鄒昀辛，沈 崧

（中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院 七〇六所，北京100854）

0 引 言

傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的感知能力和高可擴(kuò)展性，一般采用無(wú)線通信方式，從而形成了節(jié)點(diǎn)間可自組織拓?fù)涞臒o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］。數(shù)據(jù)鏈路層MAC協(xié)議是保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一，為了提高傳輸效率，通常采用 “偵聽／睡眠”交替的無(wú)線信道使用策略［2］。經(jīng)典的 協(xié) 議 如 S－MAC （sensor－MAC）［3］、T－MAC （timeout－MAC）［3］等。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用無(wú)線多跳的Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在不犧牲信道容量的基礎(chǔ)上擴(kuò)展現(xiàn)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方位，提供非視距距離［4］。雖然S－MAC和T－MAC協(xié)議也具有多跳感知能力，但是由于采用了 “偵聽／睡眠”的策略，存在早睡問題，因而跳躍次數(shù)受到很大的限制。

本文作者提出了一種根據(jù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)調(diào)整一個(gè)周期內(nèi)偵聽次數(shù)的AM－MAC協(xié)議。該協(xié)議是建立在S－MAC和T－MAC協(xié)議的基礎(chǔ)之上，它采用了同步入網(wǎng)、限制MAC包長(zhǎng)和自適應(yīng)偵聽次數(shù)的方法，確定了一種可調(diào)的固定占空比模式，具有較強(qiáng)的多跳能力，在高流量多跳網(wǎng)絡(luò)中的能耗和延遲方面的效果比較明顯。

1 常見的MAC協(xié)議

1.1 S－MAC協(xié)議

S－MAC協(xié)議的基本思想是通過SYNC［5］（同步信標(biāo)，其中包含時(shí)間調(diào)度信息，用以同步整個(gè)網(wǎng)絡(luò)）構(gòu)建可以同時(shí)休眠和喚醒的虛擬節(jié)點(diǎn)簇，如圖1所示。圖1中的同步節(jié)點(diǎn)A、B、C都是網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選取的，每個(gè)同步節(jié)點(diǎn)都會(huì)每隔一段時(shí)間向周邊節(jié)點(diǎn)廣播SYNC。收到SYNC的節(jié)點(diǎn)就成了跟隨節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)D，它也會(huì)定期向外廣播收到的SYNC。而收到多個(gè)SYNC信息的節(jié)點(diǎn)就成了協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，如節(jié)點(diǎn)E，它不得不遵循多個(gè)時(shí)間調(diào)度表，用以維持多節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)跳躍。S－MAC將時(shí)間劃分為多幀，每個(gè)幀由兩部分組成：偵聽時(shí)間 （listen time）和睡眠時(shí)間 （sleep time），如圖2所示。如果我們將偵聽時(shí)間與幀時(shí)間的比值稱為占空比η，設(shè)偵聽時(shí)間與睡眠時(shí)間為Tl，Ts，則

圖1 S－MAC協(xié)議的虛擬節(jié)點(diǎn)簇

S－MAC協(xié)議具有多跳感知能力，但是它的局限性也很大。如圖2所示，假設(shè)AB、BC、CD、DE是三對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)，可以相互通信，數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)锳→B→C→D→E，我們從圖中可以看出，無(wú)論幀的周期有多長(zhǎng)，由于受到偵聽時(shí)間 （listen time）的限制，在一個(gè)幀內(nèi)，數(shù)據(jù)只能跳躍兩個(gè)節(jié)點(diǎn)到達(dá)C（D、E提前睡眠）。當(dāng)然，我們可以延長(zhǎng)每個(gè)幀周期內(nèi)的偵聽時(shí)間，但是會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

圖2 S－MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳遞過程

通過上述分析，S－MAC協(xié)議具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)簇，需要維護(hù)多個(gè)時(shí)間調(diào)度表，增加了不必要的能耗。

（2）固定占空比，不適用流量變化的網(wǎng)絡(luò)。

（3）存在早睡問題，跳躍次數(shù)受限于偵聽時(shí)間。

1.2 T－MAC協(xié)議

T－MAC是在S－MAC的基礎(chǔ)上提出了一種自適應(yīng)調(diào)整激活期長(zhǎng)度的算法，它根據(jù)一種自適應(yīng)占空比的原理［6］，通過動(dòng)態(tài)地調(diào)整偵聽與睡眠時(shí)間的比值，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省能耗的目的，使之更適用于流量變化的網(wǎng)絡(luò)。

