無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S_MAC協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)_圖文

1、第33卷第6期 2010年6月合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY收稿日期:2009 06 09基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60873003作者簡(jiǎn)介:樊高雁(1981-,男,安徽合肥人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生;張維勇(1949-,男,江蘇蘇州人,合肥工業(yè)大學(xué)教授,碩士生導(dǎo)師.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S M AC 協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)樊高雁, 張維勇, 馬學(xué)森, 程 敏(合肥工業(yè)大學(xué)安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心,安徽合肥 230009摘 要:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S M AC 協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)之間的同步偵聽(tīng)與

2、睡眠機(jī)制使得不需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)過(guò)早醒來(lái),參與到偵聽(tīng)信道的活動(dòng)當(dāng)中,增加了節(jié)點(diǎn)能量的消耗。文章針對(duì)這一問(wèn)題,提出了一種改進(jìn)方案;通過(guò)同步RT S 發(fā)送的機(jī)制,有效地減少了節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)時(shí)間,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量的消耗;并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了該方案的有效性。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);S M A C 協(xié)議;低能耗中圖分類號(hào):T P393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1003 5060(201006 0832 05Energy saving improvement of S MAC protocol for wireless sensor netw orkFAN Gao y an, ZH ANG Wei

3、y ong , MA Xue sen, CH ENG M in(Engineering Resear ch C enter of Safety Critical Indus trial M easu rement and Control Techn ology of M inistry of E ducation ,H efei Univer s ity of T echnolgy,Hefei 230009,Chin aAbstract:The coordinated listening and sleeping m echanism of the S M AC pro to col in w

4、 ireless senso r netw ork forces the nodes w hich hav e no need to send and receive data to w ake up ear ly and listen to the channel,w hich leads to ex tra energy consumption.This paper puts forw ard an improved S M AC pro to col to solv e this pro blem.T hro ug h the coordinated transmission of RT

5、S,the time of idle listen ing is saved and the energ y co nsum ption is reduced.The simulation results sho w that this im prov ed scheme is effective.Key words:wireless sensor netw o rk;S M AC protocol;low energy consumption0 引 言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)1就是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)體系。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛應(yīng)用

6、于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理及智能家居等各領(lǐng)域2。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC 層協(xié)議決定了無(wú)線信道的使用方式,根據(jù)研究表明,傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量絕大部分消耗在節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信上3。一般認(rèn)為,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗性能是其最主要的性能指標(biāo)之一4。因此,設(shè)計(jì)出高效的MA C 協(xié)議,使它能夠合理地在傳感器節(jié)點(diǎn)間分配信道,對(duì)降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命十分重要。1 S M A C 協(xié)議的分析和改進(jìn)(1S MA C 協(xié)議的分析。S MAC (Senso r MAC協(xié)議是在802 11MAC 協(xié)議5的基礎(chǔ)上,針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能量的需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)M AC 協(xié)議。研究表明,空閑偵聽(tīng)大約消耗節(jié)點(diǎn)通信能量

7、的1/36。為了達(dá)到節(jié)省能量損耗的目的,S MAC 主要采用了周期性的偵聽(tīng)和睡眠機(jī)制7,這個(gè)機(jī)制中,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)并不是始終處于偵聽(tīng)狀態(tài),而是周期性地睡眠一段時(shí)間,然后醒來(lái)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài),在活動(dòng)狀態(tài)中,如果節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù),則應(yīng)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)信道的接入。反之,則對(duì)信道進(jìn)行空閑偵聽(tīng),以判斷其自身是否參與到相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中。若節(jié)點(diǎn)不參與到通信的過(guò)程中,則當(dāng)其活動(dòng)狀態(tài)結(jié)束后,該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。S MA C 協(xié)議存在以下主要問(wèn)題:S M AC 協(xié)議中同一個(gè)虛擬簇中的所有節(jié)點(diǎn)要同時(shí)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài),如果其中的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,該節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始了對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)。若節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道成功,則進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)

