无线传感器网络MAC协议机制性能分析

[ 4]
问题
1 1 占空比机制 SMAC 将时间 划分为多个帧, 每 个帧由 2 部分 构成 : 侦听状态( Listen Part ) 和睡眠状态( Sleep Part) , 侦听时间与睡眠时间的比值常称占空比 , 设侦听 时间与睡眠时间为 l , s , 则有 :
SMAC = l s
。
( 1)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2
性能仿真与分析
用仿真的手段从能源有效性、 实时性和网络吞
吐量等几个方面对这 3 个协议进行分析。 下面的所有数据分析图分别是在 25 固定节点 和不断增加节点的 2 种场景下的仿真得到的 , 选用 的网络数据流为 CBR 类型 , 传输层采用 UDP 协议, SMAC 中的 1 个周期长度为 10 s, 唤醒时间长度为 3 s, 休眠时间长度为 7 s; TMAC 中的 T = 1 s, 其他参 数同 SMAC; DMAC: Rx Tx Idle = 6 4 3, = 10 s。 用 NS2( 用了 CMU 无线扩展 ) 分别对 SMAC 、 TMAC 和 DMAC 三种协议进行仿真。所采用的无线电主要参 数如下 ( 其余的参数为默认值) : 带宽 : 150 kbps; 包大小: 200 bytes; 初始能量 : 100 J; 发射功率 : 0. 6 W; 接收功率 : 0. 4 W; 空载功率 : 0. 3 W。 2 1 能源有效性 造成能量消耗的主要因素包括空闲侦听、 数据 冲突、 协议开销、 串音损耗等
图 2 SAMC/ TMAC/ DAMC 协 议基本数据交换机制
比策略来调节控制无关节点处于睡眠状态 , 以此来
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2007 Radio Engineering Vol 37 No 2
信息系统与网络
降低节点能量的损耗。边界节点形成的虚拟簇通过 与邻居 节点 的协 调来 减少节 点的 空闲 侦听 时间。 TMAC 协议根据通信流量动态地的调整活动时间 , 用 突发方式发送信息, 减少空闲侦听。针对 SMAC 协议 的空闲 侦听 ( 周 期性侦听 和睡眠 ) 进行了 优化。而 DMAC 协议采用了! 数据汇聚树∀ 结构和自适应占空 比机 制, 大 大 减 少 了 空闲 侦 听 的 时 间。TMAC 与 DAMC 协议在空闲侦听方面, 可变占空比机制起了很 大节能作用。三者的仿真结果如图 3( a) 、 ( b) 所示。
区分 SMAC 周期性侦听与睡眠 主 要 机 制 TMAC 激活调整 ( TA ) 占空比机制 DMAC 自适应 占空比机制 交错调度机制 数据预测机制 ACK 应答机制 MTS 分组机制 父节点早睡问题
0
引言
在研究无线传感器网络 MAC 协议中, 通常依次 从节省能量、 可扩展性、 公平性、 实时性、 网络吞吐量 以及信道利用率等几个方面考虑协议的性能。而节 省能量成为传感器网络首先考虑的问题。目前 , 有 众多 文 献 提 出 的 SMAC
通常 SAMC 的 大小是由协议 设定的 , 由式 ( 1 ) 、 ( 2) 可得, SAMC ! TMAC ( 当 且仅当 TA = l 时取 等 号) 。而对于 DMAC 的占空比是随着传输数据的流 量的大小来调整 DAMC 的大小。所以 , 在数据 流量 较小时, 1 2
DAMC 会调整得非常小。
[ 1]
虚拟簇 延时侦听预测机制 RTS/ CTS/ DATA/ ACK 机制 数据分割突传机制 能耗消耗大 早睡问题
( Sensor MAC ) 、 TMAC
[ 2]
( Time out MAC) 和 PMAC ( Pattern MAC) 等协议 都 是从 经 典 的 基 于竞 争 冲 突 的 MAC ( IEEE 802. 11 MAC) 协议演变而来。这类协议通过使用 1 个工作 时隙 , 使节点处于 1 个工作循环周期中, 从而减少节 点消耗在空闲监听上的能源。在每个时隙的开始时 所有节点被唤醒 , 任何一个节点需要发送数据都要 通过竞争抢占共享信道, 这种同步机制增加了信道 中发生竞争冲突的可能性 , 这些 MAC 协议的性能与 其所采用的机制关系密切, 研究这些机制对分析其 性能和设计 MAC 协议意义重大。
[ 1]
基本数据交换机制
图 2( a) 、 ( b) 中节点按 C- B- A 顺序传输数据。 SMAC 协议的基本数据交换机制如图 2( a) 所示。节 点 B 向节点 A 发送数据 , 相邻节点 C 侦听只能等 到时间结束。其中时隙 C 表示冲突窗口。
l
。研究表明, 造成能
量损耗主要是空闲侦听 , 尤其在消息传递频率较低 时[ 2] 。SMAC 协议采用了周期性侦听睡眠的低占空
= BP + CW+ DATA + SP + ACK 。 ( 3) ( 5)
图1
SMAC/ TMAC/ DMAC 的 占空 比机制
n( Rx + Tx ) 。 DMAC = sleep
与 SMAC 和 TMAC 相比 , DMAC 比上面 2 个协议 少了 RTS 和 CTS 两个环节。通过 BP 和 CW 直接进 行数据传送 , 在 ACK 完毕之前还加入了 SP 。
∃ % & 所示 , 图中 , # 表示 SMAC; # 表示 TMAC; # 表示
