一种无线传感器网络MAC协议的优化方法

任斌　郑国勋

【摘要】 依据无线传感器网络生存期主要取决于节点MAC协议低能耗的特点，在S-MAC协议基础上，提出了一种MAC协议优化方法。优化后的协议侦听周期和休眠周期变化是随着网络数据流量而动态变化，这种变化并不是立即生效，而是设定侦听周期次数阈值，如果相邻侦听周期次数阈值内无激活事件，则减小侦听周期，如果相邻侦听周期次数阈值内有激活事件，则延长侦听周期。优化方法仿真显示，节能效果比原有协议有了提高。市场应用趋势，试图把握联通4G在为未来中国通信市场的发展前景，为中国联通4G市场战略决策提供理论参考。

【关键词】 无线传感器网络 MAC协议 S-MAC协议 低能耗 优化方法

一、引言

无线传感器网络（WSN）是大量的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络系统，该系统能感知、采集、处理和传输所监测区域的相关信息，具有广阔的应用前景。由于无线传感器网络具有低数据吞吐量、多跳信道共享、能量受限等因素，因此保证其网络内点到点以及点到多点连接的可靠性，数据链路层的介质访问控制（MAC）成为无线传感器网络研究的热点之一。

二、S-MAC相关技术

S-MAC协议把时间分割为时隙，每个时隙就是一个唤醒周期，唤醒周期又分为侦听周期和休眠周期，如图1所示。在睡眠周期内，节点关闭其射频等电路减少耗能，不与任何节点传递数据，仅开启定时器，以便自动唤醒。在侦听周期内，可与其通信范围内任何节点传输数据。为了保证节点间唤醒周期的同步以及不会产生时基漂移，S-MAC采用虚拟簇机制来解决唤醒周期同步问题。网络中的每个节点都维护一个调度表，用于保存邻居节点的调度信息，而根据调度信息形成机制不同，节点角色可分为同步器和跟随着。如图2所示。

三、问题的提出及优化的设计方法

3.1 问题的提出

S-MAC协议使用固定的周期性侦听/休眠调度机制，也就是说节点周期性侦听信道且处于活跃状态的时间长度一般不变。而侦听周期的选择应与网络传输数据量大小相关，数据量越大，要求侦听周期长，休眠周期短，否则就会造成消息延迟过大。为了满足网络通信延迟的需求，S-MAC侦听周期选择最大数据量情况下的需要时，可能会导致负载过低时空闲侦听而产生的能量消耗。T-MAC[2]针对上述问题，采用的解决方式是节点侦听/休眠周期长度不变，但可以根据网络数据流量大小动态调整节点通信活动时间长度，工作侦听状态的网络节点如果在预定时间内没有需要节点继续工作的激活事件，比如无线信道上收到的数据、与其他节点发生冲突等，节点就结束侦听状态，进入休眠状态，随之也会带来早睡的问题。

3.2 优化的设计方法

针对上述问题，本文对传统S-MAC协议进行了优化。具体实施方法为网络节点唤醒周期长度不变，仍然包括侦听周期和休眠周期；与传统协议不同的是，优化后的协议侦听周期和休眠周期变化是随着网络数据流量而动态变化，同时，这种变化并不是立即生效，而是设定侦听周期次数阈值为n次，如果相邻侦听周期次数阈值n内无激活事件，则减小侦听周期，如果相鄰侦听周期次数阈值n内有激活事件，则延长侦听周期。如图3所示：

本文的优化方法特别适合信息数据变化比较平稳的采集环境。采用这种动态模式对节点降低能耗特别明显，当连续侦听阈值n次均无激活事件，侦听周期减少为原来的1/Mr，当连续侦听阈值n次均有激活事件，侦听周期延长Me倍。节约耗能公式描述如下：

上述公式中，Es表示节点节省的能量，Tl表示节点侦听周期，Pl表示节点无线模块处于侦听状态的平均功率，表示节点无线模块处于休眠状态的平均功率。由此可见，本文优化的方法可有效节约节点功耗。

四、仿真与分析

4.1 仿真场景设计

我们使用NS2仿真器在5个节点直线连接的网络中验证S-MAC和本文提出的方法D-SMAC，分别得出协议在网络延迟、吞吐量和能量消耗方面的性能指标。如图4所示：

为了验证优化方法的可行性，实验节点均匀分布在x的矩形区域内，节点通信半径为200m，信道采用20Kbps，数据包长度为512Byte；源节点发送数据包的间隔值初始为1s，共进行10次独立实验，每次发送间隔值增加1s，每次仿真时间100s。本文优化方法中侦听周期次数阈值设为3次，Tl值最大取1.25倍周期，最小取0.75倍周期。依据Stemm等测试结果，空闲侦听功率设置为1W，接受功率设置为1.05W，发送功率设置为1.4W。

4.2 实验结果分析

（1）网络延迟。如图5所示，仿真实验中，当数据发送的时间间隔较小时，S-MAC的延迟比本文优化算法的延迟大；当数据发送的时间间隔较大时，本文优化算法的延迟比S-MAC稍大一些。

（2）能量消耗。如图6所示，仿真实验中，侦听周期能耗比睡眠周期能耗大，所以，当数据发送的时间间隔较小时，本文优化算法侦听周期延长，能耗比S-MAC大，当数据发送的时间间隔较大时，本文优化算法的侦听周期减少，能耗比S-MAC小。总之，针对数据传输间隔较大的网络来说，本文优化算法的能耗比采用S-MAC节能约8%。

五、结束语

本文对无线传感器网络的S-MAC协议进行了优化，并使用NS2进行了仿真实验。由于优化后的协议侦听周期和休眠周期变化是随着网络数据流量而动态变化，所以优化后的协议在数据发送间隔较大的应用中耗能比S-MAC有所提高。