多个无线传感器网络中节能MAC协议设计
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇多个无线传感器网络中节能MAC协议设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
【 摘 要 】 在无线传感器网络中，媒体访问控制（mac）层协议影响着整个网络的性能。根据无线传感器网络对节点能耗和时延的要求，本文提出了一种基于跨层设计的节能MAC协议。利用物理层、MAC层和路由层之间的信息交互，在保证可靠通信的基础上，实现在一个监听/睡眠周期内数据多跳传输，缩短数据传输时延，并且有效控制网络数据传输的冗余度，降低冗余节点能量消耗。性能分析和仿真结果表明，节能MAC协议能够有效地降低网络时延并且减少节点能耗。
【 关键词 】 无线传感器网络；MAC；能量；时延
Design of Energy-efficient MAC Protocol in Wireless Sensor Networks
Zhu Liang
（Suzhou Institute of Industrial Technology JiangsuSuzhou 215104）
【 Abstract 】 In wireless sensor network， medium access control （MAC） protocol is important to effective communication. According to the requirement of network lifetime and energy consumption， taking account of the drawbacks in latency and efficient，we propose a cross layer-based MAC protocol. It uses the interactions among MAC， Routing and Physical layers， and realizes multi-hop data transmission in a listen / sleep cycle by utilizing the interactions among MAC， reduces multi-hop delay of the data delivery and takes the redundancy under control after weighing the energy-consumption to reduce energy consumption of redundant nodes for wireless sensor networks . The analysis and simulation show that the improved energy-efficient MAC protocol can improve channel utility， reduce latency and energy consumption.
【 Keywords 】 wireless sensor network； MAC； energy； latency
0 引言
与一般无线网络的部署不同，无线传感器网络节点一般部署在人们难以到达的区域，长时间监测环境数据，并采用自身携带的电池供电，能量无法得到及时的补充。因此，无线传感器的通信模块是节点能量的主要消耗者，而采用优化的通信协议可以节省很大部分的能量开销。其中，媒体访问控制协议决定着如何物理上使用无线信道，直接影响着传感器网络的电能消耗，所以是无线传感器网络节能的关键入手点之一。时延也在另一方面反映了无线传感器网络性能。在一些对时间敏感的应用中，节点监测到事件后需要立即将数据发送给汇聚节点，保证数据实时传输。取得节点能耗和时延的平衡也是协议设计要解决的重要问题。
1 无线传感器网络MAC协议概述
针对无线传感器网络的特殊应用要求，人们提出了多种无线传感器MAC协议； 其中，SMAC（Sensor MAC）、TDMAC（Time-out MAC）和PMAC（Pattern MAC）等协议是从基于竞争的802.11MAC协议演变而来；DMAC协议提出了层间交错的网络调度机制，在以sink为汇聚节点的数据汇聚树上，子节点的发送时期对应父亲节点的接收时期，在整条通信路径上，数据包能够通过子节点发送给父节点而不会出现早睡问题，降低了网络时延。由于无线链路信道的不稳定性，为了保证可靠的数据传输，节点在接收到数据后要发送ACK来进行确认；在共享的信道上，发送节点先发送一个RTS 控制帧请求数据发送，接收节点在接收到 RTS 请求后如果信道空闲就返回 CTS 应答，这样，链路信道上存在大量的冗余信息，增加了传感器网络的时延和能耗。
如图1所示，发送一个数据包所需要的额外控制帧开销，链路信道的有效利用率即每帧数据传输时间/每帧传输平均所占用信道时间如下：
=
可见每传输一个数据包需要额外传输一个 RTS 、CTS 和ACK时间的开销，增大了网络时延。影响传感器节点能量消耗的因素主要有几个方面。（1）发送消息冲突，冲突重传导致更多的节点能量消耗，在基于竞争的 MAC协议中，都存在竞争冲突问题。（2）串音问题。邻居节点接收并处理了发给别人的数据包并丢弃，消耗了节点能量。（3）多余的控制信息。节点在发送数据之前，先发送控制消息，保证数据可靠传输。节点需要接收并处理额外的控制信号，占用了较多的数据传输信道，产生了多余的时延和能量消耗，在保证数据信息正常传输的基础上减少控制信息可以减少节点开销。（4）空闲监听。节点在不需要进行通信的情况下，一直保持监听周围的无线信道，浪费节点能量。
2 节能MAC协议设计
2.1 协议架构
本文设计的节能MAC协议是基于跨层的一种MAC协议，它的跨层架构如图2所示。
节能MAC协议是基于跨层设计的一种MAC协议，它在保证可靠通信的基础上，通过动态增加冗余节点的休眠时间来实现降低网络能耗的方法。若节点竞争通信节点成功且被设置为自适应唤醒节点，则其监听/休眠周期示意图如图3所示。
如图3所示为一个监听/休眠周期，其中t1为监听时间，t3为休眠时间；t2：唤醒节点休眠时间。在同一个监听/休眠周期内，利用物理层的载波监听和路由层的路由信息找到数据传输的接收节点或数据传输的下一跳节点统称为预通信节点，综合预通信节点的剩余能量信息及网络数据传输的冗余度信息，筛选出满足转发数据条件的节点作为通信节点，其他与数据通信无关的节点会继续睡眠，避免由于节点空闲监听而造成的能耗，避开能量较小的冗余节点，达到平衡网络中能量分布的目的，同时实现了数据的多跳传输。
