无线传感器网络S_MAC协议的节能改进_图文

1、第33卷第6期 2010年6月合肥工业大学学报(自然科学版JO U RN AL O F H EFEI U N IV ERSIT Y OF T ECH N OL O GY收稿日期:2009 06 09基金项目:国家自然科学基金资助项目(60873003作者简介:樊高雁(1981-,男,安徽合肥人,合肥工业大学硕士生;张维勇(1949-,男,江苏苏州人,合肥工业大学教授,硕士生导师.无线传感器网络S M AC 协议的节能改进樊高雁, 张维勇, 马学森, 程 敏(合肥工业大学安全关键工业测控技术教育部工程研究中心,安徽合肥 230009摘 要:无线传感器网络S M AC 协议中,节点之间的同步侦听与

2、睡眠机制使得不需要发送和接收数据的节点过早醒来,参与到侦听信道的活动当中,增加了节点能量的消耗。文章针对这一问题,提出了一种改进方案;通过同步RT S 发送的机制,有效地减少了节点的空闲侦听时间,节省了网络能量的消耗;并通过仿真实验证明了该方案的有效性。关键词:无线传感器网络;S M A C 协议;低能耗中图分类号:T P393 文献标志码:A 文章编号:1003 5060(201006 0832 05Energy saving improvement of S MAC protocol for wireless sensor netw orkFAN Gao y an, ZH ANG Wei

3、y ong , MA Xue sen, CH ENG M in(Engineering Resear ch C enter of Safety Critical Indus trial M easu rement and Control Techn ology of M inistry of E ducation ,H efei Univer s ity of T echnolgy,Hefei 230009,Chin aAbstract:The coordinated listening and sleeping m echanism of the S M AC pro to col in w

4、 ireless senso r netw ork forces the nodes w hich hav e no need to send and receive data to w ake up ear ly and listen to the channel,w hich leads to ex tra energy consumption.This paper puts forw ard an improved S M AC pro to col to solv e this pro blem.T hro ug h the coordinated transmission of RT

5、S,the time of idle listen ing is saved and the energ y co nsum ption is reduced.The simulation results sho w that this im prov ed scheme is effective.Key words:wireless sensor netw o rk;S M AC protocol;low energy consumption0 引 言无线传感器网络1就是由大量部署在监测区域内的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络体系。无线传感器网络能够广泛应用

6、于军事、环境监测和预报、健康护理及智能家居等各领域2。无线传感器网络MAC 层协议决定了无线信道的使用方式,根据研究表明,传感器网络的能量绝大部分消耗在节点间的无线通信上3。一般认为,无线传感器网络的功耗性能是其最主要的性能指标之一4。因此,设计出高效的MA C 协议,使它能够合理地在传感器节点间分配信道,对降低网络能量消耗、延长网络使用寿命十分重要。1 S M A C 协议的分析和改进(1S MA C 协议的分析。S MAC (Senso r MAC协议是在802 11MAC 协议5的基础上,针对传感器网络节省能量的需求而提出的传感器网络M AC 协议。研究表明,空闲侦听大约消耗节点通信能量

7、的1/36。为了达到节省能量损耗的目的,S MAC 主要采用了周期性的侦听和睡眠机制7,这个机制中,每个传感器节点并不是始终处于侦听状态,而是周期性地睡眠一段时间,然后醒来进入活动状态,在活动状态中,如果节点需要发送数据,则应通过竞争实现信道的接入。反之,则对信道进行空闲侦听,以判断其自身是否参与到相邻节点的数据传输过程中。若节点不参与到通信的过程中,则当其活动状态结束后,该节点进入睡眠状态。S MA C 协议存在以下主要问题:S M AC 协议中同一个虚拟簇中的所有节点要同时从睡眠状态转换到活动状态,如果其中的节点有数据需要发送,该节点就开始了对信道的竞争。若节点竞争信道成功,则进行数据的发

8、送。而那些无数据要发送的节点,虽然其本身不需要利用信道,但由于该节点无法预测何时自身会成为数据的接收方,所以造成它在活动状态下必须始终保持对信道的监听。这样会使得当网络负载不是太大时,不需要发送数据的节点在活动的大部分时间里都是处于对信道的空闲监听中,正是由于大量的节点往往都处于这种状态,增加了节点的不必要的能量消耗,影响了网络的使用寿命。(2S M AC 协议的改进。在S M AC 中,同一个虚拟簇中的所有节点同时进入活动状态,如图1 所示。图1 S M AC 节点的活动状态在S M AC 协议中,侦听状态被分为2个部分: 同步包(SYNC packet的发送与接收,由于协议中节点需要达到一

