對無線傳感器網絡MAC層協議優化的研究與設計

王鈺　楊俊清　馬新華

【摘 要】隨著物聯網技術的發展，無線傳感器網絡的應用越來越廣泛，它由傳感器節點組成，相互協作，采集、發送數據。而MAC層協議主要是優化網絡吞吐量，實現高效的通信機制。本文主要研究對MAC層協議的優化設計。

【關鍵詞】協議；無線傳感器網絡；優化設計

Research and design of MAC layer protocol optimization for Wireless Sensor Networks

WANG Yu YANG Jun-qing MA Xin-hua

（Xian Aeronautical University， Xian Shaanxi 710077，China）

【Abstract】With the development of Internet of things，the application of wireless sensor networks is more and more widely.It consists of sensor nodes， mutual cooperation， collection， and transmission of data.The MAC layer protocol is mainly to optimize the network throughput and achieve efficient communication mechanism. In this paper，the optimal design of MAC layer protocol is studied.

【Key words】Protocol；Wireless sensor network；Optimization design

1 無線傳感器研究現狀

國外方面，美國最先入手無線傳感器網絡方面的研究，尤其是其軍方投入大量人力物力、與高校合作，對其進行相關的研究工作。隨后，歐美一些發達國家，包括亞洲地區的韓國、日本，也都開展了對無線傳感器網絡相關的研究工作。

國內來說，隨著國際研究方向，也逐步開展了對無線傳感器網絡的研究。尤其是在物聯網技術飛速發展的今天，無線傳感器網絡作為物聯網技術的關鍵，首次被放到了國家發展戰略的高度。

2 MAC層協議簡介

無線傳感器網絡協議棧包括物理層、介質訪問控制層MAC、網絡層。而MAC層，是協議棧的底層架構，由它來分配相應的信道資源，決定無線通信信道的使用方式。MAC層協議的分類也有很多種。通常衡量MAC協議的指標為業務量、吞吐量和平均傳輸延遲。

3 MAC協議現狀

目前很多MAC層協議存在同步過程雜亂、能耗大等缺陷。而如何解決存在的這些問題，就需要對MAC層協議進行優化設計。比如基于競爭的MAC協議存在發數據延遲的現象；基于調度算法的MAC協議又有同步時間開銷太大、可擴展性差的缺陷。

4 優化策略

本文提出的A（awaken）-MAC協議，通過自身調整傳感器每一個節點的占空比，讓節點在不同流量下使用不同的占空比工作，這樣就能根據流量決定時間，從而降低能耗，而能耗恰恰是MAC協議首先要考慮的因素。并且，A-MAC協議針對負載的不同，提出了睡眠算法。圖1所示為協議的周期睡眠圖。

使用如上機制的MAC協議，可以通過減少節點的工作時間也降低能耗。相鄰節點盡量保持同時睡眠，可達到同步交換數據包。而節點之間的調度，是通過SYNC包來實現的。

數據競爭信道會發生碰撞的問題，可以采用截斷二進制回退的方式解決。如有競爭，發送競爭請求后，以ACK應答信號為標識，若收到ACK則表明競爭解決過程完畢；若沒有收到，則代表數據信息丟失，便重新發送新的數據，重復即可。以往的協議棧里，如果數據信息較長、數據包較大，傳輸過程中若數據包出錯，就需要重新傳送，時間的消耗隨之增加。A-MAC為避免這樣的現象出現，將消息分成若干小段，根據節點上數據的平均延遲，來改進占空比，從而便于數據包的傳送。

若有睡眠命令發出，則所有節點空閑，避免了包含睡眠命令數據包的丟失；整個過程時間很短；節點睡眠和喚醒的時間不同，即傳感器節點不能同時睡眠或者同時喚醒，避免了競爭碰撞現象；最重要的是降低了能耗。此外，還可通過對路由器的參數改變，來進行傳輸功率的控制。

5 仿真

使用NS仿真軟件，對A-MAC協議進行模擬。NS集編程、擴展與一體，可以模擬各種網絡環境，如TCP/IP。

參數設置：數據傳輸率1Mbps；傳感器節點500個；無線設備傳輸功率100mW；數據包大小固定512B，每間隔100ms發送。重復測試。

如圖2所示，采用A-MAC協議在數據流上實現了穩定的時間延遲。

6 總結

傳統網絡協議對有線網絡是成功的，在無線環境中，競爭沖突、能耗大的缺陷過于明顯，無線傳感器的發展前景極為廣闊，所以網絡的性能及其協議的優化也就成為人們關注的焦點。如何設計出良好的MAC層協議，降低能耗和時間延遲，就成了棘手的問題。

本文提出的A-MAC協議采用睡眠算法，對原有MAC協議進行了優化設計，以此協議進行數據通信，競爭碰撞現象大大減少，更重要的是降低了能耗。通過設置參數，進行協議仿真，也表明A-MAC協議可以實現穩定的時間延遲。

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