T－MAC協(xié)議規(guī)定：在每個(gè)幀周期開始或休眠狀態(tài)結(jié)束時(shí)，有數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn) （如圖3中節(jié)點(diǎn)A所示）按突發(fā)方式發(fā)送數(shù)據(jù)，而空閑節(jié)點(diǎn) （如圖3中節(jié)點(diǎn)B、C、D、E所示）則激活一個(gè)長(zhǎng)度為TA（time active）的偵聽間隔。協(xié)議要求TA必須要足夠大，以保證節(jié)點(diǎn)能夠監(jiān)測(cè)到串?dāng)_的CTS，TMAC協(xié)議規(guī)定TA取值約束為

式中：C、R和T的定義可參考文獻(xiàn) ［2］。TA決定每個(gè)周期最小的空閑偵聽時(shí)間，它的取值大小對(duì)于T－MAC協(xié)議至關(guān)重要。該協(xié)議在空閑偵聽下的占空比為

在T－MAC協(xié)議中，數(shù)據(jù)傳遞仍采用RTS／CTS／DATA／ACK的通信過程，它也具有多跳感知能力［6－8］，并且通過 FRTS （future request－to－send）防止節(jié)點(diǎn)早睡來(lái)增加跳數(shù)，如圖2所示。假設(shè)AB、BC、CD、DE是四對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)，可以相互通信，數(shù)據(jù)傳輸方向?yàn)锳→B→C→D→E，因?yàn)榻邮盏紺TS分組的節(jié)點(diǎn)都會(huì)發(fā)送一個(gè)FRTS分組包，所以可以讓數(shù)據(jù)在一幀內(nèi)增加一跳，但是這種處理方式帶來(lái)的功耗也很大。由圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)A、B相互傳輸時(shí)，與它們相鄰的節(jié)點(diǎn)C由于偵聽到信道的活動(dòng)而處于激活狀態(tài)，并且迫使C的鄰節(jié)點(diǎn)D也處于激活狀態(tài)。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)相互通信時(shí)，會(huì)迫使鄰居節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)都處于激活狀態(tài)，這樣就增加了許多不必要的能耗，并且在跳數(shù)上相對(duì)于S－MAC也只是多了一跳而已。

圖3 T－MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳遞過程

通過上述分析，T－MAC協(xié)議具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）多個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)簇，需要維護(hù)多個(gè)時(shí)間調(diào)度表，增加了不必要的能耗。

（2）自適應(yīng)占空比，相對(duì)于S－MAC減少了空閑偵聽能耗。

（3）加強(qiáng)了多跳感知，但增加了鄰居節(jié)點(diǎn)的能耗。

（4）存在早睡問題，數(shù)據(jù)一幀內(nèi)最多跳躍3次。

2 AM－MAC協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

AM－MAC協(xié)議也是一個(gè)基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，它是在S－MAC和T－MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上改進(jìn)的。在保證低能耗的基礎(chǔ)上，AM－MAC加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的多跳能力，盡可能地降低了網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時(shí)延。它具體有3個(gè)特點(diǎn)：同步入網(wǎng)機(jī)制、跨層數(shù)據(jù)限長(zhǎng)、自適應(yīng)偵聽次數(shù)。

2.1 同步入網(wǎng)機(jī)制

S－MAC和T－MAC都采用虛擬節(jié)點(diǎn)簇的同步機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)中的許多節(jié)點(diǎn)不得不維護(hù)多個(gè)時(shí)間調(diào)度表，這樣不僅增加了協(xié)議的復(fù)雜性，還增加了傳輸失敗的概率和碰撞的能耗。究其原因，在于網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)選用了多個(gè)同步節(jié)點(diǎn)。

基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議必須在網(wǎng)絡(luò)同步的前提下才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與S－MAC和T－MAC協(xié)議不同的是，AM－MAC協(xié)議采用一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間調(diào)度表，這得依賴于網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn) （sink node）［9］。匯聚節(jié)點(diǎn)不同于一般的傳感器節(jié)點(diǎn)，它的能量和發(fā)射功率比較大，用于網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)收集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet或管理節(jié)點(diǎn)。通常，每個(gè)Mesh子網(wǎng)有且僅對(duì)應(yīng)一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 AM－MAC的同步入網(wǎng)效果

