無線傳感網(wǎng)mac節(jié)能研究

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1、無限傳感網(wǎng)MAC協(xié)議節(jié)能研究基于WSN網(wǎng)絡的能量限制，為了延長網(wǎng)絡的壽命，能量有效性成為WSN網(wǎng)絡應用中首要的一個指標，能量高效的WSN網(wǎng)絡通信協(xié)議是目前的一個熱點研究領域。通過對現(xiàn)有系統(tǒng)的分析可知，射頻模塊是節(jié)點最大的耗能部件，是優(yōu)化的主要目標。介質(zhì)訪問控制協(xié)議（MAC）直接控制射頻模塊，對節(jié)點功耗有重要影響，能源效率是無線傳感網(wǎng)MAC層協(xié)議最主要的設計目標。WSN網(wǎng)絡中能量浪費的主要原因：網(wǎng)絡中能量浪費的主要原因：1）空閑偵聽節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻模塊必須一直處于接收狀態(tài)，消耗大量的能量。這是無效功耗的最主要的來源。2）消息碰撞（沖突）同

2、時向同一節(jié)點發(fā)送多個數(shù)據(jù)包時，信號會互相干擾，接收方無法準確接收，這時節(jié)點消耗在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)上的能量就被浪費了，而重新發(fā)送數(shù)據(jù)消耗更多的能量。3）串擾（竊聽）無線信道是一個共享的媒體，一個節(jié)點可能會接收到發(fā)送給其他節(jié)點的消息，這時節(jié)點消耗在接收數(shù)據(jù)上的能量屬于無效功耗。4）控制報文開銷在MAC協(xié)議的頭字段和控制消息包中沒有包含有效的數(shù)據(jù)，消耗的能量也是無效的。5）發(fā)送失效在目的節(jié)點沒有準備好接收時。發(fā)生節(jié)點發(fā)送了消息，造成能量的浪費。MAC協(xié)議降低功耗的主要方法1）減少數(shù)據(jù)流減少數(shù)據(jù)流量是最根本的解決方案，目前主要靠在網(wǎng)絡層或者在數(shù)據(jù)鏈路層上增加一個數(shù)據(jù)融合層

3、來實現(xiàn)，但在MAC層是否能夠進行數(shù)據(jù)融合以及如何進行融合是目前的研究的較少的領域。2）增加射頻模塊的休眠時間節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)接收或發(fā)送時，關閉射頻模塊，節(jié)點轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，這種方法可以降低工作占空比，減少串擾和空閑偵聽帶來的能量浪費，代價是增加延遲和降低系統(tǒng)的吞吐量。3）沖突避免沖突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK握手機制，既解決了隱藏節(jié)點的沖突，又實現(xiàn)了鏈路層的可靠傳輸，但也增加了控制開銷。WSN網(wǎng)絡中典型的MAC協(xié)議1)帶沖突避免的載波偵聽多路訪問層協(xié)議（CSMA/CA）1)帶沖突避免的載波偵聽多路訪問MAC層協(xié)議（CSMA/CA）為發(fā)盡量減少數(shù)據(jù)的

4、傳輸碰撞和重試發(fā)送，防止各節(jié)點無序地爭用無線信道，提出CSMA/CA協(xié)議，它主要是應用于無線局域網(wǎng)IEEE802.11MAC協(xié)議的分布式協(xié)調(diào)工作模式下的一種協(xié)議。在節(jié)點偵聽到無線信道忙之后，采用CSMA/CA機制和隨機退避時間，實現(xiàn)無線信道的共享。此類協(xié)議實現(xiàn)簡單，易于擴展，但沖突會導致能量浪費，時延難以估計。2)IEEE802.15.42)IEEE802.15.4IEEE802.15.4為廉價設備提供了一種極低復雜度、成本和功耗、低數(shù)據(jù)率的無線互聯(lián)標準，傳感器網(wǎng)絡是它的主要應用領域之一。標準定義了協(xié)議棧中的MAC層和物理層。MAC層采用CSMA/CA接入，物理

5、層有3種頻率選擇：868MHz，915MHz和2.4GHz。為了降低功耗，標準采用了緩存機制。具體過程如下：節(jié)點定期偵聽信道，接收beacon幀，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時進入休眠狀態(tài)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者（coordinator）緩存發(fā)往休眠節(jié)點的數(shù)據(jù)，定期發(fā)送beacon幀，幀攜帶這些數(shù)據(jù)的目的節(jié)點地址。節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者緩存了發(fā)往自己的數(shù)據(jù)之后，向其發(fā)送poll幀，表示自己可以接收數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者在收到poll幀之后，首先向節(jié)點發(fā)送ACK幀，隨后發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)。在收到數(shù)據(jù)之后，節(jié)點向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者發(fā)送ACK幀。3）低功耗前導載波周期偵聽協(xié)議LPL（LowPowerListe

6、ning）Listening）CSMA/CA協(xié)議的主要缺點在于節(jié)點在空閑偵聽時浪費了大量的能源，LPL引入了一種載波檢測機制，通過使節(jié)點的無線收發(fā)裝置有規(guī)律地處于“工作”“待、命”狀態(tài)，而不丟失發(fā)送給該節(jié)點的數(shù)據(jù)，以減少空閑偵聽的能量消耗。LPL的工作原理如下：節(jié)點周期性地短時間偵聽信道，以確定信道的狀態(tài)。如果信道空閑，節(jié)點再次休眠。如果信道忙，節(jié)點繼續(xù)偵聽信道，直到數(shù)據(jù)接收完畢或再次空閑。節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)是，數(shù)據(jù)包前加入了前導載波，使得接收節(jié)點在數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分發(fā)送前進入工作狀態(tài)，已接收數(shù)據(jù)。這種機制的主要思想是將接收節(jié)點消耗在空閑偵聽上的能量，轉(zhuǎn)移到發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)

7、點消耗在發(fā)送前導載波的能量消耗上去，從而使接收節(jié)點能周期性地開啟無線收發(fā)裝置、偵聽是否有發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和檢測是否有前導載波。如果接收節(jié)點在工作狀態(tài)檢測到前導載波，它就會一直偵聽信道，直到數(shù)據(jù)被正確地接收;如果節(jié)點沒有檢測到前導載波，節(jié)點的無線裝置將被置于“待命”狀態(tài)，直到下一個前導載波檢測周期到來。加入前導載波，減少了空閑偵聽，但增加了發(fā)送和接收的控制開銷。4）S-MAC協(xié)議S-MAC（Self-organizingMAC）協(xié)議是在802.11MAC協(xié)議基礎上，針對傳感器網(wǎng)絡的節(jié)省能量需求而提出的傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議采用以下機制：周期性偵聽/睡眠

8、的低占空比工作方式，控制