無線傳感網中具有喚醒機制T—MAC協議

摘要：無線傳感器網絡為了節約能量在設計MAC協議時常采用周期睡眠機制，但在傳感器結點處于睡眠狀態時無法對發生的事件進行及時的處理。本文是在T-MAC協議的基礎上做了改進，在睡眠時引入了喚醒機制，使用和T-MAC一樣的方式競爭信道，出現早睡的時候，可直接利用喚醒機制，這樣可及時的傳輸信息，而能量消耗和T-MAC相比最多增加一個睡眠周期的能量，通信方式也較為簡單。

關鍵詞：T-MAC 喚醒 競爭信道 能量消耗

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0033-01

1 引言

隨著通信技術、傳感技術、計算技術與網絡技術的發展，出現了無線傳感器網絡。無線傳感器網絡已經應用在軍事、農業、工業、醫療、智能家居、環境監控等方方面面，它將成為二十一世紀影響人類的十大技術之一，因此無線傳感器網絡成為熱門的研究課題。目前無線傳感器網絡協議棧分為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。人們對各層進行了大量的研究，其中對數據鏈路層的研究主要集中在對介質控制協議（MAC）的研究上，介質控制協議（MAC）分類方法多種多樣，按分配信道的方式劃分有競爭型、無競爭型、混合型和跨層MAC協議，無競爭型有TRAMA、Y-MAC、DESYNC、LEACH、LMAC等，競爭型有PAMAS、T-MAC、S-MAC、Pattern MAC、RMAC等，混合型有Zebra MAC、MH-MAC等，跨層MAC有MINA等。競爭型協議T-MAC、S-MAC非常有代表性，但這兩個具有周期性睡眠的MAC協議在睡眠的時候不能及時的把發生的事件傳送出去，這對一些需要立即發送的信息，比如火災、水災、地震、敵人的入侵等事件的匯報、處理會造成延誤，后果非常嚴重的；雖然用周期性睡眠機制能節省能量消耗，但有可能會丟失或錯過需要及時處理的信息；目前已有的芯片已經可在睡眠的時候被喚醒，為克服不能及時的報告信息提供了實現的可能，為此提出了具有喚醒機制T-MAC協議。

2 具有喚醒機制T-MAC協議

無線傳感器網絡目前大規模使用的制約因素一個是成本太高，一個是對電池供電的系統來說能量消耗太大。為了節約能量消耗，人們設計了周期性的偵聽睡眠機制，使的能量消耗大大的降低了，但也出現了問題，不能處理在睡眠時發生的緊急情況。且要求可忍受一定的延時，而這與無線傳感器網絡的實時性是背道而馳的。為此，我們在周期性的活動睡眠機制基礎上引入了喚醒機制，以滿足無線傳感器網絡實時的要求。

T-MAC協議是在S-MAC協議基礎上發展起來的具有活動和睡眠功能的MAC協議，它在活動期間在沒有數據需要發送的情況下可自適應的提前進入睡眠狀態，進一步節省了能量。下面我們在T-MAC協議的基礎上引入喚醒機制，以適應無線傳感器網絡實時性的要求。

協議是在下列假設下工作的：

（1）目標以節省能量為目的且能適應實時性要求。

（2）無基站，是分布式的。

（3）有嚴格的周期性活動睡眠機制。

（4）結點基本上只能和鄰居結點通信。

（5）在活動周期沒有激活事件轉入睡眠（采用T-MAC自適應占空比的手段）。

下面我們引入一個新的時間間隔的概念：

喚醒時間間隔：指從一個結點接收到喚醒信號到下一個結點收到此結點發出喚醒信號的這一段時間間隔。

具有喚醒機制T-MAC協議的思想：如果有事件發生，結點處在活動狀態不需要喚醒。如果結點處于睡眠狀態，事件會喚醒結點，進入活動狀態。此結點首先把此時的時間到下一個活動周期開始的這一時間段劃分為一個個時間間隔為T（T=喚醒時間間隔+a，a是一個很小的常數）的小時隙，使得每個要被喚醒的結點從接收到喚醒信息到發送出喚醒下一個結點的信息的時間段都在一個T內，最后一個時間間隔T中可能含有活動周期中的時間，在此時間段不在進行喚醒工作。結點被喚醒后，一直工作到和周期工作中的活動周期相連。接下來從第一個被喚醒的結點開始以洪泛的方式向外傳遞喚醒信息。喚醒信息里包含剛才分割成一個個T的劃分信息和目前處在第幾個T時隙的信息。如果結點已經被喚醒或周期性的醒來，則拋棄收到的喚醒信息。每一個結點要發送不是喚醒信息的其他信息時，需要經過從喚醒開始的兩個T的時間間隔后才可開始，使用和T-MAC一樣的載波幀聽方式競爭信道，使用RTS/CTS/DATA/ACK交互原理來進行通信。

時間間隔T主要用來喚醒睡眠中的節點，利用洪泛的方式傳遞信號，可使的睡眠中的結點快速的處于活動狀態。需要經過從喚醒開始的兩個T的時間間隔后才可開始，是因為不經過兩個T的延遲，會有沖突。時間間隔T中的常量a是為了使的喚醒結點在進行喚醒時具有更充足的時間。

在T-MAC協議中，存在結點的早睡問題。所謂早睡是指一個結點準備向鄰居結發送信息而鄰居結點處于睡眠狀態，延誤信息傳輸情形。T-MAC中為解決此問題，提出了滿緩沖區優先、未來請求發送等方法。但對于有喚醒機制T-MAC協議，出現早睡的時候，直接利用前面的喚醒機制即可，簡化了數據傳送的復雜性。

具有喚醒機制T-MAC協議使得T-MAC具有了在睡眠時刻能及時的喚醒功能，克服T-MAC協議在睡眠狀態時實時性的不足，而與T-MAC相比能量的消耗每次喚醒時最多增加一個睡眠周期的能量。

3 結語

本文是對T-MAC協議的改進，因T-MAC在睡眠時無法對發生的事件進行及時匯報，我們在睡眠時引入了喚醒機制，并引入了一個劃分時間間隔的機制，使得睡眠中醒過來的結點能及時的把無線傳感器網絡中的結點喚醒，喚醒后的結點仍使用和T-MAC一樣的方式競爭信道，使用了和T-MAC一樣的自適應占空比的手段，出現早睡的時候，就直接利用喚醒機制。具有喚醒機制T-MAC協議能及時的把信息傳遞出去，而能量消耗在每次喚醒時只比T-MAC能量消耗最多增加一個睡眠周期的能量，通信設計也較為簡單。

參考文獻：

[1]Van Dam T，Langendoen K. An Adaptive Energy-Efficent MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C].In Proceeding of the First International Confererence on Embedded Networked Sensor Systems，Los Angeles，CA，2003：171-180.

[2]劉偉榮，等.物聯網與無線傳感器網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2013.

收稿日期：2016-09-01

作者簡介：張涌逸（1968—），男，山西河曲人，碩士，副教授，主要研究方向為網絡容錯、網絡路由和協議等。