S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議的比較

1、S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議的比較摘要：媒體訪問(wèn)控制協(xié)議是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不相同的是，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首要考慮的因素就是節(jié)省能量。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，本文中將現(xiàn)有的MAC協(xié)議中S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議進(jìn)行了比較和分析。關(guān)鍵字：S-MAC協(xié)議；T-MAC協(xié)議；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ABSTRACT:MACprotocolisoneofthekeytoensureefficientnetworkprotocolsforwirelesssensornetworksf

2、orcommunication,suchastheperformanceofthesensornetworkthroughput,delayperformancedependsentirelyontheMACprotocolused.MACprotocolwiththetraditionalnetworkisnotthesamefactorsMACprotocolforwirelesssensornetworkstheprimaryconsiderationistosaveenergy.Fortherequirementsofthewirelesssensornetwork,inthispap

3、er,theexistingMACprotocolsS-MACprotocolandT-MACprotocolwerecomparedandanalyzed.KEYWORDS:S-MACprotocol;T-MACprotocol;wirelesssensornetworks;1引言媒體訪問(wèn)控制協(xié)議簡(jiǎn)稱(chēng)MAC協(xié)議，處于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，以解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)以怎樣的規(guī)則共享媒體才能保證滿意的網(wǎng)絡(luò)性能問(wèn)題。對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響，是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如吞吐量、延遲性能等完全取決于所采用的MAC協(xié)議。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議首要考

4、慮的因素就是節(jié)省能量。這意味著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要提出新的適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和MAC協(xié)議無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork,WSN)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的無(wú)線通信方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。其顯著特點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)能量和硬件資源有限、數(shù)量多、無(wú)中心自組織、分布密集、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)，其中能耗問(wèn)題是WSN中至關(guān)重要的問(wèn)題。介質(zhì)訪問(wèn)控制(mediumaccesscontrol,MAC)協(xié)議，就是通過(guò)一組規(guī)則和過(guò)程來(lái)更有效、有序和公平地使用共享介質(zhì)。MAC協(xié)議的基本作用是避免點(diǎn)到點(diǎn)通信時(shí)沖

5、突的發(fā)生。它必須實(shí)現(xiàn)兩大基本功能目標(biāo)：在密集散布的傳感器現(xiàn)場(chǎng)能夠有助于建立起一個(gè)基本網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所需的數(shù)據(jù)通信鏈路；協(xié)調(diào)共享介質(zhì)的訪問(wèn)，以便傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠公平有效地分享通信資源。MAC協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中決定無(wú)線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無(wú)線通信資源，用來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3。它處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有較大的影響，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。3 S-MAC協(xié)議S-MAC(Self-organizingMAC)協(xié)議3是在802.11MAC協(xié)議基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議oS-MAC協(xié)議采用以下機(jī)制：周期性

6、偵聽(tīng)/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來(lái)降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗。鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬簇，減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)時(shí)間。通過(guò)流量自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲。采用帶內(nèi)信令來(lái)減少重傳和避免監(jiān)聽(tīng)不必要的數(shù)據(jù)。通過(guò)消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少控制消息的開(kāi)銷(xiāo)和消息的傳輸延遲4°S-MAC協(xié)議減少了空閑偵聽(tīng)所消耗的能源，但是不足之處在于：節(jié)點(diǎn)的工作循環(huán)周期在協(xié)議開(kāi)始工作時(shí)就已確定下來(lái)，不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量的變化來(lái)進(jìn)行調(diào)整。4 T-MAC協(xié)議T-MAC(TimeoutMAC)協(xié)議4是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。S-MAC協(xié)議通過(guò)采用周期性偵聽(tīng)

7、/睡眠工作方式來(lái)減少空閑偵聽(tīng)，周期長(zhǎng)度是固定不變的,節(jié)點(diǎn)的偵聽(tīng)活動(dòng)時(shí)間也是固定的。而周期長(zhǎng)度受限于延遲要求和緩存大小，活動(dòng)時(shí)間主要依賴(lài)于消息速率。這樣就存在一個(gè)問(wèn)題:延遲要求和緩存大小是固定的，而消息速率通常是變化的。如果要保證可靠及時(shí)的消息傳輸，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高通信負(fù)載。當(dāng)負(fù)載動(dòng)態(tài)較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽(tīng)的時(shí)間相對(duì)增加。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，T-MAC協(xié)議在保持周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)地調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽(tīng)時(shí)間。T-MAC協(xié)議相對(duì)S-MAC協(xié)議減少了處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過(guò)程，節(jié)

