无线传感器网络T-MAC协议的研究

1、无线传感器网络T-MAC协议的研究36传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2007年第26卷第6期无线传感器网络T-MAC协议的研究周丽敏,田斌,廖婷(西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室,陕西西安710071)摘要:自适应能量有效无线传感器网络T.MAC协议拥有一个自适应的休眠周期,动态地控制节点的活动状态时间来减少节点的空闲监听时间,有效地节约了节点的能量,同时还兼顾了网络的吞吐量.同时,由于无线传感器网络中不对称通信模式的存在,T-MAC协议存在早睡问题,很大程度上影响了网络的性能.根据中心极限定理,对T.MAC提出了一种改进设计

2、,使其低负载时能耗更少,并一定程度上改善了早睡问题.关键词:无线传感器网络;空闲监听;能量有效;休眠列表中圈分类号:哪93文献标识码:A文章编号:1000-9787(2007)06-003603ResearchonT-MACprotocolofwirelesssensornetworksZHOULimin,TIANBin,LIAOTing(StateKeyLabrotoryonIntegratedServicesNetworks,XidianUniversity,Xi'an710071,China)Abstract:TheTMACprotocolforwirelesssensornet

3、works(WSNs)hasanadaptivedutycycle.Dynamicallyendingtheactiveparttimecanreducetheamountofenergywastedonidlelistening,whilestillmaintainsareason-ablethroughput.FortheasymmemccommunicationinWSNs,theearlysleepingproblemaffectsthepropertyofWSNs.Accordingtothetheoremofprobability,someimprovingdesignsarepu

4、tforwardwhichreducestheenergywastefurthermoreandsoyestheearlysleepingproblem.Keywords:wirelesssensornetworks(WSNs);idlelistening;energy-efficency;dutycycle0弓l言无线传感器网络是一种由传感器节点构成的网络,是一种新兴的网络技术,可广泛应用于军事,环境,医疗,健康,家庭及其他商业领域.其一个重要特点是采用微型电池供电,使其能量受到限制,故功耗管理成为其核心问题之一.通过对现有系统的分析可知,射频模块是节点中最大的耗能部件,MAC协议直接控制射

5、频模块,对节点功耗影响举足轻重,所以,无线传感器网络的MAC层协议设计变得尤为重要.伴随无线传感器网络的研究进展,无线传感器网络已有了一些适合自己特点和要求的MAC层协议:S-MAC,T-MAC,SMAC等.其中,自适应能量有效的T.MAC协议,提出在每一帧的活动状态时间根据负载可变,它在能量管理,信息吞吐量,传输时延等方面均做出了较好的调和.但它也存在一些问题,如,低负载时,TA监听带来的能量损耗,早睡问题等.本文就TMAC协议的设计及面对的问题进行了描述.并针对其问题对协议作了改进设计.1无线传感器网络节点能耗来源无线传感器网络中,当节点不知其何时会从其一个或收稿日期:2006-11-08

6、多个相邻节点接收数据时,它必须长时间的保持其接收器处于活动状态,即空闲监听状态.例如:需要传感器节点平均每秒钟和其相邻的节点交换一次信息.其中的交换信息是非常短的,发送交换信息给其他节点需要5ms时间,从其他节点接收信息需要5ms时间,因此,收发器有990ms的时间用于空闲的监听,即在99%的时间什么都没有做.能量损耗几乎都是在这个时候产生的.空闲监听是节点能耗的最主要来源;其次,还有碰撞冲突,控制信息消耗,串音问题等.,2TMAC协议设计与分析2.1协议基本设计和S-MACl2类似,T-MAC也将时间分帧,它将帧划分为可变长度的活动状态和休眠状态;所有的数据在同一突发下的活动状态持续期间内发

