一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的優(yōu)化方法

任斌　鄭國勛

【摘要】 依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生存期主要取決于節(jié)點(diǎn)MAC協(xié)議低能耗的特點(diǎn)，在S-MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，提出了一種MAC協(xié)議優(yōu)化方法。優(yōu)化后的協(xié)議偵聽周期和休眠周期變化是隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量而動態(tài)變化，這種變化并不是立即生效，而是設(shè)定偵聽周期次數(shù)閾值，如果相鄰偵聽周期次數(shù)閾值內(nèi)無激活事件，則減小偵聽周期，如果相鄰偵聽周期次數(shù)閾值內(nèi)有激活事件，則延長偵聽周期。優(yōu)化方法仿真顯示，節(jié)能效果比原有協(xié)議有了提高。市場應(yīng)用趨勢，試圖把握聯(lián)通4G在為未來中國通信市場的發(fā)展前景，為中國聯(lián)通4G市場戰(zhàn)略決策提供理論參考。

【關(guān)鍵詞】 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) MAC協(xié)議 S-MAC協(xié)議 低能耗 優(yōu)化方法

一、引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能感知、采集、處理和傳輸所監(jiān)測區(qū)域的相關(guān)信息，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低數(shù)據(jù)吞吐量、多跳信道共享、能量受限等因素，因此保證其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)點(diǎn)到點(diǎn)以及點(diǎn)到多點(diǎn)連接的可靠性，數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制（MAC）成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。

二、S-MAC相關(guān)技術(shù)

S-MAC協(xié)議把時間分割為時隙，每個時隙就是一個喚醒周期，喚醒周期又分為偵聽周期和休眠周期，如圖1所示。在睡眠周期內(nèi)，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉其射頻等電路減少耗能，不與任何節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，僅開啟定時器，以便自動喚醒。在偵聽周期內(nèi)，可與其通信范圍內(nèi)任何節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。為了保證節(jié)點(diǎn)間喚醒周期的同步以及不會產(chǎn)生時基漂移，S-MAC采用虛擬簇機(jī)制來解決喚醒周期同步問題。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個調(diào)度表，用于保存鄰居節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息，而根據(jù)調(diào)度信息形成機(jī)制不同，節(jié)點(diǎn)角色可分為同步器和跟隨著。如圖2所示。

三、問題的提出及優(yōu)化的設(shè)計方法

3.1 問題的提出

S-MAC協(xié)議使用固定的周期性偵聽/休眠調(diào)度機(jī)制，也就是說節(jié)點(diǎn)周期性偵聽信道且處于活躍狀態(tài)的時間長度一般不變。而偵聽周期的選擇應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量大小相關(guān)，數(shù)據(jù)量越大，要求偵聽周期長，休眠周期短，否則就會造成消息延遲過大。為了滿足網(wǎng)絡(luò)通信延遲的需求，S-MAC偵聽周期選擇最大數(shù)據(jù)量情況下的需要時，可能會導(dǎo)致負(fù)載過低時空閑偵聽而產(chǎn)生的能量消耗。T-MAC[2]針對上述問題，采用的解決方式是節(jié)點(diǎn)偵聽/休眠周期長度不變，但可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量大小動態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)通信活動時間長度，工作偵聽狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如果在預(yù)定時間內(nèi)沒有需要節(jié)點(diǎn)繼續(xù)工作的激活事件，比如無線信道上收到的數(shù)據(jù)、與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突等，節(jié)點(diǎn)就結(jié)束偵聽狀態(tài)，進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨之也會帶來早睡的問題。

3.2 優(yōu)化的設(shè)計方法

針對上述問題，本文對傳統(tǒng)S-MAC協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化。具體實(shí)施方法為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)喚醒周期長度不變，仍然包括偵聽周期和休眠周期；與傳統(tǒng)協(xié)議不同的是，優(yōu)化后的協(xié)議偵聽周期和休眠周期變化是隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量而動態(tài)變化，同時，這種變化并不是立即生效，而是設(shè)定偵聽周期次數(shù)閾值為n次，如果相鄰偵聽周期次數(shù)閾值n內(nèi)無激活事件，則減小偵聽周期，如果相鄰偵聽周期次數(shù)閾值n內(nèi)有激活事件，則延長偵聽周期。如圖3所示：

本文的優(yōu)化方法特別適合信息數(shù)據(jù)變化比較平穩(wěn)的采集環(huán)境。采用這種動態(tài)模式對節(jié)點(diǎn)降低能耗特別明顯，當(dāng)連續(xù)偵聽閾值n次均無激活事件，偵聽周期減少為原來的1/Mr，當(dāng)連續(xù)偵聽閾值n次均有激活事件，偵聽周期延長Me倍。節(jié)約耗能公式描述如下：

上述公式中，Es表示節(jié)點(diǎn)節(jié)省的能量，Tl表示節(jié)點(diǎn)偵聽周期，Pl表示節(jié)點(diǎn)無線模塊處于偵聽狀態(tài)的平均功率，表示節(jié)點(diǎn)無線模塊處于休眠狀態(tài)的平均功率。由此可見，本文優(yōu)化的方法可有效節(jié)約節(jié)點(diǎn)功耗。

四、仿真與分析

4.1 仿真場景設(shè)計

我們使用NS2仿真器在5個節(jié)點(diǎn)直線連接的網(wǎng)絡(luò)中驗證S-MAC和本文提出的方法D-SMAC，分別得出協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)延遲、吞吐量和能量消耗方面的性能指標(biāo)。如圖4所示：

為了驗證優(yōu)化方法的可行性，實(shí)驗節(jié)點(diǎn)均勻分布在x的矩形區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)通信半徑為200m，信道采用20Kbps，數(shù)據(jù)包長度為512Byte；源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的間隔值初始為1s，共進(jìn)行10次獨(dú)立實(shí)驗，每次發(fā)送間隔值增加1s，每次仿真時間100s。本文優(yōu)化方法中偵聽周期次數(shù)閾值設(shè)為3次，Tl值最大取1.25倍周期，最小取0.75倍周期。依據(jù)Stemm等測試結(jié)果，空閑偵聽功率設(shè)置為1W，接受功率設(shè)置為1.05W，發(fā)送功率設(shè)置為1.4W。

4.2 實(shí)驗結(jié)果分析

（1）網(wǎng)絡(luò)延遲。如圖5所示，仿真實(shí)驗中，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔較小時，S-MAC的延遲比本文優(yōu)化算法的延遲大；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔較大時，本文優(yōu)化算法的延遲比S-MAC稍大一些。

（2）能量消耗。如圖6所示，仿真實(shí)驗中，偵聽周期能耗比睡眠周期能耗大，所以，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔較小時，本文優(yōu)化算法偵聽周期延長，能耗比S-MAC大，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送的時間間隔較大時，本文優(yōu)化算法的偵聽周期減少，能耗比S-MAC小。總之，針對數(shù)據(jù)傳輸間隔較大的網(wǎng)絡(luò)來說，本文優(yōu)化算法的能耗比采用S-MAC節(jié)能約8%。

五、結(jié)束語

本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的S-MAC協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，并使用NS2進(jìn)行了仿真實(shí)驗。由于優(yōu)化后的協(xié)議偵聽周期和休眠周期變化是隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量而動態(tài)變化，所以優(yōu)化后的協(xié)議在數(shù)據(jù)發(fā)送間隔較大的應(yīng)用中耗能比S-MAC有所提高。