1、第33卷第6期 2010年6月合肥工業大學學報(自然科學版JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY收稿日期:2009 06 09基金項目:國家自然科學基金資助項目(60873003作者簡介:樊高雁(1981-,男,安徽合肥人,合肥工業大學碩士生;張維勇(1949-,男,江蘇蘇州人,合肥工業大學教授,碩士生導師.無線傳感器網絡S M AC 協議的節能改進樊高雁, 張維勇, 馬學森, 程 敏(合肥工業大學安全關鍵工業測控技術教育部工程研究中心,安徽合肥 230009摘 要:無線傳感器網絡S M AC 協議中,節點之間的同步偵聽與

2、睡眠機制使得不需要發送和接收數據的節點過早醒來,參與到偵聽信道的活動當中,增加了節點能量的消耗。文章針對這一問題,提出了一種改進方案;通過同步RT S 發送的機制,有效地減少了節點的空閑偵聽時間,節省了網絡能量的消耗;并通過仿真實驗證明了該方案的有效性。關鍵詞:無線傳感器網絡;S M A C 協議;低能耗中圖分類號:T P393 文獻標志碼:A 文章編號:1003 5060(201006 0832 05Energy saving improvement of S MAC protocol for wireless sensor netw orkFAN Gao y an, ZH ANG Wei

3、y ong , MA Xue sen, CH ENG M in(Engineering Resear ch C enter of Safety Critical Indus trial M easu rement and Control Techn ology of M inistry of E ducation ,H efei Univer s ity of T echnolgy,Hefei 230009,Chin aAbstract:The coordinated listening and sleeping m echanism of the S M AC pro to col in w

4、 ireless senso r netw ork forces the nodes w hich hav e no need to send and receive data to w ake up ear ly and listen to the channel,w hich leads to ex tra energy consumption.This paper puts forw ard an improved S M AC pro to col to solv e this pro blem.T hro ug h the coordinated transmission of RT

5、S,the time of idle listen ing is saved and the energ y co nsum ption is reduced.The simulation results sho w that this im prov ed scheme is effective.Key words:wireless sensor netw o rk;S M AC protocol;low energy consumption0 引 言無線傳感器網絡1就是由大量部署在監測區域內的廉價微型傳感器節點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡體系。無線傳感器網絡能夠廣泛應用

6、于軍事、環境監測和預報、健康護理及智能家居等各領域2。無線傳感器網絡MAC 層協議決定了無線信道的使用方式,根據研究表明,傳感器網絡的能量絕大部分消耗在節點間的無線通信上3。一般認為,無線傳感器網絡的功耗性能是其最主要的性能指標之一4。因此,設計出高效的MA C 協議,使它能夠合理地在傳感器節點間分配信道,對降低網絡能量消耗、延長網絡使用壽命十分重要。1 S M A C 協議的分析和改進(1S MA C 協議的分析。S MAC (Senso r MAC協議是在802 11MAC 協議5的基礎上,針對傳感器網絡節省能量的需求而提出的傳感器網絡M AC 協議。研究表明,空閑偵聽大約消耗節點通信能量

7、的1/36。為了達到節省能量損耗的目的,S MAC 主要采用了周期性的偵聽和睡眠機制7,這個機制中,每個傳感器節點并不是始終處于偵聽狀態,而是周期性地睡眠一段時間,然后醒來進入活動狀態,在活動狀態中,如果節點需要發送數據,則應通過競爭實現信道的接入。反之,則對信道進行空閑偵聽,以判斷其自身是否參與到相鄰節點的數據傳輸過程中。若節點不參與到通信的過程中,則當其活動狀態結束后,該節點進入睡眠狀態。S MA C 協議存在以下主要問題:S M AC 協議中同一個虛擬簇中的所有節點要同時從睡眠狀態轉換到活動狀態,如果其中的節點有數據需要發送,該節點就開始了對信道的競爭。若節點競爭信道成功,則進行數據的發

