基于SMAC的无线传感器网络MAC协议的分析与优化

作者：时间：2011-12-21来源：网络收藏

1．2．6 自适应侦听机制
自适应侦听机制的基本思想是：当一个节点收到RTS或者CTS数据包，侦听到邻居节点有数据通信，就进入睡眠，同时记录它的通信时间。对通信时间的记录帮助节点通信结束后能够醒来，在一个较短的时间内侦听信道查看是否有数据包需要传递，这种侦听同样是通过是否接收RTS数据包和CTS数据包来实现的。通信结束后节点会醒来，这个时候节点进入工作状态，侦听是否有数据包到达，如果有数据包到达则建立信道进行通信，如果没有数据包到达，则结束侦听，继续进入睡眠，按照既定调度方式工作。

2 改进的MAC协议ATC-SMAC
如前面所述，S-MAC协议由于采用了固定的占空比，它不能根据网络中数据流的延迟情况动态调整占空比大小，造成了两个主要的问题。本节提出了一种新的无线 传感器网络的MAC层协议——ATC-SMAC(Automation of Time Controlled-SMAC)，该协议在S-MAC协议的基础上改进了固定占空比的劣势，采用根据每个节点上的数据包的平均延迟调整占空比的策略。
2．1 ATC-SMAC协议的工作原理
ATC-SMAC协议支持传感器网络中的不同节点拥有不同的占空比。现在假设节点的初始化占空比为P，帧长为T，睡眠时间为Tsleep，工作时间为Tactive，显然有，P=Tactive／T。设数据包在某节点的平均阻塞延迟为Tblock。
ATC-SMAC的节点占空比调整策略如下：如果Tblock的变化超过了Pctr，那么占空比也要调整相应的比例；不论这种变化是增加还是减少，只要变化的范围超过了Pctr，占空比都会调整；根据Tblock变化的幅度，占空比调整的幅度也会相应地变化。本文中Pctr选为20％，经过后面的仿真实验验证，Pctr为20％的ATC-SMAC协议要比自适应的S-MAC协议更加优秀。为了通过减少节点的计算量从而达到节省节点能量的目的，节点的数据包平均时延为两个同步周期计算一次。节点统计在刚刚过去的两个同步周期内自己转发的所有数据包的延迟。对于每一个数据包，在它进入节点的缓冲队列的时候，从数据包的报头中可以看到上一个节点发送出该数据包的时刻Tin，忽略数据在物理介质中传播的时间，记录该数据包从本节点上发送出去的时刻Tout，该节点的延迟Ti=Tout-Tin。对于该节点转发的数据包1，2，…，n，统计得出它们的延迟T1，T2，…，Tn，得到该节点的平均延迟Teven为：
Teven=(T1+T2+…+Tn)／n (1)
节点除了计算刚刚过去的两个同步周期内的平均延迟外，还保存上两个同步周期内的平均延迟Tpast。
如果在刚刚过去的两个同步周期内，节点转发数据包的量比较大，延迟较高，Teven>Tpast，那么计算Teven高于Tpast的百分比P，如果P不到20％，那么该节点的占空比不做调整；如果P高于20％(包括20％)小于40％，那么该节点在下一个同步周期的时候将自己的占空比上调20％；如果P高于40％(包括40％)小于60％，那么占空比往上调整40％；依次类推，如果P高于C％(包括C％，其中C为20的整数倍)而小于(C+20)％，那么占空比往上调整C％。
同理可得向下调整占空比的方式：如果在刚刚过去的两个同步周期内，节点转发数据包的量比较小，延迟较低，TevenTpast，那么计算Teven低于Tpast的百分比P，如果P不到20％，那么该节点的占空比不做调整；如果P高于20％(包括20％)小于40％，那么该节点在进入下一个同步周期的时候将自己的占空比下调20％；如果P高于40％(包括40％)小于60％，那么占空比往下调整40％；依次类推，如果P高于C％(包括C％，其中C为20的整数倍)而小于(C+20)％，那么占空比往下调整C％。
占空比向上调整过程的伪代码表示如下：

2．2 ATC-SMAC的节能策略分析
Pctr为20％的基于ATC-SMAC协议的传感器在吞吐量、端到端延时以及能量消耗上都要略优于动态的S-MAC协议。与使用固定占空比的S-MAC协议相比，ATC-SMAC在吞吐量上平均要比S-MAC协议高大约1倍；在端到端延时这项上，ATC-SMAC的数据包平均时延大约为S-MAC协议的0．6倍；ATC-SMAC平均每字节消耗的能量大概为S-MAC协议的0．4倍。与动态调整的S-MAC协议相比，ATC-SMAC协议的平均端到端时间大概为动态S-MAC协议的70％，ATC-SMAC协议的平均吞吐量大概为动态S-MAC协议的1．2倍，ATC-SMAC平均传输每字节消耗的能量大概为动态S-MAC协议的75％。

3 结语
ATC-SMAC协议在SMAC协议的基础上进行了改进，使用了更加优秀的动态调整占空比的算法。它可以让节点根据自己流量的变化动态地调整自身的占空比。通过仿真结果，可以看出ATC-SMAC协议在端到端延迟、能量使用效率以及网络吞吐量等方面较S-MAC协议(自适应和非自适应两种)都有一定程度的提高。