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FAST无线路由MAC协议

我们在搭建无线网环境时要用到无线传感器,其节点的处理能力、存储能力和通信能力等都有限,因此无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用,而无线传感网络介质访问控制协议必须以节约能源为主要目标,并且...

我们在搭建无线网环境时要用到无线传感器,其节点的处理能力、存储能力和通信能力等都有限,因此无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效利用,而无线传感网络介质访问控制协议必须以节约能源为主要目标,并且采用折中机制,使用户可以在延长网络生命周期和提高网络吞吐量、降低通信延迟等方面做出选择。


 

一、将传感器网络MAC协议分为:时分复用方式、随机竞争方式和其他MAC协议。固定分配信道方式的TDMA可以自然完成节点上的低占空比操作,因为他们只需在自己的时隙里开启无线模块完成发送和接收,但其可扩展性较差,而时间同步对系统是一笔较大的开销。由于无线传感网络数据率较低,而且对时延的要求不高,因此目前实用的节能MAC协议基本是基于竞争的协议,结合现有的无线传感器网络MAC协议,引入层次型拓扑结构控制思想。

二、S-MAC协议是在802.11MAC协议的基础上,针对传感器网络的节能需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC协议假设通常情况下传感器网络数据传输量少,节点协作完成共同的任务,网络内部能够进行数据处理和融合以减少数据通信量,网络可以容忍一定程度的延迟。研究表明传感器能量主要消耗在节点间的通行上,而空闲侦听大约占节点通信能量的1/3.为达到节省能量的目的S-MAC协议主要采用周期性的侦听/睡眠的低占空比机制,控制节点尽可能处于睡眠状态来降低节点能量的消耗。但S-MAC协议存在以下问题:S-MAC协议中同一个虚拟簇中的所有节点要同时从睡眠状态转换到活动状态,开始对信道的竞争,而大量节点没有数据传输任务,这些节点对信道的竞争和空闲侦听浪费了大量的能量。

三、T-MAC协议是在S-MAC协议的基础上提出的,S-MAC协议的周期长度受限于延迟要求和缓存大小,而侦听时间主要依赖于消息速率。因此,为保证消息的可靠传输,节点的周期活动时间必须适应最高的通信负载,从而造成网络负载较小时,节点空闲侦听时间的相对增加,针对这一不足,文献提出了T-MAC协议,该协议在保持周期侦听长度不变的情况下,根据通信流量动态调整节点活动时间,用突发方式发送消息,减少空闲侦听时间。但是由于大量无需数据传输的节点对信道的竞争和空闲侦听仍造成大量能量的浪费,另外T-MAC协议的执行,会出现早睡眠问题,引起网络的吞吐量降低。

四、S-MAC、T-MAC虚拟簇中的所有节点都周期性地从睡眠状态转入工作状态,路由器参与信道的竞争和数据传输,而大部分节点没有数据传输任务,造成他们在大部分活动时间处于空闲侦听状态,而浪费了大量能量。针对S-MAC、T-MAC无法避免的问题,提出了新MAC协议GS-MAC,GS-MAC协议引入了GAF拓扑控制算法后,适当减少活动节点数量,加快算法的收敛速度,减少大量节点对信道的空闲侦听和数据碰撞,从而达到节能的目的。

五、GAF算法是以节点地理位置为依据的分簇算法,该算法把监测区域分成虚拟单元格,将节点按照位置信息划入相应的单元格;每个单元格中定期选举产生一个簇头节点,只有簇头节点保持活动,其他节点进入睡眠状态,GAF算法的执行包括两个阶段:第一阶段是虚拟单元格的划分;第二阶段是簇头的选举产生。

六、在GS-MAC协议中只有簇头节点进入活动,在新协议中,由于引入拓扑结构机制,可以减少一部分节点的空闲侦听时间,只保留簇头节点处于活动状态,在簇头选举中考虑到节点剩余能量,在局部范围内做到平衡节点剩余能量,延长了网络生存周期,簇头节点维护和S-MAC协议类似的工作/睡眠机制,每个簇头节点周期性的与直接邻近簇头节点通过接收和广播SYNC数据帧来交换调度信息;采用CSMA/CA机制和随机退避时间;经历RTS/CTS/DATA/ACK通信过程完成数据传输,在数据传输完成之前不遵循其休眠时间安排;采用流量自适应侦听机制,减少消息的传输时延。

为比较两种协议在网络延迟性能方面的表现,采用多跳网络拓扑来测试端到端的数据时延,源节点产生20条消息,每条100 Byte,所有消息不分片,在轻流量载荷条件下重复10次实验,造成两种协议中第一个转发跳时延有较大差异,随着消息的向前传递,后面排队时延较少,但由于GS-MAC中发现状态的存在,使GS-MAC协议时延略大于S-MAC协议时延。

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