【導(dǎo)讀】的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，能量極為有限的特點決定了其MAC層協(xié)議的設(shè)計。要以最小化能耗為首要目標(biāo)。本文基于S—MAC協(xié)議，研究了無線傳感器中MAC. 層協(xié)議的節(jié)能策略，提出了節(jié)能高效的MAC層協(xié)議。能機制，指出了該協(xié)議中存在的問題。其次，以節(jié)能為目標(biāo)，提出了PCMP．SMAC(PowerControl. 策略，引入功率控制技術(shù)。通過在NS．2中進行網(wǎng)絡(luò)模擬，結(jié)果表明該協(xié)議可減少網(wǎng)絡(luò)能量。協(xié)議改善了節(jié)點的節(jié)能性能和網(wǎng)絡(luò)時延性能，提高了事件監(jiān)測的可靠性。

　　

【正文】 活動時間固定、無法適應(yīng)通訊負載變化的題目而提出來的。它在保持周期長度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通訊流量動態(tài)地調(diào)整活動時間。處在活動狀態(tài)的節(jié)點，假如在一個給定時間 TA內(nèi)沒有發(fā)生周期時間定時器溢出或感知網(wǎng)絡(luò)發(fā)生沖突，就結(jié)束活動狀態(tài)，進進休眠狀態(tài)，但是引進了早睡題目。 DMAC 協(xié)議主要是針對節(jié)點休眠帶來的延遲題目而提出來得。它采用交錯調(diào)度機制，將節(jié)點周期劃分為接收時間、發(fā)送時間和休眠時間。其中接受時間和發(fā)送時間相等，均為發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組的時間。每個節(jié)點的調(diào)度具有不同的偏移 ，下層節(jié)點的發(fā)送時間對應(yīng)上層節(jié)點的接收時間。這樣數(shù)據(jù)能夠連續(xù)地從數(shù)據(jù)源節(jié)點傳送到匯聚節(jié)點，減少了傳輸延遲，但是DMAC 協(xié)議需要嚴(yán)格的時間同步。 結(jié)合 TMAC 協(xié)議和 DMAC 協(xié)議各自的優(yōu)缺點，下面提出了自己對 SMAC 協(xié)議的改進方法，改進后的 SMAC 協(xié)議機制如圖 1所示： 圖 1 SMAC 改進 節(jié)點周期仍然劃分為活動時間和休眠時間兩部分，活動時間和休眠時間都不是固定的。在改進后的協(xié)議中節(jié)點周期性喚醒進行監(jiān)聽，假如在 Δt時間內(nèi)沒有發(fā)生任何一個激活事件，則提前結(jié)束活動周期，減少能量的損 耗。激活事件為：感知網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生沖突 。周期的幀定時 頁 21 器打開 。傳送數(shù)據(jù)結(jié)束，等待對方發(fā)送確認信息 。監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的 RTS 和 CTS 數(shù)據(jù)包，與相鄰節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。每個節(jié)點的調(diào)度具有不同的偏移，下層節(jié)點的活動時間和上層節(jié)點的活動時間相對應(yīng)，這樣當(dāng)下層節(jié)點有數(shù)據(jù)需要發(fā)送給目的節(jié)點或從目的節(jié)點接收數(shù)據(jù)時，它就能夠及時迅速的和上層鄰居節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳遞，終極像爬樓梯或下樓一樣到達目的節(jié)點，這樣大大減少了節(jié)點休眠帶來的延遲題目。改進后的 SMAC 協(xié)議采用 ACK 應(yīng)答機制，發(fā)送節(jié)點假如沒有收到 ACK 應(yīng)答，要在下一個發(fā)送時間重發(fā)。節(jié)點正 確接收到數(shù)據(jù)后，立即發(fā)送 ACK 消息給發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點。為了減少發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生的沖突，節(jié)點在等待固定的后退時間后，在沖突窗口內(nèi)隨機選擇發(fā)送等待時間。 此外采用自適應(yīng)占空比機制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量變化動態(tài)調(diào)整整條路徑上節(jié)點的活動時間。當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大時，節(jié)點可能需要在一個發(fā)送周期內(nèi)發(fā)送多個分組，此時需要增加節(jié)點的占空比，并請求傳輸路徑上的節(jié)點也相應(yīng)的增加占空比。通過在傳輸路徑上進行逐跳預(yù)約，能夠大大進步網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率。 鑒于 SMAC協(xié)議中節(jié)點活動時間無法適應(yīng)負載動態(tài)變化的問題，研究者們主要從固定占空比處入 手．