8、點(diǎn)周期性喚醒進(jìn)行偵聽(tīng)，如果在一個(gè)經(jīng)定時(shí)間TA內(nèi)沒(méi)有發(fā)生下面任何一個(gè)激活事件，則活動(dòng)結(jié)束：周期時(shí)間定時(shí)器溢出；在無(wú)線信道上收到數(shù)據(jù);通過(guò)接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI感知存在無(wú)線通信;通過(guò)偵聽(tīng)RTS/CTS分組，確認(rèn)鄰居的數(shù)據(jù)交換已經(jīng)結(jié)束。T-MAC協(xié)議根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信情況，通過(guò)提前結(jié)束活動(dòng)周期來(lái)減少空閑偵聽(tīng)，但帶來(lái)了早睡問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，提出了未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送和滿緩沖區(qū)優(yōu)先兩種方法。5 S-MAC協(xié)議和T-MAC協(xié)議在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中針對(duì)節(jié)能考慮SMAC(sensorMAC)協(xié)議采用以下機(jī)制：第一，周期性偵聽(tīng)/睡眠的低占空比工作方式，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來(lái)降低節(jié)點(diǎn)能量的消耗：每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立

9、地調(diào)度它的工作狀態(tài)，周期性地轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，在蘇醒后偵聽(tīng)信道狀態(tài)，判斷是否要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。該機(jī)制由于采用周期睡眠會(huì)帶來(lái)一定的通信延遲，所以為了便于相互通信，相鄰節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量維持睡眠/偵聽(tīng)調(diào)度周期的同步；此外該機(jī)制會(huì)占用大量存儲(chǔ)空間緩存數(shù)據(jù)，這在資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中顯得十分突出，給出了SMAC協(xié)議周期性偵聽(tīng)和睡眠。第二，采用帶內(nèi)信令來(lái)減少重傳和避免監(jiān)聽(tīng)不必要的數(shù)據(jù)(即串音避免)：幾乎每個(gè)節(jié)點(diǎn)都經(jīng)歷RTS/CTS/DATA/ACK通信過(guò)程，在傳輸?shù)拿總€(gè)分組中，都有一個(gè)域值表示剩余通信過(guò)程需要持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)度。源、目的節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)在偵聽(tīng)到分組時(shí)，記錄這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度值，同時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。通信過(guò)程記錄

10、的剩余時(shí)間會(huì)隨著時(shí)間不斷減少，當(dāng)剩余時(shí)間減至零時(shí)，若節(jié)點(diǎn)仍處于偵聽(tīng)周期，就會(huì)被喚醒；否則，節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)直到下一個(gè)調(diào)度的偵聽(tīng)周期。每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都要先進(jìn)行載波偵聽(tīng)。只有虛擬或物理載波偵聽(tīng)表示無(wú)線信道空閑時(shí)，才可以競(jìng)爭(zhēng)通信過(guò)程。第三，鄰居節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)商的一致性睡眠調(diào)度機(jī)制形成虛擬族，具有相同調(diào)度的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)虛擬族，邊界節(jié)點(diǎn)記錄兩個(gè)或多個(gè)調(diào)度，以減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)時(shí)間，從而減少能耗。第四，通過(guò)流量自適應(yīng)的偵聽(tīng)機(jī)制，減少消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸延遲：傳感器節(jié)點(diǎn)在與相鄰節(jié)點(diǎn)通信完后并不立即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而是繼續(xù)偵聽(tīng)一段時(shí)間。如果節(jié)點(diǎn)在這段時(shí)間內(nèi)收到RTS分組，則可以立即接收數(shù)據(jù)；否則轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)直

11、到下一次調(diào)度偵聽(tīng)周期。通過(guò)采用流量自適應(yīng)偵聽(tīng)機(jī)制，減少了通信延遲的累加效應(yīng)。第五，通過(guò)消息分割和突發(fā)傳遞機(jī)制來(lái)減少協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)和傳遞延遲：對(duì)于無(wú)線信道，傳輸差錯(cuò)與消息長(zhǎng)度成正比，短消息成功傳輸?shù)母怕室笥陂L(zhǎng)消息。根據(jù)這一原理，在SMAC協(xié)議中消息傳遞技術(shù)將長(zhǎng)消息分成若干短消息，利用RTS/CTS機(jī)制，一次預(yù)約發(fā)送整個(gè)長(zhǎng)消息的時(shí)間，集中連續(xù)發(fā)送全部短消息。這樣既提高發(fā)送成功率，又減少了協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)。TMAC(TimeoutMAC)協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的SMAC協(xié)議基本思想相同數(shù)據(jù)傳輸仍然采用RTS/CTS/DATA/ACK機(jī)制，不同的是在節(jié)點(diǎn)活動(dòng)的時(shí)隙內(nèi)插入了一個(gè)TA(TimeActiv)時(shí)隙，若TA時(shí)隙之

