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无线传感器网络高能效MAC层协议研究,唐笑秋,, 无线传感器网络中的节点一般是靠电池供电的,所以如何提高能源有效性便成为其重要研究课题之一,而对高能效MAC协议的研究更是��
中国武技论文在 主要是吸收了 中的一些可取之处,结 架构的自身特点,在主接收机(即 数据接收机)中引入了触发式唤酲和自适应监听机制。下面,我们将对这两和机制分别进行 分析 主接收机中触发式唤醒的引入 在这一部分中,我们将会提出一种基于 架构,在 基础上作相应改进的 触发式唤醒机制,也即是在数据接收机中也引入周期性监听。它是以进一步提高能源有效性 为目标的。 基本原理描述 在 架构中,我们定义了两个信道:一是用于发送数据和控制包的主信道,二 是用」唤醒邻节点的唤陧信道。在接卜来的描述和分析中,我们假定其中的唤醒无线收发枳 通过周期性睡垊监听来节省能源,并且这两个接收机都具有同样的功率特性,即:从睡垊状 态转换到空闲监听状态所需的时间 ,所需的功率 为 而从空 闲监听状态转换到睡眠状态所需的时间 为 所需的功率 为 样,节点将会用τ时间在唤醒信道上监听忙音,然后用τ的时间休眼,其中τ 远小于τ。而唤醒信号的发送者必须持续发送 时间来保证所有的邻节点都能监听到 唤醒信号,其中: +7 发送端队列 包到达情况 发送端主信道 上的传输情况 发送端唉酲 信道上的传输 “ON” 故L凵L凵凵L凵 SLEEP 接收端主接 次机(状态 SLEEP rIme 图在确定,时的示意图 在 中,规定了一个排队极限,它可以用来控制时延。出于简单起见,我们 可设这里的排队极限为包个数,并且所有的数据包大小都是相同的。当队列达到个数 据包时,必须发送·个唤酲信号,使数据包可以立即传输给接收者,从而减小队列的大小。 我们把这种情况下的唤醒成为满唤奂醒,因为在检测到该唤醒信号后,发送者的所有一跳范围 中国翻技记文在线 内的传感器节点都必须唤醒它们的主接收机。然后,它们将会监听主信道直到一个用于指出 哪个节点为日标节点的过滤包被发出,那些不是日标节点的邻节点就会重返睡眠状态。由于 满唤陧的能源消耗很大,所以为了尽量避免满唤醒,在 中引入了一种高能效的机 制——触发式唤煋,它是根据传感器网络木身状況以及对发送数据的速率佔计来制定相关调 度,让接收者的主信道在其上一次数据传输完成的秒后被周期性地唤醒。这种方案是与 所不同的,在 中节点的主接收机不用周期性地被唤醒,因此它的每次唤醒就 相当于 中的队列极限为情况下的满唤醒。图所显示的即是 在值 固定时的示意图。图中时刻,虽然发送者的队列还未达到个包,但仍在接收者的主接收 机上发生了触发式唤醒。而在时刻发生的则是满唤醒,因为在发送者队列中的包数已经达 另外,需要指出的是,在 的触发式唤醒机制中,除了加入对数据包的缓冲以 外,由于数据包的到达率会随时间而变化,所以在该机制中还应该允许动态地调整,使节 点的主接收机可以尽可能多地休眠以减小由对主信道的周期监听所带来的能源损耗。我们在 以后的分析中都是假定网终状态不改变,且数据包的到达率恒定 分析可知,如果值太小,发送者和接收者就会在发送队列为空的时候因周期唤醒而 消耗过多的能源。在图中的吋刻发生的就是空触发唤醒。在发生触发式唤醒或是发送 接收数据包之后,主收发机都要监听一段足够长的时间米确定是否还有数据,若在 内没有数据要发送或接收,它就会返回睡眠状态 综上,在主接收中引入周期性的触发式唤醒,能够避免一部分满唤陧的发生,从而较 以前的基于 架构的协议节省了很多能源。 能耗数学分析 我们将分析这种在主接收机中引入了触发式唤醒机制的 的能耗,计算出其发 送每比特数据所耗能源的期望值。在分析计算之前,我们给出以下假定:在个传 感器节点中除一个发送者和一个接收者外,其余的个节点都没有发送或接收任何数据; 满唤醒情况下会发送个数据包,而触发式唤醒的情况最多只能发送个包;出 于简便考虑,可忽略由竞竽引起的退避阶段的空闲能源损耗。 