<dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></s></dfn><small id="yhprb"></small><dfn id="yhprb"></dfn><small id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></small><small id="yhprb"></small><small id="yhprb"></small> <delect id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></delect><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><s id="yhprb"><noframes id="yhprb"><small id="yhprb"><dfn id="yhprb"></dfn></small><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><small id="yhprb"></small><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn> <small id="yhprb"></small><delect id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></delect><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></s></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn>
關(guān) 閉

新聞中心

EEPW首頁(yè) > 工控自動(dòng)化 > 設計應用 > 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )SMAC協(xié)議的研究與改進(jìn)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )SMAC協(xié)議的研究與改進(jìn)

作者: 時(shí)間:2013-04-09 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏

摘要:介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò )高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之一。傳感器介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(SMAC)協(xié)議是以節能為目的的MAC協(xié)議。介紹了工作原理,針對退避機制的缺陷,借鑒二進(jìn)制指數,在的基礎上引入了一種具有公平性的退避機制。節點(diǎn)根據接入信道的次數動(dòng)態(tài)調整,退避失敗時(shí)凍結退避計時(shí)器,在下個(gè)競爭周期繼續計時(shí),增加了節點(diǎn)接入信道的公平性,減小了碰撞,增大了吞吐量和信道利用率。仿真結果表明:改進(jìn)后的SMAC協(xié)議在吞吐量,能量消耗和能量利用率方面相對于SMAC協(xié)議有顯著(zhù)的提高,起到了節能的效果。
關(guān)鍵詞:;SMAC協(xié)議;;

0 引言
(Wireless Sensor Networks,WSNs)目前是一個(gè)最新的研究領(lǐng)域,它是由大量的節點(diǎn)組成的面向任務(wù)的分布式網(wǎng)絡(luò )。而作為協(xié)議棧重要基礎構架的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(Medium Access Control,MAC)協(xié)議決定著(zhù)無(wú)線(xiàn)信道的使用方式,負責為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分配無(wú)線(xiàn)信道資源,直接影響網(wǎng)絡(luò )整體性能,成為網(wǎng)絡(luò )協(xié)議研究的重中之重。
因為WSNs技術(shù)應用的獨特性,SMAC協(xié)議以盡可能地節約能量,提高能量效率,從而延長(cháng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生存周期。Wei Ye等在2002年提出了傳感器介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(Sensor MAC,SMAC)協(xié)議,SMAC協(xié)議同IEEE 802.11相比,具有明顯的節能效果,但是由于SMAC協(xié)議引入了周期性睡眠方式,節點(diǎn)不一定能及時(shí)傳遞數據,使網(wǎng)絡(luò )的能量利用率、吞吐量下降。本文通過(guò)引入動(dòng)態(tài)自適應網(wǎng)絡(luò )競爭動(dòng)態(tài)改變大小的思想,在減少MAC協(xié)議能量消耗的同時(shí),增加網(wǎng)絡(luò )的吞吐量,增大了能量利用率。

1 SMAC協(xié)議簡(jiǎn)介
SMAC協(xié)議是專(zhuān)門(mén)為WSN設計的MAC協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)綜合運用時(shí)間安排協(xié)議和競爭協(xié)議能夠達到良好的可擴展能力和碰撞回避能力,為了實(shí)現能量效率,盡量降低能量是SMAC協(xié)議的主要目標。
1.1 周期性偵聽(tīng)與休眠
SMAC協(xié)議使節點(diǎn)周期性地進(jìn)入休眠狀態(tài),從而縮短偵聽(tīng)時(shí)間以減少空閑偵聽(tīng)帶來(lái)的能量損耗。如圖1所示,節點(diǎn)通過(guò)選擇和維護休眠調度表,使相鄰節點(diǎn)組成休眠/喚醒自同步的虛擬簇,從而實(shí)現信息傳輸的同步,并降低控制開(kāi)銷(xiāo)。