2.2 协议实现
网络节点采用周期监听/休眠机制，在每个周期内，协议的执行过程是一样的。协议的监听阶段分为三个：同步窗口SYNC、请求窗口RTS和响应窗口CTS。其中同步窗口采用与SMAC协议相同的操作，在这里不再描述了。对于控制帧RST/CTS，在帧RTS中增加目的接收节点地址，在帧CTS中增加下一跳接收节点地址。
节点随机监听信道一段时间，在无数据发送状态下，该节点在请求窗口一直处于监听状态直到请求窗口结束；在有数据发送的状态下，若监听到信道空闲或监听到载波信号但无法识别其中的信息，则节点立即发送RTS消息，若是监听到RTS消息，则本监听周期内该节点只能作为候选接收节点。
节点根据监听请求窗口的不同结果执行以下操作。
（1）如果节点在请求窗口接收到RTS消息，且此RST消息中包含的接收地址为该节点的地址，则设置该节点为预通信节点，进行通信节点的筛选过程；如果节点竞争为通信节点，则自动在响应窗口执行随机监听，监听到信道空闲则发送CTS消息，监听到信道忙则继续监听直到响应窗口结束；如果节点竞争失败，则转为休眠状态。
（2）如果节点在请求窗口成功发送了RTS消息，则自动在响应窗口进行随机监听；如果监听到CTS消息，而且消息中包含的接收地址为该节点地址，则设置此节点为预通信节点，并执行通信节点的筛选过程；如果节点竞争为通信节点，则将发送数据报文；如果节点竞争失败，则转为睡眠状态；如果监听到CTS消息中包含的接收地址与该节点地址不同，则节点进入休眠状态。
（3）如果节点在请求窗口监听到的信号为空闲或载波标示，无法解码其中的信息，则节点继续监听，直到响应时间窗口结束。若是节点监听到载波信号，但无法识别其中的信息或者在响应时间窗口期间监听到CTS消息，且消息中含有的下一跳节点地址为该节点地址则把这两类节点同时作为下一跳节点定义为预通信节点，对该两类节点执行通信节点筛选操作，若竞争为通信节点则把该两类节点设置为自适应唤醒节点，在响应时间窗口结束后经过时间t3的短暂睡眠后唤醒，若竞争失败则直接进入休眠等待下一周期监听时唤醒；若听到的CTS消息中含有的下一跳节点地址不是该节点地址则直接进入睡眠状态。
节点根据周期监听结果，执行以下不同操作。
（1）节点在监听期间发送RTS消息且成功收到CTS消息，在多个冗余节点中竞争为通信节点则发送数据报文DATA，在监听到确认报文ACK后进入睡眠状态。
（2）若在冗余节点中竞争为下一跳的通信节点，被设置为自适应唤醒节点，则根据CLLEMAC协议规定的从睡眠开始时间到自适应唤醒时间为t3，节点经历t3 时间的睡眠后执行自适应唤醒操作，唤醒后节点执行请求窗口和响应窗口的监听操作，并在成功建立数据链路后执行数据报文DATA的传递，并且在同一周期内可以进一步连续多跳发送数据报文。
2.3 节点筛选
为了均衡网络节点能量，延长网络生命周期，协议在监听期间对节点剩余能量和网络数据冗余门限进行权衡计算，执行筛选通信节点的操作，其中竞争失败的冗余节点进入睡眠，竞争成功的节点作为通信节点执行数据发送或者执行自适应唤醒操作。这样可以在每一个监听时间窗口动态筛选出剩余能量低的冗余节点进入休眠，同时不影响数据报文在网络中的多跳可靠传输。筛选通信节点的工作流程图如图4所示。
3 实验仿真
论文最后对协议的有效性进行了实验验证，假设网络节点随机分布在100 m × 100 m的区域内，其中试验参数根据协议中经典值选取。图5为在不同的发包间隔内，节点在SMAC协议、ASMAC协议和节能MAC协议的网络传输中连续发送一定数量数据包时能量总消耗对比关系。
由图5可见，在发包间隔较短时，节能MAC协议总体耗能较大，主要由于在负载大的情况下，节能MAC协议的数据传输效率高，导致整个网络耗能较大。在随着发包速率的降低，节能MAC协议协议便体现出了较好的能量效率。设置不同的冗余门限值，仿真结果表明节能MAC协议协议和冗余控制的协同作用使得降低网络能耗的效果更加显著。
4 结论
为了满足实际应用中低能耗、短时延和高可靠性的要求，本文提出一种基于跨层设计的节能MAC协议，它结合物理层的载波监听和路由层的路由信息，自主决策唤醒节点，缩短传输延迟并且在保证可靠通信的基础上，有效控制冗余，均衡网络能耗，延长网络寿命。仿真实验表明节能MAC协议比较适合于对可靠性和实时性要求高的无线传感器网络。
参考文献
[1] 孙利民，李建中，陈渝等.无线传感器网络[M].北京： 清华大学出版社，2005：24-27.
[2] REN Q C，LIANG Q L.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[A]. Proceedings of IEEE Global Telecommunications Conference[C]. St Louis， USA， 2005.2-6.
[3] Y. Yu， B Krishnamachari， and V Prasanna，"Exploring Energy-Latency Tradeoffs for Data Gathering in Wireless Sensor Networks， IEEE JSAC， 2005 or in IEEE Infocom 2004.
[4] Srinivasa R ，Santosh K.A Binary Countdown Medium Access Control Protocol scheme for wireless sensor networks[C] .Proceedings of the l0th International Conference on Information Technology ，Rourkela ，Orissa， India，2007：122—126.
[5] 陈德福，陶正苏，朱建平.一种自适应监听的异步无线传感器网络MAC协议[J].电子与信息学报，2011，33（6）：1290-1293.
[6] Shen J， Yi Fl， Sangman M.Energy Efficiency of MAC Protocols in Wireless Sensor Networks[C].Proc.of 2011 International Conference on the Information Science and Application， 2011，23：1-10.
作者简介：
朱亮（1980-），女，汉族，江苏太仓人，讲师，硕士；研究方向：计算机网络、物联网。