孫智博

摘 要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)正在興起，它具備成本低廉、能量損耗低等特點。通常用延遲，數(shù)據(jù)包傳遞速率（PDR），能量消耗來衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。按照分配信道的方法劃分協(xié)議，可將MAC層的協(xié)議劃分為競爭型訪問，預(yù)留型訪問和混合型的路由協(xié)議。MAC協(xié)議對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，如果設(shè)計合適，可以提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；MAC層協(xié)議

一、WSANs的MAC層協(xié)議簡介

按照分配信道的方法劃分協(xié)議，可將MAC層的協(xié)議劃分為以下三種：競爭型訪問協(xié)議，一般是所有節(jié)點共享一個信道，允許節(jié)點訪問介質(zhì)的限制很少，并且可以結(jié)合其他協(xié)議來減少信道中碰撞次數(shù)，比如DCF協(xié)議。而預(yù)留型訪問協(xié)議通過明確地調(diào)度數(shù)據(jù)包來防止競爭。TDMA被認為是最適合的。混合型的路由協(xié)議是結(jié)合以上兩種方式。一些WSAN MAC協(xié)議是基于TDMA。

TDMA機制就是為每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)收發(fā)的時隙，而節(jié)點在其他空閑時隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠節(jié)能狀態(tài)。相比隨機競爭接入機制，時分復(fù)用方式本身就更能節(jié)省能量，是實現(xiàn)信道分配的簡單成熟機制，因為無線電波的工作時間縮短，而且沒有任何競爭帶來的開銷和沖突?；赥DMA機制的MAC協(xié)議具有如下優(yōu)點：

1）無競爭機制的沖突重傳問題。

2）數(shù)據(jù)傳輸不需額外的控制信息。

3）節(jié)點在空閑時隙能夠及時進入睡眠階段。

混合型協(xié)議可以獲得更好的性能，保持競爭期遠小于數(shù)據(jù)傳輸期，從而減少碰撞，延遲和能源浪費。ATMA算法優(yōu)于傳統(tǒng)的SMAC， TMAC和ADV-MAC算法。

在許多協(xié)議中，將一個幀劃分為2個部分，Contention Window （CW）和Data Window。CW的大小決定了MAC算法的效率。已經(jīng)很多人研究CW大小自適應(yīng)問題，特別是在IEEE 802.11和IEEE 802.15.4協(xié)議中。

二、算法介紹

首先，參考文獻做出以下假設(shè)：

1）將節(jié)點隨機放置在一個矩形無障礙區(qū)域，節(jié)點間相互獨立且靜止。

2）節(jié)點能夠感知到信道以及分辨一個空閑信道，一個進展中的單包傳輸?shù)男诺篮桶l(fā)生碰撞的信道（兩個或更多的同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包） 之間的區(qū)別。

3）時間離散化且所有節(jié)點同步操作。

4）采用了兩個簡單的流量模型，一是隨機流量模型，每個節(jié)點在每段時間以概率p步生成一個數(shù)據(jù)包；二是突發(fā)流量模型，每個發(fā)射節(jié)點周期性的突發(fā)產(chǎn)生出一定量的數(shù)據(jù)包。然后，用延遲，數(shù)據(jù)包傳遞速率（PDR），能量消耗三個指標來評價算法。

（一）ATMA算法

ATMA將CW分為更小的微時隙，比ADV包的持續(xù)時間更小。每個節(jié)點若要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，就選擇一個微時隙編號，并且開啟一個倒計時的計時器。當(dāng)此計數(shù)器計數(shù)完畢，該節(jié)點開始發(fā)送ADV包，如果接收方接收這個數(shù)據(jù)包，立即發(fā)送ACK包。如果有沖突，或者網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包損壞，那么不發(fā)送ACK包。如果，計數(shù)器凍結(jié)，那么意味著某些節(jié)點可能沒有機會在一幀中發(fā)射數(shù)據(jù)包，即使它選擇了一個有效的微時隙編號。如果發(fā)生這種情況，就認為該節(jié)點被凍結(jié)了。如果一個節(jié)點發(fā)生沖突碰撞或者是被凍結(jié)，那么它將在下一幀中重新發(fā)送ADV包。而AD-ATMA算法優(yōu)于ATMA，它消耗更少的能量，更加精細地處理凍結(jié)節(jié)點。

