無線傳感網(wǎng)中具有喚醒機(jī)制T—MAC協(xié)議

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為了節(jié)約能量在設(shè)計(jì)MAC協(xié)議時(shí)常采用周期睡眠機(jī)制，但在傳感器結(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)時(shí)無法對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行及時(shí)的處理。本文是在T-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，在睡眠時(shí)引入了喚醒機(jī)制，使用和T-MAC一樣的方式競(jìng)爭(zhēng)信道，出現(xiàn)早睡的時(shí)候，可直接利用喚醒機(jī)制，這樣可及時(shí)的傳輸信息，而能量消耗和T-MAC相比最多增加一個(gè)睡眠周期的能量，通信方式也較為簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：T-MAC 喚醒 競(jìng)爭(zhēng)信道 能量消耗

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0033-01

1 引言

隨著通信技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)應(yīng)用在軍事、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療、智能家居、環(huán)境監(jiān)控等方方面面，它將成為二十一世紀(jì)影響人類的十大技術(shù)之一，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為熱門的研究課題。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。人們對(duì)各層進(jìn)行了大量的研究，其中對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層的研究主要集中在對(duì)介質(zhì)控制協(xié)議（MAC）的研究上，介質(zhì)控制協(xié)議（MAC）分類方法多種多樣，按分配信道的方式劃分有競(jìng)爭(zhēng)型、無競(jìng)爭(zhēng)型、混合型和跨層MAC協(xié)議，無競(jìng)爭(zhēng)型有TRAMA、Y-MAC、DESYNC、LEACH、LMAC等，競(jìng)爭(zhēng)型有PAMAS、T-MAC、S-MAC、Pattern MAC、RMAC等，混合型有Zebra MAC、MH-MAC等，跨層MAC有MINA等。競(jìng)爭(zhēng)型協(xié)議T-MAC、S-MAC非常有代表性，但這兩個(gè)具有周期性睡眠的MAC協(xié)議在睡眠的時(shí)候不能及時(shí)的把發(fā)生的事件傳送出去，這對(duì)一些需要立即發(fā)送的信息，比如火災(zāi)、水災(zāi)、地震、敵人的入侵等事件的匯報(bào)、處理會(huì)造成延誤，后果非常嚴(yán)重的；雖然用周期性睡眠機(jī)制能節(jié)省能量消耗，但有可能會(huì)丟失或錯(cuò)過需要及時(shí)處理的信息；目前已有的芯片已經(jīng)可在睡眠的時(shí)候被喚醒，為克服不能及時(shí)的報(bào)告信息提供了實(shí)現(xiàn)的可能，為此提出了具有喚醒機(jī)制T-MAC協(xié)議。

2 具有喚醒機(jī)制T-MAC協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前大規(guī)模使用的制約因素一個(gè)是成本太高，一個(gè)是對(duì)電池供電的系統(tǒng)來說能量消耗太大。為了節(jié)約能量消耗，人們?cè)O(shè)計(jì)了周期性的偵聽睡眠機(jī)制，使的能量消耗大大的降低了，但也出現(xiàn)了問題，不能處理在睡眠時(shí)發(fā)生的緊急情況。且要求可忍受一定的延時(shí)，而這與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是背道而馳的。為此，我們?cè)谥芷谛缘幕顒?dòng)睡眠機(jī)制基礎(chǔ)上引入了喚醒機(jī)制，以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的要求。

T-MAC協(xié)議是在S-MAC協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有活動(dòng)和睡眠功能的MAC協(xié)議，它在活動(dòng)期間在沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的情況下可自適應(yīng)的提前進(jìn)入睡眠狀態(tài)，進(jìn)一步節(jié)省了能量。下面我們?cè)赥-MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上引入喚醒機(jī)制，以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的要求。

協(xié)議是在下列假設(shè)下工作的：

（1）目標(biāo)以節(jié)省能量為目的且能適應(yīng)實(shí)時(shí)性要求。

（2）無基站，是分布式的。

（3）有嚴(yán)格的周期性活動(dòng)睡眠機(jī)制。

（4）結(jié)點(diǎn)基本上只能和鄰居結(jié)點(diǎn)通信。

（5）在活動(dòng)周期沒有激活事件轉(zhuǎn)入睡眠（采用T-MAC自適應(yīng)占空比的手段）。

下面我們引入一個(gè)新的時(shí)間間隔的概念：

喚醒時(shí)間間隔：指從一個(gè)結(jié)點(diǎn)接收到喚醒信號(hào)到下一個(gè)結(jié)點(diǎn)收到此結(jié)點(diǎn)發(fā)出喚醒信號(hào)的這一段時(shí)間間隔。

