無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分幀ic協(xié)議的研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分幀ic協(xié)議的研究

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的能量浪費(fèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量廉價微傳感器節(jié)點(diǎn)組成，由無線通信組成，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)無線通信的情況下形成一個全長的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目標(biāo)是合作感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中受感知對象的信息，并將其發(fā)送給受訪者。由于大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)都是由電池驅(qū)動的，因此它們不能再次充電。因此，提高能源效率是延長網(wǎng)絡(luò)壽命的一個非常重要的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在4種可能的能量浪費(fèi):(1)碰撞引起的數(shù)據(jù)重發(fā);(2)由于串音造成的節(jié)點(diǎn)接收并處理不必要的數(shù)據(jù);(3)空閑偵聽;(4)控制信息過多.在IEEE802.11中,空閑時的功耗幾乎和接收數(shù)據(jù)時一樣,這接近WSN總能量消耗的30%,所以空閑偵聽是能源浪費(fèi)的主導(dǎo)因素.在偵聽/睡眠周期方案中,傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地關(guān)閉它們的無線電收發(fā)設(shè)備隨之進(jìn)入睡眠模式,這將最大程度地減少空閑偵聽.幀長度Tf包括偵聽和睡眠時間.定義占空比為Tlisten/Tf,Tlisten是偵聽時間的一個循環(huán).較低的占空比能節(jié)省更多的能量.S-MAC(sensor-MAC)、T-MAC(timeout-MAC)和其它一些同樣的MAC協(xié)議為了得到更高的能源效率都盡量減小占空比.本文提出了一種改進(jìn)的分幀MAC(DF-MAC)協(xié)議.該協(xié)議通過減少閑置偵聽的時間和碰撞數(shù)來實(shí)現(xiàn)比S-MAC和T-MAC更低的節(jié)點(diǎn)功耗.DF-MAC是一個基于競爭的分布式MAC協(xié)議,節(jié)點(diǎn)基于鄰節(jié)點(diǎn)的無線電信號的強(qiáng)度來判斷其是否處于工作狀態(tài).同時,DF-MAC是一種自組織MAC協(xié)議,不需要設(shè)置中央節(jié)點(diǎn)控制其它節(jié)點(diǎn).2基于df-mac的性能分析如圖1所示,在DF-MAC中,每一幀被分為2個階段:偵聽和睡眠.偵聽期被進(jìn)一步分為N個分幀.節(jié)點(diǎn)被分配在分幀集之中,每一個分幀中的每個節(jié)點(diǎn)遵循一個時間被錯開的偵聽/睡眠時間表.因此,節(jié)點(diǎn)在不同分幀的偵聽周期是不重疊的.在DF-MAC協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)只在其所在分幀被喚醒.節(jié)點(diǎn)分配到哪個分幀是不受限制的.根據(jù)部署,每個節(jié)點(diǎn)會用隨機(jī)均勻分配的方式隨機(jī)地選擇一個分幀.DF-MAC采用分幀有3個主要的優(yōu)點(diǎn):(1)降低能量消耗.在每個階段,偵聽周期的縮短與分幀數(shù)成正比.因此,與S-MAC協(xié)議相比,DF-MAC在偵聽周期期間的能量損失降低了.(2)低平均流量.在DF-MAC中與一個分幀有聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)的一小部分.這樣就使平均流量更小并且在一定程度上降低了碰撞的幾率.因此,在DF-MAC中碰撞的幾率降低,從而節(jié)省了重新發(fā)送碰撞包和相關(guān)控制包所需的能量.(3)延長網(wǎng)絡(luò)的使用壽命.通過減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗,節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的使用壽命也有所增加.更短的偵聽周期增大了節(jié)點(diǎn)在睡眠模式下生成數(shù)據(jù)包的概率.這些數(shù)據(jù)包為即將到來的偵聽周期中的數(shù)據(jù)傳輸作緩沖,這將導(dǎo)致更長的數(shù)據(jù)包延遲.然而,由于延遲不是一個主要的設(shè)計(jì)因素,在大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序中這種影響是可以接受的.本設(shè)計(jì)采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法.分布式協(xié)調(diào)(distributedcoordinationfunction,DCF)是一種基于帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(carriersensormultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA/CA)二進(jìn)制指數(shù)退避算法的隨機(jī)存取方案.在S-MAC中,節(jié)點(diǎn)利用同步控制包播送它們的時間表給其它節(jié)點(diǎn).本文采用同樣的方式.此外,為了防止時鐘漂移,節(jié)點(diǎn)周期性地更新它們的時間表來交換同步控制包.這個控件包是很短暫的,并且它不僅具有該節(jié)點(diǎn)的編號還有接入分幀下一個偵聽周期的時間.3分幀偵聽周期DF-MAC協(xié)議設(shè)計(jì)參數(shù)的取值,可以通過以下符合它的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求的計(jì)算方法來描述一個指定應(yīng)用來獲得:步驟1:計(jì)算幀持續(xù)時間Tf.