本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/159452.htm

a.JPG


1.2 碰撞回避
為了避免碰撞以及解決隱含終端問(wèn)題,SMAC協(xié)議采用虛擬載波偵聽(tīng)和物理載波偵聽(tīng)以及RTS/CTS交互機制。每個(gè)所發(fā)送的分組中都有一個(gè)時(shí)間域,用于標明剩余的傳輸時(shí)間。一個(gè)節點(diǎn)接收到傳遞給另一個(gè)節點(diǎn)的一個(gè)分組后,就能夠根據該分組中持續時(shí)間域的數值而決定自己需要保持多長(cháng)時(shí)間的靜默,并將該值記錄到一個(gè)叫做網(wǎng)絡(luò )分配矢量(Network Allocation Vector,NAV)的變量中,然后設置相應的定時(shí)器。每當啟動(dòng)定時(shí)器時(shí),節點(diǎn)遞減其N(xiāo)AV,直到NAV等于零為止。節點(diǎn)在開(kāi)始發(fā)送之前首先檢查其N(xiāo)AV:若其N(xiāo)AV不等于零,節點(diǎn)判定媒介忙,叫做虛擬載波偵聽(tīng)。物理載波偵聽(tīng)是在物理層實(shí)現的,通過(guò)偵聽(tīng)信道確定是否有信息在傳輸。為了避免碰撞,SMAC協(xié)議采用隨機的載波偵聽(tīng)時(shí)間。如果虛擬載波偵聽(tīng)和物理載波偵聽(tīng)都判定媒介空閑,才判定媒介空閑。

2 SMAC協(xié)議改進(jìn)策略
2.1 SMAC協(xié)議隨機退避原理
在SMAC協(xié)議中,為了減小分組傳輸發(fā)生碰撞而造成的能量損耗,節點(diǎn)在發(fā)送數據前要隨機退避一段時(shí)間。在每個(gè)周期的開(kāi)始,消息隊列非空的節點(diǎn)就會(huì )從[0,CW-1]中隨機選擇一個(gè)退避數。如果信道空閑,每過(guò)一個(gè)時(shí)隙,退避計數器的值就會(huì )減1,當退避計數器的值遞減為0時(shí),節點(diǎn)就開(kāi)始發(fā)送數據。此時(shí),沒(méi)有競爭到信道的節點(diǎn)就會(huì )停止退避計數器的計時(shí),轉入睡眠狀態(tài)等到下一個(gè)周期的到來(lái)繼續競爭信道。由于SMAC協(xié)議采用的是固定競爭窗口CW,這就不能很好的適應信道的變化,降低了信道的利用率,降低了網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。另外,節點(diǎn)每次競爭信道失敗或者在退避過(guò)程中發(fā)現信道忙時(shí),都會(huì )重新計算退避值。這就導致有些節點(diǎn)在經(jīng)過(guò)很長(cháng)的退避計時(shí)后由于信道忙競爭信道失敗,而重新計算退避值,等到下一個(gè)競爭周期時(shí)執行新的退避值。這就使得一些節點(diǎn)低概率接入信道,能量消耗不均勻,并導致網(wǎng)絡(luò )區域性中斷不連通,降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的生命周期。
2.2 SMAC協(xié)議改進(jìn)
為了適應信道狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化和提高節點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)信道的公平性,本文參考了IEEE 802.11 DCF退避機制,針對SMAC的不足點(diǎn)加以改進(jìn)。并引進(jìn)了二進(jìn)制指數退避BEB(Binary Exponential Backoff)算法,它的主要特征如下:
采用較小的初始化窗口CWMin和較大的最大值窗口CWMax。
當節點(diǎn)每次發(fā)送失敗時(shí),節點(diǎn)就會(huì )將其退避窗口CW加倍直到CWMax。
當節點(diǎn)每次發(fā)送成功時(shí),節點(diǎn)就會(huì )將其退避窗口CW置為最小競爭窗口CWMin。
由于BEB算法針對節點(diǎn)競爭信道失敗采用了競爭窗口倍增的思想,使節點(diǎn)快速擺脫競爭區提高節點(diǎn)接入信道幾率。當節點(diǎn)發(fā)送分組成功時(shí),就會(huì )將競爭窗口CW置為CWMin。這樣就會(huì )使得上一次競爭信道成功的節點(diǎn)永遠具有較小的競爭窗口,其接入信道的幾率遠遠大于其他節點(diǎn)。競爭窗口的波動(dòng)比較大,增加了節點(diǎn)的潛在競爭幾率,勢必會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )的吞吐量。
首先,在新的退避算法中引進(jìn)3個(gè)定值,最小競爭窗口值min CW,最大競爭窗口值max CW,中間門(mén)限值mid CW=(minCW+maxCW)/2。
新退避算法的具體描述如下:
(1)信道競爭失?。喝绻濣c(diǎn)在信道競爭過(guò)程當中失敗,它便會(huì )倍增競爭窗口直到最大競爭窗口maxCW,CW=min(maxCW,CW×2)。
(2)信道競爭成功:如果節點(diǎn)成功地完成信道競爭,它便會(huì )將競爭窗口置為最優(yōu)初始競爭窗口initCW,為了提高所有節點(diǎn)接入信道的公平性,初始競爭窗口是通過(guò)節點(diǎn)連續占用信道次數動(dòng)態(tài)確定的。節點(diǎn)每次成功占用信道時(shí)都會(huì )將其信道占用計數器值Count加1,當信道占用計數器值小于信道占用次數閾值thCount時(shí),此時(shí)將競爭窗口減半并以min CW為下限,初始競爭窗口initCW=max(minCW,CW/2)。當信道占用計數器值大于信道占用次數閾值th Count時(shí),為了提高其他節點(diǎn)接入信道的幾率,節點(diǎn)的初始競爭窗口盡量維持在一合適值范圍內。在本算法中競爭窗口先減半再加上2倍信道占用次數值記為temp CW,將temp CW與mid CW比較,如果小于mid CW,此時(shí)競爭窗口位于小值區域內。再將temp CW與min CW比較,如果小于min CW則置init CW為min CW,否則置初始競爭窗口為temp CW減1。如果temp CW大于mid CW,則競爭窗口位于大值區域內,此時(shí)的初始退避窗口值計算為:
init CW=CW-[CW+(temp CW/mid CW)·CW]/Count
(3)退避過(guò)程:當所有處于未休眠狀態(tài)的節點(diǎn)偵聽(tīng)信道時(shí),節點(diǎn)發(fā)現信道空閑了一個(gè)時(shí)隙,它就會(huì )減少一個(gè)時(shí)隙的退避時(shí)間(BT),BTnew= BTold-aSlotTime,當它的退避計數器值為0時(shí),節點(diǎn)會(huì )發(fā)送數據包。為了提高信道利用率,降低節點(diǎn)因退避而造成的能量浪費。如果節點(diǎn)偵聽(tīng)到信道有連續2minCW+1空閑時(shí)隙,則信道每經(jīng)過(guò)一個(gè)空閑時(shí)隙就使BTnew=BTold/2,如果BTnewaSlotTime,則BTnew=0。