8、送。而那些無(wú)數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點(diǎn),雖然其本身不需要利用信道,但由于該節(jié)點(diǎn)無(wú)法預(yù)測(cè)何時(shí)自身會(huì)成為數(shù)據(jù)的接收方,所以造成它在活動(dòng)狀態(tài)下必須始終保持對(duì)信道的監(jiān)聽(tīng)。這樣會(huì)使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不是太大時(shí),不需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在活動(dòng)的大部分時(shí)間里都是處于對(duì)信道的空閑監(jiān)聽(tīng)中,正是由于大量的節(jié)點(diǎn)往往都處于這種狀態(tài),增加了節(jié)點(diǎn)的不必要的能量消耗,影響了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。(2S M AC 協(xié)議的改進(jìn)。在S M AC 中,同一個(gè)虛擬簇中的所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài),如圖1 所示。圖1 S M AC 節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)在S M AC 協(xié)議中,偵聽(tīng)狀態(tài)被分為2個(gè)部分: 同步包(SYNC packet的發(fā)送與接收,由于協(xié)議中節(jié)點(diǎn)需要達(dá)到一

9、定的時(shí)間同步,因此采用同步包,可以消除時(shí)鐘漂移帶來(lái)的同步影響。 應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸。這2個(gè)部分都有一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)窗口,競(jìng)爭(zhēng)窗口包含許多用于載波偵聽(tīng)的時(shí)隙。如某節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)SYN C 分組,那么該節(jié)點(diǎn)在同步包傳輸時(shí)刻到來(lái)后,隨機(jī)選擇一段時(shí)間完成載波偵聽(tīng)。若在該段時(shí)間結(jié)束時(shí)沒(méi)有偵聽(tīng)到信道中有數(shù)據(jù)傳輸,則該節(jié)點(diǎn)贏得信道競(jìng)爭(zhēng),立即開(kāi)始發(fā)送其同步包。數(shù)據(jù)分組的發(fā)送,也存在這樣一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)窗口,然后才是請(qǐng)求幀的發(fā)送。不同的是在數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中,發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)在數(shù)據(jù)發(fā)送后不久收到一個(gè)來(lái)自接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的清除幀。在接 收方與發(fā)送方成功交換這2種幀之后,其它不參與到此次數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入睡眠狀態(tài),如果不采用自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制,

10、這些節(jié)點(diǎn)只有等到下一幀聽(tīng)間隔到來(lái)后才會(huì)再次醒來(lái)。而參與傳輸?shù)碾p方節(jié)點(diǎn)在此之后將開(kāi)始真正意義上的數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)過(guò)程一般會(huì)持續(xù)一段時(shí)間,如果在此次偵聽(tīng)間隔到時(shí)之后數(shù)據(jù)的傳輸還沒(méi)有結(jié)束,發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)將不會(huì)根據(jù)它們自身的調(diào)度安排進(jìn)入睡眠狀態(tài),而是繼續(xù)此次數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收,直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。通過(guò)上述過(guò)程的描述,可以看出無(wú)論對(duì)于同步包,還是普通數(shù)據(jù)包,在它們發(fā)送前都有一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)窗口,而正是這段競(jìng)爭(zhēng)窗口時(shí)間內(nèi)所有沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)將處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài),能量的浪費(fèi)由此而產(chǎn)生。改進(jìn)協(xié)議正是針對(duì)這一點(diǎn),對(duì)S MA C 進(jìn)行能耗的優(yōu)化改進(jìn),以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的目的。改進(jìn)后的傳輸過(guò)程,如圖2所示。圖2 改進(jìn)后

11、節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)在改進(jìn)的協(xié)議中,無(wú)論是同步包,還是普通數(shù)據(jù)包,其傳輸過(guò)程都將被進(jìn)一步劃分為2個(gè)部分:信道競(jìng)爭(zhēng)期和數(shù)據(jù)收發(fā)期。本文以普通數(shù)據(jù)包的傳輸為例說(shuō)明數(shù)據(jù)收發(fā)的過(guò)程,此時(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送的第2個(gè)階段,即普通數(shù)據(jù)發(fā)送階段。將這個(gè)階段的開(kāi)始一段時(shí)間稱為信道競(jìng)爭(zhēng)期,在此階段那些無(wú)數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行空閑偵聽(tīng),而是進(jìn)入睡眠狀態(tài),從而節(jié)省了能量的消耗。只有那些需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)才處于活動(dòng)狀態(tài),參與到信道的競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中。這時(shí)所有此類節(jié)點(diǎn)均選擇一個(gè)隨機(jī)的載波偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng),如某一節(jié)點(diǎn)在其自身的隨機(jī)的載波偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未偵聽(tīng)到信道上有數(shù)據(jù)傳輸,則該節(jié)點(diǎn)獲得信道。這時(shí)此節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送td 長(zhǎng)度的DS 干擾包,DS 干擾包

