基于Quorum系統(tǒng)的無線傳感器網絡的介質訪問控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領域，尤其是一種無線傳感器網絡的介質訪問控制（medium access control, MAC)方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網絡是由大量的彼此之間通過多跳無線鏈路和通信的傳感器節(jié)點以 自組織和多跳的方式構成的無線網絡，而無線傳感器的供能往往是通過電池作為其能源 的，所以如何合理利用以及分配能耗顯得至關重要。
[0003] 介質訪問控制（medium access control, MAC)協(xié)議是無線傳感器網絡中一種基礎 協(xié)議。其作用是保證節(jié)點正常的數據操作與環(huán)境監(jiān)測的同時盡可能的減少能量消耗，從而 極大化網絡壽命。在無線傳感器網絡中，為了減少節(jié)點的能量消耗通常采用一種方法是讓 節(jié)點周期性的工作（work)與睡眠（sle?。?。由于傳感器器節(jié)點處于工作狀態(tài)時的能量消耗 是處于睡眠狀態(tài)時的上100倍甚至上1000倍。因而為了節(jié)省能量，應該盡可能的讓節(jié)點處 于睡眠狀態(tài)。但是節(jié)點處于睡眠會影響其功能，因為節(jié)點在睡眠狀態(tài)時不能對周圍環(huán)境進 行感知與監(jiān)測，也不能進行數據傳輸。特別是在分布式無線傳感器網絡中，每個節(jié)點都是獨 立的決定是否工作還是睡眠。這就有可能造成節(jié)點在欲進行數據傳輸時，節(jié)點的處于工作 時隙與其所有的下一跳節(jié)點的工作時隙沒有相交時隙（intersection slot)從而使得其數 據不能向前傳輸。特別是在占空比（指節(jié)點在一個時間周期內處于工作的時間與工作周期 長度的比值，duty cycle)比較小的網絡中，要保證相鄰路由路徑的任意二個節(jié)點間存在相 交的工作時隙是傳感器網絡介質訪問協(xié)議設計的重要課題。傳感器節(jié)點的工作時隙越多， 則節(jié)點之間相交的工作時隙越多，但，節(jié)點的工作時隙越多，則節(jié)點的能量消耗越大，影響 網絡壽命。反之，降低節(jié)點的占空比，雖然能夠節(jié)省能量，但是有可能導致節(jié)點之間沒有相 交的工作時隙，因而導致路由不能建立。而另一方面，在節(jié)點的占空比確定的情況，不同節(jié) 點選擇工作時隙的方法不同也影響節(jié)點的介質訪問協(xié)議的性能。不好的節(jié)點工作時隙選擇 方法會導致節(jié)點間的相交工作時隙的數量不等，影響數據的傳輸與網絡延遲。因而，設計優(yōu) 秀的節(jié)點工作時隙選擇方法是一個挑戰(zhàn)性的任務。
[0004] 基于Quorum的系統(tǒng)提供了一種介質訪問協(xié)議的方法。其中用的最多的方法是一 種grid Quorum方法。在grid Quorum方法中，一個周期被分為η個時隙（slot)，時隙是時 間的基本單位。η個時隙按時間順序被排列成的矩陣。節(jié)點A選擇其中的Hi1行時 隙作為工作時隙，節(jié)點在這些選擇的時隙上保持工作狀態(tài)（稱為Quorum Time Slot(QTS))。 而節(jié)點B選擇矩陣中的m2列作為工作時隙。這樣節(jié)點A與節(jié)點B必定有m iXm/h相交工 作時隙（intersection slot)。從而可以保證節(jié)點A與節(jié)點B之間進行數據通信。顯然 Quorum系統(tǒng)設計的目標是使得任意2個節(jié)點間的相交工作時隙越多，而節(jié)點的占空比越 小。
[0005] 但這種Quorum系統(tǒng)因網絡中所有節(jié)點都是選擇Iii1行與1112列，從而造成節(jié)點間選 擇的Quorum是同質的，這樣，節(jié)點選擇的工作時隙可能相同，從而造成數據傳送時沖突增 加，相交工作時隙減少，傳送時延增加。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明提供一種基于Quorum系統(tǒng)的無線傳感器網絡的介質訪問控制方法，能減 少網絡延遲，提高傳感器網絡的壽命。
[0007] 為實現上述目的，本發(fā)明提供一種基于Quorum系統(tǒng)的無線傳感器網絡的介質訪 問控制方法，包括如下步驟：
[0008] 步驟一、形成節(jié)點環(huán)號，Sink節(jié)點將自己的環(huán)號設置為0,其它節(jié)點由近及遠分別 設置連續(xù)的環(huán)號，節(jié)點環(huán)號相同的節(jié)點稱為同一環(huán)的節(jié)點；
[0009] 步驟二、節(jié)點依據自己所在的環(huán)號選擇F-clique還是G-clique，這樣整個網絡節(jié) 點都選定了自己的工作時隙，整個網絡的不同環(huán)的節(jié)點就形成了 quorum系統(tǒng)；
[0010] 步驟三、當節(jié)點有數據發(fā)送時，必須等到節(jié)點為工作時隙時才向中繼節(jié)點發(fā)起數 據發(fā)送請求，如果有中繼節(jié)點也正好位于工作狀態(tài)，則進行數據路由。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明依據節(jié)點所在的環(huán)號選擇不同的clique，從而使得 不同環(huán)的節(jié)點選擇的工作時隙是不相同的，因而可以增大同時數據并發(fā)的數量，可以提高 網絡的吞吐量，間接的減少了傳送時延，提高傳感器網絡的壽命。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明實施例FGQuorum系統(tǒng)信標間隔與工作時隙不意圖。
