無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能MAC協(xié)議的分析

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能MAC協(xié)議的分析引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的一種特殊AdHoc網(wǎng)絡(luò)，主要用于數(shù)據(jù)的采集和傳輸，有著廣泛的應(yīng)用前景。由于傳感器節(jié)點一般由電池供電，且節(jié)點的體積微小，而電池能夠攜帶的能量非量有限，因此，節(jié)省能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個研究熱點。人們提出了許多有效的MAC層協(xié)議，其中以S—MAC有代表性。它一方面繼承了IEEE802.11MAC協(xié)議中的基本機(jī)制，另—方面采用周期性睡眠工作方式，有效降低了能耗,因此成為傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣受關(guān)注的MAC協(xié)議之一。本文將詳細(xì)分析以S—MAC為代表的Schedule類協(xié)議原理和性能，并在此根底上探討更節(jié)能的MAC協(xié)議的研究和設(shè)計。

一Schedule類協(xié)議

1.1S—MAC協(xié)議

S—MAC(SchedulesMAC)協(xié)議是基于時間調(diào)度協(xié)議的代表，它融合了幾乎所有的無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)。S—MAC協(xié)議的主要目的就是節(jié)能，它的主要的思想是通過周期性的休眠來使得射頻低占空比運行。另外它還融入了其它的節(jié)能技術(shù)，如沖突防止和串音防止，還有消息傳遞以及自適應(yīng)偵聽機(jī)制。

周期性*和睡眠

周期性*和睡眠是S—MAC協(xié)議的精華部分。在許多傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，大多都是小數(shù)據(jù)量應(yīng)用，即周期內(nèi)只有少量數(shù)據(jù)，而其它很長的時間內(nèi)都沒有數(shù)據(jù)。因此，S—MAC協(xié)議通過讓節(jié)點進(jìn)入周期性睡眠模式來減少*時間。例如，如果每秒鐘讓節(jié)點休眠半秒，而另半秒進(jìn)入空閑*，那么該節(jié)點的radio工作的占空因數(shù)(dutycyde)就減少到50%，即能夠節(jié)省近50%的能量。

周期性*和睡眠的基本機(jī)制是偵察→睡眠→偵察→睡眠，每個節(jié)點在一段時間內(nèi)睡眠，然后在醒過來后立即進(jìn)入空閑*狀態(tài)來*信道；在睡眠時，節(jié)點關(guān)閉它的射頻，并使用一個定時器來定時喚醒。*和睡眠的持續(xù)時間可以根據(jù)不同應(yīng)用場景來選擇。一般為了同步方便，所有節(jié)點可以設(shè)置相同的睡眠和喚醒時間。每個節(jié)點通過向鄰居廣播自己的調(diào)度信息來實現(xiàn)鄰居節(jié)點間的調(diào)度信息的共享，同時每個節(jié)點都要為鄰居維護(hù)一張調(diào)度表，里面記錄了各個鄰居節(jié)點的調(diào)度信息。

消息傳遞

S—MAC的方法是把長信息分割為許多小的片斷，然后傳輸它們。但是只在一開始使用一個RTS分組和—個CTS分組。每次傳輸一個數(shù)據(jù)片斷分組，發(fā)送者等待接收者送來的ACK。每個數(shù)據(jù)片段和其ACK都附帶有—個剩余時間域，其意義是告知鄰居節(jié)點還需占用信道多長時間，即相當(dāng)于預(yù)約了信道整個消息發(fā)送所需要的時間。因此如果沒能夠接收到ACK，節(jié)點可以擴(kuò)展傳輸時間，并迅速重傳現(xiàn)有的片斷，如圖1所示。