8、送。而那些無數據要發送的節點,雖然其本身不需要利用信道,但由于該節點無法預測何時自身會成為數據的接收方,所以造成它在活動狀態下必須始終保持對信道的監聽。這樣會使得當網絡負載不是太大時,不需要發送數據的節點在活動的大部分時間里都是處于對信道的空閑監聽中,正是由于大量的節點往往都處于這種狀態,增加了節點的不必要的能量消耗,影響了網絡的使用壽命。(2S M AC 協議的改進。在S M AC 中,同一個虛擬簇中的所有節點同時進入活動狀態,如圖1 所示。圖1 S M AC 節點的活動狀態在S M AC 協議中,偵聽狀態被分為2個部分: 同步包(SYNC packet的發送與接收,由于協議中節點需要達到一

9、定的時間同步,因此采用同步包,可以消除時鐘漂移帶來的同步影響。 應用數據的傳輸。這2個部分都有一個競爭窗口,競爭窗口包含許多用于載波偵聽的時隙。如某節點需要發送一個SYN C 分組,那么該節點在同步包傳輸時刻到來后,隨機選擇一段時間完成載波偵聽。若在該段時間結束時沒有偵聽到信道中有數據傳輸,則該節點贏得信道競爭,立即開始發送其同步包。數據分組的發送,也存在這樣一個競爭窗口,然后才是請求幀的發送。不同的是在數據發送過程中,發送節點會在數據發送后不久收到一個來自接收節點發送的清除幀。在接 收方與發送方成功交換這2種幀之后,其它不參與到此次數據傳輸過程的節點將進入睡眠狀態,如果不采用自適應偵聽機制,

10、這些節點只有等到下一幀聽間隔到來后才會再次醒來。而參與傳輸的雙方節點在此之后將開始真正意義上的數據傳輸。這個過程一般會持續一段時間,如果在此次偵聽間隔到時之后數據的傳輸還沒有結束,發送節點和接收節點將不會根據它們自身的調度安排進入睡眠狀態,而是繼續此次數據的發送與接收,直到數據傳輸結束。通過上述過程的描述,可以看出無論對于同步包,還是普通數據包,在它們發送前都有一個競爭窗口,而正是這段競爭窗口時間內所有沒有數據需要發送的節點將處于空閑偵聽狀態,能量的浪費由此而產生。改進協議正是針對這一點,對S MA C 進行能耗的優化改進,以達到延長網絡生存期的目的。改進后的傳輸過程,如圖2所示。圖2 改進后

11、節點的活動狀態在改進的協議中,無論是同步包,還是普通數據包,其傳輸過程都將被進一步劃分為2個部分:信道競爭期和數據收發期。本文以普通數據包的傳輸為例說明數據收發的過程,此時節點進入數據發送的第2個階段,即普通數據發送階段。將這個階段的開始一段時間稱為信道競爭期,在此階段那些無數據需要發送的節點不進行空閑偵聽,而是進入睡眠狀態,從而節省了能量的消耗。只有那些需要發送數據的節點才處于活動狀態,參與到信道的競爭當中。這時所有此類節點均選擇一個隨機的載波偵聽時長,如某一節點在其自身的隨機的載波偵聽時長內未偵聽到信道上有數據傳輸,則該節點獲得信道。這時此節點立即發送td 長度的DS 干擾包,DS 干擾包

12、不含有任何有效數據,只是用來通知其它競爭節點,信道已被占用,停止競爭。其它節點在收到DS 干擾包后就退出競爭,進入睡眠狀態,在發送完DS 后競爭833第6期樊高雁,等:無線傳感器網絡S M AC 協議的節能改進到信道的節點也進入睡眠狀態。所有節點在睡眠一定時間后,將同時醒來,此時進入數據收發期。獲得信道的節點立即發送RT S 包,而其它節點進入偵聽狀態,接收RT S 包。由于此時發送數據的節點是立刻進行數據發送的,因而,這個接收階段的時長相對于未改進的RT S 包接收階段的時長要小很多,從而使得節點的空閑偵聽時間相對得到了縮短,節省了能量消耗。在此之后的數據傳輸過程與S M AC 協議類似,發

