DSMAC：传感器网络中的一种节能的MAC协议

尹成1　厉华明2

（1．山东水利职业学院，山东 日照 276826；2．日照市卫生学校，山东 日照 276826）

【摘要】本文主要介绍一种用于无线传感器网络中的MAC协议—DSMAC。它是专门为事件驱动和极低能耗的传感器网络设计的。其中一个关键的技术就是它使用动态睡眠方案来节约能源。实验显示，DSMAC协议比以往任何的方法都更高效，非常适合长期进行监控的网络。

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关键词 MAC协议；无线传感器网络；动态睡眠方案

当前，无线传感器网络已经被广泛地应用于等各个领域，并发挥着极其重要的作用。它的一个非常重要的功能就是在无人值守的恶劣环境中进行长期监测。因为所有网络节点都是电池供电，所以能源是一个关键的资源。

无线传感器网络中通信协议受具体应用和数据传输模式的影响。在长期的监测过程中，无线网络节点可以适时关闭以节约能源，这被称为睡眠模式。睡眠模式在无线传感器网络IEEE802.15.4中被第一次提出来，再后来的很多研究中进行了改进。

我们在设计协议的时候首先做一些假设：①网络中事件在一个点发生然后扩散到一个区域，直到消失。②事件的持续时间远长于节点的睡眠活跃期。因为软件和硬件的限制，节点的睡眠事件有上界和下届，定义为Tmin和 Tmax。

先定义一个参数，称为event-correlative，它表示从事件发生地到相关节点的距离，每个事件都有其独特的区别于其他事件的标识符，其中包含节点的标识信息和序列号。

当一个事件发生的时候，最近的节点将首先感知，然后生成此事件的标识符包括身份信息和序列号，并将梯度设置为零。它将这两部分信息封装“数据包”并通过广播传送给相邻的节点。假设，其他节点在感知事件前收到消息包，他们就会有足够的时间做准备。如果一个节点在第一时间收到一个事件消息包，那么它将存储的事件标识符并将这一事件加一，并且将消息包往前传递给其他相邻的节点。如果一个节点收到消息包两次或更多，就会扔掉后面多余的副本。广播将持续到直到消息覆盖整个网络。

在无线传感器网络中由于计算和存储资源的限制，节点的数据收集在存储前汇总。如图1所示，我们让离事件最近的节点作为收集点。事件区域所有节点必须发送数据到收集点，作为一个有效的途径，他们可以只发送数据到具有最小的梯度数量的相邻节点（即它是最接近的收集点）。在收集所有数据后，收集点汇总数据并存储在内存中。

需要注意的是我们只使用一个节点存储事件的信息，如果这个节点损坏了或者从网络中分离了，这一事件将丢失。所以，在排除网络安全问题的情况下，网络中多汇总拷贝数据是必要的。

从图1中我们可以看到，所有的数据必须发送到收集点，所以收集点周围的交通负荷会比别的地方更高，收集点周围的通信将有更多的延迟。我们可以设法削弱这种不公平。假设每一个节点可以动态调整其睡眠期，当收到一个新的节点“信息”，意味着一个新的事件发生，节点可以设置其睡眠时间如下公式：

Ti是节点i的睡眠时间，n是事件的节点梯度。从这个公式可以看到，如果一个节点的距离收集点小，那么睡眠时间也小，当n=0的时候收集点达到最小的休眠期。

事件结束后，节点将重置其睡眠期也就是Tmax。睡眠期间也实时更新，这意味着，如果一个节点是所在的区域事件比较少，其睡眠时间将会参照最新的事件。据此，我们将实现比X-MAC协议更公平和更短的通信时间。

低功耗侦听的第二个改良是关于报头。在X-MAC协议中，节点使用一系列短的报头与目标地址信息，而不是一个长前导以便节约能源。我们的方法跟这个类似但是短前导报头不是均匀分布在时间轴上的。如图2所示，在开始的时间间隔的数据包很小但足以耐心等待一个确认（应答）。如果调度没有听到一个应答，即目标可能是睡眠，第二个时段将增加一倍。这一过程将持续到时间间隔达到一个阈值，小于最小的睡眠期Tmin。

这种方式唤醒目标节点有两个优点。首先，我们可以比X-MAC节省更多的能量（注意，我们的报头数据包之间的时间间隔比X-MAC更长）。其次，结合灵活的睡眠模式，我们可以实现较小的通信延迟，尤其是在高流量负荷区。该方案在效率和低耗间是一个很好的平衡，对此已经进行了模拟验证。

现在我们讨论的能耗和定量延迟问题。用Pt、Pr、Ps代表所需能源的传输，Sp、Ra、Sal和Sd表示表示时间发送者的报头数据ACK，初始时间间隔报头和数据传输时间。Rl和Rs接受点的收听和睡眠时间。X表示预期报头监听迭代次数，n表示节点的梯度，R表示网络吞吐量。

报头要尽可能短，以便节约能源和减少碰撞，令xSp≈0

发送一个数据包的预计能量是发送前导、侦听数据包、发送数据包等能源消耗的总和。

收到一个数据包的预计能量是数据侦听、休眠、发送ACK确认包、接受数据包等能源消耗的总和。

一个单跳的预期延迟是发送报头，等待确认，发送数据等所需时间的总和。

在图1中，如果用户想得到事件的数据，他必须发送一个请求消息到存储事件数据的收集点，然后收集点将数据通过反向路由发送到用户。当请求消息发送到网络，节点将此以最优的路径分组随机的相邻节点。它是一种在数据查询中的高效节能方案。

我们模拟了一个事件驱动的无线传感器网络并和较低功耗侦听的LPL和X-MAC协议进行了比较。结果表明，在我们协议中的能源消费远远小于LPL和X-MAC，因为我们使用更少的报头数据。我们协议的平均通信延迟也是少于LPL。

LPL和X-MAC协议使用最长的睡眠模式Tｍａｘ，而我们的协议可以调整睡眠时间动态是DSMAC（动态睡眠）。图3显示了在不同交通荷载下地能源效率。我们可以看到，在低交通负荷情况DSMAC性能最好，因为我们用最少的报头数据，DSMAC和X-MAC超过LPL因为使用简短的报头。在高交通荷载作用下，该方案可以节省70%以上的能源。

图4显示了LPL和DSMAC在不同交通荷载下每跳的平均通信延迟。我们可以看到两个协议随着交通负荷的增加而增加，DSMAC的动态睡眠方案可以节省50%以上的通信延迟。

这种新的MAC协议，用于长期监测的无线传感器网络的事件驱动的数据存储和检索。与现有存在的方案相比具有更高的能量效率。但是，稳定性还有待于进一步验证。

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参考文献

［1］XIE G, J.Gibson A Networking Protocol for Underwater Acoustic Networks[D]. CS Department, Naval Postgraduate School, 2000.

［2］孙博,程恩,欧晓丽.浅海水声信道研究与仿真[J].无线通信技术,2006(3).

［责任编辑：杨玉洁］