面向连接的低功耗无线传感网络接入控制方案

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 面向连接的低功耗无线传感网络接 入控制方案 摘要：为了在无线传感器网络中 降低功耗的同时提高整个系统的吞吐量， 提出一种面向连接的动态时分多址接入 立即回复确认（ACK）的数据传输协议， 采用竞争时隙分配算法，并采用载波监 听/冲突避免（CSMA/CA）算法控制冲 突概率，通过多帧联合退避适应大规模 数据传输的需求，最后使用 MATLAB 对该算法进行仿真。实验结果表明，相 对 IEEE802.15.4 协议，该算法降低了功 耗，同时大大提高了整个系统的吞吐量。 中国论文网 /8/view-13001301.htm 关键词：竞争接入；接入控制； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 传感器网络； 一、引言 随着社会的飞速发展，各行各业 对通信的需求越来越大。公共安全领域 需要无线网络实现对灾害的监测、灾情 分析、协同救援。需求推动了无线通信 技术的不断进步，物联网概念的提出推 动了设备间通信的研究。无线传感网络 技术是物联网的关键技术。 二、IEEE 802.15.4 协议分析 （一）IEEE 802.15.4 超帧格式 整个超帧分为活动区（active） 和非活动区（inactive）其中 0=SO=BO=14，且当 SO 等于 BO 时， 该超帧将不包含非活跃区。802.15.4 共 有 16 个时隙，时隙号 0-10 位为竞争接 入区即 CAP（contention-access period ） ， 11-15 为非竞争接入区即 CFP（contention-free period） 。CFP 是专 为要求特定带宽传输等情况服务的，称 之为保证时隙 GTS（Guaranteed Time slots） ，而 GTS 的集合便是 CFP。但是 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 在物联网中，用户佩戴的传感器可能是 数以千计的，在 802.15.4 协议中4，节 点会在 Inactive 中进入睡眠以此减小功 耗，然而在整个时间帧中若 Inactive 过 长会导致传输时间较短，吞吐量便也随 之下滑，而若 Inactive 过短，则会使得 功耗增加。较难同时实现功耗的降低和 吞吐量提高。 （二）IEEE 802.15.4 的功耗 根据 IEEE 802.15.4 的超帧结构， 其主要功耗来源为超帧中的 active 阶段， 其中功耗分为三个部分，一个是发送数 据造成的功耗，第二个是接收 ACK 造 成的功耗，以及发送和接收状态转换造 成的额外功耗。 发送数据和接收 ACK 是必要的 功耗，而超帧的 Active 中的频繁的状态 切换功耗很小几乎可以忽略，其中最主 要的决定 Active 功耗的是前两个部分 （发送和接收）以及 Inactive 的长短， 而前两部分是固定的功耗，因此影响整 个系统的功耗的便是 Inactive 的长短， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 又因 Inactive 和吞吐量挂钩，可以得出 这是在牺牲吞吐量的基础上换取功耗的 降低，这并不是一个可取的方法。 （三）IEEE 802.15.4 的 ACK 方 式 802.15.4 为了保证数据的完整性， 数据确认（ACK）必不可少，而其方式 是收到一条数据包则回复一条 ACK， 这种方式不仅有着很低的信道利用率， 而且当有多条数据时，设备在数据的收 发转换上也会浪费多余的时间，对于需 要大批量传输数据的环境，这样的效率 并不能满足要求，因此本文将会采用集 体 ACK 的方式来增加系统的吞吐量， 具体将在 3.3 中介绍。 三、基于 TDMA 的立即 ACK 接 入协议 （一）拓扑结构 该协议的拓扑结构是星型。其中 BS 为基站作为汇聚节点，用户 p1-p9 作为传感器节点佩带在用户身上。在这 种拓扑结构中，压力几乎都在汇聚节点 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 BS 上，为各传感器节点节省了不少功 耗，而 BS 是有电源供电的设备，不需 要担心其功耗。 （二）时间帧格式 该协议的时间帧格式，Tbc 为广 播时隙，G 为保护延时，An 为数据确 认的时隙，Tn 为数据传输时隙。对比 802.15.4，该协议去掉了 GTS 部分和 inactivity 部分，并在时隙之间加了保护 时延。每个传感器只需要在对应的 Tn 和 An 时被唤醒，其他时间都是睡眠状 态，因此不需要多余的 inacticity 时段， 并且每个传感器的地位平等，若某个传 感器在一个时间帧中无法完成所有数据 的传输，则在下一个时间帧的同一个时 隙中继续传输，直到所有数据传输成功， 因此也去掉了 GTS 时段。 （三）集体接收确认的大规模 TDMA 协议传输过程 1、汇聚节点首先会先发送广播 （Send Bc）作为整个时间帧的开始， 其中包含有时隙的占用情况，之后进行 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 第一个时隙的数据接收，若接收超时 （Recv Data Timeouts） ，则经历一个保 护时延 G 后，有接收到数据则进行 ACK 的发送，发送完 ACK 之后 count 自加 1，并且记录该时隙已被占用，之 后便进行下一个时隙的数据接收，当 count 等于最大时隙数时，便再次发送 广播（Send Bc）重复以上过程； 2、用户身上佩带的传感器接收 到广播之后（Recv BC）立刻检测缓存 中是否有数据需要发送，若有数据，则 随机选择某个空闲时隙并发送 RTS，之 后便进行 CTS 的接收。若接收到 CTS，则在下一个时间帧的同一个时隙 发送数据，若没接收到 CTS，则进行 2 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 退避，直到收到 CTS，然后再进行数据 的传输； （四）时隙使用规则 1、数据传输时隙 Tn 占用规则 在 3.3 中的第一条提到汇聚节点 会周期性的发送广播，广播包中会带有 时隙的占用情况，因为当传感器中的数 据较多时，有可能在一个时间帧里不能 完成的所有的数据传输，因此可能需要 多个时间帧来传输数据。 2、 ACK 时隙 An 在传感器在数据传输时隙 Tn 中 不需要等待 ACK，可以尽可能的发送 数据，到了 ACK 时隙中进行统一的接 收确认，这样便充分利用了信道，缓解 了频繁等待和发送 ACK 造成的资源浪 费。 四、仿真实验 （一）仿真环境及参数设置 为了测试本文提出的 TDMA 算 法性能，采用了 MATLAB 进行仿真实 验，并与 802.15.4 进行功耗和吞吐量的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 对比，P 为功耗； TP 是吞吐量； Vcc 为 传感器工作电压 3.3V；Isp 为传感器睡 眠时的电流；Tsp 为传感器睡眠总时间； Ir 为传感器接收状态的电流；Tr 为传感 器接收状态的总时间；Is 为传感器发送 状态的电流；Ts 为传感器发送状态的总 时间；T 为传感器总的工作时间；Ld 为 数据包长度；Nd 为传感器发送的数据 包总数。 （二）结果与分析 1、功耗对比 802.15.4 与本文算法功耗的对比 结果，随着传感器数量的上升，时隙冲 突频率随之提高，CSMA/CA 中的 RTS- CTS 会导致功耗呈现先上升后下降的趋 势。而由于本文算法是在有数据的情况 下才会脱离睡眠，因此相较于 802.15.4，功耗更低。 2、吞吐量对比 802.15.4 与本文算法吞吐量的对 比结果，由于双方时隙数量的不同，使 得双方吞吐量达到阈值的传感器数量有 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 很大差异，也由于传感器数量的差异， 吞吐量的阈值也相差甚大。 五、结束语 随着传感器网络的规模逐渐发