申请/专利权人：西安电子科技大学

申请日：2019-01-07

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN109714812B

主分类号：H04W52/02(20090101)

分类号：H04W52/02(20090101);H04W72/08(20090101);H04W74/08(20090101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2019.05.28#实质审查的生效;2019.05.03#公开

摘要：本发明公开了一种基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法，主要解决现有移动自组织网络中能耗过高的问题，其实现方案是根据时隙的调度和传输数据量的统计比较来实现：当无节点入网时只预留一个可用的入网接入时隙进行侦听，则在检测到节点入网时增加可用的入网接入时隙数进行侦听；当节点有时隙剩余时，根据相邻节点的实际时隙需求来分配本节点的剩余时隙，并动态调整下次时隙分配结果；当节点在一段时间内的数据传输量低于设定阈值时，通过增大周期长度来减少节点周期启动的频次，增加休眠期。本发明降低了网络运行时的功耗，并能精准的根据邻节点的需求来分配节点自己的剩余时隙，可用于小规模、低流量的移动通信网络。

主权项：1.一种基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法，特征在于，包括如下：1判断是否存在已知网络：如果在最大周期时长内没有侦听到集合控制帧，认为当前空间不存在已知网络，则需要独立建网，即执行6；否则，选择接入期接入时隙和临时上级节点，执行2；2向网络中的节点广播集合控制帧；3网络中的节点接收到新节点控制帧或接收数据出错，标志当前周期有节点正在入网，并在下一超帧的预留接入期时隙上侦听，再在下一次广播的控制帧中将正在入网标志位置1，告知复用预留接入时隙的邻节点放弃占用；同时，上级节点选择最近空闲的接入期时隙主动向入网节点发送反馈帧，或通过周期性广播的集合控制帧向入网节点反馈其时隙占用情况以及正在入网的标志；4入网节点判断反馈信息中自己的占用时隙是否正确，如果正确，则执行6；否则，执行5；5判断反馈信息中的正在入网标志位是否为1，如果是，则认为产生信道冲突，随机选取接入期，返回2；否则，保持选取的接入时隙不变，返回2；6建网或入网：6a入网后的每个节点，都占用固定的时隙，保证互不冲突；6b建立空的转让监测集合，并更换上级节点，即选择邻节点中最高级别的同步节点作为上级节点；7判断是否要发送调度帧或集合控制帧，如果是，则执行10；否则，执行8；8在已预约的时隙进行侦听、休眠或者业务数据的收发，执行9；9判断是否接收到集合控制帧，如果是，则记录控制帧中的时隙请求或转让标志以及时隙请求数或转让时隙，并将控制帧中的周期信息记录到本节点的周期记录数组t2和倒计时器数组t3中，在每个超帧结束时，将数组t3中每个大于零的位自减1后，执行18；否则，直接执行18；10判断是否要发送集合控制帧，如果是，则执行11；否则，执行13；11判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，如果是，则周期T＝1，执行13；否则，执行12；12判断前n个周期中数据帧传输的总数sum与阈值L的大小，如果sumL，则T＝a，表明周期为a个超帧时长，并置周期倒计时器t1的初始值为T，进行倒计数计时，同时将T填充到控制帧的周期字段,执行13；否则，T＝1，将T填充到控制帧，执行13；13设固定调度间隔为H，设影响因子为β，并设类比时隙数为c，在队列中选取下一跳地址不处于休眠期的数据数a，将其下一跳地址依次记录到链路级预约与剩余时隙转让号数组m的0～a-1位，并统计队列中不包括下一跳地址休眠的数据总数b、当前可用时隙数d以及过去未使用的其它节点转让时隙e，则c＝d+β×e，其中，aH，β属于实数集；14判断c-b是否小于0，如果是，则置剩余时隙请求或转让标志x1＝1，置剩余时隙请求数或起始转让时隙x2＝b-c，执行16；否则，置x1＝0，x2＝a+1，执行15；15判断a+1-H是否大于0，如果是，则执行15；否则，分配剩余时隙，并将分配的节点号依次记录在数组m的a～H-1位，再将分配节点转移到本节点的转让监测集合中，执行16；16确定下一唤醒时间w：判断本节点是否使用或准备请求剩余时隙，如果是，则下一唤醒时间w为本节点最近的一个发送时隙，执行17；否则，设w为0，执行17：17将x1、x2、数组m以及w填充到调度帧或集合控制帧，并广播该帧；18判断是否是调度间隔结束时刻，如果是，本轮调度结束；否则，执行7。

