用于无线传感器网络的服务感知sq-mac协议的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信技术，具体地说是用于无线传感器网络的服务感知SQ-MC协议 的实现方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork,WSN)是由部署在监测区域内大量 的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统。
[0003] 随着科学技术的发展，WSN的相关技术日益成熟，由传统WSN所获取的简单数据， 已经不能满足人们的全面需求，业务类型的多样化成为WSN的一个发展方向，但大多数传 统MAC协议都假定使用单一的尽力而为（BestEffort，BE)数据传输模型，多种业务类型 公平的竞争网络资源，缺乏对不同业务类型进行区分服务的功能，不利于服务质量要求较 高的业务类型传输，所以研究服务感知MC协议具有相对积极的意义。
[0004] 根据信道的分配方式，WSN的MAC协议通常可分为竞争类、调度类以及混合类。文 献提出一种基于竞争的服务感知MAC协议，具有较好的动态适用性，但节点之间没有任何 时间同步机制，容易出现节点早睡和空闲侦听的问题，而且数据队列存在不公平的问题，低 优先级队列的数据会容易遭受较大的时延。文献提出一种基于调度的服务质量感知MC协 议，能够保障业务类型的服务质量，但子节点由它们的父节点进行时间同步，同步错误容易 出现叠加，且不适用于大型WSN。文献提出混合类MAC协议，I-MAC，只需要轻量级的时间同 步，并且使用了一种新的时隙调度算法提高了网络性能，但在动态环境中更新邻居信息和 进行时隙分配是个巨大的挑战。
[0005] 此外研究得知，能耗是WSN的首要考虑因素，所以在MAC协议的设计过程中除过考 虑相关应用的要求外，还要考虑节能。S-MAC是第一个针对WSN的节能需求而提出的MAC协 议，针对节点无关消耗的一些主要因素(空闲监听、冲突、串音等）采取了虚拟簇、CSMA/CA、 周期性侦听/睡眠等机制。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供用于无线传感器网络的服务感知SQ-MC协议 的实现方法，通过自适应退避机制、伪调度机制、虚拟多队列公平调度机制使MAC协议在具 有区分服务功能的同时，实现了低碰撞、低功耗和自适应的优点。
[0007] 本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：用于无线传感器网络的服务感 知SQ-MC协议的实现方法，采用周期工作机制，一个周期包括同步阶段、分配阶段和数据 阶段； 在同步阶段，节点利用同步帧的交换形成虚拟簇，在网络初始化完成后，通过节点定期 广播自己的同步帧，维持同一虚拟簇的时间同步； 在分配阶段，需要发送数据的节点与对应的目的节点通过交换对应的RTSn/CTSn完成 时隙分配，其中使用的时隙数^由用户根据网络的节点密度进行设定，而分配阶段的时间 长度与时隙数5成正比；在网络空载的情况下，协议预定了节点在网络无碰撞并且信道环 境良好的理想情况下从竞争信道到成功发送RTSn所需的最长时间：rAa77，不需要发送数据 的节点如果侦听到信道持续心7空闲，转入酬民。
[0008] 在数据阶段，协议将数据阶段分割成一系列大小相同的时隙，即数据阶段的时间 长度等于时隙数5与时隙长度乘积；预约时隙成功的节点在对应的时隙唤醒进行数据 交换；协议预定了一个控制帧等待时间：为节点在理想情况下发送RTS/CTS控制帧所需 的时间，若时隙预约失败，源节点在发送RTS后和目的节点在唤醒后需要对信道保持U寸 间的空闲侦听，如果信道持续空闲，节点转入睡眠。