12、不含有任何有效數(shù)據(jù),只是用來(lái)通知其它競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn),信道已被占用,停止競(jìng)爭(zhēng)。其它節(jié)點(diǎn)在收到DS 干擾包后就退出競(jìng)爭(zhēng),進(jìn)入睡眠狀態(tài),在發(fā)送完DS 后競(jìng)爭(zhēng)833第6期樊高雁,等:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S M AC 協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)到信道的節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入睡眠狀態(tài)。所有節(jié)點(diǎn)在睡眠一定時(shí)間后,將同時(shí)醒來(lái),此時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)期。獲得信道的節(jié)點(diǎn)立即發(fā)送RT S 包,而其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)入偵聽(tīng)狀態(tài),接收RT S 包。由于此時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)是立刻進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的,因而,這個(gè)接收階段的時(shí)長(zhǎng)相對(duì)于未改進(jìn)的RT S 包接收階段的時(shí)長(zhǎng)要小很多,從而使得節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)時(shí)間相對(duì)得到了縮短,節(jié)省了能量消耗。在此之后的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程與S M AC 協(xié)議類似,發(fā)

13、送節(jié)點(diǎn)將偵聽(tīng)到接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的CT S 幀,參與傳輸?shù)碾p方節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)串聽(tīng)到RT S 、CT S 幀,而進(jìn)入睡眠,發(fā)送方和接收方進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。2 改進(jìn)協(xié)議的性能分析(1時(shí)延分析。首先考察經(jīng)典的S MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)包的時(shí)延,對(duì)于一般的基于競(jìng)爭(zhēng)的M AC 協(xié)議,從源節(jié)點(diǎn)到下一跳包的傳輸過(guò)程要受到6種時(shí)延的影響8,分別是:載波偵聽(tīng)時(shí)延、退避窗口時(shí)延、傳輸時(shí)延、傳播時(shí)延、處理時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。而S M AC 協(xié)議,由于采用了周期性的睡眠機(jī)制,因而又引入一種新的時(shí)延,稱為睡眠時(shí)延。本文分析在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載極輕的情況下數(shù)據(jù)包的延時(shí),首先因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)負(fù)載極輕,可以假設(shè)此時(shí)只有一個(gè)數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳輸,因此就不會(huì)產(chǎn)生退避

14、窗口時(shí)延與排隊(duì)時(shí)延。由于傳播時(shí)延和處理時(shí)延很小,可以進(jìn)一步假設(shè)這2種時(shí)延忽略不計(jì),只需考慮載波偵聽(tīng)時(shí)延、傳輸時(shí)延和睡眠時(shí)延。假設(shè)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)n 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳,每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳的載波偵聽(tīng)時(shí)延是隨機(jī)的,記第n 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳的載波偵聽(tīng)時(shí)延為t CS ,n ,數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延為t tx ,由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延取決與數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度,而在一次傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度不變,故t tx 固定。此外,記第n 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳的休眠時(shí)延為t S,n ,同步包的傳輸時(shí)間為t SY N ,一個(gè)完整的幀長(zhǎng)度為T f 。數(shù)據(jù)包在第n 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳時(shí)所經(jīng)歷的整個(gè)延時(shí)情況,如圖3 所示。圖3 S M AC 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延由圖4可知,第n 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳的

