一種高效自適應的無線傳感器網絡ＭＡＣ協議

摘要：結合動態能量管理機制，對ACMAC協議更合理地控制無線收發器的狀態轉換次數，即在保證了低延遲和高吞吐量的同時，又減少了潛在的能量消耗。

關鍵詞：無線傳感器網絡； MAC協議； 動態能量管理； 自適應

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001—3695(2007)03—0226—03

無線傳感器網絡[1~4]綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等。無線傳感器網絡應用前景廣闊，在軍事國防、工業、農業、城市管理、生物醫療、環境監測、搶險救災、危險區域遠程控制等許多重要的領域都有很大的實用價值，已經受到國際上越來越多的關注，被認為是21世紀具有巨大影響力的技術之一。

在無線傳感器網絡中，傳感器節點一般都是靜止的，而且通常工作在危險的環境中，能源無法替代或補充，因此，延長網絡的生命周期成為無線傳感器網絡的核心問題。與傳統網絡以傳輸數據為目的不同，無線傳感器網絡以數據為中心，因此成熟的Internet技術和Ad hoc技術都不完全適合無線傳感器網絡，需要開發新的協議來保證傳感器網絡更好地工作。

無線傳感器網絡的特點是要求減少節點的能量消耗。射頻模塊是節點中最大的耗能部件，是優化的主要目標。MAC協議直接控制射頻模塊，對節點功耗有重要影響。傳感器節點無效功耗主要有以下四個來源：空閑偵聽、沖突、串擾和控制開銷。就目前的研究來看，減少空閑偵聽主要采用工作/休眠策略制定；沖突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手機制，既解決了隱藏節點引起的沖突，又實現了鏈路層的可靠傳輸，但也增加了控制開銷。目前已有的MAC協議大多綜合使用了這些手段，只是具體的實現方法不同。文獻[5]提出了一種基于競爭的無線傳感器網絡MAC協議，即SensorMAC(SMAC)。這種協議分別從空閑偵聽、沖突、串擾、控制開銷等方面改進，減少了能耗。文獻[6]在SMAC的基礎上提出一種自適應的MAC協議，即ACMAC。此協議根據業務量的變化，調整在一個S-MAC基本周期內的通信次數，減少了延遲，增加了吞吐量。

1AC-MAC協議

1.1基本原理

Ye W 等人[5]提出了一種能量高效的MAC協議，叫做S-MAC。S-MAC協議采用了周期性偵聽/休眠策略來節省能量。然而，由于S-MAC協議的幀結構固定，所以在網絡負載變化時，協議的自適應能力較差。因此，針對這個問題，Jin Ai等人[6]提出了一種業務自適應的MAC協議，稱為AC-MAC。AC-MAC協議的幀結構如圖1所示。

AC-MAC根據MAC層隊列中的分組數來表明業務負載，并根據業務負載來調整一個基本S-MAC周期內的通信次數。令N_i為節點i的MAC層分組數，R_i為N_i的加權值，則有

其中，R_i的值是有范圍的。為了保證AC-MAC與S-MAC的一致，R_i的下限值應該為1，而上限值將隨著業務負載的增加而增加。假設從數據開始傳輸到下一個RTS/CTS時間間隔開始，這段時間內沒有沖突存在，那么最短休眠時間應該大于數據傳輸時間。如果數據傳輸時間不大于T_data，那么R_i的上限值可以表示為

為了保持S-MAC的基本幀結構，各節點僅在基本周期開始時決定R_i的值，然后通過RTS/CTS宣布R_i的值。

與S-MAC協議相比，AC-MAC協議在業務負載較高時可以獲得更多的通信機會。因此AC-MAC可以及時地將MAC層的分組發送出去。

1.2協議的缺陷

AC-MAC主要的缺陷就是傳感器的能量消耗隨著無線收發器狀態轉變次數的增加而增加，這樣會導致傳感器節點的壽命縮短。由于狀態轉換的能耗是不可忽視的，當R_i.超過了某一特定值，網絡壽命將迅速減小。因此，如何有效地控制狀態轉換次數，成為了AC-MAC協議更好運行的關鍵。