改進的坍議一般具有動態(tài)偵聽時間或動態(tài)占空比等，這 樣就可以在流量負載較輕時減少偵聽時間，從而節(jié)省能量；在流量負載較高時，增加偵聽時間，從而減少時延，已達到節(jié)能高效的目的。近年來，在這個方面的 SMAC的改進協(xié)議主要有 TMAC和 AC— MAC(Adaptive Coordinated MediumAccess Contr01)協(xié)議 ml。隨著功率控制的深入研究，眾多 MAC協(xié)議將其引入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，提出了不同的改進方案，其中 PCSMAC(PowerControl SMAC) m1是基于 SMAC協(xié)議的功率 控制改進方案。 TMAC(T,meoutMAC)的改進 由于 SMAC中的活躍時間 (active time)或偵聽時間是按照網(wǎng)絡(luò)的撮高負載量設(shè)計的，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于低負載時，這個固定的活躍時間不是最優(yōu)的，從而引起的空阿坎聽將造成能量的浪費。 TMAC的原理圖如圖 4 l所示，它將調(diào)度周期劃分為可變長度的話動狀態(tài)和休眠狀態(tài)，通過動態(tài)改變活動狀態(tài)的持續(xù)時間可維持網(wǎng)絡(luò)負載的平衡，減少空閑偵聽的能量損耗。在協(xié)議中定義了一個時間間隔 L， L的值必須滿足條件 LC+R（ 4T） ．其中 C為競爭時間間隔的長度，為RTS數(shù)據(jù)包的長度， T為回轉(zhuǎn)時間 (介于 RTS發(fā)送結(jié)束到 CTS開始發(fā)送之間的一個時間段 )。 如果節(jié)點處于活動狀態(tài)，但在 L時間內(nèi)節(jié)點沒有感知到 5種澈活事件 (activeevent)，則節(jié)點立即進入休眠狀態(tài)。 TMAC定義的 5種激活事件為： 1)周期幀定 時器開啟； 2)利用收發(fā)囂接收其它節(jié)點的數(shù)據(jù)； 3)感知到網(wǎng)絡(luò)上的通信狀況，如發(fā)生沖突； 4)傳輸數(shù)據(jù)結(jié)束，等待對方發(fā)送確認信息； 5)串聽到網(wǎng)絡(luò)上的 RTS和 CTS數(shù)據(jù)包，得知某鄰節(jié)點在進行數(shù)據(jù)交換。 頁 22 雖然 TMAC在負載較小時，可以節(jié)省能量消耗，但同樣也帶來了單 向傳輸時的早睡問題，增加了網(wǎng)絡(luò)傳輸時延，影響了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量， TMAC為此提供兩種解決方案： 1)進一步發(fā)送 RTS包 FRTS(Future requestto． send)，即通知下游節(jié)點此次數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，有數(shù)據(jù)要傳送給它。 2)滿緩沖時設(shè)置優(yōu)先權(quán) (Taking pfiod夠 Oil full buffers)，即當(dāng)一個節(jié)點傳輸／路由緩沖接近飽和時，節(jié)點將優(yōu)先選擇發(fā)送信息，而不是接收信息。 FRTS可以減少延時和提高吞吐率，但 DS分組和 FRTS分組帶來了額外的通信開銷； FBP方法減少了早睡發(fā)生的可能性，并具有簡單 流量控制作用，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量較大時增加了沖突概率。若節(jié)點始終采用最優(yōu)發(fā)射功率發(fā)送各數(shù)據(jù)分段，則這種簡單的功率控制策略會引入“隱藏終端問題”，由于發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送功率是最優(yōu)功率，因而，剛從休眠 中 醒來的節(jié)點不能感知到此時信道處于忙狀態(tài)，若該節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，則會對當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸造成干擾。這些節(jié)點被稱之為“隱藏干擾節(jié)點 。 PCMP． SMAC協(xié)議引入了“碰撞防止 策略，部分解決了功率控制帶來的隱藏終端問題 “碰撞防止 策略的基本思想是： 節(jié)點通過 SYNC幀記錄隱藏干擾節(jié)點的調(diào)度周期，在隱藏干擾節(jié)點的偵聽時期到來時， 當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點增大數(shù)據(jù)發(fā)送功率，以防止隱藏干擾節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)而造成的數(shù)據(jù)碰撞。 “碰撞防止 策略的步驟如下： 1)節(jié)點 B通過廣播 SYNC幀，在 SYNC幀中加入自己鄰居節(jié)點 C的調(diào)度周期。 2)收到 SYNC幀的節(jié)點 A，在形成和維護虛擬簇的同時，記錄“隱藏干擾節(jié)點 C的調(diào)度周期。 