具有喚醒機(jī)制T-MAC協(xié)議的思想：如果有事件發(fā)生，結(jié)點(diǎn)處在活動(dòng)狀態(tài)不需要喚醒。如果結(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，事件會(huì)喚醒結(jié)點(diǎn)，進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)。此結(jié)點(diǎn)首先把此時(shí)的時(shí)間到下一個(gè)活動(dòng)周期開始的這一時(shí)間段劃分為一個(gè)個(gè)時(shí)間間隔為T（T=喚醒時(shí)間間隔+a，a是一個(gè)很小的常數(shù)）的小時(shí)隙，使得每個(gè)要被喚醒的結(jié)點(diǎn)從接收到喚醒信息到發(fā)送出喚醒下一個(gè)結(jié)點(diǎn)的信息的時(shí)間段都在一個(gè)T內(nèi)，最后一個(gè)時(shí)間間隔T中可能含有活動(dòng)周期中的時(shí)間，在此時(shí)間段不在進(jìn)行喚醒工作。結(jié)點(diǎn)被喚醒后，一直工作到和周期工作中的活動(dòng)周期相連。接下來從第一個(gè)被喚醒的結(jié)點(diǎn)開始以洪泛的方式向外傳遞喚醒信息。喚醒信息里包含剛才分割成一個(gè)個(gè)T的劃分信息和目前處在第幾個(gè)T時(shí)隙的信息。如果結(jié)點(diǎn)已經(jīng)被喚醒或周期性的醒來，則拋棄收到的喚醒信息。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)要發(fā)送不是喚醒信息的其他信息時(shí)，需要經(jīng)過從喚醒開始的兩個(gè)T的時(shí)間間隔后才可開始，使用和T-MAC一樣的載波幀聽方式競(jìng)爭(zhēng)信道，使用RTS/CTS/DATA/ACK交互原理來進(jìn)行通信。

時(shí)間間隔T主要用來喚醒睡眠中的節(jié)點(diǎn)，利用洪泛的方式傳遞信號(hào)，可使的睡眠中的結(jié)點(diǎn)快速的處于活動(dòng)狀態(tài)。需要經(jīng)過從喚醒開始的兩個(gè)T的時(shí)間間隔后才可開始，是因?yàn)椴唤?jīng)過兩個(gè)T的延遲，會(huì)有沖突。時(shí)間間隔T中的常量a是為了使的喚醒結(jié)點(diǎn)在進(jìn)行喚醒時(shí)具有更充足的時(shí)間。

在T-MAC協(xié)議中，存在結(jié)點(diǎn)的早睡問題。所謂早睡是指一個(gè)結(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向鄰居結(jié)發(fā)送信息而鄰居結(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)，延誤信息傳輸情形。T-MAC中為解決此問題，提出了滿緩沖區(qū)優(yōu)先、未來請(qǐng)求發(fā)送等方法。但對(duì)于有喚醒機(jī)制T-MAC協(xié)議，出現(xiàn)早睡的時(shí)候，直接利用前面的喚醒機(jī)制即可，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)傳送的復(fù)雜性。

具有喚醒機(jī)制T-MAC協(xié)議使得T-MAC具有了在睡眠時(shí)刻能及時(shí)的喚醒功能，克服T-MAC協(xié)議在睡眠狀態(tài)時(shí)實(shí)時(shí)性的不足，而與T-MAC相比能量的消耗每次喚醒時(shí)最多增加一個(gè)睡眠周期的能量。

3 結(jié)語

本文是對(duì)T-MAC協(xié)議的改進(jìn)，因T-MAC在睡眠時(shí)無法對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行及時(shí)匯報(bào)，我們?cè)谒邥r(shí)引入了喚醒機(jī)制，并引入了一個(gè)劃分時(shí)間間隔的機(jī)制，使得睡眠中醒過來的結(jié)點(diǎn)能及時(shí)的把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)喚醒，喚醒后的結(jié)點(diǎn)仍使用和T-MAC一樣的方式競(jìng)爭(zhēng)信道，使用了和T-MAC一樣的自適應(yīng)占空比的手段，出現(xiàn)早睡的時(shí)候，就直接利用喚醒機(jī)制。具有喚醒機(jī)制T-MAC協(xié)議能及時(shí)的把信息傳遞出去，而能量消耗在每次喚醒時(shí)只比T-MAC能量消耗最多增加一個(gè)睡眠周期的能量，通信設(shè)計(jì)也較為簡(jiǎn)單。

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2016-09-01

作者簡(jiǎn)介：張涌逸（1968—），男，山西河曲人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)、網(wǎng)絡(luò)路由和協(xié)議等。