15、時(shí)延即為:D n =t S ,n +t SYN +t CS ,n +t tx (1在沒(méi)有自適應(yīng)偵聽(tīng)的S MA C 協(xié)議中,接收節(jié)點(diǎn)要將自己接收到的數(shù)據(jù)傳送給下一跳節(jié)點(diǎn),它必須等待下一個(gè)偵聽(tīng)間隔的到來(lái),根據(jù)這一過(guò)程可得:T f =t SY N +t CS ,n 1+t tx +t S ,n(2綜合(1式和(2式,可得第n 個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳的時(shí)延為:D n =T f +t CS ,n -t CS ,n -1(3需要注意的是第1個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳是特殊的,這是因?yàn)樵垂?jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)分組。所以第1個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)跳的休眠時(shí)延t S,1是一個(gè)隨機(jī)變量,其值位于(0,T f 之間。因此,根據(jù)(3式可以得出一個(gè)分組經(jīng)過(guò)n 個(gè)

16、轉(zhuǎn)發(fā)跳后的總的時(shí)延為:D(N =D 1+!Nn=2Dn=t S,1+t SYN +t CS ,1+t tx +!Nn =2(Tf+t CS ,n -t CS ,n -1=t S,1+t SY N +(N -1T f +t CS ,n +t tx(4在改進(jìn)的協(xié)議中,記同步包的傳輸時(shí)長(zhǎng)為t SYN ,而應(yīng)用數(shù)據(jù)包的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)長(zhǎng)為t CSDA TA ,則改進(jìn)后的數(shù)據(jù)在一次轉(zhuǎn)發(fā)跳中所經(jīng)歷的時(shí)延為:D n =t S ,n +t SYN +t CSDATA +t tx(5 改進(jìn)后的幀長(zhǎng)度為:T f =t SY N +t CSDA TA +t tx +t S,n (6綜合(5式和(6式,可知應(yīng)用數(shù)據(jù)包在經(jīng)過(guò)n

17、跳之后總的時(shí)延為:D (n=D 1+!Nn=2Dn=t S ,1+t SYN +t CSDA TA +t tx +(n-1T f(7 (7式減(4式可得2種協(xié)議下的時(shí)延之差: t =t SYN -t SYN +t CSDATA -t CS ,n(8進(jìn)一步分析(8式右邊的各個(gè)組成項(xiàng)。其中,t SYN 由2個(gè)時(shí)間段組成,第1個(gè)時(shí)間段是同步包的競(jìng)爭(zhēng)期,記為t CSSYN ;第2個(gè)時(shí)間段是同步包的發(fā)送時(shí)間,記為t TxSYN 。同時(shí)在S M AC 協(xié)議中,同步包的發(fā)送也分為2個(gè)部分,其中的同步包發(fā)送時(shí)間和改進(jìn)協(xié)議相等,同為t TxSYN ,而另一部分是同步包的載波偵聽(tīng)時(shí)間,記為t CS 。因此可得:t

18、 =t CSSYN -t CS +t CSDAT A -t CS ,n(9(9式中,t CS 和t CS,n 均為一隨機(jī)數(shù),此數(shù)的產(chǎn)生公式為t =rando m (#aslottim e 。其中,r andom (是在競(jìng)爭(zhēng)窗口0,C W內(nèi)均勻分布的偽隨機(jī)數(shù),CW 是一個(gè)整數(shù)隨機(jī)數(shù),其值處于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CW min 和CW max 之間;aslottime 是一個(gè)時(shí)間槽834合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第33卷的時(shí)間。在改進(jìn)協(xié)議中,t CSSY N 和t CSDA TA 的理論最小值應(yīng)為t CS 和t CS,n 所能取到的最大值。綜上所述,可知改進(jìn)后的一個(gè)n 跳數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)延比S M AC 協(xié)議

