引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種特殊 Ad Hoc 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(diǎn)一般由電池供電，且節(jié)點(diǎn)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(gè)研究熱點(diǎn)。 人們提出了許多有效的 MAC 層協(xié)議[1]，其中以S—MAC 最具有代表性。它一方面繼承 了IEEE802.11 MAC[2] 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，并在此基礎(chǔ)上探討更節(jié)能的MAC 協(xié)議的研究和設(shè)計(jì)。

一 Schedule 類協(xié)議

1.1 S—MAC 協(xié)議

S—MAC(Schedules MAC)協(xié)議是基于時(shí)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，它的最主要的思想是通過周期性的 休眠來使得射頻低占空比運(yùn)行。另外它還融入了其它的節(jié)能技術(shù)，如沖突避免和串音避免， 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)議的最精華部分。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(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都沒有數(shù)據(jù)。因此，S—MAC 協(xié)議通過讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入周期性睡眠模式來減少*時(shí)間。例如，如果每秒鐘讓節(jié)點(diǎn)休眠半秒， 而另半秒進(jìn)入空閑*，那么該節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)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(shí)，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉它的射頻，并 使用一個(gè)定時(shí)器來定時(shí)喚醒。*和睡眠的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景來選擇。一般為 了同步方便，所有節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置相同的睡眠和喚醒時(shí)間。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過向鄰居廣播自己的調(diào) 度信息來實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)間的調(diào)度信息的共享，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要為鄰居維護(hù)一張調(diào)度表，里 面記錄了各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息。

消息傳遞

S—MAC 的方法是把長(zhǎng)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(gè)RTS 分組和—個(gè)CTS 分組。每次傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)片斷分組，發(fā)送者等待接收者送來的 ACK。每個(gè)數(shù)據(jù)片段和其ACK 都附帶有—個(gè)剩余時(shí)間域，其意義是告知鄰居節(jié)點(diǎn)還需占用 信道多長(zhǎng)時(shí)間，即相當(dāng)于預(yù)約了信道整個(gè)消息發(fā)送所需要的時(shí)間。因此如果沒能夠接收到 ACK，節(jié)點(diǎn)可以擴(kuò)展傳輸時(shí)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(shí)候，剩余時(shí)間域就已經(jīng)為整個(gè)消息的發(fā)送預(yù)留了 占用信道的時(shí)間，而后的數(shù)據(jù)包和ACK 包中的時(shí)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(gè)片段包未收到ACK 時(shí)，它立刻重發(fā)且擴(kuò)展了剩余時(shí)間。由于每個(gè) 分組和ACK 都有剩余時(shí)間域，因此即使有節(jié)點(diǎn)提前醒來(由于重發(fā)耽誤了時(shí)間)，也可以得 到新的剩余時(shí)間，而再次進(jìn)入睡眠，等待發(fā)送結(jié)束。在每個(gè)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(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)醒來或新節(jié)點(diǎn)加入都是可能的。如果節(jié)點(diǎn) 只是接收者的鄰居而不是發(fā)送者的，它就不會(huì)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(diǎn)也許會(huì)錯(cuò)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(huì)在接收者處被損壞。

1.2 S—MAC 協(xié)議的缺點(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)并不充裕的空 間資源。另外，睡眠工作周期受到各個(gè)方面的限制，并不能達(dá)到超低功耗的要求(周期長(zhǎng)度 受限于延遲要求和緩存大小，而周期長(zhǎng)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(huì)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)，最后， 邊界節(jié)點(diǎn)的消耗能量要比普通節(jié)點(diǎn)大的多，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間的能量消耗并不平衡。

1.3 TMAC 協(xié)議

針對(duì) 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(shí)間總和不變的基礎(chǔ)上，該協(xié)議設(shè)定了一個(gè)最小的空閑偵聽時(shí)間TA，在從睡眠 狀態(tài)喚醒之后，若在該TA 時(shí)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(gè)TA 保持偵聽狀態(tài)。通過這種方式，節(jié)點(diǎn)可以提前結(jié)束偵聽時(shí)間進(jìn)入睡眠從而減少 能耗，但同時(shí)也帶來了早睡問題，雖然為解決這些問題提出了未來請(qǐng)求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先 方法，但結(jié)果并不理想。

