




版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)smac協(xié)議的分析與算法改進(jìn)the analysis of smac protocol for wireless sensor networks and its algortithm improvement摘要:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wsn)使用靈活,移動(dòng)性強(qiáng),架設(shè)便捷,應(yīng)用范圍非 常廣泛。abstract: nowadays wireless sensor networking(wsn) has been widely used because of its adaptivity, mobility and scalability (假設(shè)便捷)。媒體訪問(wèn)控制(mac沏議是保證無(wú)線傳感
2、器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。mac protocol is one of the most important network protocol which guarantees the efficiency of wsn communication.重點(diǎn)分析了 wsn中基于競(jìng)爭(zhēng)的典型mac協(xié)議smac協(xié)議。our major concern is the typical contentionbased mac protocol in wsn smac protocol.針對(duì)smac協(xié)議中采用的退避算法不能良好地解決節(jié)點(diǎn)通信公平性等問(wèn)題,提 出了 qrdb退避算法。仿真結(jié)果表明,該算法可
3、以使節(jié)點(diǎn)在發(fā)送失敗時(shí)快速逃離擁擠競(jìng)爭(zhēng)窗口,在發(fā)送 成功后能保持最優(yōu)發(fā)送窗口,并能定位和解決網(wǎng)絡(luò)擁堵區(qū)域問(wèn)題,從而有效地提 高了節(jié)點(diǎn)通信公平性,降低了信道的碰撞,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。the results dem on strate that by using this algorithm, the no des can promptly escape (擁擠競(jìng)爭(zhēng)窗口)when transmission is failed關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),媒體訪問(wèn)控制,退避算法keyword: wireless sensor networks(wsn), medium access control(ma
4、c), avoidance algorithm0引言introduction無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wsn)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于氣象和地理研究、 洪水、火災(zāi)檢測(cè),監(jiān)視農(nóng)作物灌溉悄況、土壤參數(shù)變化、牲畜和家禽的環(huán)境狀況 以及人血積的地表檢測(cè)等4, 6owsn has a wide range of application including 氣象 and geography researches, detection of floods and fire with its unique advantages,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了現(xiàn)代傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì) 算技術(shù)和分布式信息處理
5、技術(shù)等多個(gè)學(xué)科3 4owsn synthesizes many modern sensor technology, micro electronic tech no logy而在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)屮,媒體訪問(wèn)控制(mac)協(xié)議決定無(wú)線信道的使用 方式8,主要作用是為無(wú)線節(jié)點(diǎn)合理分配通信資源,避免眾多節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間 發(fā)射信號(hào)時(shí)產(chǎn)生碰撞沖突。無(wú)線信道的使用方式 in wsn is determined by mac protocol.the main function of mac protocol is distributi ng communication sources reas on ably
6、 , avoiding collision from interfering nodes對(duì)大多數(shù)傳感器硬件平臺(tái)而言,無(wú)線通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)能量的主要消耗 者。as for most of sen sor hardware platforms, the wireless comm unication module is the primary consumer of the sensor nodes energy.由圖1所示可見,通信過(guò)程屮發(fā)生、接收、空閑狀態(tài)消耗了大部分的能量門。as shown in the figure 1, transmitting, receiving and idl
7、ing dominate the total energy consumption.而mac子層直接與物理層連接,即mac協(xié)議直接控制著無(wú)線射頻收發(fā)器 的活動(dòng),決定何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù),所以mac協(xié)議節(jié)能效率的好壞將嚴(yán)重 影響網(wǎng)絡(luò)的生命周期9。however mac layer links to physical layer directly, which means that mac protocol controls the無(wú)線射頻收發(fā)器,通信圖1 wsn節(jié)點(diǎn)能量消耗圖1 smac協(xié)議分析the analysis of smac protocol無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范圍非常廣泛,不同應(yīng)用
8、場(chǎng)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求都是不盡相同的。wsn has a wide range of applications, whereas the demanding of networks are varied from different circumstances.因此,對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議來(lái)說(shuō),并不存在一種適用于所有無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的mac協(xié)議,也不能說(shuō)某種mac協(xié)議相對(duì)其他mac協(xié)議在所有方面都有 明顯優(yōu)勢(shì)。各種mac協(xié)議均有各自的性能特點(diǎn),或者傾向于提能量有效性方面,或者傾向于提高 網(wǎng)絡(luò)延遲方面,或者傾向于提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面等,在這些性能之間都存在不同程度的矛盾 性,且受到多方面因素
