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

1.2 S—MAC 協(xié)議的缺點(diǎn)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(diǎn)，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(hù)將消耗掉節(jié)點(diǎn)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(dá)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(yīng)偵聽并不能有效解決)，最后， 邊界節(jié)點(diǎn)的消耗能量要比普通節(jié)點(diǎn)大的多，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)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(luò)負(fù)載自適應(yīng)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(chǔ)上，該協(xié)議設(shè)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(jìn)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(diǎn)可以提前結(jié)束偵聽時間進(jìn)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(dá)到較好的功耗控制，且比 較容易融合各種功耗控制的相關(guān)技術(shù)，但相應(yīng)的設(shè)計和實現(xiàn)卻更加的復(fù)雜，如網(wǎng)絡(luò)啟動時如 何實現(xiàn)同步，怎樣維護(hù)同步以及新節(jié)點(diǎn)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(hù)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(shè)計

2.1 節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)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(luò)中節(jié)點(diǎn)能量浪費(fèi)的幾方面原因: (l)競爭信道消耗。節(jié)點(diǎn)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(diǎn) 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(diǎn)必須重傳數(shù) 據(jù)，這也就造成了節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)。

(2)串音現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)接收處理冗余數(shù)據(jù)(大量相同或近似數(shù)據(jù))導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。

(3)過度的空閑偵聽。節(jié)點(diǎn)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(zhǔn)備接收可能傳輸給自己的數(shù)據(jù)。而根據(jù)文獻(xiàn)[4]處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)也要消耗大量 的能量。

(4)控制信息開銷。節(jié)點(diǎn)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(shè)計:自適應(yīng)調(diào)整占空比MAC 協(xié)議

2.1.1 設(shè)計思路

文獻(xiàn)[5]也提出了一種ADC-MAC 協(xié)議，其工作原理是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載即數(shù)據(jù)流量的大 小，來改變節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)下的時間。其優(yōu)點(diǎn)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(yīng)時延。

新協(xié)議是在S—MAC 協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)量的大小來調(diào)節(jié)*時間。可是直接判斷 業(yè)務(wù)流量的大小有一定的困難，我們考量S-MAC 協(xié)議設(shè)定的重傳數(shù)值這一參數(shù)。設(shè)定當(dāng)重傳 次數(shù)為5 時，業(yè)務(wù)流量大小記錄為Ts，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量>Ts 時，DC=20%。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量Ts: DC=30%。同樣的理由， 當(dāng)連續(xù)5 個周期網(wǎng)絡(luò)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?、離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器NS-2 對改進(jìn)的S-MAC 協(xié)議進(jìn)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(yīng)調(diào)整占空 比的新MAC 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)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(diǎn)總的收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與源節(jié)點(diǎn)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(guān)參數(shù)設(shè)置如下:無線設(shè)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(shè)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(shè)為20ms。