無線傳感器網(wǎng)絡(luò)SMAC協(xié)議的研究與改進

摘要：介質(zhì)訪問控制(MAC)協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。傳感器介質(zhì)訪問控制(SMAC)協(xié)議是以節(jié)能為目的的MAC協(xié)議。介紹了SMAC協(xié)議工作原理，針對SMAC協(xié)議退避機制的缺陷，借鑒二進制指數(shù)退避算法，在SMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了一種具有公平性的退避機制。節(jié)點根據(jù)接入信道的次數(shù)動態(tài)調(diào)整競爭窗口，退避失敗時凍結(jié)退避計時器，在下個競爭周期繼續(xù)計時，增加了節(jié)點接入信道的公平性，減小了碰撞，增大了吞吐量和信道利用率。仿真結(jié)果表明：改進后的SMAC協(xié)議在吞吐量，能量消耗和能量利用率方面相對于SMAC協(xié)議有顯著的提高，起到了節(jié)能的效果。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；SMAC協(xié)議；競爭窗口；退避算法

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)目前是一個最新的研究領(lǐng)域，它是由大量的節(jié)點組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò)。而作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧重要基礎(chǔ)構(gòu)架的介質(zhì)訪問控制(Medium Access Control，MAC)協(xié)議決定著無線信道的使用方式，負責為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配無線信道資源，直接影響網(wǎng)絡(luò)整體性能，成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究的重中之重。
    因為WSNs技術(shù)應(yīng)用的獨特性，SMAC協(xié)議以盡可能地節(jié)約能量，提高能量效率，從而延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。Wei Ye等在2002年提出了傳感器介質(zhì)訪問控制(Sensor MAC，SMAC)協(xié)議，SMAC協(xié)議同IEEE 802．11相比，具有明顯的節(jié)能效果，但是由于SMAC協(xié)議引入了周期性睡眠方式，節(jié)點不一定能及時傳遞數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)的能量利用率、吞吐量下降。本文通過引入動態(tài)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)競爭動態(tài)改變競爭窗口大小的思想，在減少MAC協(xié)議能量消耗的同時，增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，增大了能量利用率。

1 SMAC協(xié)議簡介
    SMAC協(xié)議是專門為WSN設(shè)計的MAC協(xié)議。該協(xié)議通過綜合運用時間安排協(xié)議和競爭協(xié)議能夠達到良好的可擴展能力和碰撞回避能力，為了實現(xiàn)能量效率，盡量降低能量是SMAC協(xié)議的主要目標。
1．1 周期性偵聽與休眠
    SMAC協(xié)議使節(jié)點周期性地進入休眠狀態(tài)，從而縮短偵聽時間以減少空閑偵聽帶來的能量損耗。如圖1所示，節(jié)點通過選擇和維護休眠調(diào)度表，使相鄰節(jié)點組成休眠／喚醒自同步的虛擬簇，從而實現(xiàn)信息傳輸?shù)耐?，并降低控制開銷。

1．2 碰撞回避
    為了避免碰撞以及解決隱含終端問題，SMAC協(xié)議采用虛擬載波偵聽和物理載波偵聽以及RTS／CTS交互機制。每個所發(fā)送的分組中都有一個時間域，用于標明剩余的傳輸時間。一個節(jié)點接收到傳遞給另一個節(jié)點的一個分組后，就能夠根據(jù)該分組中持續(xù)時間域的數(shù)值而決定自己需要保持多長時間的靜默，并將該值記錄到一個叫做網(wǎng)絡(luò)分配矢量(Network Allocation Vector，NAV)的變量中，然后設(shè)置相應(yīng)的定時器。每當啟動定時器時，節(jié)點遞減其NAV，直到NAV等于零為止。節(jié)點在開始發(fā)送之前首先檢查其NAV：若其NAV不等于零，節(jié)點判定媒介忙，叫做虛擬載波偵聽。物理載波偵聽是在物理層實現(xiàn)的，通過偵聽信道確定是否有信息在傳輸。為了避免碰撞，SMAC協(xié)議采用隨機的載波偵聽時間。如果虛擬載波偵聽和物理載波偵聽都判定媒介空閑，才判定媒介空閑。

