一种无线传感网MAC层协议

一种无线传感网mac层协议
技术领域
1.本发明涉及无线传感网组网协议领域，尤其是一种mac层协议，具体为一种基于信息优先级的高能效无线传感器网络mac层协议。


背景技术：

2.物联网已经广泛应用于交通、物流、安防、电力、家居等领域，其中传感器技术是物联网应用中的关键技术，传感器节点通过采集声、光、热、电、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。在传感器网络中，功耗是传感器节点的主要限制因素，因此，电气电子工程师学会(ieee)制定的ieee 802.15.4标准中的低功耗媒体访问控制(mac)已被用于解决电源不足的问题。在ieee 802.15.4标准中，被称为个人区域网(pan)协调器的中央控制器监督整个网络的建设、升级和监控。pan协调器广播信标信息，其中包括超帧的结构，同时同步传输范围内的传感器节点。超帧包括活动和非活动部分，前者包括竞争接入周期(cap)和无竞争周期(cfp)。在整个非活动部分，设备不与pan协调器交互，并且可以移动到低功率模式以节省能量。
3.在活动周期中，竞争接入周期采用的是具有碰撞避免功能的载波侦听型多址协议(cama/ca)接入方法，无竞争周期采用的是保证时隙(gts)分配方法，全部传感器节点首先通过csma/ca竞争接入信道，若该节点没有成功传输，则可以向pan协调器申请gts，若协调器同意申请，则该节点可以确保在下一个超帧cfp中成功分得gts。
4.在物联网应用中，各种传感器节点监测不同的信息，有的传感器监测的信息比较重要，有的传感器监测的信息则是辅助信息，若系统希望重要信息能够确保传输，即信息的传输需要考虑优先级问题，然而ieee 802.15.4标准并没有考虑该问题，无法保证优先级高的信息确保成功传输。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种无线传感网mac层协议。为了确保优先级高的信息成功传输，同时减少传感器节点的能耗，优化无线传感器网络的生命周期，本发明基于ieee 802.15.4标准提出一种改进的协议，面向物联网无线传感器网络，优先处理优先级比较高的节点信息。在本发明中，pan协调器定期广播信标信息，其中包含超帧结构(竞争周期(cap)、无竞争周期(cfp)和非活动周期)，同时同步各个传感器节点。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
7.步骤1：传感器节点监听pan协调器发送的信标信息，信标信息包含协调器的活动周期和非活动周期，其中还包含了gts的分配，若部分传感器节点在上一个超帧中有gts请求，在信标信息中查看pan协调器是否成功分配了gts，所有传感器接收到的信标帧中，有gts的分配域，上一帧请求非竞争周期的传感器节点，在接收到信标帧时，就可以对比查看是否成功分配，若成功分配gts，则要在cfp周期和pan协调器保持通信，若没有成功分配
gts，则进入当前超帧结构的竞争周期进行竞争传输，判断是否要继续进行gts申请：若传感器在当前信标帧中没有成功分配gts，则在该超帧中先在竞争周期竞争传输，若成功竞争到传输时隙，则成功传输信息，不再重新申请gts；若在竞争周期没有成功到时隙传输时隙，则继续申请gts，重复以上过程，直到将信息成功传输；
8.步骤2：所有pan协调器范围内的传感器进入活动周期内的竞争周期，若有数据传输，则通过时隙csma/ca竞争接入；若在此周期有的节点信息成功竞争接入信道，则成功传输信息，若有传感器没有在竞争周期竞争到传输时隙，无法在竞争周期传输信息，即没有成功传输；
9.步骤3：在时隙csma/ca竞争过程中，不进行重传，若连续退避三次都没有成功接入信道，则向pan协调器申请gts，在向pan协调器请求gts时，如图3(b)所示，根据不同的请求字节对应不同的优先级，在请求字节中将两位预留位进行修改，pan协调器收到该gts请求后，根据请求信息的优先级并且查看当前的cfp时隙长度，若能满足优先级高，同时还有剩余的cfp时隙，则分配gts，确保优先级高的信息在下一个超帧中成功分配得到gts；当前超帧中的gts分配给上一个超帧中成功请求gts的节点；
10.步骤4：所有节点进入非活动周期，传感器节点不和pan协调器进行信息交互，即可以进入休眠周期，节省传感器设备的能耗。