13、送節點將偵聽到接收節點發送的CT S 幀,參與傳輸的雙方節點的鄰居節點串聽到RT S 、CT S 幀,而進入睡眠,發送方和接收方進行數據的傳輸。2 改進協議的性能分析(1時延分析。首先考察經典的S MAC 協議數據包的時延,對于一般的基于競爭的M AC 協議,從源節點到下一跳包的傳輸過程要受到6種時延的影響8,分別是:載波偵聽時延、退避窗口時延、傳輸時延、傳播時延、處理時延和排隊時延。而S M AC 協議,由于采用了周期性的睡眠機制,因而又引入一種新的時延,稱為睡眠時延。本文分析在網絡負載極輕的情況下數據包的延時,首先因為網絡負載極輕,可以假設此時只有一個數據包在網絡中傳輸,因此就不會產生退避

14、窗口時延與排隊時延。由于傳播時延和處理時延很小,可以進一步假設這2種時延忽略不計,只需考慮載波偵聽時延、傳輸時延和睡眠時延。假設從源節點到目的節點需要經過n 個轉發跳,每個轉發跳的載波偵聽時延是隨機的,記第n 個轉發跳的載波偵聽時延為t CS ,n ,數據的傳輸時延為t tx ,由于數據傳輸時延取決與數據分組長度,而在一次傳輸過程中數據分組長度不變,故t tx 固定。此外,記第n 個轉發跳的休眠時延為t S,n ,同步包的傳輸時間為t SY N ,一個完整的幀長度為T f 。數據包在第n 個轉發跳時所經歷的整個延時情況,如圖3 所示。圖3 S M AC 數據傳輸時延由圖4可知,第n 個轉發跳的

15、時延即為:D n =t S ,n +t SYN +t CS ,n +t tx (1在沒有自適應偵聽的S MA C 協議中,接收節點要將自己接收到的數據傳送給下一跳節點,它必須等待下一個偵聽間隔的到來,根據這一過程可得:T f =t SY N +t CS ,n 1+t tx +t S ,n(2綜合(1式和(2式,可得第n 個轉發跳的時延為:D n =T f +t CS ,n -t CS ,n -1(3需要注意的是第1個轉發跳是特殊的,這是因為源節點可以在任何時間產生一個分組。所以第1個轉發跳的休眠時延t S,1是一個隨機變量,其值位于(0,T f 之間。因此,根據(3式可以得出一個分組經過n 個

16、轉發跳后的總的時延為:D(N =D 1+!Nn=2Dn=t S,1+t SYN +t CS ,1+t tx +!Nn =2(Tf+t CS ,n -t CS ,n -1=t S,1+t SY N +(N -1T f +t CS ,n +t tx(4在改進的協議中,記同步包的傳輸時長為t SYN ,而應用數據包的競爭時長為t CSDA TA ,則改進后的數據在一次轉發跳中所經歷的時延為:D n =t S ,n +t SYN +t CSDATA +t tx(5 改進后的幀長度為:T f =t SY N +t CSDA TA +t tx +t S,n (6綜合(5式和(6式,可知應用數據包在經過n

17、跳之后總的時延為:D (n=D 1+!Nn=2Dn=t S ,1+t SYN +t CSDA TA +t tx +(n-1T f(7 (7式減(4式可得2種協議下的時延之差: t =t SYN -t SYN +t CSDATA -t CS ,n(8進一步分析(8式右邊的各個組成項。其中,t SYN 由2個時間段組成,第1個時間段是同步包的競爭期,記為t CSSYN ;第2個時間段是同步包的發送時間,記為t TxSYN 。同時在S M AC 協議中,同步包的發送也分為2個部分,其中的同步包發送時間和改進協議相等,同為t TxSYN ,而另一部分是同步包的載波偵聽時間,記為t CS 。因此可得:t