3 理論分析
在一個(gè)周期內,影響SMAC協(xié)議能量利用率的主要因素有2個(gè):因傳輸失敗而重傳數據消耗的能量和連續競爭信道消耗的能量。在高流量和一些遍歷性假設的情況下,可以得到如下的能量利用率:
b.JPG
式中:PSD表示節點(diǎn)Ni在一個(gè)周期內成功發(fā)送數據包過(guò)程所消耗的功率;Pc表示在一個(gè)周期內節點(diǎn)因發(fā)生碰撞發(fā)送數據包失敗過(guò)程所消耗的功率;PD表示在一個(gè)周期內節點(diǎn)成功發(fā)送數據包所消耗的功率。設在一個(gè)傳輸周期內數據包平均發(fā)生碰撞的次數為E[Cc],在競爭周期內由于退避而產(chǎn)生的空閑時(shí)隙的期望值為E[Bc],ts為每個(gè)時(shí)隙的時(shí)間長(cháng)度,c1.jpg為數據包的平均長(cháng)度,PT為發(fā)送功率,PR為接收功率,PIdle為節點(diǎn)空閑時(shí)消耗功率。在Pc階段時(shí)長(cháng)為T(mén)Pc,在PD階段時(shí)長(cháng)為T(mén)PD。則有下式:
c.JPG
由式(1),式(4)~式(6)可以看出:如果數據包在傳輸過(guò)程中是一個(gè)接一個(gè)沒(méi)有任何間隔,就可以得到最大的能量利用率和最大的吞吐量。在這種情況下,E[Cc]=0,E[Bc]=0,能量利用率為:
d.JPG
在此情形下,節點(diǎn)在競爭周期內傳輸數據包的必要條件是節點(diǎn)接入信道的概率P較其他節點(diǎn)大。本協(xié)議采用的是隨機退避機制,所以,節點(diǎn)Ni在競爭周期內接入信道的概率取決于退避計數器:
e.JPG
式中Cbi為節點(diǎn)Ni的退避計數器。
由式(8)知,當節點(diǎn)Ni的退避計數器Cbi=0時(shí),它將立即占用信道發(fā)送數據包,此時(shí)它在當前競爭周期內發(fā)送數據包的概率Ptrans(i)=1;當節點(diǎn)Ni的退避計數器Cbi=∞時(shí),節點(diǎn)在當前競爭周期內發(fā)送數據包的概率Ptrans(i)=0。通過(guò)以上分析可知:對于將要發(fā)送數據包的節點(diǎn)設置較小的退避計數器,而對于暫時(shí)沒(méi)有數據包要發(fā)送的節點(diǎn)設置較大的退避計數器,這樣可以有效的提高節點(diǎn)能量利用率和吞吐量。對于長(cháng)時(shí)間占用信道的節點(diǎn)設置較大的退避計數器,對于長(cháng)時(shí)間因競爭失敗且需要發(fā)送數據的節點(diǎn)設置較小的退避計數器,這樣可以有效的提高節點(diǎn)接入信道的公平性和減少數據包的傳輸時(shí)延。
當節點(diǎn)競爭信道失敗,加倍退避窗口有效地減少了“將來(lái)”發(fā)生碰撞的概率,減少了E[Cc]。在節點(diǎn)退避過(guò)程,節點(diǎn)發(fā)現信道連續空閑會(huì )認為信道上沒(méi)有節點(diǎn)傳輸數據包,退避窗口成指數倍減少,可以減少空閑時(shí)隙E[Bc],減少節點(diǎn)退避時(shí)能量浪費,提高節點(diǎn)能量利用率和吞吐量。如果節點(diǎn)發(fā)現信道忙,計時(shí)器被掛起,等下一個(gè)競爭周期到來(lái)繼續執行,提高節點(diǎn)接入信道的概率實(shí)現節點(diǎn)接入信道公平性。節點(diǎn)成功發(fā)送數據包后,根據占用信道次數動(dòng)態(tài)調整退避計數器,使得需要發(fā)送數據包的節點(diǎn)在退避時(shí)能成功完成退避過(guò)程,減小E[Bc],這樣可以提高節點(diǎn)接入信道的公平性也提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的吞吐率。