[0009] 本发明所述的SQ-MC协议采用伪调度机制、自适应退避机制和虚拟多队列公平 调度机制进行管理。
[0010] 本发明所述的伪调度机制为节点在分配阶段通过交换RTSn/CTSn完成时隙分配， 每组相关节点拥有单独的时隙，从而实现在数据阶段的理论上的无碰撞通信。
[0011] 本发明所述的自适应退避机制为节点根据业务和通信环境的不同在信道竞争过 程中对竞争窗口（ContentionWindow,CW)进行调整； 所述的节点使用的调整过的竞争窗口进行信道竞争发送RTSn。
[0012] 所述的虚拟多队列公平调度机制分为多队列机制和公平调度机制两部分； 所述的多队列机制为节点使用多数据队列的结构管理进入队列的数据包； 所述的公平调度机制数据为队列进行数据包的调度。
[0013] 本发明所述的RTSn/CTSn为协议在分配阶段为实现时隙分配而定义的控制帧，包 含节点所选时隙的信息。
[0014] 本发明的有益效果是：本发明所述的SQ-MC协议的实现方法在时隙分配的过程 中通过伪调度机制实现无碰撞通信并且为高优先级业务提供更多的时隙用于数据传递；在 信道竞争过程中采用自适应退避机制为高优先级业务提供较低的竞争窗口；在数据调度的 过程中使用虚拟多队列公平调度机制保障高优先级业务的服务质量要求；从而使高优先级 业务数据占用的更多的网络资源。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明SQ-MC的周期工作机制图； 图2为本发明定义的RTSn/CTSn控制帧结构图； 图3本发明数据阶段时隙的区域划分图； 图4为单数据队列构造图； 图5为多数据队列构造图； 图6为多跳交叉网络拓扑图； 图7为本发明实施例部分仿真参数设置表； 图8为本发明实施例中数据包的平均递送率仿真结果图； 图9为本发明实施例中数据包的平均时延仿真结果图； 图10为本发明实施例中网络的平均总能耗仿真结果图； 图11为本发明随机退避算法的马尔科夫模型。
【具体实施方式】
[0016] 如图所示，用于无线传感器网络的服务感知SQ-MC协议的实现方法，采用周期工 作机制，一个周期包括同步阶段、分配阶段和数据阶段； 在同步阶段，节点利用同步帧的交换形成虚拟簇，在网络初始化完成后，通过节点定期 广播自己的同步帧，维持同一虚拟簇的时间同步； 在分配阶段，需要发送数据的节点与对应的目的节点通过交换对应的RTSn/CTSn完成 时隙分配，其中使用的时隙数S由用户根据网络的节点密度进行设定，而分配阶段的时间 长度与时隙数S成正比；在网络空载的情况下，协议预定了节点在网络无碰撞并且信道环 境良好的理想情况下从竞争信道到成功发送RTSn所需的最长时间：Thall，不需要发送数 据的节点如果侦听到信道持续Thall空闲，转入睡眠。
[0017] 在数据阶段，协议将数据阶段分割成一系列大小相同的时隙，即数据阶段的时间 长度等于时隙数S与时隙长度Tst的乘积；预约时隙成功的节点在对应的时隙唤醒进行数 据交换；协议预定了一个控制帧等待时间：Twc，为节点在理想情况下发送RTS/CTS控制帧 所需的时间，若时隙预约失败，源节点在发送RTS后和目的节点在唤醒后需要对信道保持 Twc时间的空闲侦听，如果信道持续空闲，节点转入睡眠。
[0018] 进一步，所述的RTSn/CTSn为协议在分配阶段为实现时隙分配而定义的控制帧， 包含节点所选时隙的信息。
[0019] 所述的SQ-MC协议采用伪调度机制、自适应退避机制和虚拟多队列公平调度机 制进行管理。
[0020] 进一步，所述的伪调度机制为节点在分配阶段通过交换RTSn/CTSn完成时隙分 配，每组相关节点拥有单独的时隙，从而实现在数据阶段的理论上的无碰撞通信。
[0021] 进一步，所述的自适应退避机制为节点根据业务和通信环境的不同在信道竞争过 程中对竞争窗口（ContentionWindow,CW)进行调整； 进一步，所