7、送出去,通过动态改变活动状态的持续时间可维持网络负载的平衡,减少空闲监听的能量损耗;当节点处于活动状态,但经过时间后仍无数据发送,节点将立即进人休眠状态,如图1.具体活动状态的持续时间是怎么控制的,T.MAC定义了5个激活事件:1)周期的帧定时器打开;2)利用收发器接收其他节点的数第6期周丽敏,等:无线传感器网络T-MAC协议的研究37据;3)感知网络上的通信状况,如发生冲突;4)传送数据结束,等待对方发送确认信息;5)监听网络上的RTS和CTS数据包,与相邻节点进行数据交换.如果节点在7'时间内没有收到上述5类事件的一种,就结束活动状态,转入休眠状态.故的长度决定了每帧的最小空闲监听

8、的时间,的选择可以有效地避免串音干扰.一般监听IfIfIfIfIfIf活动状态广1休眠状态厂厂-T.MAcfltltfIfl图1T-MAC协议的休眠周期图Fig1DutycyclediagramofT-MACprotocol节点之间采用RTS/CTS/DATA/ACK机制发送数据,即当某节点要向目的节点发送数据时,会首先向目的节点发送一个RTS请求,表示自己有数据要向目的节点发送.目的节点会以广播的形式发送一个CTS数据包,表示已经有节点要向自己发送数据,其他的相邻节点将不会再与该节点通信.如果没有在规定的时间内收到目的节点的CTS回复,节点将重新发送RTS;如果仍没有收到CTS,则放弃数据发

9、送.当某个节点的相邻节点之间正在相互通信时,该节点将不能休眠,必须等待一个时间段以接收可能从其他节点收到的RTS或CTS.TA时间间隔必须满足条件>c+其中,c为竞争时间间隔的长度,为RTS数据包的长度,为回转时间(介于RTS发送结束到CTS接收到所需要的一个时间段).2.2单向传输模式和早睡问题在T-MAC中存在单向传输模式,如图2,有节点A到D和相邻节点形成一个组织.信息由上而下传输,即A只传到,传到c,c传给D.以节点c为例,每次c传信息给D时,必然有接入竞争,有可能节点c输给节点A或居.如果由于c收到节点的RTS而失去与D的通信,c将发送CTS包给,而同时节点D也会收到C

10、发出的CTS包,而此时节点D将会在和c的通信过程中保持清醒.如果节点c是由于串听到了发送给A的CTS包,将会保持监听,而节点D将会转入休眠,从而节点c丢掉与节点D的媒体接入,这即是早睡问题.妻RTSCTSDATAACR图2单向传输模式和早睡问题Fig2Singletransmissionmodeandearlyslee#ngproblem在非对称通信方式中都会存在早睡问题,它大大限制了网络的吞吐量.协议提供了2种解决方法:1)进一步发送RTS包(FRTS):通过发送FRTS的方法解决早睡问题,基本思想是让另一个节点知道还有信息要传送给它,是我们自己阻止了信息媒体的接入.具体方法:如果一个节点串

11、听到一个发送到其他节点的CTS包,节点就立即发送FRTS包,接收到FRTS包的节点将保持监听等待RTS包到来.如此增加了节点c到D的竞争,增强了节点C到D的接入.2)满缓冲时设置优先权:第二种方案一满缓冲设置优先权,当一节点传输/路由缓冲接近饱和时,节点将优先选择发送信息,而不是接收信息.即当节点收到一发送给它的RTS包时,它立即给另一节点发送RTS包,而不是对接收到的RTS做回应,发送CTS包.这种方法其实是在网络中引入了一个限制形式的流量控制,当然有利于普通节点到sink节点的通信.如图3,只有节点c有了足够大的缓冲区,节点B才能向其发送信息.如此,节点可保持收发平衡.节点c更容易赢得与节

12、点D的通信机会,从而减少了节点D的早睡情况发生,有效地提高了网络的吞吐量.然而,满缓冲优先设定不适用于全方向通信的节点,因为这种方法会大大增加碰撞.因此,T.MAC协议为此设置了一个门限:当一个节点至少连续丢掉了2次竞争,才可以用满缓冲优先权设定.图3满缓冲设置优先权解接收RTSFig3TakingpriorityuponreceivingRTS3性能分析T-MAC采用动态可调的活动状态时间,RTS/CTS/DA-TA/ACK机制通信,有效地避免了碰撞冲突问题,并增加传输的可靠性,降低了能量损耗和传输时延j.仿真结果如图4.节点和相邻节点随机发送数据包,短信息情况:信息长度为2O,负载递增,负