18、 =t CSSYN -t CS +t CSDAT A -t CS ,n(9(9式中,t CS 和t CS,n 均為一隨機數,此數的產生公式為t =rando m (#aslottim e 。其中,r andom (是在競爭窗口0,C W內均勻分布的偽隨機數,CW 是一個整數隨機數,其值處于標準規定的CW min 和CW max 之間;aslottime 是一個時間槽834合肥工業大學學報(自然科學版第33卷的時間。在改進協議中,t CSSY N 和t CSDA TA 的理論最小值應為t CS 和t CS,n 所能取到的最大值。綜上所述,可知改進后的一個n 跳數據包的傳輸時延比S M AC 協議

19、傳輸的時延所多出的平均時間長度為:E =12CW max shn #aslottime +12CW max data #aslottome (10根據(10式可知,改進后協議雖然在S M AC協議的基礎上引入了一定量的延時,但該延時十分有限,并沒有影響到網絡應用的實時性。(2能量分析。在S M AC 協議中,在活動狀態期間總是存在許多沒有數據要發送的節點,故稱為空閑節點。尤其是在網絡負載不是特別重的時候,這樣的空閑節點更多。而這些節點也要參與到信道的偵聽當中,使得空閑偵聽時間過長。特別是在對相鄰節點可能發送的RT S 偵聽中消耗了大量的能量。為簡化問題,假設一個偵聽時間間隔內共有n 個這樣空閑

20、節點。本文記節點的能量消耗為P ,節點的偵聽功率為p 1,這些空閑節點在一次偵聽間隔內共偵聽了3個部分的數據傳輸:對同步包的偵聽、對RT S 幀的偵聽以及對CT S 幀的偵聽,其偵聽時長分別記為t SYN 、t RTS 和t TxCTS 。進一步分析t SYN 和t RTS ,可以發現t SYN 由2部分組成:同步包發送前的競爭信道時間段,其長度記為t CSSYN ;同步包的發送時間段,其長度記為t TxSYN 。與之類似,RT S 幀的發送也分為信道競爭時間段t CSDATA 和RTS 發送時間段t TxRTS 。因此,可以計算出在S M AC 協議中,在一個偵聽間隔內這些空閑節點總共消耗的

21、能量為:P =np 1(t CSSYN +t T xSYN +t CSDATA +t T xRTS +t T xCTS (11而在改進的協議中,根據改進方案,這些空閑節點是不進行數據發送前的信道狀態偵聽的,因此這些節點的總的能量消耗為:P =np 1(t TxSY N +t TxRTS +t TxCT S (12用(11式減去(12式,可以計算出協議改進后在一次偵聽間隔內的所有空閑節點總共節約的能量,即p =np 1(t CSSY N +t CS D A TA (13由(13式可以看出,節省能量的多少與空閑節點的數量有緊密聯系。也就是說越是在網絡中 空閑節點多的情況下,即網絡負載越輕的時候,節

22、點所節省下的能量也就越多。這對于數據流量不大,網絡負載較輕的無線傳感器網絡而言是十分有益的。3 仿真分析利用NS2對改進前后的協議在能量消耗和傳輸延時2個方面進行仿真比較。其中,能量消耗是指從源節點發送一定數量的包到目的節點所消耗的總能量;延遲定義為傳輸一個數據包的每一跳時延。仿真實驗的參數選擇,見表1所列。協議的能耗仿真和延時比較,如圖4所示。表1 仿真參數的選擇仿真參數參數值發送功率/mW 接收功率/mW 空閑監聽功率/mW 睡眠功率/mW 數據包長度/Byte 控制包長度/Byte251413 5010010(a 能耗仿真 (b 延時仿真圖4 協議的能耗仿真和延時比較從圖4a 可以看出,

