一种改进的S-MAC协议

1、一种改进的 S-MAC 协议周富生,陈伟北京邮电大学通信网络综合技术研究所,北京 (100876E-mail :摘 要:本文首先简单介绍了无线传感器网络,之后给出了无线传感器网络 S-MAC 协议的 一种改进思路,并通过使用 NS2进行仿真,验证了协议改进的作用。关键词:无线传感器网络, S-MAC , NS2中图分类号:TP3931. 引言无线传感器网络 1是当前国际上备受关注的、 由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领 域。更小、更廉价的低功耗计算设备代表的 “ 后 PC 时代 ” 冲破了传统台式计算机和高性能服 务 器 的 设 计 模 式 ; 普 遍 的 网 络 化 带 来 的 计 算 处

2、 理 能 力 是 难 以 估 量 的 ; 微 机 电 系 统 (micro-electro-mechanism system,简称 MEMS 的迅速发展奠定了设计和实现片上系统 (system on chip,简称 S0C 的基础。以上 3方面的高度集成又孕育出了许多新的信息获取和 处理模式,传感器网络就是其中一例。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现 代网络及无线通信技术、 分布式信息处理技术等, 能够通过各类集成化的微型传感器协作地 实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统 2对信息进行处理,并 通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到远程中

3、心 3。 从而真正实 现 “ 无处不在的计算 ” 理念。 传感器网络的研究采用系统发展模式, 因而必须将现代的先进微 电子技术、微细加工技术、系统 SOC 芯片设计技术、纳米材料与技术、现代信息通讯技术、 计算机网络技术等融合,以实现其微型化、集成化、多功能化及系统化、网络化,特别是实 现传感器网络特有的超低功耗系统设计。在无线传感器网络的研究初期,人们一度认为成熟的 Internet 技术加上 Ad hoc4路由机 制对传感器网络的设计是足够充分的, 但是随着研究的深入人们逐渐认识到这两种网络具有 许多不同的特点, 传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。 传感器网络不能简单借 用以往

4、ad hoc网络的协议。原因如下:1. 传感器网络中的节点数量和分布密度远远超过以往 ad hoc网络中的节点数;2. 大部分节点不像 ad hoc节点一样快速移动;3. 传感器节点出现故障的可能性要大于 ad hoc网络;4. 传感器节点的存储能力、计算能力和电能有限;5. 传感器节点主要采用广播方式通信,而 ad hoc网络大都采用点对点方式通信;6. 由于数目极大,传感器节点不一定具有全球唯一的标识;另外,前者以数据为中心,后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序,传统网 络的设计遵循着 “ 端到端 ” 的边缘论思想, 强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统 上,中间节点仅仅负

5、责数据包的转发,对于传感器网络,这未必是一种合理的选择。一些为 自组织的 Ad hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标 识 (如地址等 的作用在传感器网络中就显得不是十分重要,因为应用程序不怎么关心单节点 上的信息, 中间节点上与具体应用相关的数据处理、 融合和缓存也显得很有必要。 在密集性 的传感器网络中, 相邻节点间的距离非常短, 低功耗的多跳通信模式节省功耗, 同时增加了通信的隐蔽性, 也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响, 这些独特的要求和制 约因素为传感器网络的研究提出了新的技术问题。能源有效性。 WSN 的基本特征就是能量的局限性。节点一般

6、是以干电池、纽扣电池等 提供能量,而且电池的能量通常难以进行补充。在 WSN 中,无线通信是传感器能量的主要 消耗。 MAC 协议要尽可能的节约能源,如减少冲突和串音、最小化控制开销、降低占空比 和尽量避免长距离通信。 协议中还应包括折中机制, 使用户可以在节能和提高吞吐量、 降低 延迟之间做出选择。 另外, 可利用多个频率段来减少传输时间, 在节点处于空闲或完成阶段 把无线电转为低功耗睡眠模式, 避免在活跃和睡眠状态的额外转变以节省无线传输能量。 由 于目前节点的能量供应问题并没有得到很好解决, 传感器节点本身能量不能自动补充或补充 不足,节约能量成为传感器网络 MAC 协议设计首要考虑的因