全文数据：基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法技术领域本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种低功耗分布式介质访问控制方法，可用于小规模、低流量的移动通信网络。背景技术当前低功耗的自组织网络MAC协议，研究方向主要集中在基于竞争的协议与基于调度的协议两方面，基于调度的协议主要还是基于TDMA的协议。基于调度的协议与基于竞争的协议相比，优势在于无冲突，不会产生碰撞，是当前的研究热点，但基于调度的协议会产生额外的控制开销，值得关注。此外，比较这些协议，无论从节点的接入和流量自适应的链路分配，还是从数据传输的公平性以及休眠的周期方面，都有值得改进的地方。因此，一个更加高效节能的MAC协议仍然是需要的。基于竞争的低功耗MAC协议，典型的有S-MAC、ContikiMAC和TA-ContikiMAC；基于调度的协议中典型的有TRAMA，以下具体来介绍这几个协议。1S-MAC协议S-MACSensorMAC是周期性启动的低功耗传感器网络协议，节点基于固定的唤醒与休眠占空比工作。在唤醒期开始时刻，节点会有一段时间的基于竞争方式的同步期，接着是同样基于竞争方式的业务数据传输期，周期最后阶段节点选择睡眠。在业务数据传输期中，有发送需求的节点通过发送RTSCTS争用信道，没有争用到此次信道的节点根据RTSCTS中的时间信息休眠相应时间，直到此次发送全部完成，才继续唤醒。在S-MAC协议中，数据的重传以及空闲的侦听，都消耗了大量能量；2ContikiMAC协议ContikiMAC是一个基于异步机制的低功耗MAC协议，没有信令消息与额外的报头。在ContikiMAC协议中，接收方会周期性唤醒侦听信道。如果检测到无线电信号，接收方就会保持侦听这帧数据。如果接收到完整的数据帧，接收方会发送一个确认。发送方在唤醒期内一直会发送数据帧，直到接收方返回确认帧。由于是异步机制唤醒与休眠，ContikiMAC协议难以精确确定邻节点的休眠与唤醒时间，从而可能出现接收方休眠，而发送方长时间发送数据的情况，消耗过多能量。3TA-ContikiMAC协议TA-ContikiMACTraffic-AwareContikiMAC协议，通过改进ContikiMAC协议固定的活动周期和休眠周期的比例，使之能够动态调整，达到流量负载提出自适应的目的。TA-ContikiMAC协议通过动态调整活动与休眠比例，降低了功耗，但同样存在ContikiMAC协议中难以像同步型协议一样精确确定邻节点的休眠与唤醒时间，从而可能导致能量消耗过高。4TRAMATRAMATraffic.AdaptiveMediumAccess协议即流量自适应协议，它分为随机接入期和调度接入期两部分。在随机接入期中中主要用于节点接入、同步以及节点拓扑信息的生成；在调度接入期中，可以根据节点自身的流量信息，自适应的选择是否接入链路，并且暂时释放多余的时隙让邻节点使用。在时隙分配与选择方面，TRAMA协议选择了分布式的选举算法，减少了控制信息的传送，也避免了冲突的发生，但其适用于非移动性或移动性很低的场景，并不太适合移动性较高的网络，否则会降低数据输出成功率，并增加功耗。发明内容本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于TDMA的低功耗分布式MAC协议，以降低运行能耗，并保证数据传输的成功率。本发明的技术方案是这样在实现的：本发明首先改进了传统TDMA协议中入网节点的接入方式，采取了在接入期，无节点入网时，所有网络节点在多个预留接入时隙中只选择一个时隙进行侦听，其他时隙可休眠可复用，等到有节点入网，再增加侦听时隙的方式；其次提出了分布式场景下灵活分配节点暂时不使用的剩余固定时隙的方法，其中包括对该剩余时隙使用情况的监测及下次分配的优化；最后引入了一种保证数据发送成功率的周期可变的休眠机制。