基于SMAC的無線傳感器網絡MAC協議的分析與優化

摘 要：首先對MAC協議進行了相關介紹。然后重點介紹了一種基于競爭的無線傳感器網絡MAC層協議S-MAC協議。其核心是提出了一種新的無線傳感器網絡的MAC協議設計方案。基于動態調整占空比的思想，提出了ATC-SMAC協議。該協議在S-MAC協議的基礎上改進了固定占空比的劣勢，根據每個節點上的數據包的平均延遲調整占空比。通過動態地調整每個節點的占空比，使不同流量的節點擁有不同的工作時間，協議根據不同節點的流量情況自適應地對其占空比進行調整。經過仿真試驗，得到ATC-MAC在網絡端對端延遲、能量消耗以及吞吐量方面較S-MAC協議都有比較明顯的提高。

關鍵詞：無線傳感器網路； MAC協議； 動態占空比； ATC-SMAC協議

中圖分類號：TN915-34文獻標識碼：A文章編號：1004-373X(2011)19-0046-03

Analysis and Optimization of MAC Protocol of SMAC-based Wireless Sensor Network

ZHAO Xue-ying

(Gengdan Institute， Beijing University of Technology， Beijing 101301， China)

Abstract： The MAC protocol is introduced. A wireless sensor network MAC layer protocol based on competition named S-MAC protocol is analyzed. The core of this paper is the design scheme of MAC protocol of a new wireless sensor network， and the ATC-SMAC protocol based on the dynamic adjustment of duty cycle is proposed. This protocol improved the disadvantages of fixed duty cycle of S-MAC， and used the strategy of adjusting the duty cycle according to average packet delay on one node. Nodes with different traffic owned different work time according the duty cycle dynamic adjustment of each node. The protocol dynamically adjusted the duty cycle according to the traffic of each node. According to the simulation， the ATC-MAC is better than S-MAC in end to end delay， energy consumption and throughput.

Keywords： wireless sensor network； MAC protocol； dynamic duty-cycle； ATC-SMAC

收稿日期：2011-05-16 無線傳感器網絡［1］協議ATC-SMAC主要是提高基于競爭的S-MAC協議的能量使用率，同時減少S-MAC協議的網絡延遲。ATC-SMAC協議通過自適應地調整每一個節點的占空比，讓節點在不同的流量下使用不同的占空比工作，做到流量大時工作更長的時間，流量小時工作更短的時間，沒有流量的時候就不工作。

1 S-MAC協議的分析和研究

S-MAC協議是一種基于競爭的控制協議［2］，具有同步機制功能與無中心等特點，不需要局部或全局中心主節點的調度傳感器節點自己發現鄰居節點，并合理地安排占用信道的時間。

1.1 S-MAC協議

S-MAC協議時間分為若干個幀，幀長度由應用程序來確定，幀內分為活動與睡眠兩個部分。在睡覺時段，節點關閉發送器模塊，緩存在此時負責采集數據信息，數據在等待序列中，到活動階段集中進行發送［3］。在活動開始時，發送節點進入同步機制決定幀長度的確定方式，之后通過(RTS/CTS/DATA/ACK)機制發送數據信息，這個機制能夠避免因沖突產生的能耗。通過同步機制，局部的節點之間可以采用相同的時間周期，采用相同的工作休眠策略，它方便了無線傳感器網絡發現新節點。

1.2 S-MAC的節能機制分析

為了減少無線傳感器網絡消耗的能量，在IEEE 802.11基礎上提出了一種專門的傳感器網絡MAC協議S-MAC協議。無線傳感器網絡的沖突重傳、接收到不是發送給自己的數據、控制信號、空閑偵聽等造成傳感器網絡耗能的原因。它引入了節點間的SYNC機制，允許沒有數據發送和接收的節點進入休眠狀態以節省耗能。但根據前文所討論的，睡眠的本身會引起數據的傳輸中斷，從而增加延時。下面將具體分析S-MAC協議是怎么節能的。

1.2.1 交替偵聽/睡眠機制

S-MAC協議的工作是按照周期進行的，在每個周期里，每一個基于S-MAC協議的節點都會工作一段時間、睡眠一段時間，通過減少節點的工作時間來節省能量。如圖1所示S-MAC協議的一個周期包含了睡眠和偵聽兩個階段，偵聽階段屬于工作階段，偵聽階段如果收到數據包，則節點之間會建立通信。如果節點處于睡眠狀態，則節點不能接收任何數據，發送給它的數據都會被阻塞。處于睡眠狀態的節點會在一定時間后醒來。在S-MAC協議中，相鄰的節點是盡量同時睡眠同時偵聽的，為了保證時間上的一致，防止時鐘偏移，不同節點間需要定期廣播同步包來交換時間信息，從而進行調整，做到同步。

圖1 S-MAC的周期性偵聽和睡眠1.2.2 “虛擬簇”機制

S-MAC協議使用了“虛擬簇”的機制，在“虛擬簇”機制下，節點之間的調度信息是通過節點廣播SYNC包來實現的。S-MAC協議使用調度表來保存調度信息，每一個節點會保存一個調度表。節點會在啟動的初期監聽一段時間，因為S-MAC協議是固定占空比的，所以這段時間是固定的［4］。在監聽的這段時間，如果節點能夠收到鄰居節點的調度信息，則它使用鄰居節點的調度周期更新自己的調度周期，并且它會在一段時間后廣播自己的調度信息。如果接收到的鄰居節點的調度方式與自己的調度方式相同，則調度方式不變；如果發現鄰居節點的調度方式與自己不同，而且還沒有收到與自己調度方式相同的節點消息，則使用新的調度方式進行調度。