2 SMAC協(xié)議改進策略
2．1 SMAC協(xié)議隨機退避原理
    在SMAC協(xié)議中，為了減小分組傳輸發(fā)生碰撞而造成的能量損耗，節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前要隨機退避一段時間。在每個周期的開始，消息隊列非空的節(jié)點就會從[0，CW-1]中隨機選擇一個退避數(shù)。如果信道空閑，每過一個時隙，退避計數(shù)器的值就會減1，當退避計數(shù)器的值遞減為0時，節(jié)點就開始發(fā)送數(shù)據(jù)。此時，沒有競爭到信道的節(jié)點就會停止退避計數(shù)器的計時，轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)等到下一個周期的到來繼續(xù)競爭信道。由于SMAC協(xié)議采用的是固定競爭窗口CW，這就不能很好的適應(yīng)信道的變化，降低了信道的利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。另外，節(jié)點每次競爭信道失敗或者在退避過程中發(fā)現(xiàn)信道忙時，都會重新計算退避值。這就導致有些節(jié)點在經(jīng)過很長的退避計時后由于信道忙競爭信道失敗，而重新計算退避值，等到下一個競爭周期時執(zhí)行新的退避值。這就使得一些節(jié)點低概率接入信道，能量消耗不均勻，并導致網(wǎng)絡(luò)區(qū)域性中斷不連通，降低了整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
2．2 SMAC協(xié)議退避算法改進
    為了適應(yīng)信道狀態(tài)的動態(tài)變化和提高節(jié)點訪問信道的公平性，本文參考了IEEE 802．11 DCF退避機制，針對SMAC的不足點加以改進。并引進了二進制指數(shù)退避BEB(Binary Exponential Backoff)算法，它的主要特征如下：
    采用較小的初始化窗口CWMin和較大的最大值窗口CWMax。
    當節(jié)點每次發(fā)送失敗時，節(jié)點就會將其退避窗口CW加倍直到CWMax。
    當節(jié)點每次發(fā)送成功時，節(jié)點就會將其退避窗口CW置為最小競爭窗口CWMin。
    由于BEB算法針對節(jié)點競爭信道失敗采用了競爭窗口倍增的思想，使節(jié)點快速擺脫競爭區(qū)提高節(jié)點接入信道幾率。當節(jié)點發(fā)送分組成功時，就會將競爭窗口CW置為CWMin。這樣就會使得上一次競爭信道成功的節(jié)點永遠具有較小的競爭窗口，其接入信道的幾率遠遠大于其他節(jié)點。競爭窗口的波動比較大，增加了節(jié)點的潛在競爭幾率，勢必會影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。
    首先，在新的退避算法中引進3個定值，最小競爭窗口值min CW，最大競爭窗口值max CW，中間門限值mid CW=(minCW+maxCW)／2。
    新退避算法的具體描述如下：
    (1)信道競爭失?。喝绻?jié)點在信道競爭過程當中失敗，它便會倍增競爭窗口直到最大競爭窗口maxCW，CW=min(maxCW，CW×2)。
    (2)信道競爭成功：如果節(jié)點成功地完成信道競爭，它便會將競爭窗口置為最優(yōu)初始競爭窗口initCW，為了提高所有節(jié)點接入信道的公平性，初始競爭窗口是通過節(jié)點連續(xù)占用信道次數(shù)動態(tài)確定的。節(jié)點每次成功占用信道時都會將其信道占用計數(shù)器值Count加1，當信道占用計數(shù)器值小于信道占用次數(shù)閾值thCount時，此時將競爭窗口減半并以min CW為下限，初始競爭窗口initCW=max(minCW，CW／2)。當信道占用計數(shù)器值大于信道占用次數(shù)閾值th Count時，為了提高其他節(jié)點接入信道的幾率，節(jié)點的初始競爭窗口盡量維持在一合適值范圍內(nèi)。在本算法中競爭窗口先減半再加上2倍信道占用次數(shù)值記為temp CW，將temp CW與mid CW比較，如果小于mid CW，此時競爭窗口位于小值區(qū)域內(nèi)。再將temp CW與min CW比較，如果小于min CW則置init CW為min CW，否則置初始競爭窗口為temp CW減1。如果temp CW大于mid CW，則競爭窗口位于大值區(qū)域內(nèi)，此時的初始退避窗口值計算為：
    init CW=CW-[CW+(temp CW／mid CW)·CW]／Count
    (3)退避過程：當所有處于未休眠狀態(tài)的節(jié)點偵聽信道時，節(jié)點發(fā)現(xiàn)信道空閑了一個時隙，它就會減少一個時隙的退避時間(BT)，BTnew= BTold-aSlotTime，當它的退避計數(shù)器值為0時，節(jié)點會發(fā)送數(shù)據(jù)包。為了提高信道利用率，降低節(jié)點因退避而造成的能量浪費。如果節(jié)點偵聽到信道有連續(xù)2minCW+1空閑時隙，則信道每經(jīng)過一個空閑時隙就使BTnew=BTold／2，如果BTnew<aSlotTime，則BTnew=0。