[0013] 圖2 (a) - (c)為本發(fā)明實施例F-clique、G-clique與FGquorum系統(tǒng)工作時隙示 意圖。
[0014] 圖3為本發(fā)明實施例的網絡結構圖。
[0015] 圖4為FGQuorum系統(tǒng)中參數ml與m2對網絡敏感性的影響示意圖。
[0016] 圖5為FGQuorum系統(tǒng)中參數ml與m2對相交工作時隙的影響示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖及實例，對本發(fā)明做進一步說明。
[0018] 本實施例，Quorum系統(tǒng)是指：對于給定的一個正整數n，以及一個通用集合U = {0, 1，· · ·，n-1}，而 Q =他，Q2, · · · · QJ，e g "，即 Q 是 U 的子集集合，而 ％是 Q 的一個元素。如果滿足Q的任意2個元素的交集不為空，即νρ,.,ρ, e ρΛρ,. ηρ產0。則稱 Q是通用集合U = {0, 1，· · ·，n-l}下的一個Quorum系統(tǒng)。
[0019] 設計的F-clique (p，m) (F(p，m))為：對于給定的一個正整數n，以及一個通用集合 U = {0, 1，· · ·，n-1} ·令 1仝 /n <'，（)幺 /)仝'―I, F-clique 表示為 F(p，m)如下式 1 所 示：
[0020]
【主權項】
1. 一種基于如orum系統(tǒng)的無線傳感器網絡的介質訪問控制方法，其特征在于，包括如 下步驟： 步驟一、形成節(jié)點環(huán)號，Sink節(jié)點將自己的環(huán)號設置為0,其它節(jié)點由近及遠分別設置 連續(xù)的環(huán)號，節(jié)點環(huán)號相同的節(jié)點稱為同一環(huán)的節(jié)點； 步驟二、節(jié)點依據自己所在的環(huán)號選擇F-clique還是G-clique，如果節(jié)點的環(huán)號是奇 數則選擇F-clique，表示為F(p,m)，如下式 /X/j.",) =U/'V^ + 2w+f+'/)(niod內)：/' = 0,..w-1,7= 巧中，1 <"z< >/" , 0 </j< -1 ; 如果節(jié)點的環(huán)號是偶數則選擇G-clique，表示為G(q，m)，如下式 G{qjn)={{j-Jn+bn+iy)(niodn): / = (),../?/ -1. / = 0. ..V? -1} :化中1m< >/；；，0 :^y< /? -I;這樣整個網絡節(jié)點都選定了自己的工作時隙，整個網絡 的不同環(huán)的節(jié)點就形成了quorum系統(tǒng)； 步驟=、當節(jié)點有數據發(fā)送時，必須等到節(jié)點為工作時隙時才向中繼節(jié)點發(fā)起數據發(fā) 送請求，如果有中繼節(jié)點也正好位于工作狀態(tài)，則進行數據路由。
2. 根據權利要求1所述的基于如orum系統(tǒng)的無線傳感器網絡的介質訪問控制方法，其 特征在于，步驟一中形成節(jié)點環(huán)號的具體步驟為；首先，Sink節(jié)點將自己的環(huán)號設置為0， 其它節(jié)點將自己的環(huán)號設置為無窮大，然后，Sink向外廣播自己到到達Sink的跳數0,在 Sink廣播范圍內的節(jié)點偵聽到Sink的廣播消息后，將廣播中到達Sink的跳加1后與自己 保存的當前到達Sink的跳數相比較，如果廣播中到達Sink的跳數加1小于自己保存的到 達Sink的跳數，則將自己到達Sink的環(huán)號更新為廣播消息中到達Sink的跳數加1，每個 更新后的節(jié)點隨后廣播更新后的到達Sink的跳數；W上過程一直進行下去，直到節(jié)點到達 Sink的跳數不再更新為止，該時，每個節(jié)點到達Sink的跳數就是節(jié)點的環(huán)號，節(jié)點環(huán)號相 同的節(jié)點稱為同一環(huán)的節(jié)點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于Quorum系統(tǒng)的無線傳感器網絡的介質訪問控制方法，在該方法中，時間被劃分為時隙，n個時隙(slot)構成一個周期。本發(fā)明設計了F-clique以及G-clique，F-clique或者G-clique分別依據其設計公式選取一定的時隙，傳感器節(jié)點在選定的這些時隙工作，稱為Quorum Time Slot(QTS)，而在其它未選定的時隙睡眠以節(jié)省能量消耗。傳感器網絡的每一個節(jié)點依據其所在環(huán)的環(huán)號而選擇F-clique或者G-clique，處于奇數環(huán)的節(jié)點選擇F-clique，而在偶數環(huán)的節(jié)點選擇G-clique，這樣形成基于FG Quorum系統(tǒng)的MAC協(xié)議。經過理論分析證明，本發(fā)明基于FG Quorum系統(tǒng)的介質訪問控制方法具有較小的網絡延遲，能提高網絡的吞吐量。
【IPC分類】H04W40-12, H04W40-10, H04W52-02
【公開號】CN104796958
【申請?zhí)枴緾N201510108392
【發(fā)明人】龍軍, 劉安豐, 何岸, 張金煥
【申請人】中南大學
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2015年3月12日