9、的制約rio0every mac protocol has its own characteristics因此,應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境來(lái)決定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議。therefore the mac protocols of wsn should be used accordingly by the certain circumstance.1.1 smac工作機(jī)制the smac operation mechanism無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用高度相關(guān),研究人員從不同的方面出發(fā)提出了多種mac協(xié)議。根據(jù)信道訪問(wèn)策略,mac協(xié)議可分為競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議、調(diào)度協(xié)議和混合mac協(xié)議。according to th
10、e channel access scheme, mac protocol can be sorted ass-mac(sensor-mac)是基于競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的典型mac協(xié)議 它是wei ye等人在ieee802. 11 協(xié)議的基礎(chǔ)上,針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量的需求而設(shè)計(jì)的1。s-mac is a typical protocol based on the contention mechanismsmac的主要工作機(jī)制如下:smac main operation mechanisms are as follows:(1 ) 周期性睡眠/偵聽機(jī)制periodic sleep /listen mec
11、hanism 周期性的偵聽/睡眠機(jī)制是smac協(xié)議最主要的運(yùn)行機(jī)制。periodic sleep /listen mechanism is the most primary operation mechanism該機(jī)制把節(jié)點(diǎn)、的工作周期分為偵聽時(shí)間(listen)和睡岷時(shí)間(sleep )兩個(gè)大幀,the mechanism divides the node operation cycle into two frame, listening and sleeping perio cl.在保證正常工作的條件下,通過(guò)使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入的睡眠時(shí)間,利用低占空比盡量地降低 節(jié)點(diǎn)的能量消耗??梢哉f(shuō)smac提出的
12、這種周期性的偵聽/睡眠機(jī)制,是整個(gè)協(xié)議運(yùn)行的核 心內(nèi)容。listensleeplistensleep圖1周期性睡眠/偵聽機(jī)制(2)虛擬簇機(jī)制the virtual cluster mechanism在同步策略方面,smac采用了一種非常聰明的虛擬簇機(jī)制。from the aspect of synchronize schedule, smac exploits a very smart virtual cluster mechanism節(jié)點(diǎn)每隔n個(gè)偵聽周期廣播一次同步幀,相鄰節(jié)點(diǎn)通過(guò)同步幀采取相同的偵聽/睡眠策 略,從而形成了 一個(gè)同步的小網(wǎng)絡(luò),這些小網(wǎng)絡(luò)s-mac稱之為虛擬簇。every s
13、everal listen period, the node broadcasts a synchronize frame. the neighboring nodes adopt the same listen/sleep schedule with the synchronize frame. therefore they form a micro network which is called virtual cluste匚這樣整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就形成了若干個(gè)采用不同偵聽/睡眠策咯的虛擬簇,thus the whole wsn consists of several virtual cl
14、usters by listen/sleep schedules.如圖2所示。虛擬簇之間通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。as figure 2shown, data is sent and received between the virtual cluster through the cluster edge node通過(guò)虛擬簇機(jī)制,新的節(jié)點(diǎn)也可以很容易地加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。with the virtual cluster mechanism, the new nodes can be easily implemented into the networks.the collision overhe
15、aring avoidance mechanisms-mac協(xié)議采用與802. 11mac協(xié)議類似的虛擬和物理載波偵聽機(jī)制,以及rts/cts的通 告機(jī)制,以此較好地解決了隱藏終端問(wèn)題和暴露終端問(wèn)題。s-mac adopts similar virtual/physical csma, and rts/cts 的通告機(jī)制 as 802.11 mac protocola b; c圖3隱藏終端問(wèn)題和暴露終端問(wèn)題(4 ) 退避發(fā)送機(jī)制為進(jìn)一步減低數(shù)據(jù)發(fā)送碰撞幾率,節(jié)點(diǎn)在信道空閑要傳送數(shù)據(jù)的時(shí)候,將利用退避算法 退避一個(gè)時(shí)間來(lái)競(jìng)爭(zhēng)信道。in order to reduce the possibilit
