無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能MAC協(xié)議的研究

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種特殊 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)，主要用于數(shù)據(jù)的 采集和傳輸，有著廣泛的應(yīng)用前景。由于傳感器節(jié)點(diǎn)一般由電池供電，且節(jié)點(diǎn)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(luò)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 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(jī)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(luò)中廣受關(guān)注的MAC 協(xié)議之一。本文將詳細(xì)分析以S—MAC 為代表的 Schedule 類協(xié)議原理和性能，并在此基礎(chǔ)上探討更節(jié)能的MAC 協(xié)議的研究和設(shè)計(jì)。

一 Schedule 類協(xié)議

1.1 S—MAC 協(xié)議

S—MAC(Schedules MAC)協(xié)議是基于時(shí)間調(diào)度協(xié)議的代表，它融合了幾乎所有的無線 網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能技術(shù)。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(yùn)行。另外它還融入了其它的節(jié)能技術(shù)，如沖突避免和串音避免， 還有消息傳遞以及自適應(yīng)偵聽機(jī)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(luò)應(yīng)用中，大多都 是小數(shù)據(jù)量應(yīng)用，即周期內(nèi)只有少量數(shù)據(jù)，而其它很長的時(shí)間內(nèi)都沒有數(shù)據(jù)。因此，S—MAC 協(xié)議通過讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入周期性睡眠模式來減少*時(shí)間。例如，如果每秒鐘讓節(jié)點(diǎn)休眠半秒， 而另半秒進(jìn)入空閑*，那么該節(jié)點(diǎn)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(jī)制是偵察→睡眠→偵察→睡眠，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)睡眠，然后在醒過來后立即進(jìn)入空閑*狀態(tài)來*信道;在睡眠時(shí)，節(jié)點(diǎn)關(guān)閉它的射頻，并 使用一個(gè)定時(shí)器來定時(shí)喚醒。*和睡眠的持續(xù)時(shí)間可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景來選擇。一般為 了同步方便，所有節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置相同的睡眠和喚醒時(shí)間。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過向鄰居廣播自己的調(diào) 度信息來實(shí)現(xiàn)鄰居節(jié)點(diǎn)間的調(diào)度信息的共享，同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要為鄰居維護(hù)一張調(diào)度表，里 面記錄了各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)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(gè)RTS 分組和—個(gè)CTS 分組。每次傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)片斷分組，發(fā)送者等待接收者送來的 ACK。每個(gè)數(shù)據(jù)片段和其ACK 都附帶有—個(gè)剩余時(shí)間域，其意義是告知鄰居節(jié)點(diǎn)還需占用 信道多長時(shí)間，即相當(dāng)于預(yù)約了信道整個(gè)消息發(fā)送所需要的時(shí)間。因此如果沒能夠接收到 ACK，節(jié)點(diǎn)可以擴(kuò)展傳輸時(shí)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(shí)候，剩余時(shí)間域就已經(jīng)為整個(gè)消息的發(fā)送預(yù)留了 占用信道的時(shí)間，而后的數(shù)據(jù)包和ACK 包中的時(shí)間隨著包的發(fā)送依次遞減。而重發(fā)工作圖 中顯示，當(dāng)發(fā)送方的一個(gè)片段包未收到ACK 時(shí)，它立刻重發(fā)且擴(kuò)展了剩余時(shí)間。由于每個(gè) 分組和ACK 都有剩余時(shí)間域，因此即使有節(jié)點(diǎn)提前醒來(由于重發(fā)耽誤了時(shí)間)，也可以得 到新的剩余時(shí)間，而再次進(jìn)入睡眠，等待發(fā)送結(jié)束。在每個(gè)數(shù)據(jù)片斷后使用ACK 的目的是 預(yù)防隱藏終端問題。在傳輸過程中，一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)醒來或新節(jié)點(diǎn)加入都是可能的。如果節(jié)點(diǎn) 只是接收者的鄰居而不是發(fā)送者的，它就不會(huì)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(diǎn)也許會(huì)錯(cuò)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(dǎo)致現(xiàn)有的傳輸將會(huì)在接收者處被損壞。