其具体实现步骤包括如下：1判断是否存在已知网络：如果在最大周期时长内没有侦听到集合控制帧，认为当前空间不存在已知网络，则需要独立建网，即执行6；否则，选择接入期接入时隙和临时上级节点，执行2；2向网络中的节点广播集合控制帧；3网络中的节点接收到新节点控制帧或接收数据出错，标志当前周期有节点正在入网，并在下一超帧的预留接入期时隙上侦听，再在下一次广播的控制帧中将正在入网标志位置1，告知复用预留接入时隙的邻节点放弃占用；同时，上级节点选择最近空闲的接入期时隙主动向入网节点发送反馈帧，或通过周期性广播的集合控制帧向入网节点反馈其时隙占用情况以及正在入网的标志；4入网节点判断反馈信息中自己的占用时隙是否正确，如果正确，则执行6；否则，执行5；5判断反馈信息中的正在入网标志位是否为1，如果是，则认为产生信道冲突，随机选取接入期，返回2；否则，保持选取的接入时隙不变，返回2；6建网或入网：6a入网后的每个节点，都占用固定的时隙，保证互不冲突；6b建立空的转让监测集合，并更换上级节点，即选择邻节点中最高级别的同步节点作为上级节点。7判断是否要发送调度帧或集合控制帧，如果是，则执行10；否则，执行8；8在已预约的时隙进行侦听、休眠或者业务数据的收发，执行9；9判断是否接收到集合控制帧，如果是，则记录控制帧中的时隙请求或转让标志以及时隙请求数或转让时隙，并将控制帧中的周期信息记录到本节点的周期记录数组t2和倒计时器数组t3中，在每个超帧结束时，将数组t3中每个大于零的位自减1后，执行18；否则，直接执行18；10判断是否要发送集合控制帧，如果是，则执行11；否则，执行13；11判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，如果是，则周期T＝1，执行13；否则，执行12；12判断前n个周期中数据帧传输的总数sum与阈值L的大小，如果sum0，统计前n个周期中数据帧传输的总数sum，比较sum与阈值L的大小：如果sum2时，在0t1T-1时间内节点处于休眠期。步骤13.统计时隙数和队列数据，计算类比时隙数c。设置固定调度间隔为H，设置影响因子为β，在队列中选取下一跳地址不处于休眠期的数据数a，将其下一跳地址依次记录到链路级预约与剩余时隙转让号数组m的0～a-1位，并统计队列中不包括下一跳地址休眠的数据总数b、当前可用时隙数d以及过去未使用的其它节点转让时隙数e，计算类比时隙数：c＝d+β×e，其中，aH，β属于实数集，其表示过去未使用的其它节点转让时隙数e对类比时隙数c的影响程度。所述固定调度间隔，是以复帧来计数的，节点在每个复帧中占用一个固定时隙，则节点的固定时隙数也等于固定调度间隔数，即等于H。步骤14.判断c-b是否小于0，如果是，则置剩余时隙请求或转让标志x1＝1，置剩余时隙请求数或起始转让时隙x2＝b-c，执行16；否则，置x1＝0，x2＝a+1，执行15；步骤15.判断a+1-H是否大于0，如果是，则执行16；否则，分配剩余时隙，并将分配的节点号依次记录在数组m的a～H-1位，再将分配节点转移到本节点的转让监测集合中，执行16；所述分配剩余时隙，是根据转让监测集合外是否存在相邻节点的请求时隙标志来分配：如果存在，则先选取转让监测集合外时隙请求数最多的节点，按其请求时隙数的多少分配本节点剩余的固定时隙给该节点，并将未分配完的时隙再分配给请求数次多的节点；如果不存在，则根据转让监测集合中是否存在相邻节点的请求时隙标志来分配，若是，则先选取时隙请求数最多的节点，按其请求时隙数的多少分配本节点剩余的固定时隙给该节点，未分配完的时隙依次分配给请求数次多的节点，若否，则不分配。步骤16.确定下一唤醒时间w。判断本节点是否使用或准备请求剩余时隙，如果是，则将下一唤醒时间w作为本节点最近的一个发送时隙，执行17；否则，设w为0，执行17：步骤17.将x1、x2、数组m以及w填充到调度帧或集合控制帧，并广播该帧。将剩余时隙请求或转让标志x1填充到调度帧或集合控制帧的剩余时隙请求或转让标志字段；将剩余时隙请求数或起始转让时隙x2填充到调度帧或集合控制帧的剩余时隙请求数或起始转让时隙字段；将链路级预约与剩余时隙转让数组m填充到调度帧或集合控制帧的链路级预约与剩余时隙转让字段；将下一唤醒时间w填充到调度帧或集合控制帧的下一唤醒时间字段；将填充后的调度帧或集合控制帧广播出去。步骤18.判断是否是调度间隔结束时刻，如果是，本轮调度结束；否则，返回7；以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

