一種基于無線傳感網(wǎng)mac層協(xié)議的節(jié)能方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于無線傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議的節(jié)能方法，以解決傳感器節(jié)點的能耗問題，本發(fā)明采用模糊控制的方法，為節(jié)點設置統(tǒng)計監(jiān)聽信道忙次數(shù)的計數(shù)器，通過在一輪中信道忙的次數(shù)來評估網(wǎng)絡流量大小，使得本發(fā)明在不需要建立復雜數(shù)學模型的前提下，盡可能準確地將節(jié)點能量和網(wǎng)絡流量的變化反映在節(jié)點工作和休眠時間上；采用“通知握手”機制預約信道并通知其他節(jié)點占用信道的時間，方便其他節(jié)點盡早休眠；采用“失敗者延遲競爭”機制保障“通知握手”的成功率，兼顧了節(jié)約能量和高效率。
【專利說明】-種基于無線傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議的節(jié)能方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適用于WSN的MAC層通信過程節(jié)能方法，屬于無線傳感網(wǎng)技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制（Fuzzy Control)，是以模糊 集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實質(zhì) 上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制系統(tǒng)的架構(gòu)包含了五個主要部分， 即：定義變量、模糊化、知識庫、邏輯判斷及解模糊化：
[0003] [1].定義變量，也就是決定程序被觀察的狀況及考慮控制的動作。
[0004] [2].模糊化，將輸入值以適當?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語化變量來描述 測量物理量的過程，根據(jù)適合的語言值（linguistic value)求該值相對的隸屬度，此口語 化變量稱為模糊子集合（fuzzy subsets)。
[0005] [3]·知識庫，包括數(shù)據(jù)庫（data base)與規(guī)則庫（rule base)兩部分，其中數(shù)據(jù)庫 提供處理模糊數(shù)據(jù)的相關(guān)定義；而規(guī)則庫則藉由一群語言控制規(guī)則描述控制目標和策略。
[0006] [4].邏輯判斷，模仿人類下判斷時的模糊概念，運用模糊邏輯和模糊推論法進行 推論，得到模糊控制訊號。該部分是模糊控制器的精髓所在。
[0007] [5].解模糊化（defuzzify)，將推論所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號，作 為系統(tǒng)的輸入值。
[0008] 無線傳感網(wǎng)（WSN)由許多體積很小的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點是集成了感知、 計算、通信和供電等功能模塊的小芯片。目前有各種功能的無線傳感網(wǎng)，像環(huán)境監(jiān)測、習慣 追蹤、健康觀測、軍事監(jiān)控等，這些網(wǎng)絡都需要較長的工作壽命，但是一旦節(jié)點的電池耗完， 又難以更換電池。
[0009] 媒體訪問控制（MAC)協(xié)議用來對接入網(wǎng)絡的節(jié)點進行控制。對于MAC層協(xié)議的 研究依次從節(jié)省能量、可擴展性、公平性、實時性、網(wǎng)絡吞吐量以及信道利用率等幾個方面 考慮協(xié)議的性能。而節(jié)省能量成為WSN首先考慮的問題。在WSN中，MAC協(xié)議尤其重要，因 為如果沒有合適的協(xié)議控制節(jié)點射頻芯片適時地喚醒/休眠，就會存在長時間的"空閑監(jiān) 聽"，這將導致不必要的能量浪費。理想的WSN是一旦部署就不需要人工干預，通過自組織 和自我維護可以工作若干年。因此，對節(jié)點能量消耗的嚴格控制就成了 WSN至關(guān)重要的研 究課題。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)中，IEEE802. 11協(xié)議組是國際電工電子工程學會（IEEE)為無線局域網(wǎng) 絡制定的標準，它定義了物理層和媒體訪問控制層（MAC層）的標準。IEEE802. 11協(xié)議應用 到無線傳感網(wǎng)上存在一定的問題，因為它沒有休眠機制，節(jié)點一直保持喚醒狀態(tài)，在空閑監(jiān) 聽的時候會有大量的電量被浪費。
[0011] SMAC協(xié)議是由Ye W等人較早提出的一種基于調(diào)度的WSN MAC協(xié)議。在該協(xié)議中， 節(jié)點監(jiān)聽一段時間然后休眠，直到計時器計時完畢重新喚醒。節(jié)點之間需要同步，每個節(jié)點 也向鄰居節(jié)點廣播自己的休眠策略，同時保存相鄰節(jié)點的下一次休眠的信息。盡管SMC協(xié) 議能夠有效地減少空閑監(jiān)聽的時間從而節(jié)省電量，但是監(jiān)聽時間是固定的，與網(wǎng)絡中的流 量和節(jié)點的剩余能量無關(guān)。當網(wǎng)絡中流量較小時，就可能存在不必要的監(jiān)聽時間；當網(wǎng)絡 中流量較大時，監(jiān)聽時間又可能嫌短，導致吞吐量降低。盡管監(jiān)聽時間的長短是由用戶定義 的，但是只能在網(wǎng)絡部署初期定義，且以后不可更改，這就無法適應網(wǎng)絡流量和節(jié)點能量的 變化。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了更好地解決上述傳感器節(jié)點的能耗問題，本發(fā)明以SMAC協(xié)議基本思想為基 礎，提出一種根據(jù)節(jié)點能量變化動態(tài)調(diào)整節(jié)點休眠時間、適應網(wǎng)絡流量變化的基于無線傳 感網(wǎng)MAC層協(xié)議的節(jié)能方法，本發(fā)明用到的相關(guān)術(shù)語定義及縮略詞如下：
[0013] WSN/WSNs:Wireless Sensor Networks，無線傳感網(wǎng)。
[0014] MAC:Medium Access Control，媒體訪問控制。
[0015] IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers，電氣和電子工程 師協(xié)會。
[0016] SMAC:Sensor Medium Access Control，傳感器媒體訪問控制。
[0017] RTS:Request To Send，請求發(fā)送。
[0018] CTS: Clear to send，允許發(fā)送。
[0019] ACK: Acknowledgement，應答。
[0020] 本發(fā)明方法具體包括模糊控制動態(tài)調(diào)節(jié)占空比機制、通知握手機制，其中：
[0021] |吳糊控制動態(tài)調(diào)節(jié)占空比機制具體為：
[0022] 將一個傳感器節(jié)點的工作周期劃分為兩部分，一部分是監(jiān)聽時間，即工作時間，另 一部分是休眠時間，工作周期的長度是固定的；設定若干個工作周期為一輪，如可設每1〇〇 個工作周期劃分為1輪；為每個節(jié)點設置一個計數(shù)器，用來統(tǒng)計該傳感器節(jié)點在1輪當中有 多少個工作周期監(jiān)聽到信道忙，該統(tǒng)計得到的數(shù)值是0-100之間的整數(shù)，每一輪統(tǒng)計結(jié)束 后統(tǒng)計結(jié)果被重置。
[0023] 本機制利用信道忙閑的程度來代表網(wǎng)絡流量的高低程度。根據(jù)模糊控制理論，將 上述統(tǒng)計得到的數(shù)值可能的取值范圍（0-100)劃分成若干模糊子集，同時也將節(jié)點能量按 百分比劃分成若干模糊子集；再將節(jié)點能量（E)和信道忙次數(shù)（T)作為輸入，占空比（D)作 為輸出，建立規(guī)則庫，最后對占空比解1?糊，從而獲得占空比的精確值，將該占空比精確值 作為下一輪的實際占空比的值。
[0024] 通過模糊控制的方法，本輪的節(jié)點能量和網(wǎng)絡流量可以決定下一輪的工作占空 t匕，以此來動態(tài)調(diào)整節(jié)點的監(jiān)聽時間和休眠時間，在節(jié)省能量的同時適應網(wǎng)絡流量的變化。
[0025] 上述占空比是指監(jiān)聽時間占整個工作周期的比值，其公式如下：
[0026] 公式 1 :
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于無線傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議的節(jié)能方法，其特征在于，包括模糊控制動態(tài)調(diào)節(jié) 占空比機制、通知握手機制，其中： 所述模糊控制動態(tài)調(diào)節(jié)占空比機制具體為：將傳感器節(jié)點的工作周期劃分為監(jiān)聽時間 及休眠時間，設定每若干個工作周期為一輪；為每個節(jié)點設置一個計數(shù)器，用來統(tǒng)計該傳感 器節(jié)點在一輪當中有多少個工作周期監(jiān)聽到信道忙，每一輪統(tǒng)計結(jié)束后統(tǒng)計結(jié)果被重置； 將上述統(tǒng)計結(jié)果的取值范圍劃分成模糊子集，將節(jié)點能量按百分比劃分成模糊子集；再將 節(jié)點能量和信道忙次數(shù)作為輸入，占空比作為輸出，建立規(guī)則庫；對占空比解模糊，從而獲 得占空比的精確值，將該占空比精確值作為下一輪的實際占空比的值；根據(jù)所述實際占空 比的值來計算監(jiān)聽時間和休眠時間； 根據(jù)所述模糊控制動態(tài)調(diào)節(jié)占空比機制的計算結(jié)果，進行通知握手機制： 節(jié)點結(jié)束休眠后，首先檢查自己的發(fā)送緩沖區(qū)，如果緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，則該節(jié) 點向信道中發(fā)送一個通知，以通知目的節(jié)點其發(fā)送意圖；如果此時網(wǎng)絡中沒有其他節(jié)點競 爭信道，則該通知能夠發(fā)送到其他節(jié)點； 沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點處于接收狀態(tài)，監(jiān)聽信道活動，當收到其他節(jié)點發(fā)來的通知時，首 先判斷自己是否是目的節(jié)點，若是目的節(jié)點，則向源節(jié)點發(fā)送一個響應，以通知源節(jié)點可以 發(fā)送數(shù)據(jù)，即完成一次通知握手； 非目的節(jié)點在收到通知后，記錄源節(jié)點預約的傳輸時間，并將該時間和所述休眠時間 進行比較，取較大者作為休眠計時器的初值，但此時該非目的節(jié)點并不立即休眠，而是在b 時間內(nèi)繼續(xù)保持監(jiān)聽，如果在b時間內(nèi)收到目的節(jié)點發(fā)送的響應，則啟動休眠計時器，進入 休眠狀態(tài)；如果在b時間內(nèi)沒有收到目的節(jié)點的響應，則該節(jié)點重新參與競爭信道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是還包括失敗者延遲競爭機制，具體為：預先設 定時間a，并使a略大于b，若在該時間a內(nèi)，目的節(jié)點沒有發(fā)出響應完成握手，則視為超時， 所有處于活動狀態(tài)的節(jié)點將重新競爭信道。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述通知是一個長度固定的短幀，分為 三部分，第一部分是固定的首部，即標示符，用于和其它信號進行區(qū)分；第二部分是目的節(jié) 點的地址；第三部分是預約的傳輸時間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述響應是一個長度固定的短幀，分為 兩部分，第一部分是固定的首部，即標示符，用于和其他信號進行區(qū)分；第二部分是該節(jié)點 的地址。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是，所述通知握手是收發(fā)雙方互相感知對方 意圖并預約信道的過程。
【文檔編號】H04W80/02GK104219745SQ201410436936
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】孫知信, 房旋, 宮婧, 駱冰清 申請人:南京郵電大學