DMAC( 下同 ) 。 2 3 网络吞吐量 网络吞吐量代表在一给定的时间内, 发送端成 功发送给接收端的数据量 , 许多因素影响网络的吞 吐量, 如冲突避免机制的有效性、 信道利用率、 延迟 和控制开销等。和延迟一样 , 吞吐量的重要性也取 决于网络的应用, 无线传感器网络的许多应用为了 获得更长的节点生存时间 , 可以适当牺牲延迟和吞 吐量性能指标。通常用成功接收到的数据量与发送 的数据量的比值, 即输送比 ( Delivery ratio) 来衡量网 络吞吐量更具有意义。三者比较 DMAC 的输送比最 好 , 对 变 化 的 网 络 负 载 不 敏 感, 相 对 比 较 稳 定。 SMAC 因比 TMAC 的延迟小, 在同等条件下 , 其输送 比也比 TMAC 强 , 网络吞吐量也相应高些。其仿真 结果如图 3( e) 、 ( f) 所示。 从上述 3 种协议比较分析可以有如下结论: ∋ 能量消 耗方 面: DMAC 协 议的 节 能效 果最 好 , 而且适应网络流量变化强。TMAC 协议在不变 负载时和在不断增加负载的情况下, 比 SMAC 协议 能量消耗要低些; ( 实 时性 方 面: DMAC 是 专 门 针对 SMAC 和 TMAC 协议的! 走走停 停∀ 问题设计 的, 所以该协议 实时性最好 , 在固定节点网络中 , 经过工作一段时间 后 , 会到趋于一个稳定值; 当节点增加时 , 它的延迟 会出现缓慢上升趋势。SMAC 协议在增加节点数目 节点情况下, 随节点的增加而增长。在 TMAC 协议 因存在临近节点提前睡眠 , 导致在此时收发的节点
信息系统与网络
无线传感器网络 MAC 协议机制性能分析
丁
摘 要
成, 黄本雄, 胡
军
( 华中科技大学, 湖北 武汉 430074)
对近年来无线传感器网络 MAC 协议的 最新研究进展进行了分析 和讨论。针对 SMAC、 TMAC 和 DMAC 三种比 较 典型 MAC 协议的机制和特点 , 从能量有效性、 实时性和网络吞 吐量等几个方面对协议的性能进行了比较、 仿真和分 析 , 指出 其 各自的优缺点及适应范围 , 并对它们的应用前 景和进一步的研究方向提出有益的建议。 关键词 SMAC; TMAC; DMAC; MAC 协议的机制 ; 无线传感器网络 中图分类号 TP393. 17 文献标识码 A 文章编号 1003- 3106( 2007) 02- 0015- 03
TA > C + R + T 。 ( 4)
节点 C 就是 等待 TA 其 结束后就 进入睡 眠状 态。其中 C 是竞争时间间隔的长度; R 是 RTS 数据 包的长度; T 是回转时间 ( 介于 RTS 发送结束到 CTS 接收到所需要的一个时间段 ) 。从图 2( a) 的 l 与 图 2( b) 的 T A 比较 , 可以看出 TMAC 协议较 SMAC 协 议的节能有优越性。 DMAC 协议采用数据交换机制如图 2( c) 所示。 由文献[ 6] 知 1 次数据通信过程需要的时间长度 可表示成:
2007 年 无线电工程 第 37 卷 第 2 期
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信息系统与网络
交错唤醒机制是 DMAC 协议的核心机制, 该机制 将节点的时间划分成 3 类时间段, 睡眠时间 ( Sleep ) 、 等时段的接收时 间( Rx ) 和发送时 间( Tx ) 。每个节 点具有不同的偏 移。上层与下层 接收与发送的时 间相 同 且 对 应。 由 DMAC 的自适 应占 空 比 机 制, 若 1 个周期内发 送 n 个分组 数 据, 则有: 图 2( b) 为 TMAC 协议基本数据交换示意图 , 数 据通过 T/ CTS/ DATA/ ACK 循 环交 换。 由文 献 [ 1] 知 : TA 时间间隔必须满足的条件:
对于 TMAC 协议, 如图 1 所示, 由于 TA l, 由 前面的定义可知 , TMAC 协议的一个帧内的占空比
TMAC为 :
TMAC = s+
1
采用的主要机制比较
由参考文献 [ 1, 2, 3, 6] 知, 3 种协议采用的主要
TA 。 l - TA
( 2)
机制及问题如表 1 所示。
收稿日期 : 2006 12 11
图3
固定节点与变化节点各协议性能比较
2 2
实时性 实时性通常用延迟( Latency) 来衡量的。延迟是
只能排队等到下一次活动状态的开始进行。它的延 迟要高于 SMAC; ) 输送比方面: DMAC 协议的输送比在稳定之 后 , 要高于 SMAC 和 TMAC 。TMAC 协议和 SMAC 相 比 , 因延时而影响输送比。当负载增加时 , 输送比会 下降; ∗ 对于传感器网络的可扩展性、 公平性、 信道 利用率这几项指标没有进行仿真。
Comparative Study on Mechanism and Performance of MAC Protocols in Wireless Sensor Networks
DING Cheng, HUANG Ben xiong, HU Jun
( H uaz hong University of Science & Technology , Wuhan Hubei 430074, China) Abstract This paper analyzes and discusses the recent study on M edia Access Control( MAC) protocols for Wireless Sensor Networks ( WSN) . For three types of representative MAC protocols such as SMAC, TMAC and DMAC, of which the characteristic mechanisms are described through many sketch maps, this paper presents performance comparison, simulation and analysis from energy effectiveness, latency and throughput on networks for these MAC protocols and points out theirs advantages and disadvantages and their application range. Finally, some suggestions for future application and research are given for each protocol. Key words SMAC;TMAC; DMAC; mechanism of MAC protocols; wireless sensor networks 表 1 3 种协议的主要机制及问题