4 仿真試驗與結果分析
本文仿真平臺為NS-2.34,對SMAC協(xié)議和改進(jìn)的SMAC協(xié)議進(jìn)行仿真比較。配置仿真拓撲為一個(gè)由10個(gè)節點(diǎn)組成的鏈狀拓撲。拓撲中每2個(gè)節點(diǎn)間的距離是200 m,節點(diǎn)的通信距離為250 m,節點(diǎn)只能與周?chē)惶濣c(diǎn)進(jìn)行通信,保證數據包只能一跳一跳的通信。
通過(guò)改變CBR數據流發(fā)包間隔(interval)的值來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò )的不同流量負荷情況。數據包發(fā)送間隔設置從1~15 s,當發(fā)送間隔為5 s的時(shí)候,即每隔5 s發(fā)1個(gè)包。初始能量設為1 000 J,以保證整個(gè)仿真時(shí)間內節點(diǎn)能量不耗盡。發(fā)送功耗為386 mW,接收功耗為368.2 mW,空閑偵聽(tīng)功耗為344.2 mW,睡眠功耗為50μW。仿真帶寬為20 Kb/s,路由協(xié)議為DSR,占空比為20%。
4.1 網(wǎng)絡(luò )吞吐量分析
數據流的端到端的平均吞吐量是指目的節點(diǎn)在整個(gè)連續時(shí)間內成功接收到得數據包的平均值。由圖2可以看出:由于SMAC協(xié)議采用的是固定競爭窗口和二進(jìn)制指數退避算法,在網(wǎng)絡(luò )流量很大時(shí),造成數據包發(fā)生碰撞的次數增加,碰撞后重傳的次數必然增大,因而,吞吐量保持在一個(gè)相對較低的值。改進(jìn)后的SMAC協(xié)議,由于在退避機制上的改進(jìn),在網(wǎng)絡(luò )流量很大時(shí),顯著(zhù)的提高了網(wǎng)絡(luò )吞吐量。當分組間隔小于5 s,改進(jìn)后的SMAC協(xié)議比SMAC協(xié)議的吞吐量平均提高了近約70%。

