S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議的比較

1、S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議的比較摘要：媒體訪問控制協(xié)議是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協(xié)議之一，傳感器網絡的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。與傳統(tǒng)網絡的MAC協(xié)議不相同的是，無線傳感器網絡的MAC協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量。針對無線傳感器網絡的要求，本文中將現有的MAC協(xié)議中S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議進行了比較和分析。關鍵字：S-MAC協(xié)議；T-MAC協(xié)議；無線傳感器網絡；ABSTRACT:MACprotocolisoneofthekeytoensureefficientnetworkprotocolsforwirelesssensornetworksf

2、orcommunication,suchastheperformanceofthesensornetworkthroughput,delayperformancedependsentirelyontheMACprotocolused.MACprotocolwiththetraditionalnetworkisnotthesamefactorsMACprotocolforwirelesssensornetworkstheprimaryconsiderationistosaveenergy.Fortherequirementsofthewirelesssensornetwork,inthispap

3、er,theexistingMACprotocolsS-MACprotocolandT-MACprotocolwerecomparedandanalyzed.KEYWORDS:S-MACprotocol;T-MACprotocol;wirelesssensornetworks;1引言媒體訪問控制協(xié)議簡稱MAC協(xié)議，處于無線傳感器網絡協(xié)議的底層部分，以解決無線傳感器網絡中節(jié)點以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網絡性能問題。對傳感器網絡的性能有較大影響，是保證無線傳感器網絡高效通信的關鍵網絡協(xié)議之一，傳感器網絡的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。無線傳感器網絡的MAC協(xié)議首要考

4、慮的因素就是節(jié)省能量。這意味著傳統(tǒng)網絡的MAC協(xié)議不適用于傳感器網絡，需要提出新的適用于傳感器網絡的MAC協(xié)議。2無線傳感器網絡和MAC協(xié)議無線傳感器網絡(wirelesssensornetwork,WSN)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專用網絡。其顯著特點是節(jié)點能量和硬件資源有限、數量多、無中心自組織、分布密集、網絡動態(tài)性強，其中能耗問題是WSN中至關重要的問題。介質訪問控制(mediumaccesscontrol,MAC)協(xié)議，就是通過一組規(guī)則和過程來更有效、有序和公平地使用共享介質。MAC協(xié)議的基本作用是避免點到點通信時沖

5、突的發(fā)生。它必須實現兩大基本功能目標：在密集散布的傳感器現場能夠有助于建立起一個基本網絡基礎設施所需的數據通信鏈路；協(xié)調共享介質的訪問，以便傳感器網絡節(jié)點能夠公平有效地分享通信資源。MAC協(xié)議在無線傳感器網絡中決定無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線通信資源，用來構建傳感器網絡系統(tǒng)的底層基礎結構3。它處于傳感器網絡協(xié)議的底層部分，對網絡的性能有較大的影響，是無線傳感器網絡的研究重點。3 S-MAC協(xié)議S-MAC(Self-organizingMAC)協(xié)議3是在802.11MAC協(xié)議基礎上，針對傳感器網絡的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網絡MAC協(xié)議oS-MAC協(xié)議采用以下機制：周期性

6、偵聽/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點能量的消耗。鄰居節(jié)點通過協(xié)商的一致性睡眠調度機制形成虛擬簇，減少節(jié)點的空閑偵聽時間。通過流量自適應的偵聽機制，減少消息在網絡中的傳輸延遲。采用帶內信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數據。通過消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少控制消息的開銷和消息的傳輸延遲4°S-MAC協(xié)議減少了空閑偵聽所消耗的能源，但是不足之處在于：節(jié)點的工作循環(huán)周期在協(xié)議開始工作時就已確定下來，不能根據網絡中的業(yè)務量的變化來進行調整。4 T-MAC協(xié)議T-MAC(TimeoutMAC)協(xié)議4是在S-MAC協(xié)議的基礎上提出來的。S-MAC協(xié)議通過采用周期性偵聽

