无线传感器网络MAC协议节能优化研究

申玉玲

山西工程职业学院，山西 太原 030000

0 引言

无线传感器由于具有分布式、自组织及低成本等特点，被广泛应用于医疗、航空、保健、家具等行业，其可以多跳与自组织的方式组成无线传感器网络，以实现数据的传输、处理及采集功能。据相关研究数据显示，无线传感器网络通信耗能较多，占整个无线传感器网络传输能量消耗的85%以上，是传感器网络能耗的主要节点。经分析后发现，传感器网络数据传输过程中存在空闲侦听、冲突重传、串音及控制开销等无效能耗现象。针对这一问题，文章通过优化MAC协议，实现对无线传感器网络的节能优化，以减少无线传感网络的能源损耗，提高能源使用率，降低使用成本[1]。

1 无线传感器网络结构体系

无线传感器网络由随机分布在监控区域内大量的小型无线传感器节点构成，以自组网的形式组成拓扑结构，同时以单、多跳的形式进行数据传输通信。无线传感器网络主要由Sink节点与源节点两类节点组成，其功能包括储存、传感、换算、传输、执行任务等。节点体系结构主要分为传感器、信息处理、能量供应及通信四大模块，具体的结构示意图如图1所示。其中，传感器模块是对节点分布区域的环境进行数据采集，并将采集到的信息转换为数字信号。信息处理模块分为存储器与处理器两部分，对传感器模块收集的数据进行转发与储存。通信模块是运用无线系统对节点数据进行传输、转发、接收，主要起到信息交互的作用。能量供应模块主要是对整个网络系统进行能源供应。其中，通信模块为耗能最大的模块，文章拟针对该模块展开研究[2-3]。

图1 无线传感器网络节点结构示意图

2 无线传感器网络节能优化分析

2.1 无线传感器网络能耗分析

无线传感器网络的节能优化主要是对MAC协议进行优化。传统的MAC协议存在空闲侦听、冲突重传、串音、控制开销等无效能耗问题，文章就针对这四个问题进行针对性解决，通过优化前导序列、生成时间表及基于PMAC协议的节能改进解决上述问题。其中，冲突重传、串音、控制开销的问题主要通过前导序列和时间表生成解决，对于空闲侦听问题的解决较为复杂。在MAC协议中，传感器常常处于侦听状态但无任何工作，该状态会产生大量的空闲能耗，但如果设置为长时间的休眠又会导致数据传输滞后严重，信号延迟较严重。故应在应用层设置合理的侦听与休眠周期，在减少空闲侦听的同时不影响信号传输。

2.2 MAC协议节能优化

（1）优化前导序列。前导序列信息是节点进行侦听或休眠状态变换的计划安排，一个节点休眠与侦听的周期是依据本身与相邻节点的前导序列信号计划安排的。新信号一般在节点所处周期完成后进行安排。为了保证前导序列信息的有序交换，将时隙STF分解为PRTF与PETF两个时隙段，具体划分如图2所示。其中，PRTF是指当下状态循环模式的时隙周期，PETF是指与相邻节点发生信息交换的时隙[4]。

图2 时隙段划分示意图

（2）生成时间表。时间表的生成主要是依据序列信息构建的，前导序列的交换安排可构建节点时间表，通过时间表可对节点的侦听或休眠状态进行预测，也可以查询到节点之前的状态。时间表中的字符串代表节点的实际运行状态，1代表节点处于侦听状态，0代表节点正保持休眠。让节点j的序列信息为1，将数据包发送到邻节点的缓冲池。如果接收节点状态为 0，节点 j 的时表将更新为1-，1-表明节点j需要开始处于活跃状态并侦听一段时隙，在这段时隙内没有侦听到邻节点任何消息后进入休眠状态。具体时间表如表1所示。

表1 节点活跃状态时间表

（3）基于PMAC协议的节能改进。无线传感器网络通过定期数据采集及传输进行区域监测，数据的变化往往具有一定的突发性。当外界环境突然发生改变后，无线传感器网络会有大量数据生成；当环境趋于稳定后，无线传感网络会进入一个相对的稳定周期。随着数据数量的不断减少，当达到临界值后，节点会进入休眠状态，以节约能耗。依据上述状态，文章将节点状态分为流量密集期、流量正常期和休眠时期。

对时隙进行分析后，将其分为四种类型，具体为最短侦听期、最长侦听期、最短休眠期及最长休眠期。其中，最短侦听期为节点与相邻节点的最短时序表交换周期；最长侦听期为节点过度传输数据时不会因节点能耗过度而造成节点失效的周期；最短休眠期为进入节点休眠状态的保障周期；最长休眠期为在保证数据时效性的前提下，使节点进入较长时隙的休眠状态周期。

序列信息模式以二进制的方法表示，0代表休眠，1代表工作。当节点处于休眠状态且周期达到最长休眠期时，节点会进行唤醒，与相邻节点进行前导序列信息交换，转换节点状态。当节点处于工作状态并达到最长侦听期时，节点将在完成数据传输工作后立刻进入休眠期，即使节点正处于数据流量较大的时期。如果数据流量保持在较大状态，则最短休眠期达到后转入侦听期，如数据流量下降为较低值，则保持休眠。

3 节点能耗对比分析

将上述节能改进方案及传统的SMAC、TMAC、PMAC协议应用于实际网络运行中，通过调整网络信号流量来对比上述四种协议的能耗数据。在具体实验中，分别对密集、常规及无数据三种流量进行了模拟，其实验结果数据对比如图3所示。通过数据对比可以发现，PMAC协议与改进协议随着流量的能耗下降而下降明显，远远超过SMAC和TMAC协议。但传统的PMAC协议模式由于起始的高能耗导致能耗下降较改进协议慢。由此可以看出，改进协议节能效果优于传统的SMAC、TMAC、PMAC三种协议模式[5]。

图3 能耗数据对比示意图

4 结论

当前无线传感器网络应用较广，已广泛分布于人们生活的各个角落。但传统的无线传感器网络仍然存在无效能耗高、能源浪费严重的问题。针对这一问题，文章进行了针对性分析，并得出以下结论：

（1）无线传感器网络能耗最高的模块为通信模块，传统无线传感器网络存在空闲侦听、冲突重传、串音、控制开销等问题，为无效能耗增大的主要原因。

（2）对无线传感器网络进行前导序列优化、时间表生成及基于PMAC协议的节能改进，可对上述问题进行改进。通过实验对比分析后发现，改进方案节能效果优于其他三种传统协议，可应用于实际无线传感网络中。