基于SMAC的无线传感器网络MAC协议的分析与优化

摘要：首先对MAC协议进行了相关介绍。然后重点介绍了一种基于竞争的无线传感器网络MAC层协议SMAC协议。其核心是提出了一种新的无线传感器网络的MAC协议设计方案。基于动态调整占空比的思想，提出了ATC-SMAC协议。该协议在S-MAC协议的基础上改进了固定占空比的劣势，根据每个节点上的数据包的平均延迟调整占空比。通过动态地调整每个节点的占空比，使不同流量的节点拥有不同的工作时间，协议根据不同节点的流量情况自适应地对其占空比进行调整。经过仿真试验，得到ATC-MAC在网络端对端延迟、能量消耗以及吞吐量方面较S-MAC协议都有比较明显的提高。
关键词：无线传感器网路；MAC协议；动态占空比；ATC-SMAC协议

无线传感器网络协议ATC-SMAC主要是提高基于竞争的S-MAC协议的能量使用率，同时减少S-MAC协议的网络延迟。ATC-SMAC协议通过自适应地调整每一个节点的占空比，让节点在不同的流量下使用不同的占空比工作，做到流量大时工作更长的时间，流量小时工作更短的时间，没有流量的时候就不工作。

1 S-MAC协议的分析和研究
S-MAC协议是一种基于竞争的控制协议，具有同步机制功能与无中心等特点，不需要局部或全局中心主节点的调度传感器节点自己发现邻居节点，并合理地安排占用信道的时间。
1．1 S-MAC协议
S-MAC协议时间分为若干个帧，帧长度由应用程序来确定，帧内分为活动与睡眠两个部分。在睡觉时段，节点关闭发送器模块，缓存在此时负责采集数据信息，数据在等待序列中，到活动阶段集中进行发送。在活动开始时，发送节点进入同步机制决定帧长度的确定方式，之后通过(RTS／CTS／DATA／ACK)机制发送数据信息，这个机制能够避免因冲突产生的能耗。通过同步机制，局部的节点之间可以采用相同的时间周期，采用相同的工作休眠策略，它方便了无线传感器网络发现新节点。
1．2 S-MAC的节能机制分析
为了减少无线传感器网络消耗的能量，在IEEE 802．11基础上提出了一种专门的传感器网络MAC协议S-MAc协议。无线传感器网络的冲突重传、接收到不是发送给自己的数据、控制信号、空闲侦听等造成传感器网络耗能的原因。它引入了节点间的SYNC机制，允许没有数据发送和接收的节点进入休眠状态以节省耗能。但根据前文所讨论的，睡眠的本身会引起数据的传输中断，从而增加延时。下面将具体分析S-MAC协议是怎么节能的。
1．2．1 交替侦听／睡眠机制
S-MAC协议的工作是按照周期进行的，在每个周期里，每一个基于S-MAC协议的节点都会工作一段时间、睡眠一段时间，通过减少节点的工作时间来节省能量。如图1所示S-MAC协议的一个周期包含了睡眠和侦听两个阶段，侦听阶段属于工作阶段，侦听阶段如果收到数据包，则节点之间会建立通信。如果节点处于睡眠状态，则节点不能接收任何数据，发送给它的数据都会被阻塞。处于睡眠状态的节点会在一定时间后醒来。在S-MAC协议中，相邻的节点是尽量同时睡眠同时侦听的，为了保证时间上的一致，防止时钟偏移，不同节点间需要定期广播同步包来交换时间信息，从而进行调整，做到同步。

1．2．2 “虚拟簇”机制
S-MAC协议使用了“虚拟簇”的机制，在“虚拟簇”机制下，节点之间的调度信息是通过节点广播SYNC包来实现的。S-MAC协议使用调度表来保存调度信息，每一个节点会保存一个调度表。节点会在启动的初期监听一段时间，因为S-MAC协议是固定占空比的，所以这段时间是固定的。在监听的这段时间，如果节点能够收到邻居节点的调度信息，则它使用邻居节点的调度周期更新自己的调度周期，并且它会在一段时间后广播自己的调度信息。如果接收到的邻居节点的调度方式与自己的调度方式相同，则调度方式不变；如果发现邻居节点的调度方式与自己不同，而且还没有收到与自己调度方式相同的节点消息，则使用新的调度方式进行调度。
1．2．3 串音避免机制
基于竞争MAC协议能量消耗的一个重要原因就是串音。在S-MAC协议中，如果节点收到不是发送给自己的RTS数据包或CTS数据包，节点会直接进入睡眠状态。这样，发送数据包的节点就不会把数据包和ACK报文发送到刚刚进入睡眠的节点，从而减少了节点处理这些数据包所消耗的能量。
1．2．4 冲突避免机制
竞争信道时产生的碰撞是每一个竞争类协议都会碰到的问题，S-MAC协议也对该问题进行了解决，尽量减少不必要的能量浪费。
1．2．5 消息分段机制
如果传感器网络传递比较长的数据包，一个包出错就会重传，这就将耗费比较多的能量。S-MAC为了解决这个问题采用了消息分段机制，将长消息分成几个小的消息发送出去。