無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議節(jié)能優(yōu)化研究

申玉玲

山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030000

0 引言

無線傳感器由于具有分布式、自組織及低成本等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、航空、保健、家具等行業(yè)，其可以多跳與自組織的方式組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、處理及采集功能。據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信耗能較多，占整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸能量消耗的85%以上，是傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的主要節(jié)點(diǎn)。經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程中存在空閑偵聽、沖突重傳、串音及控制開銷等無效能耗現(xiàn)象。針對這一問題，文章通過優(yōu)化MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化，以減少無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能源損耗，提高能源使用率，降低使用成本[1]。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由隨機(jī)分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)大量的小型無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，以自組網(wǎng)的形式組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時以單、多跳的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由Sink節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)兩類節(jié)點(diǎn)組成，其功能包括儲存、傳感、換算、傳輸、執(zhí)行任務(wù)等。節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)主要分為傳感器、信息處理、能量供應(yīng)及通信四大模塊，具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中，傳感器模塊是對節(jié)點(diǎn)分布區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集到的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。信息處理模塊分為存儲器與處理器兩部分，對傳感器模塊收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)與儲存。通信模塊是運(yùn)用無線系統(tǒng)對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)、接收，主要起到信息交互的作用。能量供應(yīng)模塊主要是對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行能源供應(yīng)。其中，通信模塊為耗能最大的模塊，文章擬針對該模塊展開研究[2-3]。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能優(yōu)化分析

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化主要是對MAC協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的MAC協(xié)議存在空閑偵聽、沖突重傳、串音、控制開銷等無效能耗問題，文章就針對這四個問題進(jìn)行針對性解決，通過優(yōu)化前導(dǎo)序列、生成時間表及基于PMAC協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)解決上述問題。其中，沖突重傳、串音、控制開銷的問題主要通過前導(dǎo)序列和時間表生成解決，對于空閑偵聽問題的解決較為復(fù)雜。在MAC協(xié)議中，傳感器常常處于偵聽狀態(tài)但無任何工作，該狀態(tài)會產(chǎn)生大量的空閑能耗，但如果設(shè)置為長時間的休眠又會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸滯后嚴(yán)重，信號延遲較嚴(yán)重。故應(yīng)在應(yīng)用層設(shè)置合理的偵聽與休眠周期，在減少空閑偵聽的同時不影響信號傳輸。

2.2 MAC協(xié)議節(jié)能優(yōu)化

（1）優(yōu)化前導(dǎo)序列。前導(dǎo)序列信息是節(jié)點(diǎn)進(jìn)行偵聽或休眠狀態(tài)變換的計劃安排，一個節(jié)點(diǎn)休眠與偵聽的周期是依據(jù)本身與相鄰節(jié)點(diǎn)的前導(dǎo)序列信號計劃安排的。新信號一般在節(jié)點(diǎn)所處周期完成后進(jìn)行安排。為了保證前導(dǎo)序列信息的有序交換，將時隙STF分解為PRTF與PETF兩個時隙段，具體劃分如圖2所示。其中，PRTF是指當(dāng)下狀態(tài)循環(huán)模式的時隙周期，PETF是指與相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)生信息交換的時隙[4]。

圖2 時隙段劃分示意圖

（2）生成時間表。時間表的生成主要是依據(jù)序列信息構(gòu)建的，前導(dǎo)序列的交換安排可構(gòu)建節(jié)點(diǎn)時間表，通過時間表可對節(jié)點(diǎn)的偵聽或休眠狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，也可以查詢到節(jié)點(diǎn)之前的狀態(tài)。時間表中的字符串代表節(jié)點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，1代表節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)，0代表節(jié)點(diǎn)正保持休眠。讓節(jié)點(diǎn)j的序列信息為1，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到鄰節(jié)點(diǎn)的緩沖池。如果接收節(jié)點(diǎn)狀態(tài)為 0，節(jié)點(diǎn) j 的時表將更新為1-，1-表明節(jié)點(diǎn)j需要開始處于活躍狀態(tài)并偵聽一段時隙，在這段時隙內(nèi)沒有偵聽到鄰節(jié)點(diǎn)任何消息后進(jìn)入休眠狀態(tài)。具體時間表如表1所示。