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立同步機(jī)制之前，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)都處于持續(xù)偵聽狀態(tài)，這時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn) （如圖4中的A節(jié)點(diǎn)所示）會(huì)建立自己的時(shí)間調(diào)度表，并在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為同步節(jié)點(diǎn) （如圖4中的節(jié)點(diǎn)B所示），然后B開始遵循A的時(shí)間調(diào)度表，并每隔一段隨機(jī)的時(shí)延對(duì)外廣播SYNC信息。網(wǎng)絡(luò)中收到SYNC信息的節(jié)點(diǎn)為跟隨節(jié)點(diǎn) （如圖4中的節(jié)點(diǎn)C、D所示），然后它們開始遵循SYNC中的時(shí)間調(diào)度，并也每隔一段隨機(jī)的時(shí)延對(duì)外廣播SYNC信息。這樣，SYNC信息就會(huì)沿著節(jié)點(diǎn)樹一步步向外擴(kuò)散，直至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)中只有收到SYNC信息的節(jié)點(diǎn)才算是真正入網(wǎng)，才能與周邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。采用同步入網(wǎng)機(jī)制可以極大地減少M(fèi)AC層數(shù)據(jù)沖突的可能，方便了調(diào)度，加快了數(shù)據(jù)響應(yīng)。

2.2 跨層數(shù)據(jù)限長(zhǎng)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了采用互聯(lián)網(wǎng)的五層協(xié)議外，還利用了一個(gè)管理平臺(tái)進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，各層之間能夠通過共享一些信息來(lái)共同調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的性能。例如，MAC層協(xié)議可以利用應(yīng)用層確定的節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)偵聽時(shí)間，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能［10］。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)很大的特點(diǎn)就是傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是傳感值，比如溫度、電壓、濕度等。這些數(shù)據(jù)都有一個(gè)共同的特性：固定的數(shù)據(jù)格式和長(zhǎng)度。因此，只要在網(wǎng)絡(luò)建立同步之前，由應(yīng)用層向下傳遞數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度信息，這樣MAC層就能預(yù)先估計(jì)每次信道交流的最長(zhǎng)時(shí)間。這樣就為MAC層周期性的睡眠／偵聽調(diào)度提供了便利，減少了出錯(cuò)的可能。在數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度確定的情況下，我們可以用下述公式計(jì)算每次偵聽周期的長(zhǎng)度

式中：Tl——一次偵聽周期的長(zhǎng)度，Tc——競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)間長(zhǎng)度，ftr（）——傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的關(guān)系函數(shù)，Tdelay指數(shù)據(jù)在信道中傳播的時(shí)延。

在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度預(yù)知和全網(wǎng)同步的情況下，我們就可以大膽地將信道按時(shí)間分片，就是接下來(lái)要詳述的自適應(yīng)偵聽次數(shù)。

2.3 自適應(yīng)偵聽次數(shù)

一個(gè)幀周期內(nèi)的偵聽周期次數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)是該協(xié)議的關(guān)鍵，根據(jù)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)流量分布不均的特點(diǎn)，AM－MAC協(xié)議能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)幀內(nèi)的偵聽次數(shù)。調(diào)節(jié)方式為：

如果節(jié)點(diǎn)在最后一個(gè)偵聽周期內(nèi)接收到了信道中傳遞給它的數(shù)據(jù)，那么該節(jié)點(diǎn)的偵聽次數(shù)加一次。

圖5所示的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)4個(gè)節(jié)點(diǎn)的線形網(wǎng)絡(luò)，圖中顯示了該網(wǎng)絡(luò)在AM－MAC協(xié)議下的節(jié)點(diǎn)偵聽次數(shù)的調(diào)整過程。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)建立的初始階段，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)幀周期內(nèi)的偵聽次數(shù)都為2。圖5中的A、B和C節(jié)點(diǎn)屬于普通的傳感器節(jié)點(diǎn)，它們都有一些數(shù)據(jù)需要定期傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)D。以A節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞為例，A首先在第一個(gè)偵聽周期內(nèi)將數(shù)據(jù)傳遞給B，B節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后在第2個(gè)偵聽周期內(nèi)將A的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給C，由于C在最后一個(gè)偵聽周期內(nèi)收到了信道中的數(shù)據(jù)，那么它的偵聽次數(shù)就增加了一次（偵聽次數(shù)會(huì)在下個(gè)幀周期內(nèi)調(diào)整為3）。經(jīng)過多次的數(shù)據(jù)傳輸，該網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)偵聽次數(shù)就會(huì)穩(wěn)定，A、B為2次，C為3次，D為4次。

