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

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SMAC協(xié)議工作原理，針對SMAC協(xié)議退避機制的缺陷，借鑒二進(jìn)制指數退避算法，在SMAC協(xié)議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)調整競爭窗口，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：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；SMAC協(xié)議；競爭窗口；退避算法

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(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 )。而作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )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)改變競爭窗口大小的思想，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)。

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)議退避算法改進(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：

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，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：

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：

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：

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％。

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。

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。

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。