1.4 Sehedules 類協(xié)議的總結(jié)

從上面的兩個(gè)協(xié)議的分析可以看出 Schedules 類協(xié)議可以達(dá)到較好的功耗控制，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(jì)和實(shí)現(xiàn)卻更加的復(fù)雜，如網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)如 何實(shí)現(xiàn)同步，怎樣維護(hù)同步以及新節(jié)點(diǎn)的加入等，并會(huì)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，最后，還會(huì)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(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)的主要原因

通過大量的實(shí)驗(yàn)和理論分析論證，歸納出可能造成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)的幾方面原因: (l)競(jìng)爭(zhēng)信道消耗。節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn) 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(diǎn)必須重傳數(shù) 據(jù)，這也就造成了節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)。

(2)串音現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)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(fèi)。

(3)過度的空閑偵聽。節(jié)點(diǎn)除了發(fā)送數(shù)據(jù)外，其他時(shí)間段都處于空閑狀態(tài)，以便偵聽信 道隨時(shí)準(zhǔn)備接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。而根據(jù)文獻(xiàn)[4]處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)也要消耗大量 的能量。

(4)控制信息開銷。節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)加入—些額外的控制信息，從而加長(zhǎng)了數(shù)據(jù)幀 長(zhǎng)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(jì):自適應(yīng)調(diào)整占空比MAC 協(xié)議

2.1.1 設(shè)計(jì)思路

文獻(xiàn)[5]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(diǎn)處于偵聽狀態(tài)下的時(shí)間。其優(yōu)點(diǎn)是可以靈活的調(diào)節(jié)*時(shí)間，但也帶來了一 些問題，首先，繁瑣的計(jì)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(dòng)DC (Duty_cycle 占空比)會(huì)造成額外的硬件響應(yīng)時(shí)延。

新協(xié)議是在S—MAC 協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小來調(diào)節(jié)*時(shí)間。可是直接判斷 業(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(shí)，業(yè)務(wù)流量大小記錄為Ts，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量>Ts 時(shí)，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(gè)周期網(wǎng)絡(luò)流量

2.2.2 仿真分析

本文采用了由UC Berkeley 開發(fā)的、面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器NS-2 對(duì)改進(jìn)的S-MAC 協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)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)性能進(jìn)行比較，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(diǎn)總的收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點(diǎn)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(zhǎng) 度100 字節(jié),傳輸功率0.66 瓦,接收功率0.395 瓦,空閑*時(shí)耗電0.35 瓦,休眠時(shí)耗電忽略 不計(jì)設(shè)為0。根據(jù)無線參數(shù)和包的長(zhǎng)度,S-MAC 協(xié)議的活動(dòng)時(shí)間設(shè)為20ms。

圖2 中，對(duì)比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(gè)單位為網(wǎng)絡(luò)重傳次數(shù)為5 時(shí)的業(yè)務(wù)量大小。在業(yè)務(wù)量較小時(shí)，兩 者幾乎沒有區(qū)別，且由于連續(xù)五個(gè)周期業(yè)務(wù)流量

圖3 中，采用S—MAC 協(xié)議的節(jié)點(diǎn)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(shí)，由于減少了偵聽時(shí)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(shí)，由于新協(xié)議增加了偵聽時(shí)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(shí)，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。在此基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(shí)間的占空比，反之，則減小偵聽時(shí)間的占空比，且為應(yīng) 對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量突然增加的突發(fā)狀況，對(duì)節(jié)點(diǎn)偵聽時(shí)間的占空比進(jìn)行擴(kuò)增，從而應(yīng)付網(wǎng)絡(luò)中 的大數(shù)據(jù)流量。通過仿真實(shí)驗(yàn)，采用新協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能得到了一定程度的改善，也驗(yàn)證了設(shè) 計(jì)的算法的可行性。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效性做了有益的探索，詳細(xì)分析了以 S —MAC 為代表的Schedule 類協(xié)議原理和性能，在此基礎(chǔ)上探討了一種新的更節(jié)能的MAC 協(xié)議 的研究和設(shè)計(jì)，并在NS2 網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。