無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)中一種基于即時(shí)信息的TDMA方案

　　類(lèi)似的還有BCMAC協(xié)議，如圖2 所示，該協(xié)議與LEACH協(xié)議在簇的形成階段相似.在穩定階段對TDMA協(xié)議進(jìn)行了一些改進(jìn)，即在每幀開(kāi)始時(shí)，由那些有數據傳輸的節點(diǎn)向簇頭發(fā)送申請，簇頭節點(diǎn)根據申請情況來(lái)分配時(shí)隙，并向簇內節點(diǎn)廣播調度方法，每個(gè)需要發(fā)送數據的節點(diǎn)獲得一個(gè)確定的發(fā)送時(shí)間，沒(méi)有數據需要發(fā)送的節點(diǎn)則處于睡眠狀態(tài)，并在下一幀開(kāi)始時(shí)蘇醒.假設只有三個(gè)節點(diǎn)有數據傳輸，則簇頭節點(diǎn)將節點(diǎn)信息收集起來(lái)進(jìn)行時(shí)隙分配.由于簇頭無(wú)需在整個(gè)幀長(cháng)內保持偵聽(tīng)且無(wú)數據傳輸的節點(diǎn)可以處于睡眠狀態(tài)，因而節約了大量的能量.同時(shí)由于采用了固定幀長(cháng)，仍然會(huì )有時(shí)隙被浪費，因而沒(méi)有提高信道利用率，時(shí)延依然很大.該方案中，簇頭需要廣播各個(gè)節點(diǎn)的ID 號及調度方案，增加了調度開(kāi)銷(xiāo)，增加了能量消耗.本文提出的IM-TDMA 方案是在現有TDMA 協(xié)議的基礎上，通過(guò)變長(cháng)幀長(cháng)來(lái)適應網(wǎng)絡(luò )流量變化，提高信道利用率，降低時(shí)延；并通過(guò)計數器管理方式來(lái)進(jìn)行TDMA 調度，降低調度復雜性，減少調度開(kāi)銷(xiāo)，降低能耗；同時(shí)選取合適的時(shí)隙大小，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )性能.

　　2 IM-TDMA方案描述

　　2.1 基本算法

　　IM-TDMA方案與LEACH 協(xié)議和BCMAC協(xié)議在簇形成階段類(lèi)似，如圖3所示，仍是按輪運行的，每一輪由簇形成階段和簇穩定階段組成.簇形成階段，完成成簇.簇頭選舉及時(shí)鐘同步的任務(wù)；簇穩定階段，根據節點(diǎn)的流量，分為n個(gè)長(cháng)度不等的幀，即每幀有幾個(gè)節點(diǎn)需要傳輸數據就分配幾個(gè)時(shí)隙.如圖3所示，假設一幀中有3個(gè)節點(diǎn)有數據傳輸，則該幀就只由3個(gè)時(shí)隙組成.該方案將每幀分為時(shí)隙申請.調度和數據傳輸三步.

　　2.1.1 時(shí)隙申請

　　這一階段主要按照節點(diǎn)ID 順序，給每個(gè)節點(diǎn)分配一個(gè)信令小時(shí)隙，每個(gè)信令小時(shí)隙占用1 b用于向簇頭申請時(shí)隙.有數據需要傳輸的節點(diǎn)在自己的信令小時(shí)隙內發(fā)送申請時(shí)隙的信息，觸發(fā)簇頭計數器，隨著(zhù)申請節點(diǎn)數的增加，計數器值依次增加，每個(gè)節點(diǎn)觸發(fā)計數器得到的計數值即為該節點(diǎn)在本幀的時(shí)隙位置值.由于各節點(diǎn)在各自不同的信令小時(shí)隙內向簇頭發(fā)送申請時(shí)隙的信息，因此不會(huì )發(fā)生碰撞.在此過(guò)程中，對上一幀中未傳完的數據節點(diǎn)優(yōu)先分配信令時(shí)隙，即在每幀開(kāi)始時(shí)先給在上一幀中未傳完數據的節點(diǎn)申請時(shí)隙，以讓續傳信息優(yōu)先完成數據傳輸，然后再給在本幀中有數據傳送的節點(diǎn)申請時(shí)隙，且每幀中每個(gè)節點(diǎn)只能進(jìn)行一次時(shí)隙申請.具體的時(shí)隙分配過(guò)程如圖4所示，每一幀信令時(shí)隙S0由兩部分組成，第一部分S0為續傳申請時(shí)隙，其由h個(gè)信令小時(shí)隙組成，h為前一幀數據傳輸所占用的總時(shí)隙數，且在每輪數據的第一幀，h值為0.第二部分S02由m個(gè)信令小時(shí)隙組成，m為該簇內的所有節點(diǎn)數.由于每幀每個(gè)節點(diǎn)只能發(fā)送一次申請時(shí)隙的信令信息，因而在S01中申請時(shí)隙的節點(diǎn)不會(huì )在S02中重復申請時(shí)隙.如果某個(gè)節點(diǎn)在上一幀中有未傳輸完的數據，需要在本幀中傳輸，假定其在上一幀中的第i個(gè)時(shí)隙傳送，則在本幀中S01時(shí)隙的第S01i個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)簇頭計數器加1,計數器的值即為該節點(diǎn)在本幀中傳送的時(shí)隙位；如果某個(gè)節點(diǎn)在本幀中有需要傳輸的數據，假定其信令小時(shí)隙是第j個(gè)，則在S02時(shí)隙中的第S02j個(gè)信令小時(shí)隙中發(fā)送申請時(shí)隙信令，觸發(fā)簇頭計數器加1,計數器的值即為該信息在本幀中傳送的時(shí)隙位.計數器在每輪開(kāi)始時(shí)，初始化為0,并在每幀時(shí)隙申請完成之后立刻置0.