16、y of collision, the node strives for idle channel by using avoidance algorithm when it wants to transmit data一個(gè)好的退避算法,可大大降低節(jié)點(diǎn)間碰撞的概率,提高信道的利用效率。(5 ) 流量自適應(yīng)偵聽機(jī)制traffic adaptive overhearing mechanism節(jié)點(diǎn)根據(jù)偷聽到的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的rts幀或者cts幀,轉(zhuǎn)入睡眠一定時(shí)間,并由此判 斷自己是否為下一跳目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。若為目標(biāo)節(jié)點(diǎn),當(dāng)鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送結(jié)束后,即可喚醒自己立即 進(jìn)行接收。according to the rts
17、 frame or cts frame from neighboring nodes, the node itself switches to sleep mode for a time.。(6)消息傳遞機(jī)制網(wǎng)絡(luò)傳輸中,長(zhǎng)消息傳輸成功率相對(duì)不高。因此,smac協(xié)議為提高數(shù)據(jù)發(fā)送成功率, 采用了消息傳遞機(jī)制,即把長(zhǎng)消息分割為若干段消息,并集中突發(fā)傳送減少協(xié)議控制消息的 開銷。ris21data19data17data1cts20ack18ack16?ck0圖4消息傳遞機(jī)制1.2smac協(xié)議缺點(diǎn)、分析the analysis of smac protocol disadvantagessmac協(xié)議
18、利用周期性的睡眠/偵聽減少了空閑監(jiān)聽所造成的能量浪費(fèi),并采用物理和 虛擬載波偵聽機(jī)制以提高數(shù)據(jù)發(fā)送的成功率,是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較廣的mac協(xié)議。smac protocol use periodic sleeping/listerling to reduce energy waste from idle overhearing.,但是,smac協(xié)議也存在著一定的缺點(diǎn)。but smac protocol also has some disadvantages.一方面,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的時(shí)候,由于smac協(xié)議采用固定的周期性偵聽/睡眠機(jī)制, 節(jié)能效果并不理想;on one hand, owing
19、to using the fixed periodic listen/sleep schedule, the smac protocol for energy savings is less effective when the network overloading is low另一方面,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)比較繁忙時(shí),smac協(xié)議數(shù)據(jù)收發(fā)的延時(shí)和信道碰撞的幾率都急劇 增大,并非常容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞和節(jié)點(diǎn)的“餓死”和“早死”現(xiàn)象。on the other hand, latency and the contingency of collision increase drastically which eas
20、ily leads towhen the networking is busy在第二個(gè)方面中,smac協(xié)議所采用的退避算法機(jī)制過(guò)于簡(jiǎn)單和原始是一個(gè)突出原因。as the second aspect shows, smac因此,本文提出一種全新的退避算法,采用新算法的smac協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中 的吞吐量、時(shí)延、能耗等方面均得到一定的提高。therefore, this paper proposes a novel avoidance algorithm2改進(jìn)方案the improvement scheme2.1 smac采用的退避算法smac avoidance algorithm首先,我們
21、來(lái)看一下smac所采用的退避算法的原理:first, let5s see the principle of avoidance algorithm adopted by smacbtime = random。* slottime;( 1 )(1) 式中,btime代表節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間,slottim是由物理層決定大小的時(shí)隙,random() 是均勻分布于0, cw啲隨機(jī)整數(shù),在smac中,cw是一個(gè)固定值。in equation ( 1 )> btime represents the avoidance time of node. slottime is the slot which si
22、ze is determined by the physical laye匚 random() is ainteger.cwis a constant in smac從(1)式中,我們可以看到無(wú)論節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功與否,節(jié)點(diǎn)的退避時(shí)間都是在固定的競(jìng)爭(zhēng) 窗口里隨機(jī)選取的,as shown above, we know that whether it successes or not, the avoidance time of node is picked up randomly from the fixed contention window.節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送完全不能反映出網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況。退避算法對(duì)數(shù)據(jù)
23、收發(fā)的公平以及對(duì)信道 的分配都不能起到很好的改善作用。because the contention of nodes transmission is not able to reveal the actual condition of networks, so the avoidance algorithm cannot achieve the goal of improving per-node fairness and channel assignment2.2改進(jìn)的退避算法the improving avoidance algorithm本文針對(duì)smac原先采用的退避算法的缺陷,提出了一