9、定的时间同步,因此采用同步包,可以消除时钟漂移带来的同步影响。 应用数据的传输。这2个部分都有一个竞争窗口,竞争窗口包含许多用于载波侦听的时隙。如某节点需要发送一个SYN C 分组,那么该节点在同步包传输时刻到来后,随机选择一段时间完成载波侦听。若在该段时间结束时没有侦听到信道中有数据传输,则该节点赢得信道竞争,立即开始发送其同步包。数据分组的发送,也存在这样一个竞争窗口,然后才是请求帧的发送。不同的是在数据发送过程中,发送节点会在数据发送后不久收到一个来自接收节点发送的清除帧。在接 收方与发送方成功交换这2种帧之后,其它不参与到此次数据传输过程的节点将进入睡眠状态,如果不采用自适应侦听机制,

10、这些节点只有等到下一帧听间隔到来后才会再次醒来。而参与传输的双方节点在此之后将开始真正意义上的数据传输。这个过程一般会持续一段时间,如果在此次侦听间隔到时之后数据的传输还没有结束,发送节点和接收节点将不会根据它们自身的调度安排进入睡眠状态,而是继续此次数据的发送与接收,直到数据传输结束。通过上述过程的描述,可以看出无论对于同步包,还是普通数据包,在它们发送前都有一个竞争窗口,而正是这段竞争窗口时间内所有没有数据需要发送的节点将处于空闲侦听状态,能量的浪费由此而产生。改进协议正是针对这一点,对S MA C 进行能耗的优化改进,以达到延长网络生存期的目的。改进后的传输过程,如图2所示。图2 改进后

11、节点的活动状态在改进的协议中,无论是同步包,还是普通数据包,其传输过程都将被进一步划分为2个部分:信道竞争期和数据收发期。本文以普通数据包的传输为例说明数据收发的过程,此时节点进入数据发送的第2个阶段,即普通数据发送阶段。将这个阶段的开始一段时间称为信道竞争期,在此阶段那些无数据需要发送的节点不进行空闲侦听,而是进入睡眠状态,从而节省了能量的消耗。只有那些需要发送数据的节点才处于活动状态,参与到信道的竞争当中。这时所有此类节点均选择一个随机的载波侦听时长,如某一节点在其自身的随机的载波侦听时长内未侦听到信道上有数据传输,则该节点获得信道。这时此节点立即发送td 长度的DS 干扰包,DS 干扰包

12、不含有任何有效数据,只是用来通知其它竞争节点,信道已被占用,停止竞争。其它节点在收到DS 干扰包后就退出竞争,进入睡眠状态,在发送完DS 后竞争833第6期樊高雁,等:无线传感器网络S M AC 协议的节能改进到信道的节点也进入睡眠状态。所有节点在睡眠一定时间后,将同时醒来,此时进入数据收发期。获得信道的节点立即发送RT S 包,而其它节点进入侦听状态,接收RT S 包。由于此时发送数据的节点是立刻进行数据发送的,因而,这个接收阶段的时长相对于未改进的RT S 包接收阶段的时长要小很多,从而使得节点的空闲侦听时间相对得到了缩短,节省了能量消耗。在此之后的数据传输过程与S M AC 协议类似,发

13、送节点将侦听到接收节点发送的CT S 帧,参与传输的双方节点的邻居节点串听到RT S 、CT S 帧,而进入睡眠,发送方和接收方进行数据的传输。2 改进协议的性能分析(1时延分析。首先考察经典的S MAC 协议数据包的时延,对于一般的基于竞争的M AC 协议,从源节点到下一跳包的传输过程要受到6种时延的影响8,分别是:载波侦听时延、退避窗口时延、传输时延、传播时延、处理时延和排队时延。而S M AC 协议,由于采用了周期性的睡眠机制,因而又引入一种新的时延,称为睡眠时延。本文分析在网络负载极轻的情况下数据包的延时,首先因为网络负载极轻,可以假设此时只有一个数据包在网络中传输,因此就不会产生退避

14、窗口时延与排队时延。由于传播时延和处理时延很小,可以进一步假设这2种时延忽略不计,只需考虑载波侦听时延、传输时延和睡眠时延。假设从源节点到目的节点需要经过n 个转发跳,每个转发跳的载波侦听时延是随机的,记第n 个转发跳的载波侦听时延为t CS ,n ,数据的传输时延为t tx ,由于数据传输时延取决与数据分组长度,而在一次传输过程中数据分组长度不变,故t tx 固定。此外,记第n 个转发跳的休眠时延为t S,n ,同步包的传输时间为t SY N ,一个完整的帧长度为T f 。数据包在第n 个转发跳时所经历的整个延时情况,如图3 所示。图3 S M AC 数据传输时延由图4可知,第n 个转发跳的

