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基于SMAC的无线传感器网络MAC协议的分析与优化

发布日期:2020-08-25 18:38

  协议。该协议在S-MAC协议的基础上改进了固定占空比的劣势,根据每个节点上的数据包的平均延迟调整占空比。通过动态地调整每个节点的占空比,使不同流量的节点拥有不同的工作时间,协议根据不同节点的流量情况自适应地对其占空比进行调整。经过仿真试验,得到ATC-MAC在端对端延迟、能量消耗以及吞吐量方面较S-MAC协议都有比较明显的提高。

  无线传感器网络协议ATC-SMAC主要是提高基于竞争的S-MAC协议的能量使用率,同时减少S-MAC协议的网络延迟。ATC-SMAC协议通过自适应地调整每一个节点的占空比,让节点在不同的流量下使用不同的占空比工作,做到流量大时工作更长的时间,流量小时工作更短的时间,没有流量的时候就不工作。

  S-MAC协议是一种基于竞争的控制协议,具有同步机制功能与无中心等特点,不需要局部或全局中心主节点的调度传感器节点自己发现邻居节点,并合理地安排占用信道的时间。

  S-MAC协议时间分为若干个帧,帧长度由应用程序来确定,帧内分为活动与睡眠两个部分。在睡觉时段,节点关闭发送器模块,缓存在此时负责采集数据信息,数据在等待序列中,到活动阶段集中进行发送。在活动开始时,发送节点进入同步机制决定帧长度的确定方式,之后通过(RTS/CTS/DATA/ACK)机制发送数据信息,这个机制能够避免因冲突产生的能耗。通过同步机制,局部的节点之间可以采用相同的时间周期,采用相同的工作休眠策略,它方便了无线传感器网络发现新节点。

  为了减少无线传感器网络消耗的能量,在IEEE 802.11基础上提出了一种专门的传感器网络MAC协议S-MAc协议。无线传感器网络的冲突重传、接收到不是发送给自己的数据、控制信号、空闲侦听等造成传感器网络耗能的原因。它引入了节点间的SYNC机制,允许没有数据发送和接收的节点进入休眠状态以节省耗能。但根据前文所讨论的,睡眠的本身会引起数据的传输中断,从而增加延时。下面将具体分析S-MAC协议是怎么节能的。

  S-MAC协议的工作是按照周期进行的,在每个周期里,每一个基于S-MAC协议的节点都会工作一段时间、睡眠一段时间,通过减少节点的工作时间来节省能量。如图1所示S-MAC协议的一个周期包含了睡眠和侦听两个阶段,侦听阶段属于工作阶段,侦听阶段如果收到数据包,则节点之间会建立通信。如果节点处于睡眠状态,则节点不能接收任何数据,发送给它的数据都会被阻塞。处于睡眠状态的节点会在一定时间后醒来。在S-MAC协议中,相邻的节点是尽量同时睡眠同时侦听的,为了保证时间上的一致,防止时钟偏移,不同节点间需要定期广播同步包来交换时间信息,从而进行调整,做到同步。

  S-MAC协议使用了“虚拟簇”的机制,在“虚拟簇”机制下,节点之间的调度信息是通过节点广播SYNC包来实现的。S-MAC协议使用调度表来保存调度信息,每一个节点会保存一个调度表。节点会在启动的初期监听一段时间,因为S-MAC协议是固定占空比的,所以这段时间是固定的。在监听的这段时间,如果节点能够收到邻居节点的调度信息,则它使用邻居节点的调度周期更新自己的调度周期,并且它会在一段时间后广播自己的调度信息。如果接收到的邻居节点的调度方式与自己的调度方式相同,则调度方式不变;如果发现邻居节点的调度方式与自己不同,而且还没有收到与自己调度方式相同的节点消息,则使用新的调度方式进行调度。

  基于竞争MAC协议能量消耗的一个重要原因就是串音。在S-MAC协议中,如果节点收到不是发送给自己的RTS数据包或CTS数据包,节点会直接进入睡眠状态。这样,发送数据包的节点就不会把数据包和ACK报文发送到刚刚进入睡眠的节点,从而减少了节点处理这些数据包所消耗的能量。

  竞争信道时产生的碰撞是每一个竞争类协议都会碰到的问题,S-MAC协议也对该问题进行了解决,尽量减少不必要的能量浪费。

  如果传感器网络传递比较长的数据包,一个包出错就会重传,这就将耗费比较多的能量。S-MAC为了解决这个问题采用了消息分段机制,将长消息分成几个小的消息发送出去。

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