無線傳感網絡一種基于節(jié)能的TDMA協(xié)議分析

鄭州航空工業(yè)管理學院電子通信工程學院 劉 亞 陳建威 尤曉蕾

無線傳感網絡一種基于節(jié)能的TDMA協(xié)議分析

鄭州航空工業(yè)管理學院電子通信工程學院 劉 亞 陳建威 尤曉蕾

無線傳感網絡中MAC協(xié)議節(jié)能的高低會使網絡的性能受非常大影響。基于TDMA的MAC協(xié)議有著自身的節(jié)能性質，即利用合適的TDMA調度使傳輸碰撞減少同時降低網絡能耗。本文引入了TH-TDMA協(xié)議，一種面向事情驅使的傳感器網應用的TDMA協(xié)議。此協(xié)議依據(jù)現(xiàn)在源節(jié)點的數(shù)量使TDMA幀的長度動態(tài)變化，同時使信道使用率上升。

無線傳感網絡；節(jié)能；TDMA協(xié)議

0 引言

無線傳感網的節(jié)點的電源能量有限。如何提高能量的利用率，使得無線傳感網的壽命延長成為現(xiàn)在的研究重點。在傳感器節(jié)點里，無線通信模塊的運轉由MAC協(xié)議直接影響著，網絡的壽命周期直接由MAC協(xié)議的能量利用率決定?；赥DMA的MAC協(xié)議里，各個時隙基站進行數(shù)據(jù)傳輸而不會發(fā)生混亂；并且移動終端只在給定的時隙里接收消息，在很大的程度上使監(jiān)聽的空閑時間降低，所以TDMA協(xié)議有著自身節(jié)約能量的性質。

1 無線傳感網絡TDMA協(xié)議

TDMA協(xié)議多數(shù)情況下跟成簇（clustering)的運轉模式相綜合來增加系統(tǒng)的伸縮性，例如HEED協(xié)議、LEACH協(xié)議，均是隨機選取簇頭節(jié)點，將整個網絡劃為多個簇，對簇里面的成員來時隙分配并傳輸消息到簇頭。大型的無線傳感網非常適于基于簇的TDMA協(xié)議，可以自己來管理網絡，所以使系統(tǒng)的彈性大大增加。

傳統(tǒng)的TDMA調度只適合在不斷網羅數(shù)據(jù)的運用領域，像壓力、地震的不斷監(jiān)測等。可是對于另一類的應用----基于事情驅使的應用，比如地震的監(jiān)測、目標的跟蹤、火災的警報等的應用里存在著一定的限制。在這種情況下，在出現(xiàn)指定的事情時，數(shù)據(jù)才需要傳感器中的節(jié)點來傳輸，傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議并不適用，有很多弊端，比如帶寬的利用率不高，能量的利用率低。

當節(jié)點有數(shù)據(jù)要接連傳輸時，十分適合用傳統(tǒng)的TDMA調度。然而對基于事情驅使的應用，由于在本幀里面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的成員節(jié)點不確定，所以就算沒有傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點，在完整的幀長里面還是需要處于監(jiān)聽的狀態(tài)，使得能源無謂消耗。

2 TH-TDMA協(xié)議描述

本文提出TH-TDMA協(xié)議，是無線傳感網中適用于事情驅使的一類TDMA協(xié)議。在此協(xié)議下，TDMA幀的長度受現(xiàn)在源節(jié)點數(shù)目的變化而改變，從而讓信道的利用率增大。

TH-TDMA按輪來運轉。每一輪也含有設置階段跟穩(wěn)定階段，如圖1所示。設置階段進行時鐘的同步跟形成簇，把網絡里面的節(jié)點用簇的形式來完成組織跟管理。穩(wěn)定階段是長度不一樣的n個幀構成，每一個幀包括預約、調度跟傳送三階段的數(shù)據(jù)的收集。

圖1 TH-TDMA協(xié)議幀結構

預約的階段包括m個mini slot，簇里面的成員數(shù)目是m，成員節(jié)點在設置階段能夠了解剩余節(jié)點的ID大小，同時依據(jù)此占據(jù)這m個mini slot。如果節(jié)點觀察到要發(fā)送數(shù)據(jù)即發(fā)生事情，那么會在mini slot里面跟簇頭節(jié)點傳輸CE信息來預約時隙，CE信息可以只有1位，那么傳輸m比特數(shù)據(jù)的時間是預約階段的長度。

3 TH-TDMA協(xié)議調度原理

圖2 TDMA調度數(shù)據(jù)包

簇頭節(jié)點在預約階段收到CE信息后，在調度階段播送TDMA調度數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。這個序列包含兩部分，前一部分是現(xiàn)在幀的捎帶（piggybacking）預約，他的長度是k位；后一部分是現(xiàn)在幀預約的結果，他的長度是m位。第一幀數(shù)據(jù)采集時K的值是0，且k值在連續(xù)改變。之后，前面幀發(fā)送階段總時隙數(shù)是k，也是源節(jié)點數(shù)目，并且0≤k≤m。調度序列里面，源節(jié)點相對應1意味著預約了時隙，0表示相反。各源節(jié)點的相對應的位在調度序列包里面的順序直接影響此幀預約的時隙號。當傳送數(shù)據(jù)時，在占據(jù)的時隙里面源節(jié)點完成傳送數(shù)據(jù)，如果在這次發(fā)送后節(jié)點還要傳送數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)包到簇頭時會捎帶一個標志，來給后面一幀預約時隙，在節(jié)點的下一幀預約階段，不需要傳輸CE信息，僅僅知道自己后面一幀占據(jù)的時隙號在收到調度的數(shù)據(jù)包之后。

如果在調度的序列里面的1的數(shù)目是0，就是此幀無節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)，也就是特定事情不再發(fā)生,那么全部節(jié)點成員會休眠一個缺省的幀長，像Tframe-def，來減少多次的預約跟調度。Tframe-def的設置跟相關應用有關而跟最小幀長Tframe-def不一樣，如果應用對時間的要求不敏感，Tframe-def能夠設置的長一點，相反能夠設置的短一些。TH-TDMA這樣的工作機制，大大降低了節(jié)點能耗。

4 結論

本文介紹了一種基于事情驅使的傳感器應用的TDMA協(xié)議,THTDMA協(xié)議。此協(xié)議按照現(xiàn)在源節(jié)點的數(shù)量使TDMA幀的長度動態(tài)的變化，讓信道的使用率上升，使得無線傳感網的能量利用率明顯升高。當節(jié)點的密度高時，TH-TDMA協(xié)議擁有比較高的信道的使用率，同樣的時間里面可以傳輸更加多的消息，完成一樣數(shù)目的數(shù)據(jù)采集時，耗能比TDMA調度花銷更加少。

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劉亞（1987—），女，河南鄭州人，碩士，鄭州航空工業(yè)管理學院電子通信學院助教，研究方向：無線傳感網絡技術。

航空科學基金資助項目（2015ZD55005）；河南省科技攻關基金資助項目（No.152102210137）；鄭州航院青年科研基金項目（2017133002）。