无源物联网节点介质访问控制方法、系统、装置及介质

1.本发明涉及无源物联网领域，尤其涉及一种无源物联网节点介质访问控制方法、系统、装置及介质。


背景技术：

2.无线传感网近年来被广泛应用于智能家居、环境监测、智能控制、医疗卫生等领域。由于终端节点体积小，部署方便，因此通常与附近的无线设备一起构成自组织无线网络，实现对周围环境信息的监控。
3.然而，终端节点的体积大小限制了自身电池的容量。为大量的节点更换电池有着高昂的成本，甚至是做不到的，这给无线传感网的部署和后期维护带来了巨大的挑战。无源物联网的提出很好的解决了上面的问题，终端节点不接外部电源、不带电池，通过采集环境中的射频能量供节点工作。环境反向散射通信作为一种超低功耗的通信方式，成为了无源物联网首选的通信方式。
4.介质访问控制(mac)协议决定了无线信道的使用方式，在无线传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建无线传感器网络系统的底层基础结构。传统的无线传感器网络多采用电池供电，介质访问控制协议的研究重点在于减少网络能耗，延长节点的生存时间。然而，采用环境反向散射通信的终端节点通过获取环境中的射频能量以维持节点的正常工作，节点的剩余能量具有动态变化的特性。此外，终端节点应当将降低碰撞概率，减少节点碰撞带来的能量损失。此时关注的重点变为如何利用节点可用的能量来降低节点的碰撞概率。因此，设计基于环境反向散射通信的无源物联网节点介质访问控制协议是迫切需要的。