在簡(jiǎn)單的線形網(wǎng)絡(luò)中，該協(xié)議相對(duì)于T－MAC可能會(huì)有更多的能量消耗，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)流量較少的情況下，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)會(huì)因?yàn)檩^多的偵聽次數(shù)而導(dǎo)致不必要的能量消耗。但是在節(jié)點(diǎn)密度較高的Mesh網(wǎng)絡(luò)中，該協(xié)議的性能確是很可觀的。Mesh網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，會(huì)因?yàn)榱髁枯^小而具有較少的偵聽次數(shù)，減少不必要的能量消耗。Mesh網(wǎng)絡(luò)的靠中心的節(jié)點(diǎn)，會(huì)因?yàn)榱髁枯^大而具有較多的偵聽次數(shù)，這樣就能夠處理并轉(zhuǎn)發(fā)更多的數(shù)據(jù)包，增大網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

圖5 在AM－MAC協(xié)議下的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)過程

至于數(shù)據(jù)時(shí)延，由圖5可以看出，只要網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定，無(wú)論是Mesh網(wǎng)絡(luò)還是線形網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，無(wú)論是邊緣節(jié)點(diǎn)還是中心節(jié)點(diǎn)，它們的數(shù)據(jù)基本上都能夠在一幀內(nèi)傳遞到匯聚節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的總時(shí)延似乎趨于一個(gè)穩(wěn)定值，在仿真結(jié)果中可以證明此結(jié)論。

圖6顯示了AM－MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)交換過程。TL指每個(gè)偵聽周期的信道監(jiān)聽時(shí)間，為了使每次偵聽都能監(jiān)測(cè)到信道中的RTS信號(hào)，對(duì)TL的取值要求如下

Active指該節(jié)點(diǎn)處于數(shù)據(jù)收發(fā)的活動(dòng)狀態(tài)。AM－MAC協(xié)議將一個(gè)幀周期分為若干個(gè)偵聽周期和一個(gè)睡眠周期，在每個(gè)偵聽周期內(nèi)采用固定占空比方式，但是每幀內(nèi)的Nlisten偵聽周期次數(shù)卻是可調(diào)節(jié)的，這就使得每個(gè)幀內(nèi)的活動(dòng)時(shí)間與睡眠時(shí)間的比值動(dòng)態(tài)變化。由圖可知，數(shù)據(jù)在一個(gè)幀周期的跳躍次數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的，它隨著偵聽周期次數(shù)的變化而變化。該協(xié)議的占空比計(jì)算公式為（TF指一幀的時(shí)間長(zhǎng)度）

圖6顯示的是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定狀態(tài)下數(shù)據(jù)的交流過程，為了減少數(shù)據(jù)沖突和串?dāng)_，該協(xié)議仍采用RTS／CTS／DATA／ACK的通信過程，只是交流的數(shù)據(jù)中不需要附帶任何調(diào)度信息。AM－MAC協(xié)議要求每個(gè)偵聽周期內(nèi)最多只能進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交流。由于應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行了限定 （在2.2節(jié)中已經(jīng)詳述過），因此我們可以盡可能地壓縮偵聽周期的長(zhǎng)度，達(dá)到低能耗、低延遲的目的。

通過上述分析，AM－MAC協(xié)議具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）統(tǒng)一的時(shí)間調(diào)度表，降低了協(xié)議的復(fù)雜性。

（2）可調(diào)的固定占空比模式，通過改變偵聽次數(shù)來(lái)來(lái)調(diào)節(jié)幀內(nèi)的占空比。

（3）較強(qiáng)的多跳能力，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)基本上都能在一幀內(nèi)到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。

圖6 AM－MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳遞過程

（4）不存在早睡問題，前提是網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)到達(dá)穩(wěn)定。

3 性能仿真與分析

用仿真的方法從能量消耗、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延兩個(gè)方面對(duì)文章中涉及的3種協(xié)議進(jìn)行仿真比較。仿真平臺(tái)采用OMNet＋＋［11］，該平臺(tái)具有仿真的可視化界面，便于操作，并且支持多種MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)仿真，代碼開源，可用于多種協(xié)議的分析和對(duì)比。

3.1 仿真模型和參數(shù)

網(wǎng)絡(luò)模型采用經(jīng)典的Mesh網(wǎng)格，如圖7所示。只要改變?cè)摼W(wǎng)絡(luò)的橫向和縱向的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，就能成倍改變網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。圖7中黑點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，其它白色節(jié)點(diǎn)都為網(wǎng)絡(luò)中普通的傳感節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間會(huì)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感信息，匯聚節(jié)點(diǎn)只是收集信息，并不對(duì)外發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖7 無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)中通過改變每個(gè)節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)發(fā)送間隔來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)流量，改變網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)改變網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)。網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)時(shí)，仿真中設(shè)置各協(xié)議在空閑偵聽下的占空比，S－MAC協(xié)議為30%，T－MAC為5%，AM－MAC為10%。仿真中不需要改變的數(shù)據(jù)都采用默認(rèn)值，如表1中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送間隔，其它主要涉及到的仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