7、/睡眠工作方式來減少空閑偵聽，周期長度是固定不變的,節(jié)點的偵聽活動時間也是固定的。而周期長度受限于延遲要求和緩存大小，活動時間主要依賴于消息速率。這樣就存在一個問題:延遲要求和緩存大小是固定的，而消息速率通常是變化的。如果要保證可靠及時的消息傳輸，節(jié)點的活動時間必須適應最高通信負載。當負載動態(tài)較小時，節(jié)點處于空閑偵聽的時間相對增加。針對這個問題，T-MAC協(xié)議在保持周期長度不變的基礎上，根據通信流量動態(tài)地調整活動時間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽時間。T-MAC協(xié)議相對S-MAC協(xié)議減少了處于活動狀態(tài)的時間。在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數據時仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過程，節(jié)

8、點周期性喚醒進行偵聽，如果在一個經定時間TA內沒有發(fā)生下面任何一個激活事件，則活動結束：周期時間定時器溢出；在無線信道上收到數據;通過接收信號強度指示RSSI感知存在無線通信;通過偵聽RTS/CTS分組，確認鄰居的數據交換已經結束。T-MAC協(xié)議根據當前的網絡通信情況，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽，但帶來了早睡問題。為解決這個問題，提出了未來請求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方法。5 S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議在無線傳感器網絡設計中針對節(jié)能考慮SMAC(sensorMAC)協(xié)議采用以下機制：第一，周期性偵聽/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點盡可能處于睡眠狀態(tài)來降低節(jié)點能量的消耗：每個節(jié)點獨立

9、地調度它的工作狀態(tài)，周期性地轉入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽信道狀態(tài)，判斷是否要發(fā)送或接收數據。該機制由于采用周期睡眠會帶來一定的通信延遲，所以為了便于相互通信，相鄰節(jié)點應盡量維持睡眠/偵聽調度周期的同步；此外該機制會占用大量存儲空間緩存數據，這在資源受限的無線傳感器網絡中顯得十分突出，給出了SMAC協(xié)議周期性偵聽和睡眠。第二，采用帶內信令來減少重傳和避免監(jiān)聽不必要的數據(即串音避免)：幾乎每個節(jié)點都經歷RTS/CTS/DATA/ACK通信過程，在傳輸的每個分組中，都有一個域值表示剩余通信過程需要持續(xù)的時間長度。源、目的節(jié)點的相鄰節(jié)點在偵聽到分組時，記錄這個時間長度值，同時進入睡眠狀態(tài)。通信過程記錄

10、的剩余時間會隨著時間不斷減少，當剩余時間減至零時，若節(jié)點仍處于偵聽周期，就會被喚醒；否則，節(jié)點處于睡眠狀態(tài)直到下一個調度的偵聽周期。每個節(jié)點在發(fā)送數據時，都要先進行載波偵聽。只有虛擬或物理載波偵聽表示無線信道空閑時，才可以競爭通信過程。第三，鄰居節(jié)點通過協(xié)商的一致性睡眠調度機制形成虛擬族，具有相同調度的節(jié)點形成一個虛擬族，邊界節(jié)點記錄兩個或多個調度，以減少節(jié)點的空閑偵聽時間，從而減少能耗。第四，通過流量自適應的偵聽機制，減少消息在網絡中的傳輸延遲：傳感器節(jié)點在與相鄰節(jié)點通信完后并不立即進入睡眠狀態(tài)，而是繼續(xù)偵聽一段時間。如果節(jié)點在這段時間內收到RTS分組，則可以立即接收數據；否則轉入睡眠狀態(tài)直