15、时延即为:D n =t S ,n +t SYN +t CS ,n +t tx (1在没有自适应侦听的S MA C 协议中,接收节点要将自己接收到的数据传送给下一跳节点,它必须等待下一个侦听间隔的到来,根据这一过程可得:T f =t SY N +t CS ,n 1+t tx +t S ,n(2综合(1式和(2式,可得第n 个转发跳的时延为:D n =T f +t CS ,n -t CS ,n -1(3需要注意的是第1个转发跳是特殊的,这是因为源节点可以在任何时间产生一个分组。所以第1个转发跳的休眠时延t S,1是一个随机变量,其值位于(0,T f 之间。因此,根据(3式可以得出一个分组经过n 个

16、转发跳后的总的时延为:D(N =D 1+!Nn=2Dn=t S,1+t SYN +t CS ,1+t tx +!Nn =2(Tf+t CS ,n -t CS ,n -1=t S,1+t SY N +(N -1T f +t CS ,n +t tx(4在改进的协议中,记同步包的传输时长为t SYN ,而应用数据包的竞争时长为t CSDA TA ,则改进后的数据在一次转发跳中所经历的时延为:D n =t S ,n +t SYN +t CSDATA +t tx(5 改进后的帧长度为:T f =t SY N +t CSDA TA +t tx +t S,n (6综合(5式和(6式,可知应用数据包在经过n

17、跳之后总的时延为:D (n=D 1+!Nn=2Dn=t S ,1+t SYN +t CSDA TA +t tx +(n-1T f(7 (7式减(4式可得2种协议下的时延之差: t =t SYN -t SYN +t CSDATA -t CS ,n(8进一步分析(8式右边的各个组成项。其中,t SYN 由2个时间段组成,第1个时间段是同步包的竞争期,记为t CSSYN ;第2个时间段是同步包的发送时间,记为t TxSYN 。同时在S M AC 协议中,同步包的发送也分为2个部分,其中的同步包发送时间和改进协议相等,同为t TxSYN ,而另一部分是同步包的载波侦听时间,记为t CS 。因此可得:t

18、 =t CSSYN -t CS +t CSDAT A -t CS ,n(9(9式中,t CS 和t CS,n 均为一随机数,此数的产生公式为t =rando m (#aslottim e 。其中,r andom (是在竞争窗口0,C W内均匀分布的伪随机数,CW 是一个整数随机数,其值处于标准规定的CW min 和CW max 之间;aslottime 是一个时间槽834合肥工业大学学报(自然科学版第33卷的时间。在改进协议中,t CSSY N 和t CSDA TA 的理论最小值应为t CS 和t CS,n 所能取到的最大值。综上所述,可知改进后的一个n 跳数据包的传输时延比S M AC 协议

19、传输的时延所多出的平均时间长度为:E =12CW max shn #aslottime +12CW max data #aslottome (10根据(10式可知,改进后协议虽然在S M AC协议的基础上引入了一定量的延时,但该延时十分有限,并没有影响到网络应用的实时性。(2能量分析。在S M AC 协议中,在活动状态期间总是存在许多没有数据要发送的节点,故称为空闲节点。尤其是在网络负载不是特别重的时候,这样的空闲节点更多。而这些节点也要参与到信道的侦听当中,使得空闲侦听时间过长。特别是在对相邻节点可能发送的RT S 侦听中消耗了大量的能量。为简化问题,假设一个侦听时间间隔内共有n 个这样空闲

20、节点。本文记节点的能量消耗为P ,节点的侦听功率为p 1,这些空闲节点在一次侦听间隔内共侦听了3个部分的数据传输:对同步包的侦听、对RT S 帧的侦听以及对CT S 帧的侦听,其侦听时长分别记为t SYN 、t RTS 和t TxCTS 。进一步分析t SYN 和t RTS ,可以发现t SYN 由2部分组成:同步包发送前的竞争信道时间段,其长度记为t CSSYN ;同步包的发送时间段,其长度记为t TxSYN 。与之类似,RT S 帧的发送也分为信道竞争时间段t CSDATA 和RTS 发送时间段t TxRTS 。因此,可以计算出在S M AC 协议中,在一个侦听间隔内这些空闲节点总共消耗的

21、能量为:P =np 1(t CSSYN +t T xSYN +t CSDATA +t T xRTS +t T xCTS (11而在改进的协议中,根据改进方案,这些空闲节点是不进行数据发送前的信道状态侦听的,因此这些节点的总的能量消耗为:P =np 1(t TxSY N +t TxRTS +t TxCT S (12用(11式减去(12式,可以计算出协议改进后在一次侦听间隔内的所有空闲节点总共节约的能量,即p =np 1(t CSSY N +t CS D A TA (13由(13式可以看出,节省能量的多少与空闲节点的数量有紧密联系。也就是说越是在网络中 空闲节点多的情况下,即网络负载越轻的时候,节