7、素。通过上面的介绍我们可以知道,传感器网络协议的设计最重要的是要考虑能量的消耗, 本文的主要内容就是探讨如何应用仿真工具来衡量协议的能量有效性。2. S-MAC 协议分析无线传感器节点的无线通信模块的状态包括发送、 接收、 侦听和睡眠等。 单位时间内消 耗的能量按照上述顺序依次减少 :在发送状态消耗能量最多,在睡眠状态消耗能量最少,接 收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发送状态。 如何让网络通信更有效率, 减少不必要的 能量消耗,是传感器网络 MAC 协议设计需要重点考虑的问题。在无线传感器网络中,人们 经过大量的实验和理论分析,总结出能造成网络能量浪费的主要原因包括以下几方面 5: (1如果

8、 MAC 协议采用竞争方式使用共享的无线信道, 节点在发送数据时会产生碰撞冲 突,这就需要重传数据,从而消耗节点更多的能量。(2节点接收并处理不必要的数据。串音现象会造成节点的无线接收模块和处理器模块 消耗更多的能量。(3节点在不需要发送数据时一直保持对无线信道的空闲侦听 (idle listening, 以便接收可 能传输给自己的数据。这种过度的空闲或者没必要的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费, 这在很多传感器网络应用中尤其如此。 如果什么也没有发送, 节点会很长时间处于空闲模式。 然而,在很多的 MAC 协议中,例如 IEEE802.11协议中,节点不得不监听信道来接收可能 的通信。 测试

9、证明空闲监听消耗了接收所需能量的 50%-100%。 例如, 研究者 Stemn 和 Katz 测量到空闲、 接收和发送之比为 1:1.05:1.4, 而 Digitan 的无线局域网模型 (IEEE802.11/2Mbps详述中证明空闲、接收和发送之比为 1:2:2.5。多数传感器网络的目标是长期运转,节点将 长时间处于空闲状态。这样,在这些浪费能量的因素中空闲监听处于主导地位。所以,如何 解决空闲监听时能量的消耗是非常重要的一个问题, 也是对于无线传感器网络这种数据稀疏 型应用节省能量的突破口。目前的绝大部分 MAC 协议都是从这一点出发的。(4在控制节点之间的信道分配时,如果控制消息过多

10、,也会消耗较多的能量。传感器节点无线通信模块的状态包括发送状态, 接收状态, 侦听状态和睡眠状态等。 单 位时间内消耗的能量依照上述顺序依次减少:无线通信模块在发送状态能量消耗最多, 在睡 眠状态消耗能量最少,接收状态和侦听状态下的能量消耗稍小于发送状态,基于上述原因, 传感器网络 MAC 协议为了减少能量的消耗,通常采用 “ 侦听 /睡眠 ” 交替的无线信道使用策 略。当有数据收发时,节点就开启无线通信模块进行发送或侦听;如果没有数据需要收发, 节点就控制无线通信模块进入睡眠状态, 从而减少空闲侦听造成的能量消耗。 为了使节点在 无线模块进行睡眠时不错过发给它的数据, 或减少节点的过度侦听,

11、 邻居节点间需要协调侦听和睡眠的周期,同时睡眠或唤醒。如果采用基于竞争的 MAC 协议,就要考虑尽量减少发 送数据碰撞的概率, 根据信道使用的信息调整发送的时机。 当然, MAC 协议应该简单高效, 避免协议本身开销大,消耗过多的能量。下面详细分析 S-MAC 协议用来减少能量消耗的主要机制,并从中对 S-MAC 优缺点的 总结,得到设计更高效的 MAC 协议的思路。(1周期性侦听 /睡眠如上所述,很多无线传感器网络应用节点在没有监听事件发生时都会处于空闲。此时, 节点的数据率是非常低的,根本没有必要让节点全时监听。 S-MAC 正是通过使节点进行周 期性休眠来减少监听时间。基本方案如图 1所

