一种无线传感网络节能MAC协议

２ｏ１１年３月　繁３期　电子｛葜Ｉ试　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＴＥＳＴ　Ｍａｒ．２ｏ１１　Ｎｏ．３　一种无线传感网络节能ＭＡＣ协议　唐健华　（南京邮电大学通信与信息工程学院江苏南京２１０００３）　摘要：在无线传感网络中，传感节点是能量受限的，因此能耗在这种网络显得十分重要，关系到整个网络的　生命周期与性能。而无线传感网络的ＭＡＣ协议对节点的节能有着重要的作用。本文在已有研究的基础上加　以改进形成一种更有效的感知流量信息进行节能的ＭＡＣ协议。该协议同ｓ—ＭＡＣ协议一样也是采用睡眠的机　制，但不同于Ｓ—ＭＡＣ的是该协议中监听与睡眠的持续周期不是固定不变的，而是根据网络中节点的流量信息　变化而变化的，这样可以减少监听周期，使节点有更多的时间处于睡眠的状态，实验访真的结果证明它具有　更有效的节能效果。　关键词：睡眠机制；信息流量；节能　中图分类号：ＴＰ３９３．０４　文献标识码：Ａ　Ｅｎｅｒｇｙ‘・＿。ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｔａｎｇ　Ｊｉａｎｈｕａ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｐｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｊｉｎｇｓｕ　２１０００３）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅ　ｉｓ　ｅｎｅｒｇｙ—ｌｉｍｉｔｅｄ，ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｉｓ　ｖｅｒｙ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｏ　ｌｉｆｅ—ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｉｎ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｉｃｉｆｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｐｏｓｅ　ａ　ｎｅｗ　ｔｒａｆｉｃ　ａｗａｒｅ　ｅｎｅｒｇｆｙ—ｅｆｉｃｉｅｎｔｆ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ　ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｄａｐｔｓ“Ｌｉｓｔｅｎ　ａｎｄ　Ｓｌｅｅｐ”ｓｔｒａｔｅｇｙ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　Ｓ－ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏ１Ｉｔ　ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ　ｔｈｅ　Ｓ－ＭＡＣ　．ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｄｕｒａｔｉｏｎｓ　ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｒａｆｉｃ　ｉｆｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｎｏｄｅ，ｔｈｕｓ，Ｉｔ　ｃａｎ　ｄｅｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｄｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｓｔｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓａｖｅ　ｍｏｒｅ　ｔｉｍｅ　ｆｏｒ　ｓｌｅｅｐｉｎｇ　ｄｕｒａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｎ　ｌｅｓｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｉｎ　ｅｖｅｒｙ　ｎｏｄｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌｉｓｔｅｎ／Ｓｌｅｅｐ　ｍｏｄｅ；Ｔｒａｆｉｃ　ａｗａｒｅ；ｅｎｅｒｆｙ　ｅｆｇｉｃｉｅｎｃｙ　ｆ０引言　无线传感网络包括多个能量有限的智能节点，无线　传感网络没有像通信基站一样的控制机构，网络节　点的节能效能直接影响无线传感网络的使用寿命，因此　在设计无线传感网络的ＭＡＣ协议时，重点关注的问题有：　能量感知　和节省；网络效率；可扩展性。对于无线传　感网络，能量的重要性以及由能源而引起的高失效性是　一个很值得关注的方面，这种网络需要一种有效的ＭＡＣ　协议　。在无线传感网络中，任何一个节点能量的耗尽　都将影响整个网络的性能，所以降低能耗成为了ＭＡＣ协　议设汁中的一个最主要的目标。因此在本文中，我们提　巴　设计与研发　出一种改进的有效节能的ＭＡＣ协议。　１　ＩＥＥＥ　８０２．１１　ＭＡＣ与Ｓ—ＭＡＣ协议　ＩＥＥＥ　８０２．１１　ＭＡＣ　ＤＣＦ源于ＣＳＭＡ／ＣＡ，使用４次　握手机制实分布式数据业务接入过程，采用ＲＴＳ／ＣＴＳ的　虚拟载波侦听机制和帧分割技术，它包括两个重要组成　部分：监听和退避机制，因业务类型不匹配，它并不太　适合无线传感网络。　在无线传感网络中，Ｓ－ＭＡＣ协议是一个典型的能　量节省协议Ⅲ。Ｓ－ＭＡＣ协议是一种随机接入，采用监　听与睡眠机制的协议，但这两点持续时间是固定的。在　Ｓ－ＭＡＣ协议中，它的时间帧分为两个部分，一个是监听　阶段，一个是睡眠阶段，如图ｌ，显示这种协议的睡眠机制。　’　．１——广１　．　■１—　．　（ａ）节点Ａ向Ｂ发数据　（ｂ）没有数据发送　图１　Ｓ—ＭＡＣ的基本机制　仅当节点处于监听周期时才可以与其它节点通信，　才能发送一些控制报文，如ＳＹＮＣ，ＲＴＳ，和ＣＴＳ，相　邻节点问的ＳＹＮＣ控制报文交换可以同步周围的节点，　ＲＴＳ／ＣＴＳ分组则负责节点之间的通信，在睡眠周期内，　当节点之间有数据传送时就唤醒节点进行数据包的传输，　没有数据时就让其处于睡眠状态。同样地，所有其它的　节点都按同样的睡眠机制来避免无效的监听　。　图１说明了Ｓ－ＭＡＣ协议基本的策略　，在图中，　假设有３个节点，节点Ａ竞争获得时隙发送它的ＳＹＮＣ　分组，在缓存队列中它向节点Ｂ发送数据流，节点Ａ再　获得发送ＲＴＳ分组机会（见图ｌ（ａ）），在节点Ｂ接收到　ＲＴＳ分组后，它向节点Ａ发送ＣＴＳ分组确认。　当这两点节点成功交换ＲＴＳ／ＣＴＳ分组后，这两节点　将进入睡眠时隙，而此时如果有数据要传送，则两节点　应该处于唤醒状态，用这段时隙来进行数据的传送，直　到下一个监听时隙。同时，所有其它没有数据通信的节　点将进入睡眠状态。　２Ｄ＂．３　虽然Ｓ－ＭＡＣ协议也能减少监听时间，由于它采用　固定时隙，因而它不是最优的。由此引发的问题是，当没　有节点有数据要发送的，在监听周期也没有相应的ＲＴＳ／　ＣＴＳ分组要发送，而此时，每一节点也将按机制进入监　听周期，这样将产生能量的浪费（如图ｌ（ｂ）），这主要是　由于Ｓ－ＭＡＣ协议没有考虑网络中实际的流量信息。这样　就促使我们去想出一种新的更有效节能的传感网ＭＡＣ协　议，当节点感知到在当前时间帧中没有数据流时，尽早　地让节点进入睡眠状态，从而节省能量。　２基于Ｓ—ＭＡＣ改进的ＭＡＣ协议　为了减少能量消耗，本文在已有的Ｓ－ＭＡＣ的基础　上主要做出两点修改：第一，当感知网络中没有数据要　发送的时候尽早让节点关闭射频模块，第二，即使有可　能存在数据流时也要单独ＲＴＳ控制分组的通信。在　Ｓ－ＭＡＣ协议中，没有考虑网络中数据通信有无的可能性，　这样在监听周期内，每个节点都要求处于激活状态　Ｊ。而　我们现在要做的是，利用每个节点的流量信息去避免节　点在整个监听周期都处于激活状态。　Ｓ－ＭＡＣ把每个监听周期分为了ＳＹＮＣ，ＲＴＳ，ＣＴＳ　分组间隔，这样监听将花费较长的时间。在同一平台测　试过，Ｓ－ＭＡＣ协议总的监听时间可达ｌｌ５ｍｓ，而相应的　此节能协议具有８３ｍｓ短的时间，它把监听周期只分为两　个部分：一部分是当节点有信息要传送时发送ＳＹＮＣ分　组的监听时隙，称之为ＳＹＮＣｄａｔａ，另一部分是当缓存里　没有可发送的数据时发送ＳＹＮＣ分组的监听时隙，可称　之为ＳＹＮＣｎｏｄａｔａ。