面向鏈式無線傳感器網絡的混合介質訪問控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及無線網絡技術，具體地說是一種面向鏈式無線傳感器網絡的混合介質 訪問控制方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，無線傳感器網絡廣泛應用。輸電線路監測、鐵路監測、地鐵監測、邊境監測 等應用，具有分散性大、距離長、難W維護等特點。之前較廣泛采用的周期性人工、直升機、 機器人巡檢的方式，不僅需要高開銷、高勞動強度，也難于持續地對整個系統進行監測。為 此，基于網絡的監控系統成為該類應用實現的必然。然而，基于有線網絡的監測系統具有布 設困難、成本高、維護不便等問題。那么，基于無線技術的監測系統是未來的發展趨勢。但 是，GSM、WIMAX、CDMA等移動通信技術，對于全方位的監測系統來說依舊過于昂貴，因此該些 現有的系統僅用于部分關鍵的環節。無線傳感器網絡W其實時在線、大面積覆蓋、自配置自 組織、低成本、靈活、維護方便等優點，成為該類應用的首選技術。
[0003] 對于上述輸電線路監測、鐵路監測、地鐵監測、邊境監測等應用，無線傳感器網絡 通常部署在無人值守的區域，更換電池困難，電池成本較高。為此，低能耗成為該類無線傳 感器網絡的首要需求。系統一般要求電池供電的簇首和簇成員可W工作5年W上。此外， 該類應用對無線傳感器網絡的實時性也提出了要求。W智能電網中的數據采集與監控系統 (SupervisoiyControlandDataAcquisition,SCADA)為例，數據米集周期通常為 4 ~8 砂，特別當異常事件或警告產生時，需要及時傳輸到監控中也。
[0004] 介質訪問控制（MediaAccessControl,MAC)方法直接管理無線通信資源的合理 使用，成為決定無線傳感器網絡性能的關鍵技術。輸電線路監測、鐵路監測、地鐵監測、邊境 監測等應用的特點，使得無線傳感器網絡MAC協議的設計需要面臨如下挑戰：
[0005] ?上述應用中的無線傳感器網絡拓撲結構通常呈現鏈式或線型，但同時還具有局 部密集的特點。W輸電線路為例，大部分傳感器架設于培桿之上或者接近培桿的區域，整個 被密集布設的區域直徑不超過10米，僅有少量傳感器布設在跨度200~1000米之間的輸 電線上，如舞動監測傳感器。鏈式網絡中出現大量部署密集的局部區域。局部密集特性凸 顯了隱藏終端問題。
[0006] ?上述應用中通常產生兩類數據；周期性監測數據W及報警、網絡控制、系統查 詢、配置等非周期性數據。對應的網絡工作周期劃分為有大量周期性數據傳輸的繁忙時期 W及僅少量非周期數據傳輸的空閑時期。如何面對網絡時變的網絡流量特性W及復雜的非 均衡性，在節能的同時保證實時性是另一個難題。
[0007] 現有無線傳感器網路MAC協議還無法滿足上述應用需要，具體表現在；（1)采用時 分多路訪問（TimeDivisionMultipleAccess,TDMA)的方式能夠有效避免隱藏終端問題， 應對繁忙時期的傳輸。但面向鏈式拓撲結構網絡，如何設計有效的TDM機制，在低能耗前 提下保證網絡的實時性，研究剛剛起步。（2)現有面向網狀、低數據率等特點的無線傳感器 網絡MAC協議，如X-MAC、SMAC、TMAC等，協議的實時性取決于接收方的占空比，僅從數據率 看可w應對實時性要求較低的非周期性數據的傳輸。因此，如何保證周期性數據傳輸的高 實時性W及緊急數據的傳輸成為了一個挑戰性難題。

【發明內容】

[0008] 本發明針對現有面向鏈式或者線型拓撲結構網絡的MAC協議研究中，存在的無法 有效保障低能耗和高實時性的缺陷，針對MC協議如何在自適應網絡流量特性的前提下， 滿足節能、實時性能需求，避免隱藏終端問題，調整簇首和簇成員角色W達到節能和實時性 之間的平衡該H個問題，提出了一種面向鏈式無線傳感器網絡的混合介質訪問控制方法， 旨在使簇首簇首和簇成員能夠及時響應請求，簇成員能夠盡可能地節省能量，從而在節能 的同時，滿足系統對網絡實時性的苛刻要求。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種面向鏈式無線傳感器網絡 的混合介質訪問控制方法，
[0010] 在無線傳感器網絡中，需要同時發送數據的簇首和簇成員達到一定比例時，采用 時分訪問控制PipelinedTDMA，包括W下步驟：
[0011] 簇內收集階段：每個時隙內，網絡中部分簇首收集后繼簇中所有簇成員的傳感數 據；
[0012] 數據轉發階段：簇首轉發收集到的傳感數據；
[0013] 在無線傳感器網絡中，需要同時發送數據的簇首和簇成員沒有達到所述比例時， 采用競爭訪問控制S-XMAC，即基于位置信息的喚醒時間調度；根據簇首和簇成員在網絡中 的地理位置，有次序地喚醒各簇首和簇成員。
[0014] 所述后繼簇為遠離Sink的方向，當前簇首的相鄰簇首。
[0015] 所述部分簇首為；令簇的跳數表示為hop,
[0016]1)第一個時隙內的部分簇首為3%hop==0的簇首，即從遠離匯聚簇首和簇成員 Sink方向的第3個簇首計起，每隔2個簇首的簇首；
[0017]2)第二個時隙內的部分簇首為3%hop==2的簇首，即第一個時隙內的部分簇首向 靠近Sink方向的相鄰簇首的集合；
[0018]3)第H個時隙內的部分簇首為3%hop==l的簇首，即第二個時隙內的部分簇首向 靠近Sink方向的相鄰簇首的集合。
[0019] 所述簇內收集階段和/或數據轉發階段需要H個時隙完成網絡傳輸調度并使所 有簇成員與相鄰簇同時發送的數據不產生碰撞。
[0020] 所述每個簇成員發送數據的過程包括：
[0021] 將時隙二次等分為多個小時隙；
[0022] 基于地址命名算法的小時隙分配過程；簇成員按照ad化值從小到大的順序選擇 相應的小時隙發送數據；
[0023] 所述acMr值為；簇成員加入網絡時，被分配的簇內地址acMrG[l，Ni]，其中Ni表 示第i個簇內的簇成員的數量。
[0024] 所述數據轉發階段的實現過程為；簇首被分配連續的多個時隙，并利用該連續時 隙發送多個數據包。
[0025] 所述S-XMAC的實現過程為：
[0026]每個簇首和簇成員按照占空比Tduty_wie周期性休眠和喚醒；
[0027] 待發送數據的簇首不立即啟動射頻發送前導碼，而是比目的接收端的簇喚醒時間 提前^^/，,胃,《。時間發送包含發送端和目的接收端的簇首地址信息的前導碼；
[0028] 前導碼發送完成后，待發送數據的簇首等待來自目的接收端的簇首的前導確認響 應ACK，重復此過程直到收到ACK后，發送數據；
[0029] 接收端周期性地喚醒；若在喚醒期間，收到包含簇首地址信息的前導碼后，判斷前 導碼中的目的接收端地址信息和自身是