具有很好的能效；路徑預(yù)約機(jī)制可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑上傳感器節(jié)點(diǎn)的時(shí)幀同步特性，在時(shí)隙預(yù)約階段沿?cái)?shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方向提前預(yù)約多跳時(shí)隙，有效避免了單個(gè)數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上因間歇傳遞數(shù)據(jù)包帶來(lái)的端到端的傳輸延時(shí)。文檔編號(hào)H04L29/06GK101409660SQ20081012024公開(kāi)日2009年4月15日申請(qǐng)日期2008年8月14日優(yōu)先權(quán)日2008年8月14日發(fā)明者劉國(guó)慶,危文金,徐勇軍,朱紅松,李鏡華申請(qǐng)人:寧波中科集成電路設(shè)計(jì)中心有限公司