3.2 網(wǎng)絡(luò)能量消耗

WSN （wireless sensor networks）中功耗主要來(lái)源于偵聽、處理和無(wú)線傳輸這3個(gè)方面。相比于傳輸和偵聽的功耗，處理的功耗幾乎可以忽略。因此，需要盡可能地實(shí)現(xiàn)協(xié)作通信以獲得高能效。MAC協(xié)議構(gòu)成協(xié)作通信的核心，在通信過程中的功耗主要來(lái)源于：空閑偵聽、沖突、協(xié)議開銷、收發(fā)功耗［2，3］。在這次仿真中，采用下述公式計(jì)算MAC層的能量消耗

式中：Pl、Ps、Pr和Pt——節(jié)點(diǎn)的偵聽功率、睡眠功率、接收功率和傳輸功率，Tl、Ts、Tr和Tt——仿真結(jié)束時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)總共的偵聽時(shí)間、睡眠時(shí)間、接收時(shí)間和傳輸時(shí)間，N——網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。仿真的效果如圖8所示。

圖8 能量消耗與流量、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)關(guān)系

由圖8中數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論：在網(wǎng)絡(luò)流量較大的時(shí)候，AM－MAC協(xié)議的能量消耗最少；在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度比較大的時(shí)候，AM－MAC協(xié)議的能量消耗最少?？梢奙－MAC協(xié)議適用于高流量、高密度的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延

雖然功耗在WSN中是最重要的指標(biāo)，但并不是唯一的。尤其對(duì)包括多媒體通信在內(nèi)的一些新的應(yīng)用而言就必須考慮其他指標(biāo)，這些指標(biāo)包括數(shù)據(jù)吞吐量、時(shí)延以及抖動(dòng)等。此外，某些應(yīng)用中時(shí)延也許會(huì)比功耗更重要。下面對(duì)傳輸時(shí)延進(jìn)行仿真，仿真中的時(shí)延計(jì)算公式如下

式中：Tsend——數(shù)據(jù)從路由層向 MAC層發(fā)送的時(shí)間，Trecieved——匯聚節(jié)點(diǎn)的路由層收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間。N——匯聚節(jié)點(diǎn)成功收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)。之所以這么計(jì)算，因?yàn)椴煌瑓f(xié)議的數(shù)據(jù)處理方式也會(huì)對(duì)包的延遲產(chǎn)生影響。協(xié)議的仿真效果圖如圖8和圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)時(shí)延與流量、節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)關(guān)系

由圖9中數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論：在網(wǎng)絡(luò)流量較大的時(shí)候，AM－MAC協(xié)議的由于自適應(yīng)偵聽次數(shù)的特點(diǎn)，會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)一個(gè)幀周期內(nèi)的處理時(shí)間，從而加快了網(wǎng)絡(luò)處理，減少了數(shù)據(jù)延遲；在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度比較大的時(shí)候，AM－MAC協(xié)議的也是由于本身的多跳特性，可以讓數(shù)據(jù)在一幀內(nèi)完成傳輸，保證了服務(wù)質(zhì)量?？梢夾M－MAC協(xié)議適用于對(duì)數(shù)據(jù)延遲要求較高的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳性的特點(diǎn)和傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的要求，本文在S－MAC和T－MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)自適應(yīng)多跳的MAC協(xié)議——AM－MAC，從仿真結(jié)果中可以看出，該協(xié)議具有低能耗、低延遲的特點(diǎn)，特別是在延遲方面，比T－MAC協(xié)議優(yōu)化了將近一倍，并且不會(huì)隨著流量和節(jié)點(diǎn)密度發(fā)生較大的變化。但是在低流量和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的情況下，該協(xié)議的優(yōu)勢(shì)并不是那么明顯。因此該協(xié)議適用于高流量、高密度的Mesh網(wǎng)絡(luò)。

此外，該協(xié)議也有兩點(diǎn)不足：第一，沒有引入數(shù)據(jù)沖突的避免機(jī)制，而是采用統(tǒng)一大小的競(jìng)爭(zhēng)窗口，這樣在流量大的時(shí)候會(huì)額外增加沖突能耗；第二，該協(xié)議的自適應(yīng)多跳需要較長(zhǎng)的調(diào)整時(shí)間，在流量變化頻率較快的網(wǎng)絡(luò)中，該協(xié)議可能不太適用。因此，該論文下一步的工作就是在該協(xié)議的上述問題上做進(jìn)一步改進(jìn)。

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