2AC-MAC協議的改進方案

為了減少由于頻繁的狀態轉換引起的能量消耗，為AC-MAC協議引入了動態能量管理[7]機制。

2.1動態能量管理

根據文獻[7]中所述，狀態轉換引起的能耗如圖2所示。假設節點k的一個事件在T₁時刻處理結束。經過時間T_i后于T₂時刻發生下一個事件，那么存在關系式T₂=T₁+T_i。在T₁時刻，節點k決定將休眠狀態S_n轉換到活動狀態S_m（圖2）。令活動狀態S_m的能耗為P_m，轉換到休眠狀態的時間以及返回活動狀態的時間分別為T_dk和T_uk，那么采用了周期性偵聽/休眠策略的能耗為P_listen/sleep，可計算如下：

2.2AC-MAC/DPM

AC-MAC/DPM的基本原理是將AC-MAC與DPM機制相結合，合理地控制T_i的取值范圍。通過重新規定R_i的最大值R^max_i，可以減少由于狀態頻繁轉換造成的潛在能耗，實現了網絡在高負載時低延遲和低能耗的特性。根據之前的分析可知，AC-MAC的休眠時間應該至少為最大數據傳輸時間，那么AC-MAC/DPM的休眠時間至少包括最大數據傳輸時間與狀態轉換時間之和，即

3延遲分析

下面分析AC-MAC/DPM的延遲特性，并與S-MAC協議進行比較。首先采用與文獻[8]相似的方式描述即將使用到的各個術語或參數。

（1）載波偵聽延遲。當一個傳感器競爭信道時，由于載波偵聽過程帶來的延遲，定義其平均值為t_cs，第n跳的延遲為t_cs，n。

（2）傳輸延遲。這個延遲與信道帶寬、分組長度、編碼策略等因素相關。假設分組長度固定，定義傳輸延遲為t_tx。

（3）休眠延遲。由于各個傳感器周期性休眠導致的延遲，第n跳的休眠延遲定義為t_s，n。

3.1S-MAC的延遲

在文獻[8]中，作者分析了一個分組的端到端延遲。下面將分析在如圖4所示的N跳線性拓撲上多個分組的端到端延遲。

假設路徑上所有節點都有著相同的調度，完整的偵聽和休眠時間間隔組成了一幀，幀長定義為T_frame。源節點的MAC層隊列有p個分組。在節點2收到來自節點1（源節點）的第一個分組之后，它們將競爭信道。在此存在兩種極端的情況：

（1）節點1始終獲勝

所有的分組都將逐個發送到節點2，因此，所有的p個分組在一跳的延遲為

(2)節點2始終獲勝

第一個分組將繼續轉發至節點3，此時節點1不能轉發任何分組。然后節點1和節點3將競爭信道，由于節點2處的沖突總是存在，導致節點1總是競爭失敗。因此，第一個分組將被繼續轉發至節點4。到目前為止，第一個分組被轉發了3跳。隨后，節點1和節點4可以同時發送分組而不會相互干擾或沖突。顯然，兩個相繼的分組的時間間隔為3T_frame，第一個和最后一個分組的發送時間間隔為3(p－1)T_frame。

3.3延遲特性比較

圖5顯示了S-MAC和AC-MAC/DPM對于隨著跳數的變化、延遲特性變化的情況。線(11)和(17)分別對應式(11)和(17)，表示S-MAC的延遲特性；線(21)和(24)分別對應式(21)和(24)，表示AC-MAC/DPM的延遲特性。從圖5可以清晰地看出，AC-MAC/DPM的延遲明顯要小于S-MAC的延遲。

4結束語

本文介紹了一種高效自適應的無線傳感器網絡MAC協議，即AC-MAC/DPM。此協議是基于AC-MAC的一種改進協議，它結合了動態能量管理機制，很好地控制了無線收發器的狀態轉換，從而減小了潛在的能量消耗。尤其在網絡負載較高的情況下，AC-MAC/DPM協議仍具有高效節能、低延遲的優勢。在今后的工作中，筆者將通過仿真來驗證該協議的性能。

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