1.2.3 串音避免機制

基于競爭MAC協議能量消耗的一個重要原因就是串音。在S-MAC協議中，如果節點收到不是發送給自己的RTS數據包或CTS數據包，節點會直接進入睡眠狀態。這樣，發送數據包的節點就不會把數據包和ACK報文發送到剛剛進入睡眠的節點，從而減少了節點處理這些數據包所消耗的能量［5］。

1.2.4 沖突避免機制

競爭信道時產生的碰撞是每一個競爭類協議都會碰到的問題，S-MAC協議也對該問題進行了解決，盡量減少不必要的能量浪費。

1.2.5 消息分段機制

如果傳感器網絡傳遞比較長的數據包，一個包出錯就會重傳，這就將耗費比較多的能量。S-MAC為了解決這個問題采用了消息分段機制，將長消息分成幾個小的消息發送出去。

1.2.6 自適應偵聽機制

自適應偵聽機制的基本思想是：當一個節點收到RTS或者CTS數據包，偵聽到鄰居節點有數據通信，就進入睡眠，同時記錄它的通信時間。對通信時間的記錄幫助節點通信結束后能夠醒來，在一個較短的時間內偵聽信道查看是否有數據包需要傳遞，這種偵聽同樣是通過是否接收RTS數據包和CTS數據包來實現的。通信結束后節點會醒來，這個時候節點進入工作狀態，偵聽是否有數據包到達，如果有數據包到達則建立信道進行通信，如果沒有數據包到達，則結束偵聽，繼續進入睡眠，按照既定調度方式工作。

2 改進的MAC協議ATC-SMAC

如前面所述，S-MAC協議由于采用了固定的占空比，它不能根據網絡中數據流的延遲情況動態調整占空比大小，造成了兩個主要的問題。本節提出了一種新的無線傳感器網絡的MAC層協議——ATC-SMAC(Automation of Time Controlled-SMAC)，該協議在S-MAC協議的基礎上改進了固定占空比的劣勢，采用根據每個節點上的數據包的平均延遲調整占空比的策略。

2.1 ATC-SMAC協議的工作原理

ATC-SMAC協議支持傳感器網絡中的不同節點擁有不同的占空比。現在假設節點的初始化占空比為P，幀長為T，睡眠時間為Tsleep，工作時間為Tactive，顯然有，P= Tactive/T。設數據包在某節點的平均阻塞延遲為Tblock。

ATC-SMAC的節點占空比調整策略如下：如果Tblock的變化超過了Pctr，那么占空比也要調整相應的比例；不論這種變化是增加還是減少，只要變化的范圍超過了Pctr，占空比都會調整；根據Tblock變化的幅度，占空比調整的幅度也會相應地變化。本文中Pctr選為20%，經過后面的仿真實驗驗證，Pctr為20%的ATC-SMAC協議要比自適應的S-MAC協議更加優秀。為了通過減少節點的計算量從而達到節省節點能量的目的，節點的數據包平均時延為兩個同步周期計算一次。節點統計在剛剛過去的兩個同步周期內自己轉發的所有數據包的延遲。對于每一個數據包，在它進入節點的緩沖隊列的時候，從數據包的報頭中可以看到上一個節點發送出該數據包的時刻Tin，忽略數據在物理介質中傳播的時間，記錄該數據包從本節點上發送出去的時刻Tout，該節點的延遲Ti=Tout-Tin。對于該節點轉發的數據包1，2，…，n，統計得出它們的延遲T1，T2，…，Tn，得到該節點的平均延遲Teven為:Teven=(T1+T2+…+Tn)/n

(1) 節點除了計算剛剛過去的兩個同步周期內的平均延遲外，還保存上兩個同步周期內的平均延遲Tpast。

如果在剛剛過去的兩個同步周期內，節點轉發數據包的量比較大，延遲較高，Teven>Tpast，那么計算Teven高于Tpast的百分比P，如果P不到20%，那么該節點的占空比不做調整；如果P高于20%(包括20%)小于40%，那么該節點在下一個同步周期的時候將自己的占空比上調20%；如果P高于40%(包括40%)小于60%，那么占空比往上調整40%；依次類推，如果P高于C%(包括C%，其中C為20的整數倍)而小于(C+20)%，那么占空比往上調整C%。

同理可得向下調整占空比的方式：如果在剛剛過去的兩個同步周期內，節點轉發數據包的量比較小，延遲較低，Teven

占空比向上調整過程的偽代碼表示如下：

2.2 ATC-SMAC的節能策略分析

PCTR為20%的基于ATC-SMAC協議的傳感器在吞吐量、端到端延時以及能量消耗上都要略優于動態的S-MAC協議。與使用固定占空比的S-MAC協議相比，ATC-SMAC在吞吐量上平均要比S-MAC協議高大約1倍；在端到端延時這項上，ATC-SMAC的數據包平均時延大約為S-MAC協議的0.6倍;ATC-SMAC平均每字節消耗的能量大概為S-MAC協議的0.4倍。與動態調整的S-MAC協議相比，ATC-SMAC協議的平均端到端時間大概為動態S-MAC協議的70%，ATC-SMAC協議的平均吞吐量大概為動態S-MAC協議的1.2倍，ATC-SMAC平均傳輸每字節消耗的能量大概為動態S-MAC協議的75%。

3 結 語

ATC-SMAC協議在S-MAC協議的基礎上進行了改進，使用了更加優秀的動態調整占空比的算法。它可以讓節點根據自己流量的變化動態地調整自身的占空比。通過仿真結果，可以看出ATC-SMAC協議在端到端延遲、能量使用效率以及網絡吞吐量等方面較S-MAC協議(自適應和非自適應兩種)都有一定程度的提高。

參 考 文 獻

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