无线传感器网络中节能MAC协议的研究

1.2 S—MAC 协议的缺点分析

可以说 S—MAC 协议考虑的十分全面，但还是有其自身的缺点，首先，周期性睡眠监 听中的同步带来了一定的控制包开销(同步包)，并且同步的维护将消耗掉节点并不充裕的空 间资源。另外，睡眠工作周期受到各个方面的限制，并不能达到超低功耗的要求(周期长度 受限于延迟要求和缓存大小，而周期长度直接反映节能效率)，其次，在大规模的的传感网 中，周期性睡眠*将会带来难以忍受的延迟问题(流量自适应侦听并不能有效解决)，最后， 边界节点的消耗能量要比普通节点大的多，导致节点间的能量消耗并不平衡。

1.3 TMAC 协议

针对 S—MAC 协议不能根据网络负载自适应地调整占空比的问题，TMAC 协议在保持侦听和睡眠时间总和不变的基础上，该协议设定了一个最小的空闲侦听时间TA，在从睡眠 状态唤醒之后，若在该TA 时间段中没有发生激活事件，则又重新进入睡眠周期，否则继续 增加一个TA 保持侦听状态。通过这种方式，节点可以提前结束侦听时间进入睡眠从而减少 能耗，但同时也带来了早睡问题，虽然为解决这些问题提出了未来请求发送和满缓冲区优先 方法，但结果并不理想。

1.4 Sehedules 类协议的总结

从上面的两个协议的分析可以看出 Schedules 类协议可以达到较好的功耗控制，且比 较容易融合各种功耗控制的相关技术，但相应的设计和实现却更加的复杂，如网络启动时如 何实现同步，怎样维护同步以及新节点的加入等，并会引入一些其它的额外开销，如同步包 的控制开销，维护调度表的资源开销等，最后，还会带来累积延迟问题。

二 更节能的新MAC 协议的研究和设计

2.1 节点能量浪费的主要原因

通过大量的实验和理论分析论证，归纳出可能造成网络中节点能量浪费的几方面原因: (l)竞争信道消耗。节点要发送或接收数据，使用共享的无线信道，可能引起多个节点 之间发送的数据发生碰撞，而—旦发生碰撞现象，为了保证数据的完整性，节点必须重传数 据，这也就造成了节点的能量浪费。

(2)串音现象。节点接收处理冗余数据(大量相同或近似数据)导致能量的浪费。

(3)过度的空闲侦听。节点除了发送数据外，其他时间段都处于空闲状态，以便侦听信 道随时准备接收可能传输给自己的数据。而根据文献[4]处于空闲状态的节点也要消耗大量 的能量。

(4)控制信息开销。节点在传输数据时会加入—些额外的控制信息，从而加长了数据帧 长度，数据量的增加造成了额外的能量开销。

2.2 新协议的设计:自适应调整占空比MAC 协议

2.1.1 设计思路

文献[5]也提出了一种ADC-MAC 协议，其工作原理是根据网络中的负载即数据流量的大 小，来改变节点处于侦听状态下的时间。其优点是可以灵活的调节*时间，但也带来了一 些问题，首先，繁琐的计算公式带来了额外的参数传输和开销管理。其次，频繁的变动DC (Duty_cycle 占空比)会造成额外的硬件响应时延。

新协议是在S—MAC 协议的基础上，根据业务量的大小来调节*时间。可是直接判断 业务流量的大小有一定的困难，我们考量S-MAC 协议设定的重传数值这一参数。设定当重传 次数为5 时，业务流量大小记录为Ts，当网络流量>Ts 时，DC=20%。当网络流量Ts: DC=30%。同样的理由， 当连续5 个周期网络流量

2.2.2 仿真分析

本文采用了由UC Berkeley 开发的、面向对象的、离散事件驱动的网络环境模拟器NS-2 对改进的S-MAC 协议进行了仿真实验，分别对S—MAC 协议和基于数据流量自适应调整占空 比的新MAC 协议的网络性能进行比较，这里的性能主要指数据收发比、平均占空比以及能耗。 数据收发比是指目的节点总的收到的数据包数与源节点总的发包数的比值，能耗指的是每成 功传送lbit 数据所消耗的能量。

仿真中有关参数设置如下:无线设备带宽100kbps,传输范围250m,干扰范围550m,包长 度100 字节,传输功率0.66 瓦,接收功率0.395 瓦,空闲*时耗电0.35 瓦,休眠时耗电忽略 不计设为0。根据无线参数和包的长度,S-MAC 协议的活动时间设为20ms。