f.JPG


4.2 網(wǎng)絡(luò )能耗分析
網(wǎng)絡(luò )總的能量消耗,就是把網(wǎng)絡(luò )初始時(shí)的各個(gè)節點(diǎn)的能量累加起來(lái),仿真結束時(shí)的各個(gè)節點(diǎn)的能量累加起來(lái),能量差就是網(wǎng)絡(luò )消耗的總能量。由圖3可以看出:由于SMAC協(xié)議采用的是固定競爭窗口且每次退避時(shí)都是重獲取窗口的大小,在網(wǎng)絡(luò )流量較大時(shí),造成數據包碰撞的幾率較大,碰撞后數據包重傳的幾率較大,因而,能量消耗保持在一個(gè)相對較大的值。改進(jìn)后的SMAC協(xié)議,由于改進(jìn)了退避機制,能夠適應網(wǎng)絡(luò )流量的動(dòng)態(tài)變化,減少了數據包的碰撞幾率,因而,減少了因重傳數據包所消耗的能量。本文的SMAC協(xié)議根據節點(diǎn)占用信道的次數動(dòng)態(tài)調整節點(diǎn)的退避窗口,提高了節點(diǎn)接入信道的公平性,一定程度上降低了節點(diǎn)因連續競爭信道所消耗的能量。在整個(gè)仿真過(guò)程中,改進(jìn)后的SMAC協(xié)議比SMAC協(xié)議的總能量消耗平均降低了100 J左右。

g.JPG


4.3 能量效率分析
本文的能量效率采用文獻的定義,即每焦耳能量所能發(fā)送的數據包,單位為b/J。顯而易見(jiàn),每焦耳能量所能發(fā)送的數據包越多,協(xié)議就具有越好的節能性。由圖4可以看出:在網(wǎng)絡(luò )流量較大時(shí),SMAC協(xié)議由于數據包的重傳浪費了大量的能量,導致能量效率較低。改進(jìn)后的SMAC協(xié)議,根據節點(diǎn)占用信道的次數動(dòng)態(tài)調整了退避窗口值,減少了數據包重傳所消耗的能量,能量效率相對較高。當分組間隔小于6 s,改進(jìn)后的SMAC協(xié)議比SMAC協(xié)議的能量效率平均提高了近55%。當分組間隔大于6 s,由于改進(jìn)后的SMAC協(xié)議較SMAC協(xié)議能量消耗較少,能量效率較SMAC協(xié)議有所提高。

h.JPG



5 結語(yǔ)
本文研究了SMAC協(xié)議,并在此基礎上借鑒了二進(jìn)制指數退避算法,對SMAC協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)。在改進(jìn)的SMAC協(xié)議中,節點(diǎn)根據接入信道的次數動(dòng)態(tài)調整退避窗口,在退避時(shí)能根據信道的狀態(tài)動(dòng)態(tài)調整退避計時(shí)器值。最后,利用NS2仿真軟件進(jìn)行仿真驗證,證實(shí)了在吞吐量、能量消耗和能量利用率方面,改進(jìn)后的SMAC協(xié)議與SMAC協(xié)議相比有所提高。

塵埃粒子計數器相關(guān)文章:塵埃粒子計數器原理


評論


相關(guān)推薦

技術(shù)專(zhuān)區

關(guān)閉
国产精品自在自线亚洲|国产精品无圣光一区二区|国产日产欧洲无码视频|久久久一本精品99久久K精品66|欧美人与动牲交片免费播放
<dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></s></dfn><small id="yhprb"></small><dfn id="yhprb"></dfn><small id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></small><small id="yhprb"></small><small id="yhprb"></small> <delect id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></delect><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><s id="yhprb"><noframes id="yhprb"><small id="yhprb"><dfn id="yhprb"></dfn></small><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><small id="yhprb"></small><dfn id="yhprb"><delect id="yhprb"></delect></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn> <small id="yhprb"></small><delect id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></delect><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn><dfn id="yhprb"></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"><strike id="yhprb"></strike></s></dfn><dfn id="yhprb"><s id="yhprb"></s></dfn>