一種高效自適應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ＭＡＣ協(xié)議

摘要：結(jié)合動(dòng)態(tài)能量管理機(jī)制，對ACMAC協(xié)議更合理地控制無線收發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，即在保證了低延遲和高吞吐量的同時(shí)，又減少了潛在的能量消耗。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； MAC協(xié)議； 動(dòng)態(tài)能量管理； 自適應(yīng)

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001—3695(2007)03—0226—03

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1~4]綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景廣闊，在軍事國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等許多重要的領(lǐng)域都有很大的實(shí)用價(jià)值，已經(jīng)受到國際上越來越多的關(guān)注，被認(rèn)為是21世紀(jì)具有巨大影響力的技術(shù)之一。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)一般都是靜止的，而且通常工作在危險(xiǎn)的環(huán)境中，能源無法替代或補(bǔ)充，因此，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以傳輸數(shù)據(jù)為目的不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，因此成熟的Internet技術(shù)和Ad hoc技術(shù)都不完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要開發(fā)新的協(xié)議來保證傳感器網(wǎng)絡(luò)更好地工作。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是要求減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。射頻模塊是節(jié)點(diǎn)中最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標(biāo)。MAC協(xié)議直接控制射頻模塊，對節(jié)點(diǎn)功耗有重要影響。傳感器節(jié)點(diǎn)無效功耗主要有以下四個(gè)來源：空閑偵聽、沖突、串?dāng)_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(jī)制，既解決了隱藏節(jié)點(diǎn)引起的沖突，又實(shí)現(xiàn)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(xié)議大多綜合使用了這些手段，只是具體的實(shí)現(xiàn)方法不同。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，即SensorMAC(SMAC)。這種協(xié)議分別從空閑偵聽、沖突、串?dāng)_、控制開銷等方面改進(jìn)，減少了能耗。文獻(xiàn)[6]在SMAC的基礎(chǔ)上提出一種自適應(yīng)的MAC協(xié)議，即ACMAC。此協(xié)議根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化，調(diào)整在一個(gè)S-MAC基本周期內(nèi)的通信次數(shù)，減少了延遲，增加了吞吐量。

1AC-MAC協(xié)議

1.1基本原理

Ye W 等人[5]提出了一種能量高效的MAC協(xié)議，叫做S-MAC。S-MAC協(xié)議采用了周期性偵聽/休眠策略來節(jié)省能量。然而，由于S-MAC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)固定，所以在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化時(shí)，協(xié)議的自適應(yīng)能力較差。因此，針對這個(gè)問題，Jin Ai等人[6]提出了一種業(yè)務(wù)自適應(yīng)的MAC協(xié)議，稱為AC-MAC。AC-MAC協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

AC-MAC根據(jù)MAC層隊(duì)列中的分組數(shù)來表明業(yè)務(wù)負(fù)載，并根據(jù)業(yè)務(wù)負(fù)載來調(diào)整一個(gè)基本S-MAC周期內(nèi)的通信次數(shù)。令N_i為節(jié)點(diǎn)i的MAC層分組數(shù)，R_i為N_i的加權(quán)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(yīng)該為1，而上限值將隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的增加而增加。假設(shè)從數(shù)據(jù)開始傳輸?shù)较乱粋€(gè)RTS/CTS時(shí)間間隔開始，這段時(shí)間內(nèi)沒有沖突存在，那么最短休眠時(shí)間應(yīng)該大于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。如果數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)僅在基本周期開始時(shí)決定R_i的值，然后通過RTS/CTS宣布R_i的值。

與S-MAC協(xié)議相比，AC-MAC協(xié)議在業(yè)務(wù)負(fù)載較高時(shí)可以獲得更多的通信機(jī)會(huì)。因此AC-MAC可以及時(shí)地將MAC層的分組發(fā)送出去。

1.2協(xié)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(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)變次數(shù)的增加而增加，這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命縮短。由于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗是不可忽視的，當(dāng)R_i.超過了某一特定值，網(wǎng)絡(luò)壽命將迅速減小。因此，如何有效地控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，成為了AC-MAC協(xié)議更好運(yùn)行的關(guān)鍵。