11、到下一次調度偵聽周期。通過采用流量自適應偵聽機制，減少了通信延遲的累加效應。第五，通過消息分割和突發(fā)傳遞機制來減少協(xié)議開銷和傳遞延遲：對于無線信道，傳輸差錯與消息長度成正比，短消息成功傳輸的概率要大于長消息。根據這一原理，在SMAC協(xié)議中消息傳遞技術將長消息分成若干短消息，利用RTS/CTS機制，一次預約發(fā)送整個長消息的時間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既提高發(fā)送成功率，又減少了協(xié)議開銷。TMAC(TimeoutMAC)協(xié)議與自適應睡眠的SMAC協(xié)議基本思想相同數據傳輸仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK機制，不同的是在節(jié)點活動的時隙內插入了一個TA(TimeActiv)時隙，若TA時隙之

12、間沒有任何事件發(fā)生，則活動結束進入睡眠狀態(tài)(見圖3)。TA的取值對于TMAC協(xié)議性能至關重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>l，其中，C為競爭信道時間，R為發(fā)送RTS分組的時間，T為RTS分組結束到發(fā)出CTS分組開始的時間刃。TMAC協(xié)議雖然能根據當前網絡的動態(tài)變化，通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽提高能效，但帶來了“早睡”問題(如圖1)。早睡問題是指多個傳感器節(jié)點向一個或少數幾個匯聚節(jié)點發(fā)送數據時，由于節(jié)點在當前TA沒有收到激活事件，過早進入睡眠狀態(tài)，沒有監(jiān)測到接下來的數據包，導致網絡延遲。為了解決早睡問題，提出了未來清求發(fā)送(futurerequesttosend，FR

13、TS)和滿緩沖區(qū)優(yōu)先(fullbufferpriority，FBP)兩個方法5。awakeSMACsleep計目標都是減少節(jié)點的能量消耗。S工作方式減少空閑偵聽來減少能耗，但TMACawakeSMAC協(xié)議和TMA協(xié)議的主要設訐MAC協(xié)議是通過采用周期性際睡眠3S-MAC和T-MAC空閑偵聽長度比較同時使得網絡的傳輸延遲增加，吞吐量下降，針對這樣的問題，人們提出了帶有自適應睡眠的sMAC協(xié)議。SMAC協(xié)議監(jiān)聽時段是有固定長度的，而TMAC協(xié)議自適應地縮短了監(jiān)聽時間，所以TMAC協(xié)議與自適應睡眠的SMAC協(xié)議保持基本相同的思想，優(yōu)點是減少了空閑偵聽功耗，但是它通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽，帶

14、來早睡問題。為保證能量有效性問題，通常對無線傳感器網絡MAC協(xié)議的其他性能都進行了一定折衷，隨著各種具體應用的發(fā)展，無線傳感器網絡的應用需求不單是能量有效性的問題，還同時存在著對某個或某些指標作特別優(yōu)化的需求。所以，分析各種性能指標之間的相互影響關系，研究綜合權衡各種性能的策略是一項不可忽略的問題5。實際上，傳感器網絡是應用相關的網絡，不存在一個適用于所有傳感器網絡的MAC協(xié)議，所以都要根據具體應用選擇不同的MAC協(xié)議。結論：SMAC協(xié)議和TMAC協(xié)議的主要設計目標都是減少節(jié)點的能量消耗。SMAC協(xié)議是通過采用周期性偵聽/睡眠工作方式減少空閑偵聽來減少能耗，但同時使得網絡的傳輸延遲增加，吞吐量下降，針對這樣的問題，人們提出了帶有自適應睡眠的SMAC協(xié)議。SMAC協(xié)議監(jiān)聽時段是有固定長度的，而TMAC協(xié)議自適應地縮短了監(jiān)聽時間，所以TMAC協(xié)議與自適應睡眠的SMAC協(xié)議保持基本相同的思想，優(yōu)點是減少了空閑偵聽功耗，但是它通過提前結束活動周期來減少空閑偵聽，帶來早睡問題。由于傳感器網絡是面向任務的網絡，不同應用場合對于網絡的要求不同，對MAC協(xié)議來說，不存在一個適用于所有無線傳感器網絡的MAC協(xié)議。沒有一種協(xié)議