23、原S M AC 協議中隨著數據包的不斷增多,消耗的能量呈線性快速上升趨勢。而改進后的S MA C 協議能量消耗有明顯降低,但由于網絡負載的不斷加重,空閑節點逐漸變少,改進算法的效率逐漸降低,能量消耗將逐漸接近S M AC 協議。為了比較2種協議在網絡時延性能上的不同表現,在試驗中采用了10跳線性網絡拓撲來測試端到端的數據時延,源節點產生20條消息,每條消息100B 。數據傳輸過程中網絡負載很輕,即不產生退避窗口時延和排隊時延。2種MAC 協議的數據傳輸時延,如圖4b 所示。從圖4b 可以看出,2條時延線基本重合。這是因為雖然在改進協議中數據的發送推遲了時長,但是該時長與在S M AC 中引入的

24、睡眠時間相比是很小的,因此在改進協議中在下一跳中的(下轉第840頁835第6期樊高雁,等:無線傳感器網絡S M AC 協議的節能改進參 考 文 獻1 S teven s W R.T CP/IP詳解,卷1:協議M.范建華,譯.北京:機械工業出版社,2000:256-288.2 Puz man ovz R.路由與交換M.黃永峰,周 可,譯.北京:人民郵電出版社,2004:509-580.3 Ferreira A,Galtier J,Penn a P.T opological design,rou tin gand handover in satellite netw orks of handboo

25、k of w ireless n etw orks an d mobile computingM.New York:John Wi ley and Sons Inc,2002:473-507.4 Wood L.Intern et w ork ing w ith satellite constellationsD.Guildford:University of Surrey,2001.5 W alker J G.Satellite constellation sJ.J ou rnal of theBritis h Interplanetary S ociety,1984,37(12:559-57

26、2. 6 Re E D,Pierucci L.Next generation mobile satellite netw orksJ.IEEE Communication M agazine,2002,40(9: 150-159.7 W erner M,Delu cchi C,Vogel H.AT M based routing inLE O/M E O satellite netw orks w ith intersatellite link sJ.IEE E J ou rnal on Selected Areas in C om munications,1997, 15(1:69-82.8

27、 C han g S,Kim W.FSA bas ed lin k assignm ent and routing inlow earth orbit satellite netw ork sJ.IEEE Trans actions on Vehicular T ech nology,1998,47(3:1037-1048.9 Goun der V,Prakash R.Routing in L EO based satellite netw orksC/Proceedings of IEEE Emerging T ech nologies S ymposium on Wireless Comm

28、unications and S ystems, Rich ards on,1999:91-96.10 H ashim oto Y.Design of IP b as ed routing in a LE O satellite netw or kC/Proceedings of th e3rd InternationalW orksh op on Satellite Based Information S ervices,Dallas,1998:81-88.11 E kici E,Akyildiz F,Ben der D.A distributed routing algorithm for

29、 datagram traffic in LEO satellite n etw orksJ.IEEE/ACM T ransactions on Netw or king,2001,9(2:137-147.(責任編輯 張秋娟(上接第835頁睡眠時長縮短了這一時間,使得引入的時延并不會帶入到下一跳中,因此,在嚴格意義上,改進協議只是在第1跳與最后1跳中數據的傳輸時延略高于S M AC協議,且這段時間十分有限,對于絕大多數應用而言可以忽略不計。綜上所述,改進后的算法能夠在正常的網絡延遲情況下,進一步降低節點的能量消耗,延長了網絡的使用壽命。4 結束語本文分析了無線傳感器網絡S M AC協議,針對其節點對信道空閑偵聽時間過長,增加了空閑節點額外的能量消耗問題,提出了改進方法,使得在不增加網絡數據傳輸延時的條件下,無數據發送節點可以最大限度地降低對信道的空閑偵聽。通過仿真實驗,表明該方法具有較高的能量效率,可以有效地提高網絡的使用壽命。參 考 文 獻1 A kyildiz I F,