19、傳輸?shù)臅r(shí)延所多出的平均時(shí)間長(zhǎng)度為:E =12CW max shn #aslottime +12CW max data #aslottome (10根據(jù)(10式可知,改進(jìn)后協(xié)議雖然在S M AC協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了一定量的延時(shí),但該延時(shí)十分有限,并沒(méi)有影響到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)時(shí)性。(2能量分析。在S M AC 協(xié)議中,在活動(dòng)狀態(tài)期間總是存在許多沒(méi)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點(diǎn),故稱為空閑節(jié)點(diǎn)。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不是特別重的時(shí)候,這樣的空閑節(jié)點(diǎn)更多。而這些節(jié)點(diǎn)也要參與到信道的偵聽(tīng)當(dāng)中,使得空閑偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。特別是在對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)可能發(fā)送的RT S 偵聽(tīng)中消耗了大量的能量。為簡(jiǎn)化問(wèn)題,假設(shè)一個(gè)偵聽(tīng)時(shí)間間隔內(nèi)共有n 個(gè)這樣空閑

20、節(jié)點(diǎn)。本文記節(jié)點(diǎn)的能量消耗為P ,節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)功率為p 1,這些空閑節(jié)點(diǎn)在一次偵聽(tīng)間隔內(nèi)共偵聽(tīng)了3個(gè)部分的數(shù)據(jù)傳輸:對(duì)同步包的偵聽(tīng)、對(duì)RT S 幀的偵聽(tīng)以及對(duì)CT S 幀的偵聽(tīng),其偵聽(tīng)時(shí)長(zhǎng)分別記為t SYN 、t RTS 和t TxCTS 。進(jìn)一步分析t SYN 和t RTS ,可以發(fā)現(xiàn)t SYN 由2部分組成:同步包發(fā)送前的競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間段,其長(zhǎng)度記為t CSSYN ;同步包的發(fā)送時(shí)間段,其長(zhǎng)度記為t TxSYN 。與之類似,RT S 幀的發(fā)送也分為信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間段t CSDATA 和RTS 發(fā)送時(shí)間段t TxRTS 。因此,可以計(jì)算出在S M AC 協(xié)議中,在一個(gè)偵聽(tīng)間隔內(nèi)這些空閑節(jié)點(diǎn)總共消耗的

21、能量為:P =np 1(t CSSYN +t T xSYN +t CSDATA +t T xRTS +t T xCTS (11而在改進(jìn)的協(xié)議中,根據(jù)改進(jìn)方案,這些空閑節(jié)點(diǎn)是不進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送前的信道狀態(tài)偵聽(tīng)的,因此這些節(jié)點(diǎn)的總的能量消耗為:P =np 1(t TxSY N +t TxRTS +t TxCT S (12用(11式減去(12式,可以計(jì)算出協(xié)議改進(jìn)后在一次偵聽(tīng)間隔內(nèi)的所有空閑節(jié)點(diǎn)總共節(jié)約的能量,即p =np 1(t CSSY N +t CS D A TA (13由(13式可以看出,節(jié)省能量的多少與空閑節(jié)點(diǎn)的數(shù)量有緊密聯(lián)系。也就是說(shuō)越是在網(wǎng)絡(luò)中 空閑節(jié)點(diǎn)多的情況下,即網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越輕的時(shí)候,節(jié)

22、點(diǎn)所節(jié)省下的能量也就越多。這對(duì)于數(shù)據(jù)流量不大,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言是十分有益的。3 仿真分析利用NS2對(duì)改進(jìn)前后的協(xié)議在能量消耗和傳輸延時(shí)2個(gè)方面進(jìn)行仿真比較。其中,能量消耗是指從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一定數(shù)量的包到目的節(jié)點(diǎn)所消耗的總能量;延遲定義為傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包的每一跳時(shí)延。仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)選擇,見(jiàn)表1所列。協(xié)議的能耗仿真和延時(shí)比較,如圖4所示。表1 仿真參數(shù)的選擇仿真參數(shù)參數(shù)值發(fā)送功率/mW 接收功率/mW 空閑監(jiān)聽(tīng)功率/mW 睡眠功率/mW 數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度/Byte 控制包長(zhǎng)度/Byte251413 5010010(a 能耗仿真 (b 延時(shí)仿真圖4 協(xié)議的能耗仿真和延時(shí)比較從圖4a 可以看出,