　　2.1.2 調度分配

　　這一階段簇頭根據時(shí)隙申請及觸發(fā)計數器生成的計數結果，廣播一個(gè)調度結果.該調度分配結果將數據時(shí)隙分為兩部分.第一部分是在S01申請續傳的時(shí)隙，假設有p個(gè)；第二部分是在S02申請新傳的時(shí)隙，假設有q個(gè).

　　這兩部分所占用的時(shí)隙數之和，即為下一幀用于申請續傳信息的信令小時(shí)隙的h（h = p + q）值.

　　下面以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明：

　　假設有m個(gè)節點(diǎn)，如圖5所示，用Ip表示第p個(gè)節點(diǎn)所傳的數據信息內容，用Sq表示第q個(gè)時(shí)隙，用S01i表示S01信令時(shí)隙中第i個(gè)信令小時(shí)隙，用S02j表示S02信令時(shí)隙中第j個(gè)信令小時(shí)隙.計數器的值在系統形成時(shí)已初始化為0.假設在第一幀中節點(diǎn)3.5.8有數據傳輸，因為是第一幀，所以不存在續傳信息，即沒(méi)有S01信令時(shí)隙，只有S02信令時(shí)隙.節點(diǎn)3在S02時(shí)隙中的第S023個(gè)信令小時(shí)隙中向簇頭發(fā)送申請時(shí)隙的信息，觸發(fā)計數器，因為該幀開(kāi)始時(shí)，計數器初始化為0,因而觸發(fā)后其值為1,故節點(diǎn)3的數據在第1時(shí)隙中傳輸，可表示為I3在S1中傳；同理節點(diǎn)5在S02時(shí)隙中第S025個(gè)信令小時(shí)隙中向簇頭發(fā)送申請時(shí)隙的信息，觸發(fā)記數器，記數器值增為2,表明節點(diǎn)5的數據在第2時(shí)隙中傳輸，表示為I5在S2中傳；同樣的道理可得節點(diǎn)8的數據在第3個(gè)時(shí)隙中傳輸，即I8在S3中傳.第一幀時(shí)隙申請完之后，將計數器置為0.這樣在第一幀中，節點(diǎn)3.5.8的數據依次在S1.S2.S3三個(gè)時(shí)隙中傳輸.第一幀的時(shí)隙總數為3（即下一幀的h值）.在第二幀中，假設節點(diǎn)3.8的數據在第一幀中未傳送完，需要在第二幀中續傳，同時(shí)節點(diǎn)1.4.9在本幀中有數據需要傳輸.由于前一幀的時(shí)隙總數為3,因而本幀的h值為3,即S01時(shí)隙中有3個(gè)信令小時(shí)隙，因為節點(diǎn)3在前一幀中所占的是第一時(shí)隙，因而節點(diǎn)3在S01時(shí)隙中的第S011個(gè)信令小時(shí)隙中發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)計數器，故節點(diǎn)3的續傳信息在本幀中的第1時(shí)隙傳送，可表示為I3在S1中傳；同理節點(diǎn)8在前一幀的第3時(shí)隙傳送數據，因而節點(diǎn)8在該幀中的S01時(shí)隙的第S013個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)計數器，計數器值加1,故節點(diǎn)8在該幀中的續傳信息在第2 時(shí)隙傳送，可表示為I8在S2中傳.接著(zhù)分配本幀中需要傳送信息的節點(diǎn)的時(shí)隙位置，節點(diǎn)1 在本幀中有數據需要傳輸，因而節點(diǎn)1 在S02時(shí)隙的第S021個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，繼續觸發(fā)計數器，計數器值加1,故節點(diǎn)1在該幀中的第3時(shí)隙傳送，可表示為I1在S3中傳；同理節點(diǎn)4在本幀中有數據需要傳輸，因而在S02時(shí)隙的第S024個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)計數器，計數器值加1,故節點(diǎn)4在該幀中的第4時(shí)隙傳送，可表示為I4在S4中傳；同理可得節點(diǎn)9在該幀中的第5時(shí)隙傳送，可表示為I9在S5中傳.由于每幀中每個(gè)節點(diǎn)只能申請一次時(shí)隙，因而續傳信息的節點(diǎn)不會(huì )在S02時(shí)隙中重復進(jìn)行時(shí)隙申請.本幀節點(diǎn)申請完時(shí)隙后，計數器初始化為0.這樣在第二幀中節點(diǎn)3.8的數據分別在第1.2時(shí)隙中進(jìn)行續傳，而節點(diǎn)1.4.9的數據分別在第3.4.5時(shí)隙中進(jìn)行傳輸.可以看出本幀總的傳輸時(shí)隙數為5（為下一幀的h值）.

