基于GAF的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議

摘要 節能是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)協(xié)議的首要目標，綜合近年來(lái)MAC協(xié)議的研究成果，針對S-MAC、T-MAC等幾種典型協(xié)議進(jìn)行分析，研究出將拓撲結構控制機制引入MAC協(xié)議，可進(jìn)一步降低能耗。給出了一種基于GAF拓撲控制思想的MAC協(xié)議、GS-MAC協(xié)議。GS-MAC協(xié)議可以降低處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài)的節點(diǎn)數量，是一種高效節能的協(xié)議。仿真表明，引入拓撲控制后可以達到劃一步節約能耗的目的。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；MAC協(xié)議；拓撲控制；GAF；GS-MAC協(xié)議

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò )系統，主要用于收集、傳播和處理傳感信息。
與傳統的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )不同，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數目龐大，節點(diǎn)分布密集；由于環(huán)境影響和能量耗盡，節點(diǎn)更容易出現故障；環(huán)境干擾和節點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的變化。另外，節點(diǎn)的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等都有限，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的首要設計目標是能源的高效利用。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(Media Access Control，MAC)協(xié)議必須以節約能源為主要目標，并且采用折中機制，使用戶(hù)可以在延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期和提高網(wǎng)絡(luò )吞吐量、降低通信延遲等方面做出選擇。
目前針對不同的傳感器網(wǎng)絡(luò )應用，研究人員從不同方面提出了多個(gè)MAC協(xié)議，缺乏統一的分類(lèi)方式，根據采用固定分配信道方式或隨機訪(fǎng)問(wèn)信道方式，將傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議分為：時(shí)分復用方式(TDMA)、隨機競爭方式和其他MAC協(xié)議。固定分配信道方式的TDMA可以自然完成節點(diǎn)上的低占空比操作，因為他們只需在自己的時(shí)隙里開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)模塊完成發(fā)送和接收，但其可擴展性較差，而時(shí)間同步對系統是一筆較大的開(kāi)銷(xiāo)。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )數據率較低，而且對時(shí)延的要求不高，因此目前實(shí)用的節能MAC協(xié)議基本是基于競爭的協(xié)議。大量實(shí)驗和理論分析表明無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的能量浪費主要源自空閑偵聽(tīng)、沖突、串擾和控制。因此結合現有的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議，引入層次型拓撲結構控制思想，建立一種高效節能的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，并進(jìn)行分析、仿真和驗證，具有研究意義。

1 競爭類(lèi)MAC協(xié)議分析
1．1 S-MAC協(xié)議
S-MAC協(xié)議是在802．11MAC協(xié)議的基礎上，針對傳感器網(wǎng)絡(luò )的節能需求而提出的傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議假設通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò )數據傳輸量少，節點(diǎn)協(xié)作完成共同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò )內部能夠進(jìn)行數據處理和融合以減少數據通信量，網(wǎng)絡(luò )可以容忍一定程度的延遲。研究表明傳感器能量主要消耗在節點(diǎn)間的通行上，而空閑偵聽(tīng)大約占節點(diǎn)通信能量的1／3。為達到節省能量的目的S-MAC協(xié)議主要采用周期性的偵聽(tīng)／睡眠的低占空比機制，控制節點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來(lái)降低節點(diǎn)能量的消耗。但S-MAC協(xié)議存在以下問(wèn)題：S-MAC協(xié)議中同一個(gè)虛擬簇中的所有節點(diǎn)要同時(shí)從睡眠狀態(tài)轉換到活動(dòng)狀態(tài)，開(kāi)始對信道的競爭，而大量節點(diǎn)沒(méi)有數據傳輸任務(wù)，這些節點(diǎn)對信道的競爭和空閑偵聽(tīng)浪費了大量的能量。
1．2 T-MAC協(xié)議
T-MAC(Timeout MAC)協(xié)議是在S-MAC協(xié)議的基礎上提出的。S-MAC協(xié)議的周期長(cháng)度受限于延遲要求和緩存大小，而偵聽(tīng)時(shí)間主要依賴(lài)于消息速率。因此，為保證消息的可靠傳輸，節點(diǎn)的周期活動(dòng)時(shí)間必須適應最高的通信負載，從而造成網(wǎng)絡(luò )負載較小時(shí)，節點(diǎn)空閑偵聽(tīng)時(shí)間的相對增加，針對這一不足，文獻提出了T-MAC協(xié)議，該協(xié)議在保持周期偵聽(tīng)長(cháng)度不變的情況下，根據通信流量動(dòng)態(tài)調整節點(diǎn)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。但是由于大量無(wú)需數據傳輸的節點(diǎn)對信道的競爭和空閑偵聽(tīng)仍造成大量能量的浪費，另外T-MAC協(xié)議的執行，會(huì )出現早睡眠問(wèn)題，引起網(wǎng)絡(luò )的吞吐量降低。為此，它采用兩種方法來(lái)提高早睡眠引起的數據吞吐量下降：(1)未來(lái)請求發(fā)送機制。(2)滿(mǎn)緩沖區優(yōu)先機制，但效果并不是很理想。

2 基于拓撲控制結構的MAC協(xié)議設計
S-MAC、T-MAC虛擬簇中的所有節點(diǎn)都周期性地從睡眠狀態(tài)轉入工作狀態(tài)，參與信道的競爭和數據傳輸，而大部分節點(diǎn)沒(méi)有數據傳輸任務(wù)，造成他們在大部分活動(dòng)時(shí)間處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài)，而浪費了大量能量。針對S-MAC、T-MAC無(wú)法避免的問(wèn)題，提出了新MAC協(xié)議GS-MAC(Geo graphical Sensor MAC)。GS-MAC協(xié)議引入了GAF拓撲控制算法后，適當減少活動(dòng)節點(diǎn)數量，加快算法的收斂速度，減少大量節點(diǎn)對信道的空閑偵聽(tīng)和數據碰撞，從而達到節能的目的。
2．1 GAF改進(jìn)算法
GAF(Geographical Adaptive Fidelity)算法是以節點(diǎn)地理位置為依據的分簇算法，該算法把監測區域分成虛擬單元格，將節點(diǎn)按照位置信息劃入相應的單元格；每個(gè)單元格中定期選舉產(chǎn)生一個(gè)簇頭節點(diǎn)，只有簇頭節點(diǎn)保持活動(dòng)，其他節點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，GAF算法的執行包括兩個(gè)階段：第一階段是虛擬單元格的劃分；第二階段是簇頭的選舉產(chǎn)生。
虛擬單元格的劃分：根據節點(diǎn)的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡(luò )區域劃分成若干虛擬單元格，保證相鄰單元格中的任意兩個(gè)節點(diǎn)都能夠直接通信。為保證相鄰兩個(gè)單元格中任意的兩個(gè)節點(diǎn)都能夠直接通信，需滿(mǎn)足如下關(guān)系式

在式(1)中，R為所有節點(diǎn)的通信半徑；r為正方形虛擬單元格邊長(cháng)。