另外,下面数学分析中所需要用的一些参数都是基于 标准的。 首先,我们将计算的是在 架构上,睡眠过程所需要的平均功率。令唤醒 收发机的一个睡眠监听周期为,则当一个节点处于睡眠状态时,它的数据收发机将只 消耗 ,而唤醒收发机将在时间的 内消耗 ,在剩下的τ内消耗 。所以可得 因为,由以前的相关研究可知,用」发送的功率为 用」接收和空內监听的功率 为 ,而用于睡眠的功率 为 ,又根据前面的描述,可计算出 在以下计算中,代表发送队列的极限个数,代表传感器节点的个数,而代表包到 中国翻技记文在线 达速率。我们可以知道,在时间内到达的包个数服从泊松分布,即 令为达到个数据包所需的时间,则可得发生满唤醒的概率为 ∑ 同理,我们可以求得发生空触发唤醒的概率及发生非空触发式唤醒的概率分别为: 接卜来,计算对丁非空触发式唤醒,在时刻,发送队列中的数据包个数的期望为: 我们还需要计算出在满唤醒发生情况下的睡眠时间的期望值 。令为第个数 据包到达的时间,它服从 分布,即: aβ。其概率密度函数为: a∥/ap“,其中,r 所以,可知 下面,我们将计算每一唤醒方式所耗能源的期望。而下式表示的是发送和接收 个数据包所需的总能量,其中的和分别为发送及接收一个包的能量消耗,而 为发送者发送一个包及接收一个和包所耗的能量, 为接收 者接收一个包及发送一 和 包所耗的能量。通过计算可以得到: 10丁, 冰10丁, 冰10丁 ≈*10J。所以,可 综上可求出,空触发式唤所消耗的能量为 式中的代表在时问内监听信道所需的能量,该式说明在空触发唤醒中, 发送者和接收者都必须被唤醒并持续监听主信道时间,而所有的节点在下次唤醒之 前都要休眠时间。 同理,对于非空蝕发式唤醒,它所需能量的计算式与类似,只是多了发送个数 据包所耗的能量。如下: 而对于满唤醍,发送者必须发送一个唤醒信号并让其余的个接收者都监听到它。然 后,所有的个节点都必须开启它们的数据收发机,在过滤包被接收以后,除发送者和接 中国翻技记文在线 收者要继续发送个数据包以外,其他的节点就可以返回睡眠状态。与前面的两和触发唤 醒不同的是,各芍点在前一次唤醒后将休眠 时间,而不是时间。因此,满唤醒所 耗能量的计算式为: 综上可得,发送每比特数据所消耗能量的期望为 仿真分析 根据中的数学分析可得睡眠时间与发送每比特数据所耗能量的关系图,见 图。图中所显示的关系曲线是 时的以为自变量的函数,可以看到, 该曲线先呈下降趋势,在达到一定值后,又开始逐渐上升 根据仿真结果可得,当 时,达到最小值 。显然,此 时的值就是我们要找的最优值,因为它使最小,可以提高传感器网终的能源有效 性。另外,为了显示出在主接收机中引入触发式唤醒机制的 的优越性,我们将它 取 时的能耗与只有满吹醒(为无穷)时的能耗相比较π以看岀,满唤醒情况下的 每比特能耗约为 所以 与之相比的比值约为 也就是说,触发 式唤醒机制节省了大约的能量。 图与的关系曲线 卜面,我们将分析时的值与满唤醒(即为无穷时)的之比值 分别随 三个参数变化时的情况。 从图及仿貞结果可以看到,吋的 ,而当增大到时, 此时的触发式唤醍机制节约了超过的能量,所以,随着节点个数的增大, 的值 逐渐减小,即:采用的触发式唤醒机制能够节约更多的能源。 中国翻技记文在线 Effocts cf N C N 随变化的曲线 同理,我们可以分析随及变化的关系,如图和图所示。 0 图 随变化的曲线 Effects of 0.4 图 随变化的曲线 从图可以看出,当队列所能容纳的数据包的个数在(,)之间时,随着的增 大,的值逐渐减小,即所节约的能溟不断增加。但当大」以后,情况就恰好相反, 中国翻技记文在线 将随着的增人而增人。而由图可知,除了在极小时,几乎都不随之变化, 即:对能源的节约是不随着的变化而变化的。 