12、示。 每个节点休眠一段时间后醒来, 然后监听, 此时可以进行收发数 据及其它控制分组。 通过此时的监听, 节点可以知道是否有节点想与自己通信。 如果它想主 动与其它节点通信, 那么也应该在此期间与其它节点联系。 在休眠期间, 节点关闭它的无线 电收发器,并且设置一个让自己醒来的定时器。 时间图 1 周期性监听和休眠S-MAC 中一个完整的监听和休眠周期称为一帧。监听间隔通常是根据物理层和 MAC 层参数而固定的, 例如无线收发器带宽和竞争窗口大小。 工作周期是指一个帧长度中监听时 段所占的比率。 休眠间隔可以根据不同的应用要求而改变, 其实质是改变了工作周期的长短 而己。为简单起见,所有节点中

13、的这些值都是一样的。(2冲突避免如果同时有多个邻居想要与一个节点会话,他们会在开始监听时发送。在这种情况下, 他们需要竞争媒体。在竞争协议中, 802.1在冲突避免方面处理得非常好。 S-MAC 协议使用 了相同的处理,包括虚拟和物理的载波侦听,以及针对隐藏终端问题的 RTS/CTS交换。 在每个传输的分组中有一个持续域用来指明这次传输会持续多长时间。 如果一个节点接 收到一个发给其它节点的分组, 它会从这个域知道需要保持多长时间的沉默。 此节点将这个 值记录到一个名为网络分配向量(NA V , Network Allocation Vector的变量中,然后为它设 置一个定时器。每次定时器启

14、动时,节点减少 NA V 的值,直到它为零为止。在每次发起一 次传输时,节点首先检查它的 NA V 。如果它的值不为零,节点认为媒体是繁忙的。这种机 制被称为虚拟载波侦听。物理载波侦听是指在物理层执行监听信道中可能存在的传输。 在一个竞争窗口, 为避免 冲突和饿死, 载波侦听时间是随机的。 只有在虚拟和物理载波侦听都认为媒体是空闲时, 媒 体才是真正的处于空闲。在发起一次传输时, 发送者执行载波侦听。 如果节点没有获得媒体的使用权, 它会进行 休眠,当接收者处于空闲时它会醒来并进行再次监听。广播分组的发送不使用 RTS/CTS。 单播分组在发送者和接收者之间采用 RTS/CTS/DATA/AC

15、K顺序。在成功交换 RTS/CTS后,这两个节点会使用他们正常的休眠时间来进行数据分组的传输。 这次传输结束后, 他们才会 恢复到正常的工作 /休眠周期。在使用了低工作周期和在每次监听间隙竞争媒体技术后, S-MAC 有效地处理了空闲监 听和冲突所带来的能量浪费。S-MAC 协议主要使用三种新技术来减少能量消耗:节点周期性的睡眠,邻居节点形成 虚拟簇在睡眠制度上自同步,以及利用消息传递机制来发送长包,减少竞争反应时间。 S-MAC 协议需要一些时间同步, 但它不同于 TDMA 需要建立庞大的时间表。 S 一 MAC 有两个重要的限定性因素 :一个是总的帧时间受限于时延需求和缓存空间 ; 另一个

16、是尽管 S-MAC 协议比 802.11节省更多的能量,但是它不能很好的适应网络流量的变化,因为对于 选定了某种周期监听 /睡眠调度机制的传感器节点而言,它具有一个固定的占空比。S-MAC 协议达到了能量节省的目的,但是相应的减小了吞吐量和增大了时延。整个协 议本质上用吞吐量和反应时间作代价来换取能量的高效率。 吞吐量减少是因为只有帧的活跃 部分才会用于通信。 反应时间的增加是因为睡眠时间内到达的数据只能在下一个活跃时间才 能发送。3. 对 S-MAC 协议的改进综上所述, S-MAC 主要通过周期性休眠解决能量消耗问题,通过虚拟簇实现节点间工 作状态的同步。 但是仍然没有很好的解决网络没有负