23、原S M AC 協(xié)議中隨著數(shù)據(jù)包的不斷增多,消耗的能量呈線性快速上升趨勢(shì)。而改進(jìn)后的S MA C 協(xié)議能量消耗有明顯降低,但由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的不斷加重,空閑節(jié)點(diǎn)逐漸變少,改進(jìn)算法的效率逐漸降低,能量消耗將逐漸接近S M AC 協(xié)議。為了比較2種協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能上的不同表現(xiàn),在試驗(yàn)中采用了10跳線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)測(cè)試端到端的數(shù)據(jù)時(shí)延,源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生20條消息,每條消息100B 。數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很輕,即不產(chǎn)生退避窗口時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延。2種MAC 協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,如圖4b 所示。從圖4b 可以看出,2條時(shí)延線基本重合。這是因?yàn)殡m然在改進(jìn)協(xié)議中數(shù)據(jù)的發(fā)送推遲了時(shí)長(zhǎng),但是該時(shí)長(zhǎng)與在S M AC 中引入的

24、睡眠時(shí)間相比是很小的,因此在改進(jìn)協(xié)議中在下一跳中的(下轉(zhuǎn)第840頁(yè)835第6期樊高雁,等:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S M AC 協(xié)議的節(jié)能改進(jìn)參 考 文 獻(xiàn)1 S teven s W R.T CP/IP詳解,卷1:協(xié)議M.范建華,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:256-288.2 Puz man ovz R.路由與交換M.黃永峰,周 可,譯.北京:人民郵電出版社,2004:509-580.3 Ferreira A,Galtier J,Penn a P.T opological design,rou tin gand handover in satellite netw orks of handboo

25、k of w ireless n etw orks an d mobile computingM.New York:John Wi ley and Sons Inc,2002:473-507.4 Wood L.Intern et w ork ing w ith satellite constellationsD.Guildford:University of Surrey,2001.5 W alker J G.Satellite constellation sJ.J ou rnal of theBritis h Interplanetary S ociety,1984,37(12:559-57

26、2. 6 Re E D,Pierucci L.Next generation mobile satellite netw orksJ.IEEE Communication M agazine,2002,40(9: 150-159.7 W erner M,Delu cchi C,Vogel H.AT M based routing inLE O/M E O satellite netw orks w ith intersatellite link sJ.IEE E J ou rnal on Selected Areas in C om munications,1997, 15(1:69-82.8

27、 C han g S,Kim W.FSA bas ed lin k assignm ent and routing inlow earth orbit satellite netw ork sJ.IEEE Trans actions on Vehicular T ech nology,1998,47(3:1037-1048.9 Goun der V,Prakash R.Routing in L EO based satellite netw orksC/Proceedings of IEEE Emerging T ech nologies S ymposium on Wireless Comm

28、unications and S ystems, Rich ards on,1999:91-96.10 H ashim oto Y.Design of IP b as ed routing in a LE O satellite netw or kC/Proceedings of th e3rd InternationalW orksh op on Satellite Based Information S ervices,Dallas,1998:81-88.11 E kici E,Akyildiz F,Ben der D.A distributed routing algorithm for

29、 datagram traffic in LEO satellite n etw orksJ.IEEE/ACM T ransactions on Netw or king,2001,9(2:137-147.(責(zé)任編輯 張秋娟(上接第835頁(yè)睡眠時(shí)長(zhǎng)縮短了這一時(shí)間,使得引入的時(shí)延并不會(huì)帶入到下一跳中,因此,在嚴(yán)格意義上,改進(jìn)協(xié)議只是在第1跳與最后1跳中數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延略高于S M AC協(xié)議,且這段時(shí)間十分有限,對(duì)于絕大多數(shù)應(yīng)用而言可以忽略不計(jì)。綜上所述,改進(jìn)后的算法能夠在正常的網(wǎng)絡(luò)延遲情況下,進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。4 結(jié)束語(yǔ)本文分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)S M AC協(xié)議,針對(duì)其節(jié)點(diǎn)對(duì)信道空閑偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),增加了空閑節(jié)點(diǎn)額外的能量消耗問(wèn)題,提出了改進(jìn)方法,使得在不增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的條件下,無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)可以最大限度地降低對(duì)信道的空閑偵聽(tīng)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),表明該方法具有較高的能量效率,可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。參 考 文 獻(xiàn)1 A kyildiz I F,