對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議優(yōu)化的研究與設(shè)計(jì)

王鈺　楊俊清　馬新華

【摘 要】隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，它由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，相互協(xié)作，采集、發(fā)送數(shù)據(jù)。而MAC層協(xié)議主要是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量，實(shí)現(xiàn)高效的通信機(jī)制。本文主要研究對(duì)MAC層協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Research and design of MAC layer protocol optimization for Wireless Sensor Networks

WANG Yu YANG Jun-qing MA Xin-hua

（Xian Aeronautical University， Xian Shaanxi 710077，China）

【Abstract】With the development of Internet of things，the application of wireless sensor networks is more and more widely.It consists of sensor nodes， mutual cooperation， collection， and transmission of data.The MAC layer protocol is mainly to optimize the network throughput and achieve efficient communication mechanism. In this paper，the optimal design of MAC layer protocol is studied.

【Key words】Protocol；Wireless sensor network；Optimization design

1 無線傳感器研究現(xiàn)狀

國(guó)外方面，美國(guó)最先入手無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究，尤其是其軍方投入大量人力物力、與高校合作，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的研究工作。隨后，歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家，包括亞洲地區(qū)的韓國(guó)、日本，也都開展了對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究工作。

國(guó)內(nèi)來說，隨著國(guó)際研究方向，也逐步開展了對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。尤其是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，首次被放到了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度。

2 MAC層協(xié)議簡(jiǎn)介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括物理層、介質(zhì)訪問控制層MAC、網(wǎng)絡(luò)層。而MAC層，是協(xié)議棧的底層架構(gòu)，由它來分配相應(yīng)的信道資源，決定無線通信信道的使用方式。MAC層協(xié)議的分類也有很多種。通常衡量MAC協(xié)議的指標(biāo)為業(yè)務(wù)量、吞吐量和平均傳輸延遲。

3 MAC協(xié)議現(xiàn)狀

目前很多MAC層協(xié)議存在同步過程雜亂、能耗大等缺陷。而如何解決存在的這些問題，就需要對(duì)MAC層協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議存在發(fā)數(shù)據(jù)延遲的現(xiàn)象；基于調(diào)度算法的MAC協(xié)議又有同步時(shí)間開銷太大、可擴(kuò)展性差的缺陷。

4 優(yōu)化策略

本文提出的A（awaken）-MAC協(xié)議，通過自身調(diào)整傳感器每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的占空比，讓節(jié)點(diǎn)在不同流量下使用不同的占空比工作，這樣就能根據(jù)流量決定時(shí)間，從而降低能耗，而能耗恰恰是MAC協(xié)議首先要考慮的因素。并且，A-MAC協(xié)議針對(duì)負(fù)載的不同，提出了睡眠算法。圖1所示為協(xié)議的周期睡眠圖。

使用如上機(jī)制的MAC協(xié)議，可以通過減少節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間也降低能耗。相鄰節(jié)點(diǎn)盡量保持同時(shí)睡眠，可達(dá)到同步交換數(shù)據(jù)包。而節(jié)點(diǎn)之間的調(diào)度，是通過SYNC包來實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)信道會(huì)發(fā)生碰撞的問題，可以采用截?cái)喽M(jìn)制回退的方式解決。如有競(jìng)爭(zhēng)，發(fā)送競(jìng)爭(zhēng)請(qǐng)求后，以ACK應(yīng)答信號(hào)為標(biāo)識(shí)，若收到ACK則表明競(jìng)爭(zhēng)解決過程完畢；若沒有收到，則代表數(shù)據(jù)信息丟失，便重新發(fā)送新的數(shù)據(jù)，重復(fù)即可。以往的協(xié)議棧里，如果數(shù)據(jù)信息較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)包較大，傳輸過程中若數(shù)據(jù)包出錯(cuò)，就需要重新傳送，時(shí)間的消耗隨之增加。A-MAC為避免這樣的現(xiàn)象出現(xiàn)，將消息分成若干小段，根據(jù)節(jié)點(diǎn)上數(shù)據(jù)的平均延遲，來改進(jìn)占空比，從而便于數(shù)據(jù)包的傳送。

若有睡眠命令發(fā)出，則所有節(jié)點(diǎn)空閑，避免了包含睡眠命令數(shù)據(jù)包的丟失；整個(gè)過程時(shí)間很短；節(jié)點(diǎn)睡眠和喚醒的時(shí)間不同，即傳感器節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)睡眠或者同時(shí)喚醒，避免了競(jìng)爭(zhēng)碰撞現(xiàn)象；最重要的是降低了能耗。此外，還可通過對(duì)路由器的參數(shù)改變，來進(jìn)行傳輸功率的控制。

5 仿真

使用NS仿真軟件，對(duì)A-MAC協(xié)議進(jìn)行模擬。NS集編程、擴(kuò)展與一體，可以模擬各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如TCP/IP。

參數(shù)設(shè)置：數(shù)據(jù)傳輸率1Mbps；傳感器節(jié)點(diǎn)500個(gè)；無線設(shè)備傳輸功率100mW；數(shù)據(jù)包大小固定512B，每間隔100ms發(fā)送。重復(fù)測(cè)試。

如圖2所示，采用A-MAC協(xié)議在數(shù)據(jù)流上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的時(shí)間延遲。

6 總結(jié)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)是成功的，在無線環(huán)境中，競(jìng)爭(zhēng)沖突、能耗大的缺陷過于明顯，無線傳感器的發(fā)展前景極為廣闊，所以網(wǎng)絡(luò)的性能及其協(xié)議的優(yōu)化也就成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。如何設(shè)計(jì)出良好的MAC層協(xié)議，降低能耗和時(shí)間延遲，就成了棘手的問題。

本文提出的A-MAC協(xié)議采用睡眠算法，對(duì)原有MAC協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，競(jìng)爭(zhēng)碰撞現(xiàn)象大大減少，更重要的是降低了能耗。通過設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行協(xié)議仿真，也表明A-MAC協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)間延遲。

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