　　2.1.3 數據傳輸

　　這一階段各個(gè)節點(diǎn)按照簇頭發(fā)送的調度信息，在各自分配的數據時(shí)隙中傳輸數據.如果節點(diǎn)在下一幀中仍有數據傳輸，則繼續在下一幀信令時(shí)隙S01時(shí)隙中對應的信令小時(shí)隙進(jìn)行時(shí)隙申請，完成調度，然后在分配的時(shí)隙中進(jìn)行數據傳輸即可.

　　在這種調度分配中，難免會(huì )遇到需要傳輸的數據極少甚至無(wú)數據傳輸的情況，為了避免調度的頻繁進(jìn)行或睡眠時(shí)間過(guò)長(cháng)，需要設定一個(gè)最小幀長(cháng)，這個(gè)需要依據實(shí)際應用中要求的而定.本方案中依據所占用的平均時(shí)隙數而定.

　　2.2 時(shí)隙計算

　　在此調度方案中，使用的是幀長(cháng)不定.時(shí)隙定長(cháng)的方法，需要對時(shí)隙定義一個(gè)合適的長(cháng)度，過(guò)大會(huì )使空閑時(shí)間過(guò)長(cháng)，浪費資源，過(guò)小又會(huì )使調度次數增多.按照節點(diǎn)的負載與信道容量的關(guān)系，給出如下時(shí)隙計算公式：

　　式中：ts表示所選的時(shí)隙大??；bavg表示各節點(diǎn)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)通信負載的平均量；bk表示各個(gè)節點(diǎn)可能產(chǎn)生的業(yè)務(wù)負載量的值；m表示簇中的節點(diǎn)數；C表示信道容量.

　　3 仿真實(shí)驗及結果分析

　　3.1 仿真參數設置

　　為了驗證本方法的有效性和通用性，在不同負載情況下，對IM-TDMA,BCMAC和傳統的TDMA協(xié)議的平均時(shí)延和平均能量消耗進(jìn)行了仿真對比實(shí)驗.仿真環(huán)境如下：

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍為100 m×100 m,節點(diǎn)數為50,數據包大小為512 B,模擬時(shí)間為1 000 s,簇半徑為30 m,數據包由CBR流量產(chǎn)生器產(chǎn)生.

　　3.2 仿真結果分析

　　三種協(xié)議在平均時(shí)延方面的對比如圖6 所示.可以看出，IM-TDMA協(xié)議比TDMA協(xié)議和BCMAC協(xié)議的時(shí)延都小，這是因為IM-TDMA 協(xié)議根據節點(diǎn)流量來(lái)動(dòng)態(tài)調節幀長(cháng)，提高了信道利用率，因而數據的傳輸時(shí)延較小.

　　三種協(xié)議在平均能量消耗方面的比較如圖7 所示.由圖7可以看出，當網(wǎng)絡(luò )數據流量較大時(shí)，TDMA協(xié)議的能耗較??；而當網(wǎng)絡(luò )數據流量較小時(shí)，IM-TDMA協(xié)議的能耗較小.這是因為當數據量較大時(shí)，簇頭調度開(kāi)銷(xiāo)所消耗的能量占主導地位，因而TDMA的能耗較BC-MAC和IM-TDMA協(xié)議較小.當網(wǎng)絡(luò )數據較小時(shí)，由于TDMA在沒(méi)有數據傳輸時(shí)也要保持偵聽(tīng)狀態(tài)，因此能耗較大.而B(niǎo)CMAC 協(xié)議雖然不用在整個(gè)過(guò)程中保持偵聽(tīng)，但幀長(cháng)度固定，因而能耗較IM-TDMA協(xié)議大.

　　從仿真結果可以看出，IM-TDMA 協(xié)議較TDMA 協(xié)議和BCMAC協(xié)議在能耗和時(shí)延方面更優(yōu).

　　4 結語(yǔ)

　　本方案是對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議方案進(jìn)行的設計.傳統的TDMA 分配方案在時(shí)隙分配上采用固定幀長(cháng)的方式，信道利用率低；在調度方法上偵聽(tīng)時(shí)間過(guò)長(cháng).過(guò)程復雜，造成能量的浪費.文中的IM-TDMA 調度方案能夠克服上述不足，在時(shí)隙分配上，采用依據即時(shí)信息，動(dòng)態(tài)改變幀長(cháng)的方式，提高了信道利用率；在調度方法上，采用計數器管理方式，簡(jiǎn)化了調度復雜性，節約了能量的消耗.仿真結果表明，本方案效果極好.