基于SMAC的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的分析與優(yōu)化

摘要：首先對MAC協(xié)議進行了相關(guān)介紹。然后重點介紹了一種基于競爭的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議SMAC協(xié)議。其核心是提出了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議設(shè)計方案?；趧討B(tài)調(diào)整占空比的思想，提出了ATC-SMAC協(xié)議。該協(xié)議在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上改進了固定占空比的劣勢，根據(jù)每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)包的平均延遲調(diào)整占空比。通過動態(tài)地調(diào)整每個節(jié)點的占空比，使不同流量的節(jié)點擁有不同的工作時間，協(xié)議根據(jù)不同節(jié)點的流量情況自適應(yīng)地對其占空比進行調(diào)整。經(jīng)過仿真試驗，得到ATC-MAC在網(wǎng)絡(luò)端對端延遲、能量消耗以及吞吐量方面較S-MAC協(xié)議都有比較明顯的提高。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)路；MAC協(xié)議；動態(tài)占空比；ATC-SMAC協(xié)議

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ATC-SMAC主要是提高基于競爭的S-MAC協(xié)議的能量使用率，同時減少S-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)延遲。ATC-SMAC協(xié)議通過自適應(yīng)地調(diào)整每一個節(jié)點的占空比，讓節(jié)點在不同的流量下使用不同的占空比工作，做到流量大時工作更長的時間，流量小時工作更短的時間，沒有流量的時候就不工作。

1 S-MAC協(xié)議的分析和研究
    S-MAC協(xié)議是一種基于競爭的控制協(xié)議，具有同步機制功能與無中心等特點，不需要局部或全局中心主節(jié)點的調(diào)度傳感器節(jié)點自己發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點，并合理地安排占用信道的時間。
1．1 S-MAC協(xié)議
    S-MAC協(xié)議時間分為若干個幀，幀長度由應(yīng)用程序來確定，幀內(nèi)分為活動與睡眠兩個部分。在睡覺時段，節(jié)點關(guān)閉發(fā)送器模塊，緩存在此時負責采集數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)在等待序列中，到活動階段集中進行發(fā)送。在活動開始時，發(fā)送節(jié)點進入同步機制決定幀長度的確定方式，之后通過(RTS／CTS／DATA／ACK)機制發(fā)送數(shù)據(jù)信息，這個機制能夠避免因沖突產(chǎn)生的能耗。通過同步機制，局部的節(jié)點之間可以采用相同的時間周期，采用相同的工作休眠策略，它方便了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)新節(jié)點。
1．2 S-MAC的節(jié)能機制分析
    為了減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)消耗的能量，在IEEE 802．11基礎(chǔ)上提出了一種專門的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議S-MAc協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的沖突重傳、接收到不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)、控制信號、空閑偵聽等造成傳感器網(wǎng)絡(luò)耗能的原因。它引入了節(jié)點間的SYNC機制，允許沒有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的節(jié)點進入休眠狀態(tài)以節(jié)省耗能。但根據(jù)前文所討論的，睡眠的本身會引起數(shù)據(jù)的傳輸中斷，從而增加延時。下面將具體分析S-MAC協(xié)議是怎么節(jié)能的。
1．2．1 交替?zhèn)陕牐邫C制
    S-MAC協(xié)議的工作是按照周期進行的，在每個周期里，每一個基于S-MAC協(xié)議的節(jié)點都會工作一段時間、睡眠一段時間，通過減少節(jié)點的工作時間來節(jié)省能量。如圖1所示S-MAC協(xié)議的一個周期包含了睡眠和偵聽兩個階段，偵聽階段屬于工作階段，偵聽階段如果收到數(shù)據(jù)包，則節(jié)點之間會建立通信。如果節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，則節(jié)點不能接收任何數(shù)據(jù)，發(fā)送給它的數(shù)據(jù)都會被阻塞。處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點會在一定時間后醒來。在S-MAC協(xié)議中，相鄰的節(jié)點是盡量同時睡眠同時偵聽的，為了保證時間上的一致，防止時鐘偏移，不同節(jié)點間需要定期廣播同步包來交換時間信息，從而進行調(diào)整，做到同步。

