基于S-MAC協(xié)議能量有效性的改進(jìn).pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN：Wireless Sensor Networks）就是部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量微小的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)路系統(tǒng)，其目的是對(duì)生產(chǎn)生活中各種數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和收集，并傳給觀察者，可廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)、醫(yī)療救護(hù)等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)是由電池供電，由于環(huán)境原因和節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大，電池的更換是很困難的，所以盡量節(jié)省各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中

2、，介質(zhì)訪問控制（MAC：Medium Access Control）協(xié)議處于傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源，決定無線信道的使用方式，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有較大影響。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)資源有限和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變換的特點(diǎn)，對(duì)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，既要保證系統(tǒng)性能，又要盡量的節(jié)省能量。MAC協(xié)議可以按照不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，本文的研究主要基于競(jìng)爭(zhēng)型的MAC協(xié)議。很多現(xiàn)有的基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議都是以

3、犧牲吞吐量、延遲等網(wǎng)絡(luò)性能來換得能量節(jié)省的，但是這樣做不利于網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和生命周期的延長(zhǎng)。本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、體系結(jié)構(gòu)、主要特征和應(yīng)用領(lǐng)域；詳細(xì)介紹了已有的MAC協(xié)議以及MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)和主要能耗；分析了S-MAC （S-MAC：Sensor-Medium Access Control）協(xié)議工作機(jī)制、局限性和相關(guān)改進(jìn)協(xié)議，在S-MAC基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了節(jié)能型的MAC協(xié)議——能量有效的MAC

4、協(xié)議（EE-MAC：Energy Effective-Medium AccessControl）協(xié)議。S-MAC協(xié)議是針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能需求和自組織性提出的，主要通過周期性偵聽/睡眠機(jī)制獲得低占空比運(yùn)行。但S-MAC協(xié)議采用固定周期性偵聽/睡眠調(diào)度機(jī)制，活動(dòng)時(shí)間通常是固定不變的，而消息速率是變化的，節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)度不能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量變化動(dòng)態(tài)調(diào)整，不能有效的節(jié)省能量。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)S-MAC協(xié)議存在節(jié)點(diǎn)的偵聽/睡眠周期無

5、法根據(jù)通信負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的問題，本文對(duì)S-MAC協(xié)議的偵聽/睡眠機(jī)制進(jìn)行了改進(jìn)：采用節(jié)點(diǎn)發(fā)送隊(duì)列的利用率來衡量網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大小，節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)偵聽/睡眠周期。當(dāng)發(fā)送隊(duì)列利用率高時(shí)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大，節(jié)點(diǎn)就增大自己的占空比，減少睡眠時(shí)間；當(dāng)發(fā)送隊(duì)列利用率低時(shí)，則網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小，節(jié)點(diǎn)就減小自己的占空比，增大睡眠時(shí)間。這樣就可以保證，當(dāng)通信負(fù)載變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)能根據(jù)負(fù)載的變化動(dòng)態(tài)的調(diào)整自己的偵聽/睡眠周期，已達(dá)到節(jié)省能量的目的。通過OPNE