正常工作圖顯示了在發(fā)送RTS包的時候，剩余時間域就已經(jīng)為整個消息的發(fā)送預(yù)留了占用信道的時間，而后的數(shù)據(jù)包和ACK包中的時間隨著包的發(fā)送依次遞減。而重發(fā)工作圖中顯示，當(dāng)發(fā)送方的一個片段包未收到ACK時，它立刻重發(fā)且擴(kuò)展了剩余時間。由于每個分組和ACK都有剩余時間域，因此即使有節(jié)點提前醒來(由于重發(fā)耽誤了時間)，也可以得到新的剩余時間，而再次進(jìn)入睡眠，等待發(fā)送結(jié)束。在每個數(shù)據(jù)片斷后使用ACK的目的是預(yù)防隱藏終端問題。在傳輸過程中，一個鄰居節(jié)點醒來或新節(jié)點參加都是可能的。如果節(jié)點只是接收者的鄰居而不是發(fā)送者的，它就不會聽到發(fā)送者正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)片斷。如果接收者并沒有頻繁的發(fā)送ACK，新節(jié)點也許會錯誤的從它的載波偵聽中推斷媒介是空閑的，并開始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致現(xiàn)有的傳輸將會在接收者處被損壞。

1.2S—MAC協(xié)議的缺點分析

可以說S—MAC協(xié)議考慮的十分全面，但還是有其自身的缺點，首先，周期性睡眠監(jiān)聽中的同步帶來了一定的控制包開銷(同步包)，并且同步的維護(hù)將消耗掉節(jié)點并不充裕的空間資源。另外，睡眠工作周期受到各個方面的限制，并不能到達(dá)超低功耗的要求(周期長度受限于延遲要求和緩存大小，而周期長度直接反映節(jié)能效率)，其次，在大規(guī)模的的傳感網(wǎng)中，周期性睡眠*將會帶來難以忍受的延遲問題(流量自適應(yīng)偵聽并不能有效解決)，，邊界節(jié)點的消耗能量要比普通節(jié)點大的多，導(dǎo)致節(jié)點間的能量消耗并不平衡。

1.3TMAC協(xié)議

針對S—MAC協(xié)議不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載自適應(yīng)地調(diào)整占空比的問題，TMAC協(xié)議在保持偵聽和睡眠時間總和不變的根底上，該協(xié)議設(shè)定了一個的空閑偵聽時間TA，在從睡眠狀態(tài)喚醒之后，若在該TA時間段中沒有發(fā)生激活事件，則又重新進(jìn)入睡眠周期，否則繼續(xù)增加一個TA保持偵聽狀態(tài)。通過這種方式，節(jié)點可以提前結(jié)束偵聽時間進(jìn)入睡眠從而減少能耗，但同時也帶來了早睡問題，雖然為解決這些問題提出了未來請求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先方法，但結(jié)果并不理想。

1.4Sehedules類協(xié)議的總結(jié)

從上面的兩個協(xié)議的分析可以看出Schedules類協(xié)議可以到達(dá)較好的功耗控制，且比較容易融合各種功耗控制的相關(guān)技術(shù)，但相應(yīng)的設(shè)計和實現(xiàn)卻更加的復(fù)雜，如網(wǎng)絡(luò)啟動時如何實現(xiàn)同步，怎樣維護(hù)同步以及新節(jié)點的參加等，并會引入一些其它的額外開銷，如同步包的控制開銷，維護(hù)調(diào)度表的資源開銷等，，還會帶來累積延遲問題。

二更節(jié)能的新MAC協(xié)議的研究和設(shè)計

2.1節(jié)點能量浪費的主要原因

通過大量的實驗和理論分析論證，歸納出可能造成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量浪費的幾方面原因:(l)競爭信道消耗。節(jié)點要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，使用共享的無線信道，可能引起多個節(jié)點之間發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，而—旦發(fā)生碰撞現(xiàn)象，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，節(jié)點必須重傳數(shù)據(jù)，這也就造成了節(jié)點的能量浪費。

(2)串音現(xiàn)象。節(jié)點接收處理冗余數(shù)據(jù)（大量相同或近似數(shù)據(jù)）導(dǎo)致能量的浪費。

(3)過度的空閑偵聽。節(jié)點除了發(fā)送數(shù)據(jù)外，其他時間段都處于空閑狀態(tài)，以便偵聽信道隨時準(zhǔn)備接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。而根據(jù)文獻(xiàn)處于空閑狀態(tài)的節(jié)點也要消耗大量的能量。

(4)控制信息開銷。節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時會參加—些額外的控制信息，從而加長了數(shù)據(jù)幀長度，數(shù)據(jù)量的增加造成了額外的能量開銷。