技术实现要素：

5.为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于：
6.本发明所采用的技术方案是：
7.一种无源物联网节点介质访问控制方法，包括以下步骤：
8.s1、当无线传感器节点有数据传输需求时，初始化冲突次数i＝0，之后执行步骤s2；
9.s2、无线传感器节点根据节点当前剩余能量e更新节点数据传输的优先级k；根据优先级k初始化节点的固定等待时长t1和随机退避时长t2，之后执行步骤s3；
10.s3、无线传感器节点监听信道状态，若在t1时长内信道空闲则执行步骤s4，否则继续执行步骤s2；
11.s4、无线传感器节点退避t2时长并等待，退避阶段结束后执行步骤s5；
12.s5、无线传感器节点发送数据，若收到接收端的确认信号则数据发送成功，否则执行步骤s6；
13.s6、无线传感器节点更新自身的冲突次数i＝i 1，若i大于预设的冲突上限i
max
，则
本次数据发送失败，否则执行步骤s2。
14.进一步地，在步骤s2中，节点数据传输的优先级k的设计方案有以下特征：剩余能量越高的节点k越小，代表节点的优先级越高，k的最小值为1，最大值为节点优先级分级的粒度n。
15.进一步地，所述优先级k的计算方式如下：
[0016][0017]
其中，e
max
为节点所能获取的能量上限，e
min
为维持节点正常工作的能量阈值，n为节点优先级分级的粒度。
[0018]
进一步地，在步骤s2中，节点固定等待时长t1的设计方案有以下特征：
[0019]
t1由公式t1＝g(k)*δt确定，g(k)为一单增函数，且返回一个整数值，δt为单位时隙的时长；
[0020]
基于该设计方案可知具有不同优先级的节点有着不同的固定等待时长t1，且优先级越高的节点t1越低，相比低优先级的节点具有更高的传输机会。
[0021]
进一步地，在步骤s2中，节点随机退避时长t2的设计方案有以下特征：
[0022]
t2由公式t2＝rand(a,b)*δt确定，rand(a,b)返回[a,b)范围内的某一随机整数，所有的节点a＝g(k)，非优先级最低的节点b＝g(k 1)，优先级最低的节点b的取值为一大于g(k)的整数即可。
[0023]
进一步地，在步骤s3中节点监听信道和步骤s4中节点退避等待时，均可获取环境中的射频能量补充节点的剩余能量，因此低优先级的节点在多次的监听和退避过程中，优先级会逐步提高，大幅提升节点传输的概率，保证节点的公平性。
[0024]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0025]
一种环境反向散射无源物联网系统，包括无线传感器节点和接收设备，其中所述无线传感器节采用如上所述的一种无源物联网节点介质访问控制方法进行控制。
[0026]
进一步地，所述接收设备为阅读器。
[0027]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0028]
一种无源物联网节点介质访问控制装置，包括：
[0029]
至少一个处理器；
[0030]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0031]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
[0032]
本发明所采用的另一技术方案是：
[0033]
一种计算机可读存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行如上所述方法。
[0034]
本发明的有益效果是：本发明引入固定等待时长和随机退避时长两个概念，通过区分不同的固定等待时长，降低不同优先级间节点的碰撞概率。通过区分不同的随机退避时长，降低相同优先级间节点的碰撞概率。另外，本发明提供了一种优先级机制，使得剩余能量更高的节点有更高的优先级接入信道，降低通信失败的风险。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
[0036]
图1是本发明实施例中应用于环境反向散射无源物联网的拓扑结构图；
[0037]
图2是本发明实施例中基于环境反向散射通信的无源物联网节点介质访问控制协议算法流程。
具体实施方式
[0038]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0039]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0040]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0041]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0042]
如图1所示为一个由无线传感器节点、阅读器组成的环境反射散射无源物联网。为了将多个基于环境反向散射通信的终端节点接入阅读器，利用节点可用的能量来降低节点的碰撞概率，本实施例提供了一种基于环境反向散射通信的无源物联网节点介质访问控制协议，参见图2，包括以下步骤：
[0043]
s101、当无线传感器节点有数据传输需求时，初始化冲突次数i＝0，之后执行步骤s102；
[0044]
s102、无线传感器节点根据节点当前剩余能量e更新节点数据传输的优先级s102、无线传感器节点根据节点当前剩余能量e更新节点数据传输的优先级其中e
max
为节点所能获取的能量上限，e
min
为维持节点正常工作的能量阈值，n为节点优先级分级的粒度。最后根据k初始化节点的固定等待时长t1和随机退避时长t2，之后执行步骤s103；
[0045]
s103、无线传感器节点监听信道状态，若在t1时长内信道空闲则执行步骤s104，否则继续执行步骤s102；
[0046]
s104、无线传感器节点退避t2时长并等待，退避阶段结束后执行步骤s105；
[0047]
s105、无线传感器节点发送数据，若收到接收端的确认信号则数据发送成功，否则执行步骤s106；
[0048]
s106、无线传感器节点更新自身的冲突次数i＝i 1，若i大于节点允许的冲突上限i
max
，则本次数据发送失败，否则执行步骤s102。
[0049]
进一步作为可选的实施方式，步骤s102中,节点数据传输的优先级k的设计方案有以下特征：剩余能量越高的节点k越小，代表节点的优先级越高，k的最小值为1，最大值为节点优先级分级的粒度n。
[0050]
进一步作为可选的实施方式，步骤s102中，节点固定等待时长t1的设计方案有以下特征：t1由公式t1＝g(k)*δt确定，g(k)为一单增函数，且返回一个整数值，δt为单位退避时隙的时长。由该设计方案可知具有不同优先级的节点有着不同的固定等待时长t1，且优先级越高的节点t1越低，相比低优先级的节点具有更高的传输机会。
[0051]
进一步作为可选的实施方式，步骤s102中，节点随机退避时长t2的设计方案有以下特征：t2由公式t2＝rand(a,b)*δt确定，rand(a,b)返回[a,b)范围内的某一随机整数，所有的节点a＝g(k)，非优先级最低的节点b＝g(k 1)，优先级最低的节点b的取值为一大于g(k)的整数即可。
[0052]