表1 節(jié)點(diǎn)活躍狀態(tài)時間表

（3）基于PMAC協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過定期數(shù)據(jù)采集及傳輸進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測，數(shù)據(jù)的變化往往具有一定的突發(fā)性。當(dāng)外界環(huán)境突然發(fā)生改變后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)會有大量數(shù)據(jù)生成；當(dāng)環(huán)境趨于穩(wěn)定后，無線傳感網(wǎng)絡(luò)會進(jìn)入一個相對的穩(wěn)定周期。隨著數(shù)據(jù)數(shù)量的不斷減少，當(dāng)達(dá)到臨界值后，節(jié)點(diǎn)會進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)約能耗。依據(jù)上述狀態(tài)，文章將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為流量密集期、流量正常期和休眠時期。

對時隙進(jìn)行分析后，將其分為四種類型，具體為最短偵聽期、最長偵聽期、最短休眠期及最長休眠期。其中，最短偵聽期為節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)的最短時序表交換周期；最長偵聽期為節(jié)點(diǎn)過度傳輸數(shù)據(jù)時不會因節(jié)點(diǎn)能耗過度而造成節(jié)點(diǎn)失效的周期；最短休眠期為進(jìn)入節(jié)點(diǎn)休眠狀態(tài)的保障周期；最長休眠期為在保證數(shù)據(jù)時效性的前提下，使節(jié)點(diǎn)進(jìn)入較長時隙的休眠狀態(tài)周期。

序列信息模式以二進(jìn)制的方法表示，0代表休眠，1代表工作。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)且周期達(dá)到最長休眠期時，節(jié)點(diǎn)會進(jìn)行喚醒，與相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行前導(dǎo)序列信息交換，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于工作狀態(tài)并達(dá)到最長偵聽期時，節(jié)點(diǎn)將在完成數(shù)據(jù)傳輸工作后立刻進(jìn)入休眠期，即使節(jié)點(diǎn)正處于數(shù)據(jù)流量較大的時期。如果數(shù)據(jù)流量保持在較大狀態(tài)，則最短休眠期達(dá)到后轉(zhuǎn)入偵聽期，如數(shù)據(jù)流量下降為較低值，則保持休眠。

3 節(jié)點(diǎn)能耗對比分析

將上述節(jié)能改進(jìn)方案及傳統(tǒng)的SMAC、TMAC、PMAC協(xié)議應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)信號流量來對比上述四種協(xié)議的能耗數(shù)據(jù)。在具體實(shí)驗(yàn)中，分別對密集、常規(guī)及無數(shù)據(jù)三種流量進(jìn)行了模擬，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對比如圖3所示。通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，PMAC協(xié)議與改進(jìn)協(xié)議隨著流量的能耗下降而下降明顯，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過SMAC和TMAC協(xié)議。但傳統(tǒng)的PMAC協(xié)議模式由于起始的高能耗導(dǎo)致能耗下降較改進(jìn)協(xié)議慢。由此可以看出，改進(jìn)協(xié)議節(jié)能效果優(yōu)于傳統(tǒng)的SMAC、TMAC、PMAC三種協(xié)議模式[5]。

圖3 能耗數(shù)據(jù)對比示意圖

4 結(jié)論

當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較廣，已廣泛分布于人們生活的各個角落。但傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然存在無效能耗高、能源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。針對這一問題，文章進(jìn)行了針對性分析，并得出以下結(jié)論：

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗最高的模塊為通信模塊，傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在空閑偵聽、沖突重傳、串音、控制開銷等問題，為無效能耗增大的主要原因。

（2）對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行前導(dǎo)序列優(yōu)化、時間表生成及基于PMAC協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)，可對上述問題進(jìn)行改進(jìn)。通過實(shí)驗(yàn)對比分析后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)方案節(jié)能效果優(yōu)于其他三種傳統(tǒng)協(xié)議，可應(yīng)用于實(shí)際無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。