摘要：本文分析了當前主流的低功耗MAC協議Schedules及其擴展協議,并對這類協議的優缺點進行對比分析。在此研究分析的基礎上,研究了造成節點能量浪費的主要原因,并提供了一種新的更節能的MAC協議的研究方向。 最后,在NS2網絡仿真環境平臺中進行仿真實驗,結果達到預期目標。本文的研究對無線傳感器網絡的能量高效性做了有益的探索,能夠在一定程度上解決制約其投入應用的能耗瓶頸。

　　引言

　　無線傳感器網絡是由大量傳感器節點構成的一種特殊 Ad Hoc 網絡，主要用于數據的 采集和傳輸，有著廣泛的應用前景。由于傳感器節點一般由電池供電，且節點的體積微小， 而電池能夠攜帶的能量非量有限，因此，節省能耗是無線傳感器網絡中的一個研究熱點。 人們提出了許多有效的 MAC 層協議[1]，其中以S—MAC 最具有代表性。它一方面繼承 了IEEE802.11 MAC[2] 協議中的基本機制，另—方面采用周期性睡眠工作方式，有效降低了 能耗,因此成為傳感器網絡中廣受關注的MAC 協議之一。本文將詳細分析以S—MAC 為代表的 Schedule 類協議原理和性能，并在此基礎上探討更節能的MAC 協議的研究和設計。

　　一 Schedule 類協議

　　1．1 S—MAC 協議

　　S—MAC(Schedules MAC)協議是基于時間調度協議的代表，它融合了幾乎所有的無線 網絡的節能技術。S—MAC 協議的主要目的就是節能，它的最主要的思想是通過周期性的 休眠來使得射頻低占空比運行。另外它還融入了其它的節能技術，如沖突避免和串音避免， 還有消息傳遞以及自適應偵聽機制。

　　周期性和睡眠

　　周期性和睡眠是 S—MAC 協議的最精華部分。在許多傳感器網絡應用中，大多都 是小數據量應用，即周期內只有少量數據，而其它很長的時間內都沒有數據。因此，S—MAC 協議通過讓節點進入周期性睡眠模式來減少*時間。例如，如果每秒鐘讓節點休眠半秒， 而另半秒進入空閑*，那么該節點的radio 工作的占空因數(dutycyde)就減少到50%，即能 夠節省近50%的能量。

　　周期性和睡眠的基本機制是偵察→睡眠→偵察→睡眠，每個節點在一段時間內睡眠，然后在醒過來后立即進入空閑狀態來信道；在睡眠時，節點關閉它的射頻，并 使用一個定時器來定時喚醒。睡眠的持續時間可以根據不同應用場景來選擇。一般為了同步方便，所有節點可以設置相同的睡眠和喚醒時間。每個節點通過向鄰居廣播自己的調度信息來實現鄰居節點間的調度信息的共享，同時每個節點都要為鄰居維護一張調度表，里 面記錄了各個鄰居節點的調度信息。

　　消息傳遞

　　S—MAC 的方法是把長信息分割為許多小的片斷，然后傳輸它們。但是只在一開始使 用一個RTS 分組和—個CTS 分組。每次傳輸一個數據片斷分組，發送者等待接收者送來的 ACK。每個數據片段和其ACK 都附帶有—個剩余時間域，其意義是告知鄰居節點還需占用 信道多長時間，即相當于預約了信道整個消息發送所需要的時間。因此如果沒能夠接收到 ACK，節點可以擴展傳輸時間，并迅速重傳現有的片斷，如圖1 所示。

　　正常工作圖顯示了在發送 RTS 包的時候，剩余時間域就已經為整個消息的發送預留了 占用信道的時間，而后的數據包和ACK 包中的時間隨著包的發送依次遞減。而重發工作圖 中顯示，當發送方的一個片段包未收到ACK 時，它立刻重發且擴展了剩余時間。由于每個 分組和ACK 都有剩余時間域，因此即使有節點提前醒來(由于重發耽誤了時間)，也可以得 到新的剩余時間，而再次進入睡眠，等待發送結束。在每個數據片斷后使用ACK 的目的是 預防隱藏終端問題。在傳輸過程中，一個鄰居節點醒來或新節點加入都是可能的。如果節點 只是接收者的鄰居而不是發送者的，它就不會聽到發送者正在傳輸的數據片斷。如果接收者 并沒有頻繁的發送ACK，新節點也許會錯誤的從它的載波偵聽中推斷媒介是空閑的，并開 始發送數據，從而導致現有的傳輸將會在接收者處被損壞。

　　1.2 S—MAC 協議的缺點分析

　　可以說 S—MAC 協議考慮的十分全面，但還是有其自身的缺點，首先，周期性睡眠監 聽中的同步帶來了一定的控制包開銷(同步包)，并且同步的維護將消耗掉節點并不充裕的空 間資源。另外，睡眠工作周期受到各個方面的限制，并不能達到超低功耗的要求(周期長度 受限于延遲要求和緩存大小，而周期長度直接反映節能效率)，其次，在大規模的的傳感網 中，周期性睡眠*將會帶來難以忍受的延遲問題(流量自適應偵聽并不能有效解決)，最后， 邊界節點的消耗能量要比普通節點大的多，導致節點間的能量消耗并不平衡。

