一种基于队列的无线传感器网络mac协议

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1、http://www.paper.edu.cn一种基于队列的无线传感器网络MAC协议胡呈欣，张宏娟武汉理工大学信息工程学院，武汉（430070）E-mail：cocohcx@163.com摘要：本文首先分析了传统无线传感器网络MAC协议的情况，然后提出一种基于S-MAC协议的自适应占空比以及有效降低延迟的MAC协议，最后利用NS2仿真平台对802.11，S-MAC协议以及本文的协议进行仿真，进行比较分析。关键词：MAC，延迟分析，能量中图分类号：TP3931引言无线传感器网络是一种新兴起的网络，其是一种集数据

2、采集，处理及通信等功能与一体的分布式自组织网络。其优点是监测精度高，容错性高，覆盖区域大，它在军事，医疗，环境检测和智能探测领域都有极其广阔的应用前景[1]。因此成为了当前信息领域的研究热点。在无线传感器网络中，传感器节点通常由电池供电，网络部署完成后通常无法进行节点的维护和电池的更换.正是由于这个原因，节能问题成为了无线传感网络研究中最关键的问题.近年来许多研究项目致力与无线传感网络的节能方案，其中包括了节能的硬件设计，节能网络拓扑，节能MAC协议设计和节能的路由协议设计等。由于传感器网络的节点数目相当的多

3、，并且可能一直要工作在相当恶劣的环境之下，论文从无线传感器网络体系结构出发，综合考虑数据链路层协议对冲突避免、能效、自适应规模扩展、信道利用率、延迟、流量以及网络公平性的要求，选择了多跳通信模式并给出了协议软件设计的整体框架：节点发现-网络自组织-网络维护-网络重组。在已有的SMAC协议的基础上，考虑引入逻辑链路层的队列长度大小，并以该队列长度大小来对原有MAC层的睡眠调度侦听周期进行重新划分。协议采用周期性睡醒机制、RTS/CTS的握手机制、适应性侦听以及消息传输等机制，在节省能量的总前提下，有效地减少了延

4、迟、避免冲突，保证网络流量，与传统的其他数据链路层协议相比，具有明显的优越性。通过仿真软件NS对本协议的能耗、延迟、流量等参数进行仿真测试，进一步论证了本协议的实用性。2相关工作在无线传感器网络协议中，信道接入技术是用于建立可靠的点到点，点到多点或多点共享的通信链路技术。如何控制共享信道的接入，是数据链路层的介质接入控制(MAC)子层的主要任务[2]。传统的MAC层协议的设计目标是最大化吞吐量，最小化延迟的基础上并提供公平性。MAC层协议的设计需要在各种性能间取得平衡。各性能间的平衡往往比单个性能的表现更重要

5、。现在主要介绍下基于竞争类的MAC层协议。2.1基于竞争的MAC协议IEEE802.11协议，该协议的分布式协调模式采用载波侦听多路访问（CSMA）。基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争的方式实用无线信道，并且采用了二进制退避算法来避免发生碰撞。如果发送数据产生碰撞，就按照某种已经定义好的方式进行数据重发[9]。-1-http://www.paper.edu.cnSMAC协议（WeiYe[3]），SMAC协议是一个单信道的基于竞争的MAC协议，是对IEEE802.11协议进行的改进，设计的主要目标是减少能

6、耗，提供良好的扩展性。它针对以上所消耗能耗的主要环节，采用了”休眠/侦听”交替的信道侦听机制，S-MAC协议是能量有效的，但是由此也带来了一个明显的缺点：比较显著的增加了数据包的前传延迟。中间节点只有等到接收机被唤醒的情况下才能前传数据包。同时，SMAC协议没有考虑节点的公平性问题。公平性反映了不同用户，节点或应用是否能公平地分享信道。在传统的语音数据网络中十分重要，因为每个用户都希望收发数据。在传感器网络中，某个传感器节点可能拥有比其他节点多得多的数据要发送，因此，协议性能好坏是以整体来评价，节点之间或用户

7、之间的公平性就不是这么重要了。T-MAC（Time-out-MAC）[6]在S-MAC协议的基础上引入了自适应性的占空比，来应付不同时间和位置上负载的变化。它动态地终止节点活动，通过设定细微的超时间隔（fine-grainedtimeouts）来动态地选择占空比。减少了闲时监听浪费的能量，但仍保持合理的吞吐量.T-MAC通过仿真，与典型无占空比的CSMA和占空比固定的S-MAC比较，发现不变负载时T-MAC和S-MAC节能相仿（最多节约了CSMA的98%），但在简单的可变负载的场景，T-MAC在5个因素上性能

8、胜过S-MAC，可是仿真存在早睡问题，虽然提出了一些解决办法，但仍未在实践中得到验证。3SMAC协议改进算法描述传感器网络MAC协议最重要的设计目标就是减少能量消耗，而空闲侦听的能量消耗占绝对大的比例，特别是在消息传输频率较低的情况下。为控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点的能量消耗。S-MAC协议采用周期性侦听/睡眠的低占空比工作方式。但是由于S-MAC中占空比固定不变，因此他不能很好的适应网络流