基于GAF的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

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1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)人量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要川于收集、傳播和處理傳感信息。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)忖龐大，節(jié)點(diǎn)分布密集；市于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障;環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。另外，節(jié)點(diǎn)的能暈、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等都有限，因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)n標(biāo)是能源的高效利用。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制(MediaAccessControl,MAC)協(xié)議必須以節(jié)約能源為主要目標(biāo)，并且采用折中機(jī)制，使用戶(hù)可以在延長(zhǎng)

2、網(wǎng)絡(luò)生命周期和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、降低通信延遲等方而做出選擇。H前針對(duì)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，研究人員從不同方血提出了多個(gè)MAC協(xié)議，缺乏統(tǒng)一的分類(lèi)方式,根據(jù)采用固定分配信道方式或隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)信道方式，將傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議分為:時(shí)分復(fù)用方式(TDMA)、隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式和其他MAC協(xié)議。固定分配信道方式的TDMA可以口然完成節(jié)點(diǎn)上的低占空比操作，因?yàn)樗麄冎恍柙谧约旱臅r(shí)隙里開(kāi)啟無(wú)線(xiàn)模塊完成發(fā)送和接收,但其可擴(kuò)展性較差，而時(shí)間同步對(duì)系統(tǒng)是-筆較大的開(kāi)銷(xiāo)。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率較低,而且對(duì)時(shí)延的要求不高，因此1=1前實(shí)用的節(jié)能MAC協(xié)議基木是基于競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議

3、。人量實(shí)驗(yàn)和理論分析表明無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量浪費(fèi)上要源口空閑偵聽(tīng)、沖突、串?dāng)_和控制。因此結(jié)合現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議，引入層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制思想，建立…種高效節(jié)能的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并進(jìn)行分析、仿真和驗(yàn)證，具有研究意義。1競(jìng)爭(zhēng)類(lèi)MAC協(xié)議分析1.1S-MAC協(xié)議S-MAC協(xié)議是7F802.11MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能需求而提岀的傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。S-MAC協(xié)議假設(shè)通常情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量少，節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成共同的任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合以減少數(shù)據(jù)通信暈，網(wǎng)絡(luò)可以容忍一定程度的延遲。研究表明傳感器能

4、量主要消耗在節(jié)點(diǎn)間的通行上，而空閑偵聽(tīng)大約占節(jié)點(diǎn)通信能量的1/3.為達(dá)到節(jié)省能量的目的S-MAC協(xié)議主要釆用周期性的偵聽(tīng)/睡眠的低占空比機(jī)制，控制節(jié)點(diǎn)盡可能處于睡眠狀態(tài)來(lái)降低節(jié)點(diǎn)能暈的消耗。但S-MAC協(xié)議存在以下問(wèn)題：S-MAC協(xié)議屮同一個(gè)虛擬簇中的所有節(jié)點(diǎn)要同時(shí)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到活動(dòng)狀態(tài)，開(kāi)始對(duì)信道的竟?fàn)?，而人量?jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的丸爭(zhēng)和空閑偵聽(tīng)浪費(fèi)了大量的能量。1.2T-MAC協(xié)議T-MAC(TimeoutMAC)協(xié)議是在S-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上提出的。S-.MAC協(xié)議的周期長(zhǎng)度受限于延遲要求和緩存大小，而偵聽(tīng)時(shí)間主要

5、依賴(lài)于消息速率。因此，為保證消息的對(duì)靠傳輸,節(jié)點(diǎn)的周期活動(dòng)時(shí)間必須適應(yīng)最高的通信負(fù)載，從而造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小吋，節(jié)點(diǎn)空閑偵聽(tīng)時(shí)間的相對(duì)增加，針對(duì)這一不足，文獻(xiàn)提出了T-MAC協(xié)議，該協(xié)議在保持周期偵聽(tīng)長(zhǎng)度不變的情況下，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)活動(dòng)吋間，用突發(fā)方式發(fā)送消息，減少空閑偵聽(tīng)吋間。但是山于人量無(wú)需數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)對(duì)信道的競(jìng)爭(zhēng)和空閑偵聽(tīng)仍造成人量能最的浪費(fèi)，另外T-MAC協(xié)議的執(zhí)行，會(huì)出現(xiàn)早睡眠問(wèn)題，引起網(wǎng)絡(luò)的吞吐量降低。為此，它采川兩種方法來(lái)提高早睡眠引起的數(shù)據(jù)吞吐量下降：(1)未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送機(jī)制。(2)滿(mǎn)緩沖區(qū)優(yōu)先機(jī)制，但效果并不是很

6、理想。2基于拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)的MAC協(xié)議設(shè)計(jì)S-MAC、T-MAC虛擬簇中的所有節(jié)點(diǎn)都周期性地從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，參與信道的競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)傳輸，而大部分節(jié)點(diǎn)沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，造成他們?cè)诖蟛糠只顒?dòng)吋I'可處于空閑偵聽(tīng)狀態(tài)，而浪費(fèi)了人量能量。針對(duì)S-MAC.T-MAC無(wú)法避免的問(wèn)題，提出了新MAC協(xié)議GS-MAC(GeographicalSeNSorMAC)。GS-MAC協(xié)議引入了GAF拓?fù)淇刂扑惴ê?適當(dāng)減少活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，加快算法的收斂速度，減少大量節(jié)點(diǎn)對(duì)信道的空閑偵聽(tīng)和數(shù)據(jù)碰撞，從而達(dá)到節(jié)能的目的。2.1GAF改進(jìn)算法GAF(Geograph

7、icalAdaptiveFidelity)算法是以節(jié)點(diǎn)地理位置為依據(jù)的分簇算法，該算法把臨測(cè)區(qū)域分成虛擬單元格，將節(jié)點(diǎn)按照位置信息劃入相應(yīng)的單元格;每個(gè)單元格屮定期選舉產(chǎn)生一?個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，只有簇頭節(jié)點(diǎn)保持活動(dòng)，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，GAF算法的執(zhí)行包括兩個(gè)階段：第一階段是虛擬單元格的劃分;第二階段是簇頭的選舉產(chǎn)生。虛擬單元格的劃分：根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分成若干虛擬單元格，保證相鄰單元格中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠直接通信。為保證相鄰兩個(gè)單元格中任意的対個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠直接通信，需滿(mǎn)足如下關(guān)系式在式(1)中，R為所有節(jié)點(diǎn)的通信半

8、徑;r為正方形虛擬單元格邊長(zhǎng)。簇頭的選舉產(chǎn)生：GAF算法中簇頭承擔(dān)更多的數(shù)據(jù)處理和通信，消耗的能量相對(duì)較大。在改進(jìn)的GAF算法中簇頭的選舉考慮到『節(jié)點(diǎn)剩余能量問(wèn)題，選舉剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)扌I!