这也就是说，这种协议每个节点根据　发送ＳＹＮＣ分组的不同区别不同的时隙。这种区分是基　于一个节点有没有数据要发送来决定的。可以这样，当　一个节点没有任何数据流的时候，它将延迟一段时间将　本段ＳＹＮＣ并入到二部分监听时隙，如ＳＹＮＣｎｏｄａｔａ周　期。这样的话，当缓存队列中没有可发送的消息时，在　ＳＹＮＣｄａｔａ周期将不会存在ＳＹＮＣ分组，如此，当节点在　ＳＹＮＣｎｏｄａｔａ周期内收到ＳＹＮＣ分组后就可让自己进入睡　眠状态，这样就可大大加长节点的睡眠时间。　对于没有数据通信的节点，甚至在一些有数据流以　致要在第一部分监听周期发送ＳＹＮＣ分组的节点中，且　２Ｄ１，．３　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　设这样的节点为节点ｘ，该协议可更进一步减少监听时　间。可以通过将ＲＴＳ放入ＳＹＮＣ分组包时来达到这样　的目的。假设节点ｘ获得信道权限在ＳＹＮＣｄａｔａ周期发　的第一监听周期广播它的ＳＹＮＣｒｔｓ控制包。假定这个包　成功广播出去，节点Ｂ将会检测包的地址信息并向节点　Ａ回复ＣＴＳ分组进行确认，同时其它结点可以获知该控　制分组不是发给自己的而让自己处于睡眠状态直到下一　达ＳＹＮＣ分组，节点ｘ也应假设有数据要发，同时根据　ＲＴＳ，ＳＹＮＣ分组的结构特点，所以，将ＲＴＳ和ＳＹＮＣ　分组包组合在一起是可行的。我们将ＳＹＮＣ和ＲＴＳ合　到一起的这样控制数据包称为ＳＹＮＣｒｔｓ分组，图２表示　ＳＹＮＣｒｔｓ的分组结构。　个监听周期。然后节点Ａ与节点Ｂ利用它们的睡眠周期　进行数据的传送。当它们发送完数据后就进入睡眠状态。　图３（ｂ）则说明了当没有数据流时的情况。　３性能计算　将ＩＥＥＥ８０２．１ｌ，Ｓ—ＭＡＣ和本文的协议在节能方面做　１ｔ＇１＂８ｐ￣ｋｅｔ　个比较。为了估计这３种不同协议的性能，我们利用无　线传感网的专门仿真工具并采用一个简单的拓扑结构图，　如图４所示。　ｌ　ＳＹＮＣ￣Ｎｃｋｅｔ　图２　ＳＹＮＣｒｔｓ分组结构　这种新的控制分组结构只是在原形ＳＹＮＣ结构上增　加了两个原来在ＲＴＳ中的域，接收的地址域ＴｏＡｄｄｒ和　网络分配矢量ＮＡＶ。　当在ＳＹＮＣｄａｔａ时隙尾收到ＳＹＮＣｒｔｓ包时，节点　不仅可以获得同步信息，而且还可知道数据接收者的地　址信息。因此，只需目的节点在收到ＳＹＮＣｒｔｓ包时传回　ＣＴＳ分组包进行行确认即可，而其它在ＳＹＮＣｎｏｄａｔａ周期　时就没必要唤醒起来收包了，它们就只需在很短的第一　部分监听周期保持激活状态就可以了。这样的话，这种　协议节能协议睡眠机制中的监听与睡眠周期就是可变可　适应流量变化的而不像Ｓ－ＭＡＣ那样是固定的。如图３所示。　图４简单两跳式网络拓扑示意图　这拓扑结构图是包含两个源节点两个目的节点的　二跳网络图。数据流从节点Ａ传到Ｓｉｎｋ２，从节点Ｂ到　Ｓｉｎｋｌ，两个数据流都经过中间节点ｃ。我们改变消息的　到达周期来测量在不同的流量负荷情况下所消耗的能量。　这本实验中，可以设定消息的发送间隔为ｌｓ到７ｓ，例　如，设消息的到达间隔为７ｓ，每７ｓ源节点发送２０个消息，　＆　－　懈　＇　ｌ　川＾　１　ｌ卜＿　１　当两个源节点都发送了２０个消息到每个Ｓｉｎｋ结点时我们　停止测试。这实验中我们分别使用３种不同的ＭＡＣ协议　测试它们的３个参数：源节点的睡眠时间比，源节点总　’　Ｉ　盯Ｓ　ＩＩ　＾ｃＫ　锄　１　‰Ｐ　的控制报文数量以及源节点的总能量消耗。经过实验访　真可以得到以下这些结果。　（ａ）节点Ａ向Ｂ发送数据　（ｂ）没有数据发送　７）　以下几个曲线图反应了实验的对比结果（见图５一图　图３改进节能协议的基本机制　在图３中，节点Ａ有数据发往节点Ｂ，节点Ａ在它　悬邑．－＿一鲁■霉鼻■百譬Ｅｌ－．　一　ｏ嗄∞卜ｏ．Ｓ上等∞要　＆叠５口　同样的睡眠机制。然而，该协议能有效利用节点的流量　暑Ｅ　罅雅Ｗ瞄∞ｊｌ∞婚姻＊辅　∞　晒∞∞卯　∞｛鼋∞　图５．源节点的睡眠时间比　图６如下，源节点总的控制报文数量　Ⅲ　１　２　３　４　５　６　７　图６．源节点总的控制报文数量　图７如下：源节点的总能量消耗　图７源节点的总能量消耗　从以上３幅实验对比图可以看出，无论是在节点的　休眠时间，源节点控制报文数量还是总的能量消耗方面，　该协议都具有更好的性能。　