（二）AD-ATMA算法

AD-ATMA算法將CW分為兩個部分，第一部分叫做Selection Window，和ATMA中的CW具有相同結(jié)構(gòu)。第二部分叫做Surplus Window，它可以使凍結(jié)節(jié)點發(fā)送ADV包并且不發(fā)送除此以外的其他包。直觀地說，減少Selection Window增加了碰撞沖突的概率，增加Surplus Window增加凍結(jié)節(jié)點成功發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的概率。

當(dāng)凍結(jié)節(jié)點發(fā)射ADV包帶來的好處大于碰撞引起的額外延遲（由于發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包）時，擁有Surplus Window是個不錯的選擇。當(dāng)發(fā)射節(jié)點數(shù)量很少時，只有很少量的凍結(jié)節(jié)點，所以只需要很少量的Surplus Window就足夠了。當(dāng)發(fā)射節(jié)點數(shù)量很大時，Selection Window數(shù)量減少會增加碰撞沖突的概率，并且可能超出少量凍結(jié)節(jié)點所帶來的收益。當(dāng)發(fā)射節(jié)點數(shù)量適中時，將CW割裂為兩部分有著不錯的效果。

假設(shè)每個節(jié)點每一幀內(nèi)都有數(shù)據(jù)包要發(fā)送，并且有固定的幀數(shù)。隨機部署節(jié)點，并且每個節(jié)點都有固定數(shù)量的鄰域節(jié)點和固定大小的Selection Window。所有節(jié)點都運行Ad-ATMA算法，且在固定的幀內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包。測量了發(fā)送單個ADV包的微時隙數(shù)量和碰撞沖突的微時隙數(shù)量。

Ad-ATMA在每個節(jié)點內(nèi)以分布式運行。節(jié)點在每一幀中監(jiān)聽整個CW。文獻提出的算法步驟如下：

1）在每個幀的開始，每個發(fā)射節(jié)點計算鄰域節(jié)點數(shù)量的期望值，在Selection Window中選擇一個隨機微時隙n，一個計數(shù)為n的計時器開始倒計時并且監(jiān)聽整個信道。

2）只要一個節(jié)點檢測到一個微時隙正在使用，就凍結(jié)其計時器，直到通道不被占用。

3）當(dāng)計時器計數(shù)完畢后，就發(fā)送一個ADV包。如果接收節(jié)點接收到了ADV包，就立即返回一個ACK包來確認收到。發(fā)射節(jié)點收到ACK包后就開始發(fā)射另一個ADV包，這樣單跳鄰域內(nèi)的發(fā)射和接收節(jié)點就知道即將進行下一次數(shù)據(jù)傳輸。如果節(jié)點要發(fā)射第二個ADV包，開始第二個計數(shù)器即可。

4）如果計時器沒有計數(shù)完畢，但該幀結(jié)束了，或者當(dāng)計數(shù)器計數(shù)完畢后，微時隙數(shù)量過少，節(jié)點就嘗試在下一幀發(fā)送ADV包。

5）成功預(yù)留數(shù)據(jù)時隙的節(jié)點就在數(shù)據(jù)時隙發(fā)送包。不發(fā)送或是接收數(shù)據(jù)包的節(jié)點在整個數(shù)據(jù)時隙期間都是保持睡眠狀態(tài)。

最后對這兩種算法分別在單跳和多跳網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行模擬仿真，最后發(fā)現(xiàn)Ad-ATMA的三項性能明顯優(yōu)于ATMA。

參考文獻：

Hossain M K，Datta S，Edmonds J.Ad-ATMA： An Efficient MAC protocol for Wireless Sensor and Ad Hoc Networks [J].Procedia Computer Science，2015，52（1）：484-491.