主接收机中自适应监听的引入 在所描述的主接收机中引入周期性监听的基础上,为了能够在高能效和低时延之间 找到一个很好的平衡点,我们进一步地在 中引入了主接收机的自适应监听,它能 够使无线传感器网终在达到较高能源有效性的同时,减少因此而造成的时延,从而提高整个 网络的性能 臼适应监听的基本原理就是在多跳网络中,当节点被触发式唤醒,处于周期性监听状态 时,让串接到其邻节点发送的或控制包的节点在传输结束时被唤煋并监听一小段 时间。用这样的方法,如果该节点就是下一跳的节点,那它的邻居节点就可以直接传送数据 给它,而不用等到其发生触发式唤醒或满唤醒,从而减小延时。如果节点在其适应性监听时 冋里没有接收到仼何薮据,那么它就会重新返回睡眠状态。如果卜一跳的节点是发送者的邻 节点,它就会接收到包;而如果下一跳节点是接收者的邻节点,那它就会从接收者那 里接收到包。因此,发送者和接收者的邻节点都可以从或包中知道传输的长 度,所以它们就可以适时地在传输结束时被唤醒 n n+1 6● Sn tcs, n+ tIx tcs, n+1+ttx --------------+ 情况1 监听 睡眠 监 睡眠1触发唤醮 无线收发机状态 Tf 时问 n tcs, n+ ttx tcs,n+1+ttx ty, nt2 tcs, n+2+ttx 情况2 监听 睡眠 监听 眠1满唤陛 主无线发机状态 接受者1的唤醒吹 发机状态 时闰 发送者k发送唤 W 醒信号 时间 图 中自适应监听机制示意图 如图所示,首先,我们假定远大于,则数据包将可以在一帧时间里纾过两跳的 传输。假设节点首先等待节点的主接收机在其周期性监听时间被触发式唤醒,并目在其 进入监听状态时发送载波监听以传输数据。所以在竻跳上的时延为: 在节点和之间进行交换时,下一跳的节点也处在监听状态,因此它可 以串接到节点发送的包。从包中节点就可以知道从到的传输将在什么时候 结束。接着,适应性监听机制将在前一跳的传输结束时立即唤醒节点。冋时,节点会发 中国翻技记文在线 送载波监听,将数据发送给节点。所以,在第跳上的延时为: 可以看到,这一眺与前一跳相比,没有了主接收机周期性监听机制引起的睡眠延时 另一方面,节点与节点有两跳的距离,它不可能像节点一样串接到所发的 包。在这种情况下,在和的传输完成后不能够被唤醒,所以当在本应是正常睡眠的时 间发送数据给时,节点因仍处于睡眠状态而不能察觉到,从而将不可能在与间的传 输完成时,利用适应性监听机制被唤醒。如图所示,此时可分为两种情况考虑。即:节点 等到节点触发式唤醒的情况和节点等到满唤醒的情况。不管是这两种情况中的哪- 种,都与不引入自适应监听时的情况相同,并没有延时上的减少,即只在第跳上,时 廷有所改善 所以,由上可知,在引入了自适应监听机制的 中,由主接收机周期性监听机 制引起的睡眠延时将会有所降低。另外,在以上分析中,我们假定了只有一跳的邻节点问才 可以通信,而实际上两跳距离的节点间也是有一定可能进行通信的,在这种情况下,延时将 会进一步降低,因为两跳范围内的邻节点都有可能采用适应性监听机制来减小时延 结束语 在这篇论文中,我们所提出的基于 架构的高能效层协议 综 合了 的一些思想,对 做了相应的改进。它在主接收机中引入了触发式唤醒和 白适应监听两种机制,不仪能够使无线传感器网络的能溟有效性得到很大提晑,同吋还可以 降低因此而引入的时延,较 有很大的优势。但另一方面,我们仍有一些需要继续改 进和完善的地方。我们在文中对触发式唤醒机制的分析是在假定网络本身状态不改变且数据 包到达速率恒定的情况下进行的,但实际上这往往是不可能的,我们需要根据不同情况适时 地调整最优睡眠周期。因此,如何及时地调整最优睡眠周期以及如何让自适应监听机制在调 整了周期以后仍然适用,是我们下一步需要继续研究的问题。另外,在同步及控制包的传输 问题上,如何平衡其与能源消耗之间的关系,也还需要我们进一步的探索,从而完善整个 协议。 参考文献 任丰原,黄洶宁,林闯.“无线传感器网络”.软件学报,年月,第卷(第期) 李博,周悦,吴成东.“无线传感器网终层协议的研究现状”.工控智能化,年月, 第期 中国翻技记文在线

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