1．2．2 “虛擬簇”機制
    S-MAC協(xié)議使用了“虛擬簇”的機制，在“虛擬簇”機制下，節(jié)點之間的調(diào)度信息是通過節(jié)點廣播SYNC包來實現(xiàn)的。S-MAC協(xié)議使用調(diào)度表來保存調(diào)度信息，每一個節(jié)點會保存一個調(diào)度表。節(jié)點會在啟動的初期監(jiān)聽一段時間，因為S-MAC協(xié)議是固定占空比的，所以這段時間是固定的。在監(jiān)聽的這段時間，如果節(jié)點能夠收到鄰居節(jié)點的調(diào)度信息，則它使用鄰居節(jié)點的調(diào)度周期更新自己的調(diào)度周期，并且它會在一段時間后廣播自己的調(diào)度信息。如果接收到的鄰居節(jié)點的調(diào)度方式與自己的調(diào)度方式相同，則調(diào)度方式不變；如果發(fā)現(xiàn)鄰居節(jié)點的調(diào)度方式與自己不同，而且還沒有收到與自己調(diào)度方式相同的節(jié)點消息，則使用新的調(diào)度方式進行調(diào)度。
1．2．3 串音避免機制
    基于競爭MAC協(xié)議能量消耗的一個重要原因就是串音。在S-MAC協(xié)議中，如果節(jié)點收到不是發(fā)送給自己的RTS數(shù)據(jù)包或CTS數(shù)據(jù)包，節(jié)點會直接進入睡眠狀態(tài)。這樣，發(fā)送數(shù)據(jù)包的節(jié)點就不會把數(shù)據(jù)包和ACK報文發(fā)送到剛剛進入睡眠的節(jié)點，從而減少了節(jié)點處理這些數(shù)據(jù)包所消耗的能量。
1．2．4 沖突避免機制
    競爭信道時產(chǎn)生的碰撞是每一個競爭類協(xié)議都會碰到的問題，S-MAC協(xié)議也對該問題進行了解決，盡量減少不必要的能量浪費。
1．2．5 消息分段機制
    如果傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞比較長的數(shù)據(jù)包，一個包出錯就會重傳，這就將耗費比較多的能量。S-MAC為了解決這個問題采用了消息分段機制，將長消息分成幾個小的消息發(fā)送出去。[!--empirenews.page--]
1．2．6 自適應(yīng)偵聽機制
   自適應(yīng)偵聽機制的基本思想是：當一個節(jié)點收到RTS或者CTS數(shù)據(jù)包，偵聽到鄰居節(jié)點有數(shù)據(jù)通信，就進入睡眠，同時記錄它的通信時間。對通信時間的記錄幫助節(jié)點通信結(jié)束后能夠醒來，在一個較短的時間內(nèi)偵聽信道查看是否有數(shù)據(jù)包需要傳遞，這種偵聽同樣是通過是否接收RTS數(shù)據(jù)包和CTS數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)的。通信結(jié)束后節(jié)點會醒來，這個時候節(jié)點進入工作狀態(tài)，偵聽是否有數(shù)據(jù)包到達，如果有數(shù)據(jù)包到達則建立信道進行通信，如果沒有數(shù)據(jù)包到達，則結(jié)束偵聽，繼續(xù)進入睡眠，按照既定調(diào)度方式工作。