13、载单位bit每节点每秒.水平轴为负载bytes数,竖轴为能量损耗,单位mA/节点(mA为衡量能量的单位).图5为网络信息长度为100时,网络负载与节点能耗之间的关系.图中,曲线结束点的选择考虑了网络吞吐量,即网络的正确传送信息率不小于9O%.由图5可以看出:在信息长度为100时,其最大吞吐量远赶不上s-MAC(这主要由T-MAC中的早睡问题引起,也就是网络中具有不对称通信结构的节点问通信引起问题,例如:nodes-to-sink模式).对此,进一步发送RTS包(FRTS),设置满缓冲优先权,就可以大大改善T-MAC网络的吞吐量,达到比较理想的效果.38传感器与微系统第26卷母耀嘲避负载/bit

14、-''节点?S圈4一般节点网络低负载与能量损耗关系I4Homopomlocalunicastforsmallmessages母童耀嘲避负载/bit-节点.'圈5网络高负载与节点能量损耗关系图矾g5Homopneouslocalunlcastforlargemessages4T-MAC协议的改进设计在负载较小时,将成为T.MAC协议中节点能量损耗的主要来源,单向通信时还有早睡问题,增加了网络传输时延,影响了网络的吞吐量.怎么能避免或改善这些影响,可以把外界事物的存在与发生和协议相结合来考虑.先看下述有名的中心极限定理:定理:若.,岛,是一列独立同分布的随机变量,且%=,t

15、-or.(or>0),k=1,2,则有P(<.由定理可知,如果一个随机现象由众多的随机因素所引起,每一因素在总的变化里起着不显着的作用,就可以推断,描述这个随机现象的随机变量近似地服从正态分布.由此可以得出:在自然界与生产中,一些现象受到许多相互独立的随机因素的影响,如果每个因素所产生的影响都很(上接第35页)参考文献:1陶宝祺.智能材料结构M.j京:国防工业出版社,1997:2AkyildizIF,SuW,Y.eta1.Wirelesssen-sernetworks:asurveyJ.ComputerNetworks,200'2(38):393422.3任

16、丰源,黄海宁,林闯,等.无线传感器网络J.软件,2003,14(7):1282-1290.4XuN,RangwalaS,ChintalapudiK,eta1.Awirelesssensornet-微小时,总的影响可以看作是服从正态分布的,故事物的变化可以看作服从正态分布.因此,可以对T-MAC协议进行如下改进:设置门限,J7,r,休眠列表A,B,c类.这样设计休眠列表,休眠列表A的休眠时间将为B的2倍,而C的将为B的2倍,而列表B为通常使用的休眠列表.当节点连续承载负载低于肘时,就将休眠列表置为A类(同时也告知接收端,节点使用的列表类型,以完成接收匹配),增大休眠时间,如此在固定时间内就相对减

17、少了的数量,从而达到节能的目的;当节点连续承载负载大于J7,r时,就将休眠列表置为c类,增加的长度,以尽量避免早睡问题,增加网络吞吐量,减少网络时延.,的选择,可由正态分布特点进行选择.5结论无线传感器网络的关键问题之一就是能耗问题.T.MAC采用动态可调的活动状态时间,有效地减少了节点空闲监听能量损耗,适应网络的负载变化,减少了网络的时延;本文主要对协议进行了研究和改进设计,在网络低负载时,可更有效地节约能耗,网络负载较大时,更简易地解决早睡问题.同时,T.MAC还是需要进一步完善.参考文献:1HavingaP,SmitG.Energy-efficientTDMAmediumaccessco

18、n-trolprotocolSchedulingC/AsianInternationa1MobileCom-putingConference(AMOC2000),2000:1-9.2VanDamT,LangendoenK.AnadaptiveenergyefficientMACprotocolforwirelesssensornetworksc/e1stACMConfonEmbeddedNetworkedSensorSystenns.California,USA:LosAn?geles,2003:171-180.3YeW,HeidemannJ,EstrinD.Anenergy-efficientMACprotocolforwirelesssensornetworksC/T