3 理論分析
    在一個周期內(nèi)，影響SMAC協(xié)議能量利用率的主要因素有2個：因傳輸失敗而重傳數(shù)據(jù)消耗的能量和連續(xù)競爭信道消耗的能量。在高流量和一些遍歷性假設(shè)的情況下，可以得到如下的能量利用率：
   
    式中：PSD表示節(jié)點Ni在一個周期內(nèi)成功發(fā)送數(shù)據(jù)包過程所消耗的功率；Pc表示在一個周期內(nèi)節(jié)點因發(fā)生碰撞發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗過程所消耗的功率；PD表示在一個周期內(nèi)節(jié)點成功發(fā)送數(shù)據(jù)包所消耗的功率。設(shè)在一個傳輸周期內(nèi)數(shù)據(jù)包平均發(fā)生碰撞的次數(shù)為E[Cc]，在競爭周期內(nèi)由于退避而產(chǎn)生的空閑時隙的期望值為E[Bc]，ts為每個時隙的時間長度，為數(shù)據(jù)包的平均長度，PT為發(fā)送功率，PR為接收功率，PIdle為節(jié)點空閑時消耗功率。在Pc階段時長為TPc，在PD階段時長為TPD。則有下式：
   
    由式(1)，式(4)～式(6)可以看出：如果數(shù)據(jù)包在傳輸過程中是一個接一個沒有任何間隔，就可以得到最大的能量利用率和最大的吞吐量。在這種情況下，E[Cc]=0，E[Bc]=0，能量利用率為：
   
    在此情形下，節(jié)點在競爭周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包的必要條件是節(jié)點接入信道的概率P較其他節(jié)點大。本協(xié)議采用的是隨機退避機制，所以，節(jié)點Ni在競爭周期內(nèi)接入信道的概率取決于退避計數(shù)器：
   
    式中Cbi為節(jié)點Ni的退避計數(shù)器。
    由式(8)知，當節(jié)點Ni的退避計數(shù)器Cbi=0時，它將立即占用信道發(fā)送數(shù)據(jù)包，此時它在當前競爭周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率Ptrans(i)=1；當節(jié)點Ni的退避計數(shù)器Cbi=∞時，節(jié)點在當前競爭周期內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率Ptrans(i)=0。通過以上分析可知：對于將要發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點設(shè)置較小的退避計數(shù)器，而對于暫時沒有數(shù)據(jù)包要發(fā)送的節(jié)點設(shè)置較大的退避計數(shù)器，這樣可以有效的提高節(jié)點能量利用率和吞吐量。對于長時間占用信道的節(jié)點設(shè)置較大的退避計數(shù)器，對于長時間因競爭失敗且需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點設(shè)置較小的退避計數(shù)器，這樣可以有效的提高節(jié)點接入信道的公平性和減少數(shù)據(jù)包的傳輸時延。
   當節(jié)點競爭信道失敗，加倍退避窗口有效地減少了“將來”發(fā)生碰撞的概率，減少了E[Cc]。在節(jié)點退避過程，節(jié)點發(fā)現(xiàn)信道連續(xù)空閑會認為信道上沒有節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包，退避窗口成指數(shù)倍減少，可以減少空閑時隙E[Bc]，減少節(jié)點退避時能量浪費，提高節(jié)點能量利用率和吞吐量。如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)信道忙，計時器被掛起，等下一個競爭周期到來繼續(xù)執(zhí)行，提高節(jié)點接入信道的概率實現(xiàn)節(jié)點接入信道公平性。節(jié)點成功發(fā)送數(shù)據(jù)包后，根據(jù)占用信道次數(shù)動態(tài)調(diào)整退避計數(shù)器，使得需要發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點在退避時能成功完成退避過程，減小E[Bc]，這樣可以提高節(jié)點接入信道的公平性也提高了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐率。