2.2新協(xié)議的設(shè)計:自適應(yīng)調(diào)整占空比MAC協(xié)議

2.1.1設(shè)計思路

文獻(xiàn)也提出了一種ADC-MAC協(xié)議，其工作原理是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載即數(shù)據(jù)流量的大小，來改變節(jié)點處于偵聽狀態(tài)下的時間。其優(yōu)點是可以靈活的調(diào)節(jié)*時間，但也帶來了一些問題，首先，繁瑣的計算公式帶來了額外的參數(shù)傳輸和開銷管理。其次，頻繁的變動DC（Duty_cycle占空比）會造成額外的硬件響應(yīng)時延。

新協(xié)議是在S—MAC協(xié)議的根底上，根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小來調(diào)節(jié)*時間?？墒侵苯优袛鄻I(yè)務(wù)流量的大小有一定的困難，我們考量S-MAC協(xié)議設(shè)定的重傳數(shù)值這一參數(shù)。設(shè)定當(dāng)重傳次數(shù)為5時，業(yè)務(wù)流量大小記錄為Ts，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量>Ts時，DC＝20%。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量Ts:DC＝30%。同樣的理由，當(dāng)連續(xù)5個周期網(wǎng)絡(luò)流量<TS:DC＝5%。2.2.2仿真分析

本文采用了由UCBerkeley開發(fā)的、面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器NS-2對改良的S-MAC協(xié)議開展了仿真實驗，分別對S—MAC協(xié)議和基于數(shù)據(jù)流量自適應(yīng)調(diào)整占空比的新MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能開展比較，這里的性能主要指數(shù)據(jù)收發(fā)比、平均占空比以及能耗。數(shù)據(jù)收發(fā)比是指目的節(jié)點總的收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點總的發(fā)包數(shù)的比值，能耗指的是每成功傳送lbit數(shù)據(jù)所消耗的能量。

仿真中有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下:無線設(shè)備帶寬100kbps,傳輸范圍250m,干擾范圍550m,包長度100字節(jié),傳輸功率0.66瓦,接收功率0.395瓦,空閑*時耗電0.35瓦,休眠時耗電忽略不計設(shè)為0。根據(jù)無線參數(shù)和包的長度,S-MAC協(xié)議的活動時間設(shè)為20ms。

圖2中，比照的是在不同大小的業(yè)務(wù)量下，S-MAC和新的MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)比。X軸坐標(biāo)就是業(yè)務(wù)量，其1個單位為網(wǎng)絡(luò)重傳次數(shù)為5時的業(yè)務(wù)量大小。在業(yè)務(wù)量較小時，兩者幾乎沒有區(qū)別，且由于連續(xù)五個周期業(yè)務(wù)流量<TS:DC＝5%。新協(xié)議的收發(fā)比S—MAC?？墒请S著業(yè)務(wù)流量的增大，新協(xié)議表達(dá)出對業(yè)務(wù)流量的自適應(yīng)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于S-MAC協(xié)議。

圖3中，采用S—MAC協(xié)議的節(jié)點始終保持設(shè)定的占空比10%不變，而新協(xié)議自適應(yīng)的應(yīng)付網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量，調(diào)節(jié)占空比。

圖4中，在業(yè)務(wù)量較小時，由于減少了偵聽時間的占空比，減少了空閑狀態(tài)下的能量消耗。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時，由于新協(xié)議增加了偵聽時間的占空比，導(dǎo)致能量消耗要遠(yuǎn)大于S—MAC，但提供了更好網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。而且綜合來看，新協(xié)議能耗更小。

總結(jié)分析

本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議目前所存在的問題：S一MAC協(xié)議無法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量自適應(yīng)地改變占空比，進(jìn)一步節(jié)省能耗；同時，也探討了基于此問題開發(fā)的MAC層協(xié)議存在的種種問題。在此根底上，提出了根據(jù)節(jié)點間數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)來判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大小，即根據(jù)前5個周期內(nèi)的加權(quán)平均重傳次數(shù)判斷當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，當(dāng)平均值超出閾值，則應(yīng)增加偵聽時間的占空比，反之，則減小偵聽時間的占空比，且為應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量突然