摘要：本文分析了當前主流的低功耗MAC協(xié)議Schedules及其擴展協(xié)議,并對這類協(xié)議的優(yōu)缺點進行對比分析。在此研究分析的基礎上,研究了造成節(jié)點能量浪費的主要原因,并提供了一種新的更節(jié)能的MAC協(xié)議的研究方向。 最后,在NS2網(wǎng)絡仿真環(huán)境平臺中進行仿真實驗,結(jié)果達到預期目標。本文的研究對無線傳感器網(wǎng)絡的能量高效性做了有益的探索,能夠在一定程度上解決制約其投入應用的能耗瓶頸。
引言
無線傳感器網(wǎng)絡是由大量傳感器節(jié)點構(gòu)成的一種特殊 Ad Hoc 網(wǎng)絡，主要用于數(shù)據(jù)的 采集和傳輸，有著廣泛的應用前景。由于傳感器節(jié)點一般由電池供電，且節(jié)點的體積微小， 而電池能夠攜帶的能量非量有限，因此，節(jié)省能耗是無線傳感器網(wǎng)絡中的一個研究熱點。 人們提出了許多有效的 MAC 層協(xié)議[1]，其中以S—MAC 最具有代表性。它一方面繼承 了IEEE802.11 MAC[2] 協(xié)議中的基本機制，另—方面采用周期性睡眠工作方式，有效降低了 能耗,因此成為傳感器網(wǎng)絡中廣受關注的MAC 協(xié)議之一。本文將詳細分析以S—MAC 為代表的 Schedule 類協(xié)議原理和性能，并在此基礎上探討更節(jié)能的MAC 協(xié)議的研究和設計。
一 Schedule 類協(xié)議
1．1 S—MAC 協(xié)議
S—MAC(Schedules MAC)協(xié)議是基于時間調(diào)度協(xié)議的代表，它融合了幾乎所有的無線 網(wǎng)絡的節(jié)能技術。S—MAC 協(xié)議的主要目的就是節(jié)能，它的最主要的思想是通過周期性的 休眠來使得射頻低占空比運行。另外它還融入了其它的節(jié)能技術，如沖突避免和串音避免， 還有消息傳遞以及自適應偵聽機制。
周期性和睡眠
周期性和睡眠是 S—MAC 協(xié)議的最精華部分。在許多傳感器網(wǎng)絡應用中，大多都 是小數(shù)據(jù)量應用，即周期內(nèi)只有少量數(shù)據(jù)，而其它很長的時間內(nèi)都沒有數(shù)據(jù)。因此，S—MAC 協(xié)議通過讓節(jié)點進入周期性睡眠模式來減少*時間。例如，如果每秒鐘讓節(jié)點休眠半秒， 而另半秒進入空閑*，那么該節(jié)點的radio 工作的占空因數(shù)(dutycyde)就減少到50%，即能 夠節(jié)省近50%的能量。
周期性和睡眠的基本機制是偵察→睡眠→偵察→睡眠，每個節(jié)點在一段時間內(nèi)睡眠，然后在醒過來后立即進入空閑狀態(tài)來信道；在睡眠時，節(jié)點關閉它的射頻，并 使用一個定時器來定時喚醒。睡眠的持續(xù)時間可以根據(jù)不同應用場景來選擇。一般為了同步方便，所有節(jié)點可以設置相同的睡眠和喚醒時間。每個節(jié)點通過向鄰居廣播自己的調(diào)度信息來實現(xiàn)鄰居節(jié)點間的調(diào)度信息的共享，同時每個節(jié)點都要為鄰居維護一張調(diào)度表，里 面記錄了各個鄰居節(jié)點的調(diào)度信息。
消息傳遞
S—MAC 的方法是把長信息分割為許多小的片斷，然后傳輸它們。但是只在一開始使 用一個RTS 分組和—個CTS 分組。每次傳輸一個數(shù)據(jù)片斷分組，發(fā)送者等待接收者送來的 ACK。每個數(shù)據(jù)片段和其ACK 都附帶有—個剩余時間域，其意義是告知鄰居節(jié)點還需占用 信道多長時間，即相當于預約了信道整個消息發(fā)送所需要的時間。因此如果沒能夠接收到 ACK，節(jié)點可以擴展傳輸時間，并迅速重傳現(xiàn)有的片斷，如圖1 所示。
正常工作圖顯示了在發(fā)送 RTS 包的時候，剩余時間域就已經(jīng)為整個消息的發(fā)送預留了 占用信道的時間，而后的數(shù)據(jù)包和ACK 包中的時間隨著包的發(fā)送依次遞減。而重發(fā)工作圖 中顯示，當發(fā)送方的一個片段包未收到ACK 時，它立刻重發(fā)且擴展了剩余時間。由于每個 分組和ACK 都有剩余時間域，因此即使有節(jié)點提前醒來(由于重發(fā)耽誤了時間)，也可以得 到新的剩余時間，而再次進入睡眠，等待發(fā)送結(jié)束。在每個數(shù)據(jù)片斷后使用ACK 的目的是 預防隱藏終端問題。在傳輸過程中，一個鄰居節(jié)點醒來或新節(jié)點加入都是可能的。如果節(jié)點 只是接收者的鄰居而不是發(fā)送者的，它就不會聽到發(fā)送者正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)片斷。如果接收者 并沒有頻繁的發(fā)送ACK，新節(jié)點也許會錯誤的從它的載波偵聽中推斷媒介是空閑的，并開 始發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導致現(xiàn)有的傳輸將會在接收者處被損壞。