４总结　在本文中，我们为无线传感网改进了一种新的节能　ＭＡＣ协议。为了节省能耗，协议是基于Ｓ－ＭＡＣ协议　信息，使得睡眠和监听周期的持续时间随流量信息变化，　能达到更有效节能的目的。经过实验表明，该节能协议　比ＩＥＥＥ８０２．１　１和Ｓ－ＭＡＣ在节能方面有更大的优势。　参考文献　宋文．无线传感器网络技术与应用【Ｍ】．北京：电子　工业出版社，２００７．　Ｐ．Ｌｉｎ，Ｃ．Ｑｉａｏ．Ｍｅｄｉｕｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｗｉｔｈ　Ａ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｄｕｔｙ　Ｃｙｃｌｅ　Ｆｏｒ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ｉｎＷＣＮＣ，２００４（３）．　Ａ．Ｅ１－Ｈｏｉｙｄｉ．Ｊ．一Ｄ．Ｄｅｃｏｔｉｇｎｉｅ．Ｌｏｗ　Ｐｏｗｅｒ　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌｓ　ｆｏｒ　Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＷＳＮ［Ｃ］．Ｓｗｉｓｓ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｌｃｒｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．　Ｔ．Ｖ．Ｄａｍ　ａｎｄ　Ｋ．Ｌａｎｇｅｎｄｏｅｎ．Ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ—　ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｏｆｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］．　ｉｎ　ＡＣＭ　Ｓｅｎｓｙｓ，２００３．　Ｗ．Ｙｅ，Ｊ．Ｈｅｉｄｅｍａｎｎ，Ｄ．Ｅｓｔｒｉｎ．Ａｎ　ｅｎｅｒｇｙ—ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＭＡＣ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｏｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ＩＮＦ０Ｃ０Ｍ，２００２．　Ｍａｔｔｈｅｗ　Ｊ．Ｍｉｌｌｅｒ．Ａ　ＭＡＣ　Ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｔｏ　Ｒｅｄｕｃｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　Ｕｓｉｎｇ　ａ　Ｗａｋｅｕｐ　Ｒａｄｉｏ［Ｊ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ，２００４．　Ｇａｎｇ　Ｌｕ。Ｂｈａｓｋａｒ　Ｋｒｉｓｈｎａｍａｃｈａｒｉ．Ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｅｎｅｒｇｙ—　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　Ｉｏｗ－ｌａｔｅｒｃｙ　ＭＡＣ　ｆｏｒ　ｔｒｅｅ＝ｂａｓｅｄ　ｄａｔａ　ｇａｔｈｅｒｉｎｇ　ｉｎ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ【Ｃ］．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｏｕｔｈｅｒｎ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ　Ｕ．Ｓ．Ａ．２００７．　作者简介：　唐健华。硕士研究生，主要研究方向为　网络与应用技术。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｈａｚｉ＠１　６３．ｃｏｍ