對于給定的最大響應(yīng)時間延遲TR(由響應(yīng)和報告事件的時間來決定)來說,幀持續(xù)時間Tf是有上限的:Tf也受所有分幀的總的偵聽時間的限制:其中,t1是一個分幀的偵聽周期,在步驟2中將會提及;N是分幀的數(shù)量.幀數(shù)量Nf的取值范圍:步驟2:計(jì)算每個分幀偵聽周期t1.一個分幀的偵聽周期的持續(xù)時間t1是由電池容量C(單位:mA·h)和節(jié)點(diǎn)平均功耗ρ決定的:其中v是電池的平均輸出電壓.由式(4)可知,t1的取值范圍為同時,t1受至少發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所需時間的限制:其中,τt是數(shù)據(jù)包傳輸延遲,τρ是傳播延遲,τd時鐘漂移延遲,W是最大時隱數(shù)(窗口尺寸).由式(5)和(6)可知,t1的取值范圍為步驟3:估計(jì)分幀數(shù)N.分幀數(shù)N是基于每個分幀在一個完整幀所產(chǎn)生的平均通信量得出的:那么,總偵聽時間應(yīng)大于發(fā)送節(jié)點(diǎn)生成的全部包所需的時間:因此,從式(9)得到N的取值范圍是:此外,分幀間保護(hù)時間t2滿足下列不等式:所以,N的上限是:因此,由式(10)~(12)得到N的取值范圍:應(yīng)用中的其它參數(shù)和要求,如節(jié)點(diǎn)延遲局限性和緩沖區(qū)大小,也可以用來決定以上這些時序參數(shù)的值和指定部署多少個分幀,以得到最好的性能.4無線收發(fā)器環(huán)境采用的仿真環(huán)境是Matlab7.8.0.對DF-MAC協(xié)議與S-MAC協(xié)議的性能進(jìn)行模擬,比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果.為了進(jìn)行DF-MAC仿真,作以下假定:(1)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的封包遵循泊松分布規(guī)律.(2)時間被分為由偵聽和睡眠周期組成的每一幀.(3)每個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行方式:傳輸、偵聽和睡眠.(4)節(jié)點(diǎn)有無限大小的發(fā)射和接收緩沖區(qū).(5)所有MAC操作都是基于IEEE802.11.(6)無線通信信道假定沒有帶寬約束.無線收發(fā)器在傳輸、偵聽和睡眠模式的能源消耗分別是24.75mW、13.5mW和15μW.無線收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸率是19.2kb/s.根據(jù)假設(shè)4,數(shù)據(jù)包不會丟失,因?yàn)檫@些包最終都要被發(fā)送到目的地.表1總結(jié)了數(shù)值仿真的參數(shù)值選擇.4.1節(jié)點(diǎn)能耗能源消耗圖2是S-MAC和當(dāng)N=3時DF-MAC的節(jié)點(diǎn)平均能源消耗的比較.這表明在通信擁堵,即信息到達(dá)間隔時間不超過5s時,DF-MAC消耗的能量比S-MAC的低52%,而且通信量少,即信息到達(dá)間隔時間大于5s時為64%.在DF-MAC中,偵聽周期短于S-MAC,這個結(jié)果體現(xiàn)在降低能量消耗上.圖3所示的是一個節(jié)點(diǎn)在整個仿真時間的總能耗,隨分幀數(shù)N的增加從1到10的變化.通信量固定在λ=0.2packet/s.當(dāng)N=5時,能源消耗迅速降低.然而,超過5個后節(jié)能效果就不顯著了,因?yàn)榇蟛糠謹(jǐn)?shù)據(jù)包發(fā)送到其它分幀并且節(jié)點(diǎn)在不同時間表里要花更多的時間來喚醒.4.2df-mac算法由于在DF-MAC下節(jié)點(diǎn)有更多的睡眠,所以數(shù)據(jù)包會遇到更多的延遲.數(shù)據(jù)包被儲存在節(jié)點(diǎn)發(fā)送緩沖區(qū),直到它被沒有碰撞地成功發(fā)送,所以此延遲是一個數(shù)據(jù)包可能遭遇的潛在因素.此延遲由2部分所組成:(1)排隊(duì)延遲,因?yàn)橐粋€數(shù)據(jù)包可能送去另一個分幀或者在節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式時它已經(jīng)生成.(2)傳輸延遲.因此,在DF-MAC中數(shù)據(jù)包將被推遲一幀的周期.如圖4所示,DF-MAC有比S-MAC和IEEE802.11更長的延遲.在本仿真中,S-MAC每個節(jié)點(diǎn)睡眠模式時間固定在70%,因?yàn)樗幸粋€固定的占空比.然而,在DF-MAC中占空比相同時,節(jié)點(diǎn)睡眠時間為90%.在仿真中IEEE802.11沒有睡眠模式,這使得延遲最小.圖5所示為通信量固定在λ=0.2packet/s時增加更多個分幀的延遲效果.如果分幀數(shù)少于3,延遲將會迅速增加.但是,當(dāng)添加更多的分幀時,數(shù)據(jù)包不會有更多的延遲,因?yàn)樗鼈兘?jīng)常為下一個或第3個幀周期作緩沖.結(jié)果表明,DF-MAC增加的延遲與分幀數(shù)不成正比.4.3增加/兩種分幀時的碰撞數(shù)量圖6所示為DF-MAC通信量固定在λ=0.2packet/s時通過增加更多個分幀使碰撞數(shù)量大幅下降.然而,大約6個之后,碰撞數(shù)減少幅度將大大降低,因?yàn)槊總€分幀的數(shù)據(jù)包請求已經(jīng)分布得很充分,碰撞已經(jīng)被降低了.為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)中增加了碰撞數(shù).5df-mac在節(jié)約能源和網(wǎng)絡(luò)之間的應(yīng)用對比本文提出了一種改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議——DF-MAC.DF-MAC將節(jié)點(diǎn)分布到N個分幀來減少空閑偵聽的時間.節(jié)點(diǎn)的偵聽時期在不同分幀是不重疊的.這將從空閑偵聽和碰撞兩方面來降低能耗,提高能源利用效率.結(jié)果表明,DF-MAC在節(jié)約能源