2 改進的MAC協(xié)議ATC-SMAC
    如前面所述，S-MAC協(xié)議由于采用了固定的占空比，它不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的延遲情況動態(tài)調(diào)整占空比大小，造成了兩個主要的問題。本節(jié)提出了一種新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議——ATC-SMAC(Automation of Time Controlled-SMAC)，該協(xié)議在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上改進了固定占空比的劣勢，采用根據(jù)每個節(jié)點上的數(shù)據(jù)包的平均延遲調(diào)整占空比的策略。
2．1 ATC-SMAC協(xié)議的工作原理
    ATC-SMAC協(xié)議支持傳感器網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點擁有不同的占空比?，F(xiàn)在假設(shè)節(jié)點的初始化占空比為P，幀長為T，睡眠時間為Tsleep，工作時間為Tactive，顯然有，P=Tactive／T。設(shè)數(shù)據(jù)包在某節(jié)點的平均阻塞延遲為Tblock。
    ATC-SMAC的節(jié)點占空比調(diào)整策略如下：如果Tblock的變化超過了Pctr，那么占空比也要調(diào)整相應(yīng)的比例；不論這種變化是增加還是減少，只要變化的范圍超過了Pctr，占空比都會調(diào)整；根據(jù)Tblock變化的幅度，占空比調(diào)整的幅度也會相應(yīng)地變化。本文中Pctr選為20％，經(jīng)過后面的仿真實驗驗證，Pctr為20％的ATC-SMAC協(xié)議要比自適應(yīng)的S-MAC協(xié)議更加優(yōu)秀。為了通過減少節(jié)點的計算量從而達到節(jié)省節(jié)點能量的目的，節(jié)點的數(shù)據(jù)包平均時延為兩個同步周期計算一次。節(jié)點統(tǒng)計在剛剛過去的兩個同步周期內(nèi)自己轉(zhuǎn)發(fā)的所有數(shù)據(jù)包的延遲。對于每一個數(shù)據(jù)包，在它進入節(jié)點的緩沖隊列的時候，從數(shù)據(jù)包的報頭中可以看到上一個節(jié)點發(fā)送出該數(shù)據(jù)包的時刻Tin，忽略數(shù)據(jù)在物理介質(zhì)中傳播的時間，記錄該數(shù)據(jù)包從本節(jié)點上發(fā)送出去的時刻Tout，該節(jié)點的延遲Ti=Tout-Tin。對于該節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包1，2，…，n，統(tǒng)計得出它們的延遲T1，T2，…，Tn，得到該節(jié)點的平均延遲Teven為：
    Teven=(T1+T2+…+Tn)／n (1)
    節(jié)點除了計算剛剛過去的兩個同步周期內(nèi)的平均延遲外，還保存上兩個同步周期內(nèi)的平均延遲Tpast。
    如果在剛剛過去的兩個同步周期內(nèi)，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的量比較大，延遲較高，Teven>Tpast，那么計算Teven高于Tpast的百分比P，如果P不到20％，那么該節(jié)點的占空比不做調(diào)整；如果P高于20％(包括20％)小于40％，那么該節(jié)點在下一個同步周期的時候?qū)⒆约旱恼伎毡壬险{(diào)20％；如果P高于40％(包括40％)小于60％，那么占空比往上調(diào)整40％；依次類推，如果P高于C％(包括C％，其中C為20的整數(shù)倍)而小于(C+20)％，那么占空比往上調(diào)整C％。
    同理可得向下調(diào)整占空比的方式：如果在剛剛過去的兩個同步周期內(nèi)，節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的量比較小，延遲較低，Teven<Tpast，那么計算Teven低于Tpast的百分比P，如果P不到20％，那么該節(jié)點的占空比不做調(diào)整；如果P高于20％(包括20％)小于40％，那么該節(jié)點在進入下一個同步周期的時候?qū)⒆约旱恼伎毡认抡{(diào)20％；如果P高于40％(包括40％)小于60％，那么占空比往下調(diào)整40％；依次類推，如果P高于C％(包括C％，其中C為20的整數(shù)倍)而小于(C+20)％，那么占空比往下調(diào)整C％。
    占空比向上調(diào)整過程的偽代碼表示如下：

2．2 ATC-SMAC的節(jié)能策略分析
    Pctr為20％的基于ATC-SMAC協(xié)議的傳感器在吞吐量、端到端延時以及能量消耗上都要略優(yōu)于動態(tài)的S-MAC協(xié)議。與使用固定占空比的S-MAC協(xié)議相比，ATC-SMAC在吞吐量上平均要比S-MAC協(xié)議高大約1倍；在端到端延時這項上，ATC-SMAC的數(shù)據(jù)包平均時延大約為S-MAC協(xié)議的0．6倍；ATC-SMAC平均每字節(jié)消耗的能量大概為S-MAC協(xié)議的0．4倍。與動態(tài)調(diào)整的S-MAC協(xié)議相比，ATC-SMAC協(xié)議的平均端到端時間大概為動態(tài)S-MAC協(xié)議的70％，ATC-SMAC協(xié)議的平均吞吐量大概為動態(tài)S-MAC協(xié)議的1．2倍，ATC-SMAC平均傳輸每字節(jié)消耗的能量大概為動態(tài)S-MAC協(xié)議的75％。

3 結(jié)語
    ATC-SMAC協(xié)議在SMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進行了改進，使用了更加優(yōu)秀的動態(tài)調(diào)整占空比的算法。它可以讓節(jié)點根據(jù)自己流量的變化動態(tài)地調(diào)整自身的占空比。通過仿真結(jié)果，可以看出ATC-SMAC協(xié)議在端到端延遲、能量使用效率以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量等方面較S-MAC協(xié)議(自適應(yīng)和非自適應(yīng)兩種)都有一定程度的提高。