无线传感网中简化的SMACS协议

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无线传感网中简化的SMACS协议   摘要:无线传感器网络为了节省能量协议要尽可能的简单,本文是对SMACS协议的简化,去掉了超帧及同步过程。没有了超帧的时间同步机制会带来带来一系列的问题,通过引入虚超帧的概念,引入了新的邻居发现和信道分配的机制,利用邻居收发的信息,建立了两个节点间的通信链路。减少了同步信息的传输,增加了协同工作的一些计算,因计算比传输消耗的能量少,总的来说减少了能量的消耗。   关键词:SMACS SSMACS 冲突 同步   中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2015)10-0000-00   1引言   无线传感器网络因其应用广泛,得到科研人员的极大关注。而无线传感器网络的数据链路层是以物理层为基础,为网络层提供数据传输服务,最主要为无线传感器网络提供媒体介入、差错控制等服务。人们对无线传感器网络MAC层协议已经进行了大量的的研究,类型划分也各不相同,最常见的的是按分配信道的方式划分,大体分为竞争型MAC(例如,S-MAC、T-MAC、Sift等),分配型MAC(例如,SMACS、TRAMA等)、混合型MAC(例如,ZMAC)和跨层MAC(例如,MINA)。   以下我们主要讨论SMACS协议,SMACS协议属于分配型MAC,它适用于网络规模大、移动节点移动比较缓慢,协议设计的主要目的是为了降低节点的能量消耗。它采取了类似TDMA、FDMA的形式,运行在超帧基础上,需要有同步超帧信息,相对消耗能量比较多。为了进一步减少能量消耗,我们对SMACS协议进行了简化,去除了超帧同步信息传输,转而通过一些简单的计算实现协调一致的通信目的。   2简化的SMACS协议   SMACS协议是加州大学洛杉矶分校的研究人员提出来的无线传感器网络的MAC层协议。要求每个节点可在多个频点上通信。一对节点在划分为时间长度固定的超帧上选取两个空闲时间段,随机选取一个频点,建立在两个节点节点间在两个时段分别进行一个接收、一个发送通信链路。可以实现慢速的移动节点在网络中的无缝连接。在不同超帧中的节点形成子网,子网之间可实现无缝连接。也相当于同时使用了TDMA、FDMA。节点以超帧为单位循环往复,在自己分配的时段开始打开无线侦听信道或通信,其余时间睡眠。   简化的SMACS协议(简称SSMACS)的中心思想是:因为每个节点有多个频点可以使用,我们把一个频点作为一个固定频点,在此频点上进行信道分配,记此频点为CC,其余频点作为数据频点发送数据,记此类频点为DC。在固定频点上使用时间长度固定的一段时间,可取的和SMACS超帧时间段相同,但不需要同步这些时间段,我们称其为虚超帧。采用虚超帧主要不是为了同步,而是为了提供一个周期性的开射频、关射频的时间段。其余频点可不使用超帧,只需每个节点使用一个自带的时钟计时器,每隔虚超帧时间段定期在选择时间段开射频,要求开射频的时段基本一致。醒来后侦听是否需要通信,不需要通信接着睡眠(即关射频),其他时间一律睡眠。不需要维持时间长度固定的超帧的同步信息。   邻居发现和信道分配:节点u在一个随机时间启动,在CC上随机侦听一段时间,如果信道空闲,发送邀请信息,邻居节点收到邀请信号后自各选取一个随机时间向节点u发送信息,节点u收到邻居节点的信号后,可根据信号到来的先后顺序或信号质量的好坏来选择一个邻居节点w,并向该邻居节点发送信息,包括节点u的地址信息、该节点虚超帧及时间分配情况,节点w根据这些信息选择一对空闲的时间段分别作为收发时间段,并随机分配一个频点,利用平均传输时间、平均收发时间把自己的虚超帧开始时间和节点u的虚超帧时间一致,之后再把在虚超帧时间分配情况和频点的选择传输给节点u,这样在节点u和w之间就建立了一条通信链路。   一对邻居节点在DC上进行通信需要选择一个共同时间开始通信,这样两个节点就需要开射频(即醒来)的时间一致。我们的做法是每次醒来,有数据传送时,利用平均传输时间、平均收发时间协调一致醒来的时间即可;在没有数据传送时在开射频时段也要发送一些信息,同样是利用平均传输时间、平均收发时间协调一致醒来的时间和通信的两个时间段,之后再去睡眠。   由于我们并没有进行时间同步,这样随着时间的推移就有可能使得各个通信链路的时间段发生错位,有可能和其余的链路发生冲突。出现这种情况,两个节点重新开始在CC上进行邻居发现,重新分配信道即可。   对移动节点的处理可依旧采取EAR完全类似的算法进行管理,(1)静止节点会在CC上每间隔固定个虚超帧发送一次BI邀请信息,移动节点在接收到静止节点的BI消息后将开始连接过程。(2)静止节点在CC上在接收到MI消息后,需要检查连接是否可以建立,分配信道(采用上述方式);(3)连接建立后,在DC上进行数据通信,其余情况的处理完全类似。   下面我们对简化的SMACS协议做一个简单的分析,我们首先去掉了超帧及同步,采用了虚超帧,不需要进行明确的同步,只是利用传输时的平均传输时间、平均收发时间做了一些矫正,使得每个链路虚超帧开始时间基本一致。邻居发现和信道分配我们使用了专门的固定频点来传输信令信息,浪费了带宽;在每次开射频后都需传输一些信息来调整一个链路的开始时间,增加了传输量。总的来说,我们去掉了超帧及其同步,引入了虚超帧,通过利用平均传输时间、平均收发时间,通过一些计算,使得一对链路虚超帧的开始时间基本一致。因为传输时能量消耗大于计算时能量的消耗,所以总的来说节省了能量。   3结语   本文是对SMACS协议的简化,去掉了超帧及同步过程,引入了虚超帧的概念,不需要进行明确的同步,只是利用传输时的平均传输时间、平均收发时间对虚超帧的开始时间做了一些矫正工作。协议仍然适合网络规模大、移动节点移动较缓慢的情形。这样减少了传输同步信息的传输,增加了一些计算。又因为传输时能量消耗远远大于计算时能量的消耗,所以总的来说节省了能量。   参考文献   [1]Sohrabi K Ailawadhi V Ailawadhi V. Protocols for Self-organization of a Wireless Sensor Network,IEEE Personal Comm Mag,2000:16-27.   [2]刘伟荣等.物联网与无线传感器网络技术[M].北京:电子工业出版社,2013.   收稿日期:2015-09-10   作者简介:张涌逸(1968―),男,汉族,山西河曲人,硕士,副教授,研究方向:网络容错、网络路由和协议等。
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