3)節(jié)點 A在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若隱藏干擾節(jié)點 C的偵聽時期到來，則當(dāng)前數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點 A增大數(shù)據(jù)發(fā)送功率，以使隱藏干擾節(jié)點 C感知到此時信道處于忙狀態(tài)，從而防止其發(fā)送數(shù)據(jù)而造成碰撞。同時，在數(shù)據(jù)分段連續(xù)發(fā)送的過程中，重傳錯誤分段以最大功率發(fā)送，以此確 保錯誤分段的正確傳輸。 4． 3 仿真工具介紹 及仿真 本文中選用了使用相當(dāng)廣泛的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件 NS(Network Simulator)搭建基于 SMAC協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)研究了 WSN的仿真平臺。 NS2是面向?qū)ο蟮?、離散事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬器，主要用于解決網(wǎng)絡(luò)研究方面的問題，提供了大量用于有線或無線的 TCP、路由算法、 MAC層協(xié)議等仿真的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 NS來源于 1989年的 Real Network Simulator項目，經(jīng)過多年的發(fā)展，于 1995年得到施樂公司 (Xeror)的支持，加入 VNT項目。一直 以來， NS都在吸收全世 界各地研究者的成果，包括 UCB、 CMU等大學(xué)和 SUN等公司的無線網(wǎng)絡(luò)方面的 代碼。目前最高版本為 NS2。本文選用 NS2． 34版本。 ． 1 NS2特點 離散事件模擬器 離散事件模擬器就是指事件決定系統(tǒng)狀態(tài)的改變，狀態(tài)的修改僅在事件發(fā)生時進行。 NS． 2 頁 23 中典型的事件包括分組數(shù)據(jù)到達、時鐘超時等。模擬時鐘的推進由事件發(fā)生的時間量確定。模擬處理過程的速率不直接對應(yīng)實際時間，而模擬器所做的就是不停地處理一個個事件，直到所有的事件都被處理完或者某一特定的事件發(fā)生為止。 NS． 2的核心部 分為一個離散事件模擬引擎。 NS． 2中的“調(diào)度器 (Scheduler)負責(zé)記錄當(dāng)前時間，調(diào)度網(wǎng)絡(luò)事件隊列中的事件，并提供函數(shù)產(chǎn)生新事件，指定事件發(fā)生的時間。 具有豐富的構(gòu)件庫，預(yù)先做了大量的模型化工作 NS． 2對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中一些通用的實體已經(jīng)進行了建模，例如鏈路、隊列、分組和節(jié)點等。用戶可以充分利用這些已有的構(gòu)件進行少量的擴展，組合出所要研究的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模型，然后進行模擬，這樣就大大減輕了進行網(wǎng)絡(luò)模擬研究的工作量，提高了效率。 分裂對象模型 構(gòu)件庫是用兩種面向?qū)ο蟮恼Z言編寫的： C++和 Otcl。 NS． 2中的構(gòu)件通常都作為一個 C++類來實現(xiàn)，同時有一個 Otcl類與之對應(yīng)。用戶通過編寫 Otcl腳本來對這些對象進行配置、組合，描述模擬過程，最后調(diào)用 NS完成模擬。因此 NS． 2的構(gòu)件一般是由相互關(guān)聯(lián)的兩個類來實現(xiàn)，一個在 C++中，另一個在 Otcl中，這種方式被稱為分裂對象模型。構(gòu)件的主要功能通常在 C++中實現(xiàn)， Otcl的類則主要提供 C++對象面向用戶的接口。用戶可以通過 Otcl來訪問對應(yīng)的 C++對象的成員變量和函數(shù)。 C++對象和 Otcl對象之間是通過叫做 TClTL的機制關(guān)聯(lián)起來的。 NS． 2的這種分裂對象模型兼顧了 模擬性能和靈活性兩方面的考慮。同時，這種分裂對象模型增強了構(gòu)件庫的可擴展性和可組合性，用戶通常只需要編寫 Otcl腳本就可以把一些構(gòu) 件組合起來，成為一個宏對象。 分層體系結(jié)構(gòu) 在 NS． 2中，協(xié)議 棧的設(shè)計和開發(fā)采用了分層體系結(jié)構(gòu)，這樣在定義好了各層之間的接口 后，就能獨立的進行協(xié)議棧各層的開發(fā)，提高開發(fā)效率。同時，以 后對于協(xié)議棧的調(diào)試、維護和各層算法的更新也非常有利。 協(xié)議層之間仍保持相互獨立，這種概念類似于軟件工程中的組件技術(shù)。比較普遍采用 的 WSN分層結(jié)構(gòu)自上而下是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、 LLC／ MAC層、物理層。