24、種改進(jìn)的退避算法。considering the drawback of former smac avoidance algorithm, this paper proposes a improving one.為了便于敘述,本文將改進(jìn)后的退避算法協(xié)議稱為qrdb,改進(jìn)后的s-mac協(xié)議稱為 qs-mac 協(xié)議。qrdb首先對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口設(shè)定最小值cwmin和最大值cwmax,即cw是在cwmin, cw max區(qū)間動(dòng)態(tài)調(diào)整。然后為了判斷節(jié)點(diǎn)的發(fā)送意愿,添加一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送失敗計(jì)數(shù)器fcourter0通過(guò)統(tǒng)計(jì)該節(jié) 點(diǎn)發(fā)送失敗的次數(shù),來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)意愿的是否強(qiáng)烈。為判斷節(jié)點(diǎn)是否繁忙,添加一個(gè)變量q統(tǒng)
25、計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包隊(duì)列數(shù),以此判斷該節(jié)點(diǎn)是否處于 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的繁忙區(qū)域。最后設(shè)定一個(gè)退避窗口的分隔閥值cwm,通過(guò)cwm把競(jìng) 爭(zhēng)窗口區(qū)間分隔成如圖5,以此判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量的高低情況。1iii0minmmax圖5以下是在四種不同的情況的時(shí)候,qrdb對(duì)競(jìng)爭(zhēng)窗口作出不同調(diào)整策略的描述:(1 ) 發(fā)送失敗未超過(guò)規(guī)定次數(shù)x時(shí)(fcourtcr<x ),cw =min ( z ( f*cw ), cwmax ); f=fl.5, 2.0, z 代表取整;(2) 發(fā)送失敗超過(guò)規(guī)定次數(shù)x時(shí)(fcourter>=x),若cw在cwmin, cwm區(qū)間,則將cw降至cwmin; 若cw在cwm,
26、cwmax區(qū)間,則將cw降至cwm;(3) 發(fā)送成功時(shí),cw =max ( z ( s*cw), cwmin); s二0.7, 0.9 , z 代表取整;(4 ) 節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包隊(duì)列數(shù)q超過(guò)n個(gè)時(shí),cw立即降至cwmin。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始退避窗口 cw均為cwmin.當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗時(shí),數(shù)據(jù)發(fā)送失敗計(jì) 數(shù)器fcourter統(tǒng)計(jì)發(fā)送的次數(shù)。當(dāng)fcourter 卜于規(guī)定的失敗次數(shù)時(shí),cw乘以一個(gè)參數(shù)f(f 根據(jù)實(shí)際情況可取1.5-2.0),以盡快逃離擁擠的競(jìng)爭(zhēng)窗口;當(dāng)fcourter等于或大于規(guī)定的失 敗次數(shù)時(shí),表明節(jié)點(diǎn)非?!翱释卑l(fā)送數(shù)據(jù)但是自身?yè)屨夹诺赖哪芰s較低,為了公平地分 配信道,這時(shí)
27、如果節(jié)點(diǎn)的cw在cwmin, cwm區(qū)間,則將cw馬上降低到cwmin,如果 cw在cwm, cwmax區(qū)間,則將cw馬上降低到cwm,通過(guò)跳躍式調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)cw的取 值,有效提高節(jié)點(diǎn)搶占信道的能力。當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)成功后,cw乘以一個(gè)參數(shù)s (s根據(jù) 實(shí)際情況可取0.7-0.9 ),以盡量保持當(dāng)前對(duì)節(jié)點(diǎn)自身和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是適當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)窗口,解決“餓死”和“早死”現(xiàn)象。變量q是用來(lái)統(tǒng)計(jì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包隊(duì)列數(shù)的,通過(guò)該值我們可以定 位無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁堵區(qū)域,為了盡快均衡網(wǎng)絡(luò)的傳輸,當(dāng)q等于大于n時(shí)候,當(dāng)前 cw將無(wú)條件降低到cwmin。2.3 qbeb流程圖節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道攤爭(zhēng)先敗次cw-cw m7d<cw>cw masv1ac退避機(jī)制算法f龜 1 asmac backoffm echanisn algorithm3仿真驗(yàn)證本文選用了目前使用相當(dāng)廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件ns-2來(lái)
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 戰(zhàn)略投資與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方式試題及答案
- 法學(xué)概論考試中的選擇題技巧與試題及答案
- 行政法學(xué)的歷史與發(fā)展及試題
- 軟件設(shè)計(jì)師備考常見問(wèn)題將解答試題及答案
- 加強(qiáng)公司財(cái)務(wù)內(nèi)控的工作計(jì)劃
- 隨州市隨縣事業(yè)單位2025年統(tǒng)一公開招聘筆試歷年典型考題及考點(diǎn)剖析附帶答案詳解
- 硬件接口設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)試題及答案
- 行政管理考試知識(shí)體系建立:試題及答案
- 分布式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能力測(cè)試試題及答案
- 重要信息處理軟件試題及答案參考
- 2025年河北省秦皇島市海港區(qū)中考一模數(shù)學(xué)試卷(原卷版+解析版)
- 2025年注冊(cè)測(cè)繪師考試測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用試題
- 二手車貨車合同協(xié)議書
- 2024-2025部編版小學(xué)道德與法治二年級(jí)下冊(cè)期末考試卷及答案
- 測(cè)井試題及答案完整版
- 人格性格測(cè)試題及答案
- 2025-2030年中國(guó)電子變壓器市場(chǎng)運(yùn)行前景及投資價(jià)值研究報(bào)告
- 中西文化鑒賞知到章節(jié)答案智慧樹2023年鄭州大學(xué)
- 鐵路貨車運(yùn)用常見故障講課講稿
- 公共場(chǎng)所重大活動(dòng)衛(wèi)生監(jiān)督工作規(guī)范模板
- 大學(xué)計(jì)算機(jī)python選擇填空題庫(kù)及答案
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論