12、間沒(méi)有任何事件發(fā)生，則活動(dòng)結(jié)束進(jìn)入睡眠狀態(tài)(見(jiàn)圖3)。TA的取值對(duì)于TMAC協(xié)議性能至關(guān)重要，其約束條件為：TA=m(C+R+T)，m>l，其中，C為競(jìng)爭(zhēng)信道時(shí)間，R為發(fā)送RTS分組的時(shí)間，T為RTS分組結(jié)束到發(fā)出CTS分組開(kāi)始的時(shí)間刃。TMAC協(xié)議雖然能根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)提前結(jié)束活動(dòng)周期來(lái)減少空閑偵聽(tīng)提高能效，但帶來(lái)了“早睡”問(wèn)題(如圖1)。早睡問(wèn)題是指多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前TA沒(méi)有收到激活事件，過(guò)早進(jìn)入睡眠狀態(tài)，沒(méi)有監(jiān)測(cè)到接下來(lái)的數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲。為了解決早睡問(wèn)題，提出了未來(lái)清求發(fā)送(futurerequesttosend，F(xiàn)R

13、TS)和滿緩沖區(qū)優(yōu)先(fullbufferpriority，F(xiàn)BP)兩個(gè)方法5。awakeSMACsleep計(jì)目標(biāo)都是減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。S工作方式減少空閑偵聽(tīng)來(lái)減少能耗，但TMACawakeSMAC協(xié)議和TMA協(xié)議的主要設(shè)訐MAC協(xié)議是通過(guò)采用周期性際睡眠3S-MAC和T-MAC空閑偵聽(tīng)長(zhǎng)度比較同時(shí)使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲增加，吞吐量下降，針對(duì)這樣的問(wèn)題，人們提出了帶有自適應(yīng)睡眠的sMAC協(xié)議。SMAC協(xié)議監(jiān)聽(tīng)時(shí)段是有固定長(zhǎng)度的，而TMAC協(xié)議自適應(yīng)地縮短了監(jiān)聽(tīng)時(shí)間，所以TMAC協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的SMAC協(xié)議保持基本相同的思想，優(yōu)點(diǎn)是減少了空閑偵聽(tīng)功耗，但是它通過(guò)提前結(jié)束活動(dòng)周期來(lái)減少空閑偵聽(tīng)，帶

14、來(lái)早睡問(wèn)題。為保證能量有效性問(wèn)題，通常對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的其他性能都進(jìn)行了一定折衷，隨著各種具體應(yīng)用的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求不單是能量有效性的問(wèn)題，還同時(shí)存在著對(duì)某個(gè)或某些指標(biāo)作特別優(yōu)化的需求。所以，分析各種性能指標(biāo)之間的相互影響關(guān)系，研究綜合權(quán)衡各種性能的策略是一項(xiàng)不可忽略的問(wèn)題5。實(shí)際上，傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，不存在一個(gè)適用于所有傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，所以都要根據(jù)具體應(yīng)用選擇不同的MAC協(xié)議。結(jié)論：SMAC協(xié)議和TMAC協(xié)議的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)都是減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。SMAC協(xié)議是通過(guò)采用周期性偵聽(tīng)/睡眠工作方式減少空閑偵聽(tīng)來(lái)減少能耗，但同時(shí)使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸延遲增加，吞吐量下降，針對(duì)這樣的問(wèn)題，人們提出了帶有自適應(yīng)睡眠的SMAC協(xié)議。SMAC協(xié)議監(jiān)聽(tīng)時(shí)段是有固定長(zhǎng)度的，而TMAC協(xié)議自適應(yīng)地縮短了監(jiān)聽(tīng)時(shí)間，所以TMAC協(xié)議與自適應(yīng)睡眠的SMAC協(xié)議保持基本相同的思想，優(yōu)點(diǎn)是減少了空閑偵聽(tīng)功耗，但是它通過(guò)提前結(jié)束活動(dòng)周期來(lái)減少空閑偵聽(tīng)，帶來(lái)早睡問(wèn)題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)是面向任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，不同應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的要求不同，對(duì)MAC協(xié)議來(lái)說(shuō)，不存在一個(gè)適用于所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。沒(méi)有一種協(xié)議