1.2 S—MAC 協(xié)議的缺點分析
可以說 S—MAC 協(xié)議考慮的十分全面，但還是有其自身的缺點，首先，周期性睡眠監(jiān) 聽中的同步帶來了一定的控制包開銷(同步包)，并且同步的維護將消耗掉節(jié)點并不充裕的空 間資源。另外，睡眠工作周期受到各個方面的限制，并不能達到超低功耗的要求(周期長度 受限于延遲要求和緩存大小，而周期長度直接反映節(jié)能效率)，其次，在大規(guī)模的的傳感網(wǎng) 中，周期性睡眠*將會帶來難以忍受的延遲問題(流量自適應偵聽并不能有效解決)，最后， 邊界節(jié)點的消耗能量要比普通節(jié)點大的多，導致節(jié)點間的能量消耗并不平衡。
1.3 TMAC 協(xié)議
針對 S—MAC 協(xié)議不能根據(jù)網(wǎng)絡負載自適應地調(diào)整占空比的問題，TMAC 協(xié)議在保持偵聽和睡眠時間總和不變的基礎上，該協(xié)議設定了一個最小的空閑偵聽時間TA，在從睡眠 狀態(tài)喚醒之后，若在該TA 時間段中沒有發(fā)生激活事件，則又重新進入睡眠周期，否則繼續(xù) 增加一個TA 保持偵聽狀態(tài)。通過這種方式，節(jié)點可以提前結(jié)束偵聽時間進入睡眠從而減少 能耗，但同時也帶來了早睡問題，雖然為解決這些問題提出了未來請求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先 方法，但結(jié)果并不理想。
1.4 Sehedules 類協(xié)議的總結(jié)
從上面的兩個協(xié)議的分析可以看出 Schedules 類協(xié)議可以達到較好的功耗控制，且比 較容易融合各種功耗控制的相關技術，但相應的設計和實現(xiàn)卻更加的復雜，如網(wǎng)絡啟動時如 何實現(xiàn)同步，怎樣維護同步以及新節(jié)點的加入等，并會引入一些其它的額外開銷，如同步包 的控制開銷，維護調(diào)度表的資源開銷等，最后，還會帶來累積延遲問題。
二 更節(jié)能的新MAC 協(xié)議的研究和設計
2.1 節(jié)點能量浪費的主要原因
通過大量的實驗和理論分析論證，歸納出可能造成網(wǎng)絡中節(jié)點能量浪費的幾方面原因: (l)競爭信道消耗。節(jié)點要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，使用共享的無線信道，可能引起多個節(jié)點 之間發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生碰撞，而—旦發(fā)生碰撞現(xiàn)象，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，節(jié)點必須重傳數(shù) 據(jù)，這也就造成了節(jié)點的能量浪費。
(2)串音現(xiàn)象。節(jié)點接收處理冗余數(shù)據(jù)（大量相同或近似數(shù)據(jù)）導致能量的浪費。
(3)過度的空閑偵聽。節(jié)點除了發(fā)送數(shù)據(jù)外，其他時間段都處于空閑狀態(tài)，以便偵聽信 道隨時準備接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。而根據(jù)文獻[4]處于空閑狀態(tài)的節(jié)點也要消耗大量 的能量。
(4)控制信息開銷。節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)時會加入—些額外的控制信息，從而加長了數(shù)據(jù)幀 長度，數(shù)據(jù)量的增加造成了額外的能量開銷。
2.2 新協(xié)議的設計:自適應調(diào)整占空比MAC 協(xié)議
2.1.1 設計思路
文獻[5]也提出了一種ADC-MAC 協(xié)議，其工作原理是根據(jù)網(wǎng)絡中的負載即數(shù)據(jù)流量的大 小，來改變節(jié)點處于偵聽狀態(tài)下的時間。其優(yōu)點是可以靈活的調(diào)節(jié)時間，但也帶來了一 些問題，首先，繁瑣的計算公式帶來了額外的參數(shù)傳輸和開銷管理。其次，頻繁的變動DC （Duty_cycle 占空比）會造成額外的硬件響應時延。