17、载时空闲期节点监听能量消耗过多的问 题。考虑到无线传感器网络工作的特性和设计的追求目标,我设计了一些机制来改进 S-MAC ,新的 MAC 协议的主要特征是跟原来的 S-MAC 相比要睡眠更多,所以将它命名为 SS-MAC (第一个 S 是 Sleep 的意思 。机制主要包括三点,第一,随机唤醒;第二,为了不 耽误数据的传输,每五个周期同一虚拟簇中的节点全部被唤醒,此时的状态和 S-MAC 完全 一样;第三,一旦有数据传输的事件发生,所有节点按照 CTS 的安排,进行休眠和等待, 不再使用随机唤醒的机制,直到数据传输完毕,继续随即唤醒。3.1 随机唤醒的机制设计对于数据稀疏的传感器应用来说,

18、网络要完成的任务其实分为两部分, 第一部分是监控 网络布置的区域是否有关心的事件发生, 对于数据稀疏的应用来说, 绝大部分时间都不会有 关心的事件发生, 也就是说好多能量都消耗在了等待事件发生的监听过程中; 第二部分任务 是要在关心的事件发生时,及时地将消息传递出去,这对网络传输的实时性有要求。根据以上对 S-MAC 的分析可以知道,虽然 S-MAC 采用了周期睡眠 /唤醒的机制,可网 络的绝大部分能量还是消耗在了监听上,如何减少这种监听的能量损耗,将是我们对于 S-MAC 协议改进的出发点。经过分析,我们认为 S-MAC 的周期性睡眠 /监听机制仍然可以 有很大的改进空间,可以进一步的节省能

19、量。为了延长网络寿命,我们可以设计这样的机制:可以在部署网络的时候投放冗余节点, 然后让部分节点先工作, 直到工作的节点消耗的差不多了, 后备的节点才投入使用, 这和战 争中部队的预备梯队有异曲同工之妙。 考虑到控制后备节点投入使用的机制实现起来比较复 杂,困难比较大,不符合传感器网络 MAC 协议要求的设计尽量简单的要求,所以我们设计 了另一种与预备队等效的机制 节点轮休机制。S-MAC 的基本思想是在局部区域形成虚拟簇, 然后同一个虚拟簇中的节点同步的睡眠 /唤醒。 在数据稀疏的传感器应用中, 绝大部分虚拟簇的周期都只是在监听, 这样白白耗费了很多能量, 即使有周期性休眠的机制, 可还是有

20、很大一部分能量耗费在空闲时的信道监听上 面。为此我们考虑对 S-MAC 进行改进,为了能够及时地发现事件,不延误在第一时间发现 事件, 对原有的 S-MAC 的睡眠 /唤醒周期不做修改, 但是将同时唤醒的节点数目变少, 并且 哪个节点唤醒完全是随机的。之所以要将唤醒的节点以随机的方式产生, 是为了达到一种可能性的均衡, 最大程度的 减小随机唤醒机制对事件发生监听的影响。 这样的话一旦有事件发生可以尽快被监听到, 并 且可以保证消息能够在节点间及时的被传递。3.2 保证数据及时传输的机制设计对于数据稀疏型的应用,信道监听消耗了 90%的能量,为了降低无谓的能量消耗,可 以考虑降低监听的次数, 因此上一小节中我们在 S-MAC 周期性睡眠 /唤醒的基础上设计了随 机唤醒的机制, 对于节省能量有很大的作用。 但是之前也谈到传感器网络要保证数据的及时 传递, 为了能够及时通信, 必须设计一种机制, 使得节点随机唤醒带来的时延增加的负面效 应减到最小。为了保证数据的及时传输, 我们设计了两个机制。 第一个机制是在随机唤醒若干个周期 之后, 在某一个周期的唤醒时间所有节点都唤醒, 这个时候如果节点之