無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)能MAC協(xié)議的研究

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(guān)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(chǔ)上探討更節(jié)能的MAC 協(xié)議的研究和設(shè)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(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(guān)閉它的射頻，并 使用一個定時器來定時喚醒。*和睡眠的持續(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(shè)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。