　　1.3 TMAC 協議

　　針對 S—MAC 協議不能根據網絡負載自適應地調整占空比的問題，TMAC 協議在保持偵聽和睡眠時間總和不變的基礎上，該協議設定了一個最小的空閑偵聽時間TA，在從睡眠 狀態喚醒之后，若在該TA 時間段中沒有發生激活事件，則又重新進入睡眠周期，否則繼續 增加一個TA 保持偵聽狀態。通過這種方式，節點可以提前結束偵聽時間進入睡眠從而減少 能耗，但同時也帶來了早睡問題，雖然為解決這些問題提出了未來請求發送和滿緩沖區優先 方法，但結果并不理想。

　　1.4 Sehedules 類協議的總結

　　從上面的兩個協議的分析可以看出 Schedules 類協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技術，但相應的設計和實現卻更加的復雜，如網絡啟動時如 何實現同步，怎樣維護同步以及新節點的加入等，并會引入一些其它的額外開銷，如同步包 的控制開銷，維護調度表的資源開銷等，最后，還會帶來累積延遲問題。

　　二 更節能的新MAC 協議的研究和設計

　　2.1 節點能量浪費的主要原因

　　通過大量的實驗和理論分析論證，歸納出可能造成網絡中節點能量浪費的幾方面原因: (l)競爭信道消耗。節點要發送或接收數據，使用共享的無線信道，可能引起多個節點 之間發送的數據發生碰撞，而—旦發生碰撞現象，為了保證數據的完整性，節點必須重傳數 據，這也就造成了節點的能量浪費。

　　(2)串音現象。節點接收處理冗余數據（大量相同或近似數據）導致能量的浪費。

　　(3)過度的空閑偵聽。節點除了發送數據外，其他時間段都處于空閑狀態，以便偵聽信 道隨時準備接收可能傳輸給自己的數據。而根據文獻[4]處于空閑狀態的節點也要消耗大量 的能量。

　　(4)控制信息開銷。節點在傳輸數據時會加入—些額外的控制信息，從而加長了數據幀 長度，數據量的增加造成了額外的能量開銷。

　　2.2 新協議的設計:自適應調整占空比MAC 協議

　　2.1.1 設計思路

　　文獻[5]也提出了一種ADC-MAC 協議，其工作原理是根據網絡中的負載即數據流量的大 小，來改變節點處于偵聽狀態下的時間。其優點是可以靈活的調節時間，但也帶來了一 些問題，首先，繁瑣的計算公式帶來了額外的參數傳輸和開銷管理。其次，頻繁的變動DC （Duty_cycle 占空比）會造成額外的硬件響應時延。

　　新協議是在S—MAC 協議的基礎上，根據業務量的大小來調節*時間。可是直接判斷 業務流量的大小有一定的困難，我們考量S-MAC 協議設定的重傳數值這一參數。設定當重傳次數為5 時，業務流量大小記錄為Ts，當網絡流量>Ts 時，DC＝20%。當網絡流量Ts: DC＝30%。同樣的理由， 當連續5 個周期網絡流量

　　2.2.2 仿真分析

　　本文采用了由UC Berkeley 開發的、面向對象的、離散事件驅動的網絡環境模擬器NS-2 對改進的S-MAC 協議進行了仿真實驗，分別對S—MAC 協議和基于數據流量自適應調整占空 比的新MAC 協議的網絡性能進行比較，這里的性能主要指數據收發比、平均占空比以及能耗。 數據收發比是指目的節點總的收到的數據包數與源節點總的發包數的比值，能耗指的是每成 功傳送lbit 數據所消耗的能量。

　　仿真中有關參數設置如下:無線設備帶寬100kbps,傳輸范圍250m,干擾范圍550m,包長 度100 字節,傳輸功率0.66 瓦,接收功率0.395 瓦,空閑時耗電0.35 瓦,休眠時耗電忽略 不計設為0。根據無線參數和包的長度,S-MAC 協議的活動時間設為20ms。

　　圖2 中，對比的是在不同大小的業務量下，S-MAC 和新的MAC 協議的數據收發比。X 軸坐標就是業務量，其1 個單位為網絡重傳次數為5 時的業務量大小。在業務量較小時，兩 者幾乎沒有區別，且由于連續五個周期業務流量

　　圖3 中，采用S—MAC 協議的節點始終保持設定的占空比10%不變，而新協議自適應 的應付網絡中的數據量，調節占空比。

　　圖4 中，在業務量較小時，由于減少了偵聽時間的占空比，減少了空閑狀態下的能量消 耗。在網絡負載較重時，由于新協議增加了偵聽時間的占空比，導致能量消耗要遠大于S— MAC，但提供了更好網絡的傳輸性能。而且綜合來看，新協議能耗更小。

　　總結分析

　　本文分析了無線傳感器網絡MAC 層協議目前所存在的問題：S 一MAC 協議無法根據 網絡中的數據流量自適應地改變占空比，進一步節省能耗；同時，也探討了基于此問題開發 的MAC 層協議存在的種種問題。在此基礎上，提出了根據節點間數據包重傳次數來判斷當 前網絡數據流量大小，即根據前5 個周期內的加權平均重傳次數判斷當前的網絡數據流量， 當平均值超出閾值，則應增加偵聽時間的占空比，反之，則減小偵聽時間的占空比，且為應 對網絡數據流量突然增加的突發狀況，對節點偵聽時間的占空比進行擴增，從而應付網絡中 的大數據流量。通過仿真實驗，采用新協議的網絡性能得到了一定程度的改善，也驗證了設 計的算法的可行性。

　　本文作者創新點：對無線傳感器網絡的能量高效性做了有益的探索，詳細分析了以 S —MAC 為代表的Schedule 類協議原理和性能，在此基礎上探討了一種新的更節能的MAC 協議 的研究和設計，并在NS2 網絡上進行了仿真實驗驗證。