4 仿真試驗與結(jié)果分析
    本文仿真平臺為NS-2．34，對SMAC協(xié)議和改進的SMAC協(xié)議進行仿真比較。配置仿真拓撲為一個由10個節(jié)點組成的鏈狀拓撲。拓撲中每2個節(jié)點間的距離是200 m，節(jié)點的通信距離為250 m，節(jié)點只能與周圍一跳節(jié)點進行通信，保證數(shù)據(jù)包只能一跳一跳的通信。
    通過改變CBR數(shù)據(jù)流發(fā)包間隔(interval)的值來模擬網(wǎng)絡(luò)的不同流量負荷情況。數(shù)據(jù)包發(fā)送間隔設(shè)置從1～15 s，當發(fā)送間隔為5 s的時候，即每隔5 s發(fā)1個包。初始能量設(shè)為1 000 J，以保證整個仿真時間內(nèi)節(jié)點能量不耗盡。發(fā)送功耗為386 mW，接收功耗為368．2 mW，空閑偵聽功耗為344．2 mW，睡眠功耗為50μW。仿真帶寬為20 Kb／s，路由協(xié)議為DSR，占空比為20％。
4．1 網(wǎng)絡(luò)吞吐量分析
    數(shù)據(jù)流的端到端的平均吞吐量是指目的節(jié)點在整個連續(xù)時間內(nèi)成功接收到得數(shù)據(jù)包的平均值。由圖2可以看出：由于SMAC協(xié)議采用的是固定競爭窗口和二進制指數(shù)退避算法，在網(wǎng)絡(luò)流量很大時，造成數(shù)據(jù)包發(fā)生碰撞的次數(shù)增加，碰撞后重傳的次數(shù)必然增大，因而，吞吐量保持在一個相對較低的值。改進后的SMAC協(xié)議，由于在退避機制上的改進，在網(wǎng)絡(luò)流量很大時，顯著的提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。當分組間隔小于5 s，改進后的SMAC協(xié)議比SMAC協(xié)議的吞吐量平均提高了近約70％。

4．2 網(wǎng)絡(luò)能耗分析
    網(wǎng)絡(luò)總的能量消耗，就是把網(wǎng)絡(luò)初始時的各個節(jié)點的能量累加起來，仿真結(jié)束時的各個節(jié)點的能量累加起來，能量差就是網(wǎng)絡(luò)消耗的總能量。由圖3可以看出：由于SMAC協(xié)議采用的是固定競爭窗口且每次退避時都是重獲取窗口的大小，在網(wǎng)絡(luò)流量較大時，造成數(shù)據(jù)包碰撞的幾率較大，碰撞后數(shù)據(jù)包重傳的幾率較大，因而，能量消耗保持在一個相對較大的值。改進后的SMAC協(xié)議，由于改進了退避機制，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量的動態(tài)變化，減少了數(shù)據(jù)包的碰撞幾率，因而，減少了因重傳數(shù)據(jù)包所消耗的能量。本文的SMAC協(xié)議根據(jù)節(jié)點占用信道的次數(shù)動態(tài)調(diào)整節(jié)點的退避窗口，提高了節(jié)點接入信道的公平性，一定程度上降低了節(jié)點因連續(xù)競爭信道所消耗的能量。在整個仿真過程中，改進后的SMAC協(xié)議比SMAC協(xié)議的總能量消耗平均降低了100 J左右。

4．3 能量效率分析
    本文的能量效率采用文獻的定義，即每焦耳能量所能發(fā)送的數(shù)據(jù)包，單位為b／J。顯而易見，每焦耳能量所能發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多，協(xié)議就具有越好的節(jié)能性。由圖4可以看出：在網(wǎng)絡(luò)流量較大時，SMAC協(xié)議由于數(shù)據(jù)包的重傳浪費了大量的能量，導致能量效率較低。改進后的SMAC協(xié)議，根據(jù)節(jié)點占用信道的次數(shù)動態(tài)調(diào)整了退避窗口值，減少了數(shù)據(jù)包重傳所消耗的能量，能量效率相對較高。當分組間隔小于6 s，改進后的SMAC協(xié)議比SMAC協(xié)議的能量效率平均提高了近55％。當分組間隔大于6 s，由于改進后的SMAC協(xié)議較SMAC協(xié)議能量消耗較少，能量效率較SMAC協(xié)議有所提高。

5 結(jié)語
    本文研究了SMAC協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上借鑒了二進制指數(shù)退避算法，對SMAC協(xié)議進行了改進。在改進的SMAC協(xié)議中，節(jié)點根據(jù)接入信道的次數(shù)動態(tài)調(diào)整退避窗口，在退避時能根據(jù)信道的狀態(tài)動態(tài)調(diào)整退避計時器值。最后，利用NS2仿真軟件進行仿真驗證，證實了在吞吐量、能量消耗和能量利用率方面，改進后的SMAC協(xié)議與SMAC協(xié)議相比有所提高。