进一步作为可选的实施方式，步骤s103中节点监听信道和步骤s104中节点退避等待时，均可以获取环境中的射频能量补充节点的剩余能量，因此低优先级的节点在多次的监听和退避过程中，优先级会逐步提高，大幅提升节点传输的概率，保证节点的公平性。
[0053]
由上可知，本实施例方法具有以下特点：终端节点根据节点自身的剩余能量自适应的调整节点的固定等待时长和随机退避时长。剩余能量越高的节点，有着更高的传输优先级。高优先级的节点相比低优先级的节点，有着更小的固定等待时长，通过区分不同优先级节点的固定等待时长来降低不同优先级节点之间的碰撞概率。相同优先级的节点有着相同的固定等待时长，随机退避时长则从某一相同的范围内随机取值，进一步降低了相同优先级节点之间的碰撞概率。
[0054]
以下结合具体实施例对上述方法进行详细解释说明。
[0055]
考虑一个包含一个阅读器，四个无线传感器节点的无线传感器网络。节点1的剩余能量》节点2的剩余能量》节点3的剩余能量》节点4的剩余能量。其中，节点1的剩余能量为e1＝0.92(e
max-e
min
)，节点2的剩余能量为e2＝0.85(e
max-e
min
)，节点3的剩余能量为e3＝0.51(e
max-e
min
)，节点4的剩余能量为e4＝0.43(e
max-e
min
)，协议实例节点优先级分级的粒度n＝5，单位时隙的时长为δt。优先级为1的节点t1＝δt、t2＝rand(0,8)*δt，优先级为2的节点t1＝9*δt、t2＝rand(0,16)*δt，优先级为3的节点t1＝25*δt、t2＝rand(0,32)*δt，优先级为4的节点t1＝57*δt、t2＝rand(0,64)*δt，优先级为5的节点t1＝121*δt、t2＝rand(0,128)*δt。假设四个节点均有数据传输的需求，那么该协议应用于上述无源物联网时的操作步骤如下：
[0056]
s201、节点1、节点2、节点3、节点4初始化自身的冲突次数i＝0；
[0057]
s202、节点根据当前剩余能量更新节点数据传输优先级，节点1的优先级k＝1、固定等待时长t1＝δt、随机退避时长t2＝6*δt。节点2的优先级k＝1、固定等待时长t1＝δt、随机退避时长t2＝4*δt。节点3的优先级k＝3、固定等待时长t1＝25*δt、随机退避时长
t2＝17*δt。节点4的优先级k＝3、固定等待时长t1＝25*δt、随机退避时长t2＝26*δt。
[0058]
s203、节点1、节点2、节点3、节点4监听信道状态，节点1、节点2的固定等待时长均为t1＝δt，在δt时间内信道空闲，执行步骤s204。节点3、节点4的固定等待时长均为t1＝25*δt，在节点1、节点2执行完步骤s204发送数据时，节点3、节点4仍在监听信道，此时信道繁忙，因此节点1、节点2转而执行步骤s202。
[0059]
s204、节点1的随机退避时长t2＝6*δt，节点2的随机退避时长t2＝4*δt，因此节点2先于节点1结束退避阶段，节点2执行步骤s205时，节点1冻结自身退避计时器，此时节点1的退避时长还剩余2*δt。
[0060]
s205、节点2发送数据，成功收到接收端的确认信号，节点2数据发送成功。
[0061]
此时，还剩余节点1、节点3、节点4未成功发送数据，节点1的退避计时器剩余时长为2*δt，小于节点3、节点4的固定等待时长t1＝25*δt，因此节点1在计时器结束后发送数据，成功收到接收端的确认信号，节点1数据发送成功。
[0062]
最后，还剩余节点3、节点4未成功发送数据，由于节点3、节点4在数次步骤s202、s203的循环中收集了环境中的射频能量，会根据节点最新的剩余能量状态计算一个更新后的优先级、固定等待时长、随机退避时长。之后节点3、节点4的数据发送过程与节点1、节点2的发送实例类同。
[0063]
综上所述，本实施例方法相对于现有技术，具有如下有益效果：
[0064]
(1)本发明实施例提出一种基于环境反向散射通信的无源物联网节点介质访问控制协议，与现有技术相比，不需要严格的时间同步也可较好的降低节点间碰撞的概率。本发明实施例引入固定等待时长和随机退避时长两个概念，通过区分不同的固定等待时长，降低不同优先级间节点的碰撞概率。通过区分不同的随机退避时长，降低相同优先级间节点的碰撞概率。
[0065]
(2)由于采用环境反向散射通信的无线传感器节点通常采用超级电容存储环境中的射频能量，存储的能量量级远小于传统无线传感器节点采用电池储能的方案，剩余能量较低的节点会承担更高的通信失败的风险。因此本发明实施例提供了一种优先级机制，使得剩余能量更高的节点有更高的优先级接入信道，降低通信失败的风险。
[0066]
本实施例还提供了一种环境反射散射无源物联网系统，包括无线传感器节点和接收设备，其中所述无线传感器节采用如图2所示的控制方法进行控制。
[0067]
本实施例的一种环境反向散射无源物联网系统，与本发明方法实施例所提供的一种无源物联网节点介质访问控制方法具有对应的关系，因此具备该方法相应的功能和有益效果。
[0068]
本实施例还提供了一种无源物联网节点介质访问控制装置，包括：
[0069]
至少一个处理器；
[0070]
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
[0071]
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上所述方法。
[0072]
本实施例的一种无源物联网节点介质访问控制装置，可执行本发明方法实施例所提供的一种无源物联网节点介质访问控制方法，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0073]
本技术实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图2所示的方法。
[0074]
本实施例还提供了一种存储介质，存储有可执行本发明方法实施例所提供的一种无源物联网节点介质访问控制方法的指令或程序，当运行该指令或程序时，可执行方法实施例的任意组合实施步骤，具备该方法相应的功能和有益效果。
[0075]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0076]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0077]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0078]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0079]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存
储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0080]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0081]
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
[0082]
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0083]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。