22、点所节省下的能量也就越多。这对于数据流量不大,网络负载较轻的无线传感器网络而言是十分有益的。3 仿真分析利用NS2对改进前后的协议在能量消耗和传输延时2个方面进行仿真比较。其中,能量消耗是指从源节点发送一定数量的包到目的节点所消耗的总能量;延迟定义为传输一个数据包的每一跳时延。仿真实验的参数选择,见表1所列。协议的能耗仿真和延时比较,如图4所示。表1 仿真参数的选择仿真参数参数值发送功率/mW 接收功率/mW 空闲监听功率/mW 睡眠功率/mW 数据包长度/Byte 控制包长度/Byte251413 5010010(a 能耗仿真 (b 延时仿真图4 协议的能耗仿真和延时比较从图4a 可以看出,

23、原S M AC 协议中随着数据包的不断增多,消耗的能量呈线性快速上升趋势。而改进后的S MA C 协议能量消耗有明显降低,但由于网络负载的不断加重,空闲节点逐渐变少,改进算法的效率逐渐降低,能量消耗将逐渐接近S M AC 协议。为了比较2种协议在网络时延性能上的不同表现,在试验中采用了10跳线性网络拓扑来测试端到端的数据时延,源节点产生20条消息,每条消息100B 。数据传输过程中网络负载很轻,即不产生退避窗口时延和排队时延。2种MAC 协议的数据传输时延,如图4b 所示。从图4b 可以看出,2条时延线基本重合。这是因为虽然在改进协议中数据的发送推迟了时长,但是该时长与在S M AC 中引入的

24、睡眠时间相比是很小的,因此在改进协议中在下一跳中的(下转第840页835第6期樊高雁,等:无线传感器网络S M AC 协议的节能改进参 考 文 献1 S teven s W R.T CP/IP详解,卷1:协议M.范建华,译.北京:机械工业出版社,2000:256-288.2 Puz man ovz R.路由与交换M.黄永峰,周 可,译.北京:人民邮电出版社,2004:509-580.3 Ferreira A,Galtier J,Penn a P.T opological design,rou tin gand handover in satellite netw orks of handboo

25、k of w ireless n etw orks an d mobile computingM.New York:John Wi ley and Sons Inc,2002:473-507.4 Wood L.Intern et w ork ing w ith satellite constellationsD.Guildford:University of Surrey,2001.5 W alker J G.Satellite constellation sJ.J ou rnal of theBritis h Interplanetary S ociety,1984,37(12:559-57

26、2. 6 Re E D,Pierucci L.Next generation mobile satellite netw orksJ.IEEE Communication M agazine,2002,40(9: 150-159.7 W erner M,Delu cchi C,Vogel H.AT M based routing inLE O/M E O satellite netw orks w ith intersatellite link sJ.IEE E J ou rnal on Selected Areas in C om munications,1997, 15(1:69-82.8

27、 C han g S,Kim W.FSA bas ed lin k assignm ent and routing inlow earth orbit satellite netw ork sJ.IEEE Trans actions on Vehicular T ech nology,1998,47(3:1037-1048.9 Goun der V,Prakash R.Routing in L EO based satellite netw orksC/Proceedings of IEEE Emerging T ech nologies S ymposium on Wireless Comm

28、unications and S ystems, Rich ards on,1999:91-96.10 H ashim oto Y.Design of IP b as ed routing in a LE O satellite netw or kC/Proceedings of th e3rd InternationalW orksh op on Satellite Based Information S ervices,Dallas,1998:81-88.11 E kici E,Akyildiz F,Ben der D.A distributed routing algorithm for

29、 datagram traffic in LEO satellite n etw orksJ.IEEE/ACM T ransactions on Netw or king,2001,9(2:137-147.(责任编辑 张秋娟(上接第835页睡眠时长缩短了这一时间,使得引入的时延并不会带入到下一跳中,因此,在严格意义上,改进协议只是在第1跳与最后1跳中数据的传输时延略高于S M AC协议,且这段时间十分有限,对于绝大多数应用而言可以忽略不计。综上所述,改进后的算法能够在正常的网络延迟情况下,进一步降低节点的能量消耗,延长了网络的使用寿命。4 结束语本文分析了无线传感器网络S M AC协议,针对其节点对信道空闲侦听时间过长,增加了空闲节点额外的能量消耗问题,提出了改进方法,使得在不增加网络数据传输延时的条件下,无数据发送节点可以最大限度地降低对信道的空闲侦听。通过仿真实验,表明该方法具有较高的能量效率,可以有效地提高网络的使用寿命。参 考 文 献1 A kyildiz I F,