當(dāng)應(yīng)用層有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，將數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的緩沖區(qū)，然后發(fā)往網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層計算路由，生成網(wǎng)絡(luò)層包，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送鏈路層。鏈路層生成鏈路層幀，按照網(wǎng)絡(luò)層給出的目標(biāo)地址，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。天線接收到數(shù)據(jù)后，發(fā)往鏈路層，鏈路層拆數(shù)據(jù)包，完成數(shù)據(jù)校驗后發(fā)往網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層打開網(wǎng)絡(luò)層包，然后將數(shù)據(jù)發(fā)往應(yīng)用層。每層的協(xié)議對外提供相應(yīng)的接口，內(nèi)部通過調(diào)用本層的函數(shù)實現(xiàn)。 在 NS2中，各層協(xié)議之間用 recv(Packet p， Handler％ )函數(shù)來進行數(shù)據(jù)傳遞。 MAC層用reev(Packet木 p， Handler． h)作為該層的入口函數(shù)， MAC層輸出包括兩個方向，分別通過調(diào)用 uptarget_recv(p， (Handler )0)和 downtarget_recv(pcopy0， this)，實現(xiàn)報文向上下層輸出。向下層的輸出在 Mac的發(fā)送函數(shù) transmitO中實現(xiàn)，向上層的輸出則在數(shù)據(jù)接收 rxMsgDone(Packet p)中實現(xiàn)。它是利用一個 direction變量來指示數(shù)據(jù)的傳輸方向，如果 direction變量等于 hdr cma：： DOWN，說明數(shù)據(jù)是要傳給物理層發(fā)送出去的：如果 direction變 量等于 hdr cmn：： UP，說明數(shù)據(jù)是從物理層接收過來準(zhǔn)備傳給上層進行處理的。然后通過調(diào)用相應(yīng)的 send0函數(shù)實現(xiàn)在本層調(diào)用上一層或下一層的 recv0函數(shù)，從而使分組到達相應(yīng)的層次。 NS2可以實現(xiàn)兩方面工作：具體協(xié)議的模擬實現(xiàn)和在短時間內(nèi)快速模擬出所需要的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 (scenarios)。在 NS． 2中，應(yīng)用一個新協(xié)議主要通過添加用 C++語言編寫的協(xié)議函數(shù)和用 OTcl編寫的配置文件，然后用 OTcl腳本來實現(xiàn)協(xié)議。假設(shè)用戶已經(jīng)完成了對 NS． 2的擴展，或者所包含的構(gòu)件已經(jīng)滿足了要求。 *******那么進行一次仿 真的步驟大致如下： 頁 24 1)開始編寫 OTcl腳本。首先配置模擬網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，此時可以確定鏈路的 基本特性，如延遲、帶寬和丟失策略等。 2)建立協(xié)議代理，包括端設(shè)備的協(xié)議綁定和通信業(yè)務(wù)量模型的建立。 3)配置業(yè)務(wù)量模型的參數(shù)，從而確定網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)量分布。 4)設(shè)置 Trace對象。 NS． 2通過 Trace文件來保存整個模擬過程。仿真完后， 用戶可以對 Trace文件進行分析研究。 5)編寫其它的輔助過程，設(shè)定模擬結(jié)束時間，至此 OTcl腳本編寫完成。 6)用 NS解釋執(zhí)行剛才編寫的 OTcl腳本。 7)對 Trace文件進行分 析，得出有用的數(shù)據(jù)。 8)調(diào)整配置拓撲結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)量模型，重新進行上述模擬過程。 4． 協(xié)議實現(xiàn)與模擬環(huán)境 NS2 中主要有兩種數(shù)據(jù)記錄格式，一種是 Trace格式，該對象詳細記錄了模擬的整個過程，第二種是 Monitor,用來記錄有用的數(shù)值。 **** **** 無線 trace 文件的建立 ： $ns traceall tracefile 。記錄整個模擬過程。 $ns tracequeue n1 n2 optional:file。記錄 n1 和 n2 之間的鏈路事件， file為可 選項。 例如： set tracefile [open w] $ns traceall $tracefile 或 set tracefile [open w] $ns tracequeue $n1 $n2 $tracefile * Trace 文件的格式： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Event Time From node To node Pkt type Pkt size Flags Fid Src addr Dst