11.本发明的有益效果体现在两个方面，第一方面是信息比较重要的传感器即优先级比较高的节点，在cap中若没有成功传输，则可在超帧中优先分配gts，在下一个超帧中继续竞争传输，并且已有分配的gts，这样双重保证该节点的信息传输，成功传输的概率大大增加。第二方面，本发明将节点分为不同的优先级，高优先级的节点信息优先被处理，这样减少了高优先级节点的传输时延，有利于系统第一时间接收到重要信息，并采取相应的措施。第三方面，本系统中优先级比较高的节点采用双重机制，确保成功传输信息的时效性，这样相比较以前的节点，若遇到流量比较高的场合，重要信息有可能一直在尝试传输，这样就可以节省能量。同时采用的超帧结构中含有非活动区域，所有节点可根据信标中的信息周期性的睡眠，这样可以节省全部节点的能耗。
附图说明
12.图1是本发明无线通信网络中的星形网络示意图。
13.图2是本发明ieee 802.15.4超帧结构示意图。
14.图3(a)为gts请求命令帧格式示意图，图3(b)为gts请求命令帧中优先级设置。
15.图4为信标中gts域的分配示意图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
17.根据本发明的协议设计方法，在ieee802.15.4标准的基础上考虑节点优先级的设计，将不同类型的传感器节点设置成不同级别的优先级，当节点向pan协调器发出gts请求时，pan协调器优先向高优先级的节点分配gts。
18.图1是一种本发明的应用场景，一个星形网络中包含一个pan协调器和n(n≤255)个传感器节点。所有的传感器节点都可以和pan协调器直接通信。图2是ieee802.15.4标准
的超帧格式示意图，分为活动周期和非活动周期两部分，其中活动周期包含竞争周期(cap)和非竞争周期(cfp),总共包含16个时隙。图3a为传感器节点向pan协调器申请gts请求的帧格式，其中0-3位是请求gts长度(占超帧时隙的个数)，第4位是gts方向，第5位是类型，其中第6位和第7位在原标准中是保留位，本发明将两位用于优先级的分配，如图3b所示。00的优先级最低，11的优先级最高，图4是pan协调器向节点发送信标信息中的gts域的信息，其中包括了分配gts的节点地址，开始时隙和长度等。
19.本发明提供了一种无线传感网mac层协议设计方法，具体实施方式如下：
20.具体包括以下步骤：
21.步骤1：当前超帧信息中的竞争周期和非竞争周期的界定是pan协调器发送的信标信息中已经规定好的，依据是上一次有数据要发送的传感器没有在竞争周期成功竞争到时隙，所以向pan协调器申请非竞争周期时隙在下一帧中获得无竞争周期时隙从而传输信息。当然无竞争周期时隙最多可容许7个请求，若申请信息传输的节点的大于7个，则根据各个申请信息的优先级进行分配。
22.当传感器节点监听pan协调器发送的信标信息时，查看信标信息，确认gts是否分配成功(上一次超帧中部分节点向pan协调器申请gts请求)，不论gts是否分配成功，全部有信息和pan协调器交互的节点在竞争周期通过时隙csma/ca协议竞争信道，从而传输信息，若在该竞争周期退避三次还没有成功传输信息的节点则可以向pan协调器申请gts分配，pan协调器接收到该申请后进行分析，并分配gts。
23.步骤2：进入非竞争周期后，成功分配到gts的节点则进行确保传输，若其中某些节点在竞争周期成功竞争到信道，并且已经将信息成功传输，则此次确保传输轮空。
24.步骤3：全部节点进入非活动周期，所有节点不与pan协调器进行信息交互，进入休眠周期。
25.步骤4：在步骤1中没有成功传输的节点则可以向pan协调器申请gts，在向pan协调器请求gts时，如图3b所示，将传感器节点分为四个等级，11的优先级最高，00的优先级最低，pan协调器在收到这些信息后，查看每个请求节点的优先级，优先级高的优先分配，相同优先级的根据请求顺序进行分配，先来先分配，因为ieee标准规定最多只允许给7个节点分配gts，且有时隙限制，所有没有分配到gts的节点在下一个超帧中如果还有需求则继续申请。
26.步骤5：重复步骤1。
27.在一个星形网络中，若在竞争周期节点成功传输信息的平均概率设为p
cap
，在非竞争周期成功获得gts分配的平均概率为p
cfp
，若节点信息平均在一个超帧中成功传输，则节点信息成功传输的概率p为
28.p＝p
cap
+(1-p
cap
)p
cfp
29.通过概率的计算，体现了优先级高的传感器节点若有信息传输则成功概率大于优先级低的，体现了本发明的优势。
30.本发明考虑了节点的优先级，所以优先级比较高的节点优先分配到gts，也就是说优先级高的节点p
cfp
概率比普通节点要高，在p
cap
一致的情况下则通过上式可得优先级比较高的节点信息传输成功概率越高，平均成功传输时间短，时延较小，并没有花大量时间在竞争传输上，所以在传输过程中消耗的能量越小，则能耗越低。