2AC-MAC協(xié)議的改進(jìn)方案

為了減少由于頻繁的狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的能量消耗，為AC-MAC協(xié)議引入了動(dòng)態(tài)能量管理[7]機(jī)制。

2.1動(dòng)態(tài)能量管理

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中所述，狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的能耗如圖2所示。假設(shè)節(jié)點(diǎn)k的一個(gè)事件在T₁時(shí)刻處理結(jié)束。經(jīng)過時(shí)間T_i后于T₂時(shí)刻發(fā)生下一個(gè)事件，那么存在關(guān)系式T₂=T₁+T_i。在T₁時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)k決定將休眠狀態(tài)S_n轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài)S_m（圖2）。令活動(dòng)狀態(tài)S_m的能耗為P_m，轉(zhuǎn)換到休眠狀態(tài)的時(shí)間以及返回活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)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(jì)算如下：

2.2AC-MAC/DPM

AC-MAC/DPM的基本原理是將AC-MAC與DPM機(jī)制相結(jié)合，合理地控制T_i的取值范圍。通過重新規(guī)定R_i的最大值R^max_i，可以減少由于狀態(tài)頻繁轉(zhuǎn)換造成的潛在能耗，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)在高負(fù)載時(shí)低延遲和低能耗的特性。根據(jù)之前的分析可知，AC-MAC的休眠時(shí)間應(yīng)該至少為最大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，那么AC-MAC/DPM的休眠時(shí)間至少包括最大數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間與狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)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(xié)議進(jìn)行比較。首先采用與文獻(xiàn)[8]相似的方式描述即將使用到的各個(gè)術(shù)語或參數(shù)。

（1）載波偵聽延遲。當(dāng)一個(gè)傳感器競爭信道時(shí)，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(gè)延遲與信道帶寬、分組長度、編碼策略等因素相關(guān)。假設(shè)分組長度固定，定義傳輸延遲為t_tx。

（3）休眠延遲。由于各個(gè)傳感器周期性休眠導(dǎo)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(xiàn)[8]中，作者分析了一個(gè)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?fù)渖隙鄠€(gè)分組的端到端延遲。

假設(shè)路徑上所有節(jié)點(diǎn)都有著相同的調(diào)度，完整的偵聽和休眠時(shí)間間隔組成了一幀，幀長定義為T_frame。源節(jié)點(diǎn)的MAC層隊(duì)列有p個(gè)分組。在節(jié)點(diǎn)2收到來自節(jié)點(diǎn)1（源節(jié)點(diǎn)）的第一個(gè)分組之后，它們將競爭信道。在此存在兩種極端的情況：

（1）節(jié)點(diǎn)1始終獲勝

所有的分組都將逐個(gè)發(fā)送到節(jié)點(diǎn)2，因此，所有的p個(gè)分組在一跳的延遲為

(2)節(jié)點(diǎn)2始終獲勝

第一個(gè)分組將繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)3，此時(shí)節(jié)點(diǎn)1不能轉(zhuǎn)發(fā)任何分組。然后節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3將競爭信道，由于節(jié)點(diǎn)2處的沖突總是存在，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)1總是競爭失敗。因此，第一個(gè)分組將被繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)4。到目前為止，第一個(gè)分組被轉(zhuǎn)發(fā)了3跳。隨后，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)4可以同時(shí)發(fā)送分組而不會(huì)相互干擾或沖突。顯然，兩個(gè)相繼的分組的時(shí)間間隔為3T_frame，第一個(gè)和最后一個(gè)分組的發(fā)送時(shí)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(shù)的變化、延遲特性變化的情況。線(11)和(17)分別對應(yīng)式(11)和(17)，表示S-MAC的延遲特性；線(21)和(24)分別對應(yīng)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(jié)束語

本文介紹了一種高效自適應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，即AC-MAC/DPM。此協(xié)議是基于AC-MAC的一種改進(jìn)協(xié)議，它結(jié)合了動(dòng)態(tài)能量管理機(jī)制，很好地控制了無線收發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而減小了潛在的能量消耗。尤其在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高的情況下，AC-MAC/DPM協(xié)議仍具有高效節(jié)能、低延遲的優(yōu)勢。在今后的工作中，筆者將通過仿真來驗(yàn)證該協(xié)議的性能。

本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。