無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中節能MAC協(xié)議的研究
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可以說(shuō) S—MAC 協(xié)議考慮的十分全面，但還是有其自身的缺點(diǎn)，首先，周期性睡眠監 聽(tīng)中的同步帶來(lái)了一定的控制包開(kāi)銷(xiāo)(同步包)，并且同步的維護將消耗掉節點(diǎn)并不充裕的空 間資源。另外，睡眠工作周期受到各個(gè)方面的限制，并不能達到超低功耗的要求(周期長(cháng)度 受限于延遲要求和緩存大小，而周期長(cháng)度直接反映節能效率)，其次，在大規模的的傳感網(wǎng) 中，周期性睡眠*將會(huì )帶來(lái)難以忍受的延遲問(wèn)題(流量自適應偵聽(tīng)并不能有效解決)，最后， 邊界節點(diǎn)的消耗能量要比普通節點(diǎn)大的多，導致節點(diǎn)間的能量消耗并不平衡。
針對 S—MAC 協(xié)議不能根據網(wǎng)絡(luò )負載自適應地調整占空比的問(wèn)題，TMAC 協(xié)議在保持偵聽(tīng)和睡眠時(shí)間總和不變的基礎上，該協(xié)議設定了一個(gè)最小的空閑偵聽(tīng)時(shí)間TA，在從睡眠 狀態(tài)喚醒之后，若在該TA 時(shí)間段中沒(méi)有發(fā)生激活事件，則又重新進(jìn)入睡眠周期，否則繼續 增加一個(gè)TA 保持偵聽(tīng)狀態(tài)。通過(guò)這種方式，節點(diǎn)可以提前結束偵聽(tīng)時(shí)間進(jìn)入睡眠從而減少 能耗，但同時(shí)也帶來(lái)了早睡問(wèn)題，雖然為解決這些問(wèn)題提出了未來(lái)請求發(fā)送和滿(mǎn)緩沖區優(yōu)先 方法，但結果并不理想。
1.4 Sehedules 類(lèi)協(xié)議的總結
從上面的兩個(gè)協(xié)議的分析可以看出 Schedules 類(lèi)協(xié)議可以達到較好的功耗控制，且比 較容易融合各種功耗控制的相關(guān)技術(shù)，但相應的設計和實(shí)現卻更加的復雜，如網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)時(shí)如 何實(shí)現同步，怎樣維護同步以及新節點(diǎn)的加入等，并會(huì )引入一些其它的額外開(kāi)銷(xiāo)，如同步包 的控制開(kāi)銷(xiāo)，維護調度表的資源開(kāi)銷(xiāo)等，最后，還會(huì )帶來(lái)累積延遲問(wèn)題。
2.1 節點(diǎn)能量浪費的主要原因
通過(guò)大量的實(shí)驗和理論分析論證，歸納出可能造成網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能量浪費的幾方面原因: (l)競爭信道消耗。節點(diǎn)要發(fā)送或接收數據，使用共享的無(wú)線(xiàn)信道，可能引起多個(gè)節點(diǎn) 之間發(fā)送的數據發(fā)生碰撞，而—旦發(fā)生碰撞現象，為了保證數據的完整性，節點(diǎn)必須重傳數 據，這也就造成了節點(diǎn)的能量浪費。
(2)串音現象。節點(diǎn)接收處理冗余數據(大量相同或近似數據)導致能量的浪費。
(3)過(guò)度的空閑偵聽(tīng)。節點(diǎn)除了發(fā)送數據外，其他時(shí)間段都處于空閑狀態(tài)，以便偵聽(tīng)信 道隨時(shí)準備接收可能傳輸給自己的數據。而根據文獻[4]處于空閑狀態(tài)的節點(diǎn)也要消耗大量 的能量。
(4)控制信息開(kāi)銷(xiāo)。節點(diǎn)在傳輸數據時(shí)會(huì )加入—些額外的控制信息，從而加長(cháng)了數據幀 長(cháng)度，數據量的增加造成了額外的能量開(kāi)銷(xiāo)。
2.2 新協(xié)議的設計:自適應調整占空比MAC 協(xié)議
2.1.1 設計思路
文獻[5]也提出了一種ADC-MAC 協(xié)議，其工作原理是根據網(wǎng)絡(luò )中的負載即數據流量的大 小，來(lái)改變節點(diǎn)處于偵聽(tīng)狀態(tài)下的時(shí)間。其優(yōu)點(diǎn)是可以靈活的調節*時(shí)間，但也帶來(lái)了一 些問(wèn)題，首先，繁瑣的計算公式帶來(lái)了額外的參數傳輸和開(kāi)銷(xiāo)管理。其次，頻繁的變動(dòng)DC (Duty_cycle 占空比)會(huì )造成額外的硬件響應時(shí)延。
新協(xié)議是在S—MAC 協(xié)議的基礎上，根據業(yè)務(wù)量的大小來(lái)調節*時(shí)間?？墒侵苯优袛?業(yè)務(wù)流量的大小有一定的困難，我們考量S-MAC 協(xié)議設定的重傳數值這一參數。設定當重傳 次數為5 時(shí)，業(yè)務(wù)流量大小記錄為T(mén)s，當網(wǎng)絡(luò )流量>Ts 時(shí)，DC=20%。當網(wǎng)絡(luò )流量Ts: DC=30%。同樣的理由， 當連續5 個(gè)周期網(wǎng)絡(luò )流量
2.2.2 仿真分析
本文采用了由UC Berkeley 開(kāi)發(fā)的、面向對象的、離散事件驅動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境模擬器NS-2 對改進(jìn)的S-MAC 協(xié)議進(jìn)行了仿真實(shí)驗，分別對S—MAC 協(xié)議和基于數據流量自適應調整占空 比的新MAC 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )性能進(jìn)行比較，這里的性能主要指數據收發(fā)比、平均占空比以及能耗。 數據收發(fā)比是指目的節點(diǎn)總的收到的數據包數與源節點(diǎn)總的發(fā)包數的比值，能耗指的是每成 功傳送lbit 數據所消耗的能量。
仿真中有關(guān)參數設置如下:無(wú)線(xiàn)設備帶寬100kbps,傳輸范圍250m,干擾范圍550m,包長(cháng) 度100 字節,傳輸功率0.66 瓦,接收功率0.395 瓦,空閑*時(shí)耗電0.35 瓦,休眠時(shí)耗電忽略 不計設為0。根據無(wú)線(xiàn)參數和包的長(cháng)度,S-MAC 協(xié)議的活動(dòng)時(shí)間設為20ms。
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