新協(xié)議是在S—MAC 協(xié)議的基礎上，根據(jù)業(yè)務量的大小來調(diào)節(jié)*時間。可是直接判斷 業(yè)務流量的大小有一定的困難，我們考量S-MAC 協(xié)議設定的重傳數(shù)值這一參數(shù)。設定當重傳次數(shù)為5 時，業(yè)務流量大小記錄為Ts，當網(wǎng)絡流量>Ts 時，DC＝20%。當網(wǎng)絡流量Ts: DC＝30%。同樣的理由， 當連續(xù)5 個周期網(wǎng)絡流量
2.2.2 仿真分析
本文采用了由UC Berkeley 開發(fā)的、面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡環(huán)境模擬器NS-2 對改進的S-MAC 協(xié)議進行了仿真實驗，分別對S—MAC 協(xié)議和基于數(shù)據(jù)流量自適應調(diào)整占空 比的新MAC 協(xié)議的網(wǎng)絡性能進行比較，這里的性能主要指數(shù)據(jù)收發(fā)比、平均占空比以及能耗。 數(shù)據(jù)收發(fā)比是指目的節(jié)點總的收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點總的發(fā)包數(shù)的比值，能耗指的是每成 功傳送lbit 數(shù)據(jù)所消耗的能量。
仿真中有關參數(shù)設置如下:無線設備帶寬100kbps,傳輸范圍250m,干擾范圍550m,包長 度100 字節(jié),傳輸功率0.66 瓦,接收功率0.395 瓦,空閑時耗電0.35 瓦,休眠時耗電忽略 不計設為0。根據(jù)無線參數(shù)和包的長度,S-MAC 協(xié)議的活動時間設為20ms。
圖2 中，對比的是在不同大小的業(yè)務量下，S-MAC 和新的MAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)收發(fā)比。X 軸坐標就是業(yè)務量，其1 個單位為網(wǎng)絡重傳次數(shù)為5 時的業(yè)務量大小。在業(yè)務量較小時，兩 者幾乎沒有區(qū)別，且由于連續(xù)五個周期業(yè)務流量
圖3 中，采用S—MAC 協(xié)議的節(jié)點始終保持設定的占空比10%不變，而新協(xié)議自適應 的應付網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)量，調(diào)節(jié)占空比。
圖4 中，在業(yè)務量較小時，由于減少了偵聽時間的占空比，減少了空閑狀態(tài)下的能量消 耗。在網(wǎng)絡負載較重時，由于新協(xié)議增加了偵聽時間的占空比，導致能量消耗要遠大于S— MAC，但提供了更好網(wǎng)絡的傳輸性能。而且綜合來看，新協(xié)議能耗更小。
總結(jié)分析
本文分析了無線傳感器網(wǎng)絡MAC 層協(xié)議目前所存在的問題：S 一MAC 協(xié)議無法根據(jù) 網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流量自適應地改變占空比，進一步節(jié)省能耗；同時，也探討了基于此問題開發(fā) 的MAC 層協(xié)議存在的種種問題。在此基礎上，提出了根據(jù)節(jié)點間數(shù)據(jù)包重傳次數(shù)來判斷當 前網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量大小，即根據(jù)前5 個周期內(nèi)的加權(quán)平均重傳次數(shù)判斷當前的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量， 當平均值超出閾值，則應增加偵聽時間的占空比，反之，則減小偵聽時間的占空比，且為應 對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量突然增加的突發(fā)狀況，對節(jié)點偵聽時間的占空比進行擴增，從而應付網(wǎng)絡中 的大數(shù)據(jù)流量。通過仿真實驗，采用新協(xié)議的網(wǎng)絡性能得到了一定程度的改善，也驗證了設 計的算法的可行性。
本文作者創(chuàng)新點：對無線傳感器網(wǎng)絡的能量高效性做了有益的探索，詳細分析了以 S —MAC 為代表的Schedule 類協(xié)議原理和性能，在此基礎上探討了一種新的更節(jié)能的MAC 協(xié)議 的研究和設計，并在NS2 網(wǎng)絡上進行了仿真實驗驗證。