权利要求：1.一种基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法，特征在于，包括如下：1判断是否存在已知网络：如果在最大周期时长内没有侦听到集合控制帧，认为当前空间不存在已知网络，则需要独立建网，即执行6；否则，选择接入期接入时隙和临时上级节点，执行2；2向网络中的节点广播集合控制帧；3网络中的节点接收到新节点控制帧或接收数据出错，标志当前周期有节点正在入网，并在下一超帧的预留接入期时隙上侦听，再在下一次广播的控制帧中将正在入网标志位置1，告知复用预留接入时隙的邻节点放弃占用；同时，上级节点选择最近空闲的接入期时隙主动向入网节点发送反馈帧，或通过周期性广播的集合控制帧向入网节点反馈其时隙占用情况以及正在入网的标志；4入网节点判断反馈信息中自己的占用时隙是否正确，如果正确，则执行6；否则，执行5；5判断反馈信息中的正在入网标志位是否为1，如果是，则认为产生信道冲突，随机选取接入期，返回2；否则，保持选取的接入时隙不变，返回2；6建网或入网：6a入网后的每个节点，都占用固定的时隙，保证互不冲突；6b建立空的转让监测集合，并更换上级节点，即选择邻节点中最高级别的同步节点作为上级节点。7判断是否要发送调度帧或集合控制帧，如果是，则执行10；否则，执行8；8在已预约的时隙进行侦听、休眠或者业务数据的收发，执行9；9判断是否接收到集合控制帧，如果是，则记录控制帧中的时隙请求或转让标志以及时隙请求数或转让时隙，并将控制帧中的周期信息记录到本节点的周期记录数组t2和倒计时器数组t3中，在每个超帧结束时，将数组t3中每个大于零的位自减1后，执行18；否则，直接执行18；10判断是否要发送集合控制帧，如果是，则执行11；否则，执行13；11判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，如果是，则周期T＝1，执行13；否则，执行12；12判断前n个周期中数据帧传输的总数sum与阈值L的大小，如果sumL，则T＝a，表明周期为a个超帧时长，并置周期倒计时器t1的初始值为T，进行倒计数计时，同时将T填充到控制帧的周期字段,执行13；否则，T＝1，将T填充到控制帧，执行13；13设固定调度间隔为H，设影响因子为β，并设类比时隙数为c，在队列中选取下一跳地址不处于休眠期的数据数a，将其下一跳地址依次记录到链路级预约与剩余时隙转让号数组m的0～a-1位，并统计队列中不包括下一跳地址休眠的数据总数b、当前可用时隙数d以及过去未使用的其它节点转让时隙e，则c＝d+β×e，其中，aH，β属于实数集；14判断c-b是否小于0，如果是，则置剩余时隙请求或转让标志x1＝1，置剩余时隙请求数或起始转让时隙x2＝b-c，执行16；否则，置x1＝0，x2＝a+1，执行15；15判断a+1-H是否大于0，如果是，则执行15；否则，分配剩余时隙，并将分配的节点号依次记录在数组m的a～H-1位，再将分配节点转移到本节点的转让监测集合中，执行16；16确定下一唤醒时间w：判断本节点是否使用或准备请求剩余时隙，如果是，则下一唤醒时间w为本节点最近的一个发送时隙，执行17；否则，设w为0，执行17：17将x1、x2、数组m以及w填充到调度帧或集合控制帧，并广播该帧；18判断是否是调度间隔结束时刻，如果是，本轮调度结束；否则，执行7；2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：1中的集合控制帧，是指接入期发送的广播帧，它除了携带有节点入网和同步的信息，还集成有调度帧的信息，用以代替节点在每个周期中发送的第一帧调度数据。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：1中选择接入期接入时隙和临时上级节点，是根据入网节点接收到的任一控制帧来选择预留接入期时隙中的第一个时隙入网，并将该控制帧的发送节点作为临时上级节点。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：11中判断本周期中是否有正处于休眠期的邻节点，是将周期记录数组t2和倒计时器数组t3的每一位进行比较：如果数组t2的任一位大于1，且t3的对应位大于零并小于t2的这一位，则认为有邻节点处于休眠期；否则，无邻节点处于休眠期。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：15中的分配剩余时隙，其实现如下：判断转让监测集合外是否存在邻节点的请求时隙标志：如果是，则先选取转让监测集合外时隙请求数最多的节点，按其请求时隙数的多少分配本节点剩余的固定时隙给该节点，并将未分配完的时隙再分配给请求数次多的节点；否则，选取转让监测集合中时隙请求数最多的节点，按其请求时隙数的多少分配本节点剩余的固定时隙给该节点，未分配完的时隙再依次分配给请求数次多的节点。

百度查询： 西安电子科技大学 基于TDMA的低功耗分布式介质访问控制方法

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD