媒體訪問控制（MAC）協(xié)議對無線傳感網的性能具有重要影響。根據無線傳感網在網絡性能方面的要求，針對現有無線傳感網協(xié)議在節(jié)點能耗和時延方面的不足，提出了一種IM-TDMA方案，根據節(jié)點流量的變化，動態(tài)地調節(jié)幀長，提高信道利用率；同時采用計數器管理及續(xù)傳優(yōu)先的調度方式，簡化了調度復雜度，降低了節(jié)點能耗。仿真結果表明：IM-TDMA方案能有效地節(jié)約能耗。降低時延，可運用于實際無線傳感網的MAC協(xié)議方案中。

　　0引言

　　無線傳感網絡（Wireless Sensor Network）是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通信網絡，這些裝置使用傳感器監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度。聲音。振動。壓力。運動或污染物），并相互協(xié)作，共享信息。無線傳感網絡最初起源于戰(zhàn)場監(jiān)測等軍事應用，現已被應用于很多民用領域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測。健康監(jiān)護。家居自動化以及交通控制等。其應用價值，已引起世界多國軍事部門。工業(yè)界和學術界的廣泛關注。

　　無線傳感網有TDMA和CSMA兩種基本的MAC協(xié)議方案。其中基于TDMA的MAC協(xié)議實現信道分配的機制簡單成熟，它沒有CSMA競爭機制的碰撞和重傳問題，而是為傳感器網絡中每個節(jié)點分配獨立的時隙用于數據發(fā)送或接收，數據傳輸時不需要過多的控制信息，且節(jié)點在空閑時能夠及時進入睡眠狀態(tài)。因而在節(jié)點無移動且網絡部署情況已知的場景，采用TDMA方式進行通信，可避免信道沖突以及沖突引起的丟包和能量損耗；保證數據傳輸的實時性和可靠性；令節(jié)點在不工作期間進入睡眠狀態(tài)，以保存能量。這些特點很適合無線傳感網中的節(jié)能要求。近年來，有很多基于TDMA的改進方案，像LEACH.BCMAC等。這些新的方案雖然在資源節(jié)約。性能提高上有了一些改進，卻存在調度方式復雜。時延過大。信道利用率低。資源浪費等不合理性。因此尋求新的方案以改進存在的問題，仍然是業(yè)界面臨的迫切任務。

　　1問題描述

　　現有無線傳感網中，基于TDMA的MAC協(xié)議大多是與簇的組網方式相結合。將網絡劃分為若干個簇，每個簇選舉一個簇頭節(jié)點做為集中控制點，對簇內成員進行TDMA調度，各簇內成員在其分配的時隙內發(fā)送數據。

　　典型的有LEACH協(xié)議，該協(xié)議以輪為單位周期性執(zhí)行簇的重構過程。如圖1所示，每輪分為簇的形成階段和簇的穩(wěn)定階段。簇的形成階段，主要完成簇頭節(jié)點的選擇。廣播。建立和調度機制的生成。簇的穩(wěn)定階段，分為調度階段和數據傳輸階段。調度階段，簇頭根據收集來的簇內節(jié)點的信息，將數據傳輸階段分配為n個長度相等的幀，每個幀內的時隙又固定分配給簇內的成員，每輪只調度分配一次。數據傳輸階段，根據調度結果，每個簇內成員在每幀中的固定時隙內進行數據傳輸。每輪數據傳輸階段之后進行下一輪的簇重構過程。這種基于簇的TDMA協(xié)議，采用周期性的選舉簇頭的方法，使得各簇頭節(jié)點的能量得到均衡，延長了網絡的工作壽命；但是在每一輪中只進行一次調度，且n個幀的長度相等，各節(jié)點在幀內的時隙固定。如圖1所示，假設在一個幀內只有第1.5.m三個節(jié)點有數據需要傳輸（圖中的陰影時隙，即表示有數據傳輸），則無數據傳送節(jié)點所占用的固定時隙就會被浪費，從而造成了信道利用率低下，時延加大。同時由于簇頭起到的是轉發(fā)信息的功能，因而在整個幀內，簇頭都需要保持監(jiān)聽狀態(tài)，浪費了簇頭的能量。

　　圖1 LEACH調度協(xié)議

　　類似的還有BCMAC協(xié)議，如圖2所示，該協(xié)議與LEACH協(xié)議在簇的形成階段相似。在穩(wěn)定階段對TDMA協(xié)議進行了一些改進，即在每幀開始時，由那些有數據傳輸的節(jié)點向簇頭發(fā)送申請，簇頭節(jié)點根據申請情況來分配時隙，并向簇內節(jié)點廣播調度方法，每個需要發(fā)送數據的節(jié)點獲得一個確定的發(fā)送時間，沒有數據需要發(fā)送的節(jié)點則處于睡眠狀態(tài)，并在下一幀開始時蘇醒。假設只有三個節(jié)點有數據傳輸，則簇頭節(jié)點將節(jié)點信息收集起來進行時隙分配。由于簇頭無需在整個幀長內保持偵聽且無數據傳輸的節(jié)點可以處于睡眠狀態(tài)，因而節(jié)約了大量的能量。同時由于采用了固定幀長，仍然會有時隙被浪費，因而沒有提高信道利用率，時延依然很大。該方案中，簇頭需要廣播各個節(jié)點的ID號及調度方案，增加了調度開銷，增加了能量消耗。本文提出的IM-TDMA方案是在現有TDMA協(xié)議的基礎上，通過變長幀長來適應網絡流量變化，提高信道利用率，降低時延；并通過計數器管理方式來進行TDMA調度，降低調度復雜性，減少調度開銷，降低能耗；同時選取合適的時隙大小，進一步優(yōu)化網絡性能。

　　圖2 BCMAC調度協(xié)議

　　2 IM-TDMA方案描述

　　2.1基本算法

　　IM-TDMA方案與LEACH協(xié)議和BCMAC協(xié)議在簇形成階段類似，如圖3所示，仍是按輪運行的，每一輪由簇形成階段和簇穩(wěn)定階段組成。簇形成階段，完成成簇。簇頭選舉及時鐘同步的任務；簇穩(wěn)定階段，根據節(jié)點的流量，分為n個長度不等的幀，即每幀有幾個節(jié)點需要傳輸數據就分配幾個時隙。如圖3所示，假設一幀中有3個節(jié)點有數據傳輸，則該幀就只由3個時隙組成。該方案將每幀分為時隙申請。調度和數據傳輸三步。

　　圖3 IM—TDMA調度方案

　　2.1.1時隙申請

　　這一階段主要按照節(jié)點ID順序，給每個節(jié)點分配一個信令小時隙，每個信令小時隙占用1 b用于向簇頭申請時隙。有數據需要傳輸的節(jié)點在自己的信令小時隙內發(fā)送申請時隙的信息，觸發(fā)簇頭計數器，隨著申請節(jié)點數的增加，計數器值依次增加，每個節(jié)點觸發(fā)計數器得到的計數值即為該節(jié)點在本幀的時隙位置值。由于各節(jié)點在各自不同的信令小時隙內向簇頭發(fā)送申請時隙的信息，因此不會發(fā)生碰撞。在此過程中，對上一幀中未傳完的數據節(jié)點優(yōu)先分配信令時隙，即在每幀開始時先給在上一幀中未傳完數據的節(jié)點申請時隙，以讓續(xù)傳信息優(yōu)先完成數據傳輸，然后再給在本幀中有數據傳送的節(jié)點申請時隙，且每幀中每個節(jié)點只能進行一次時隙申請。具體的時隙分配過程如圖4所示，每一幀信令時隙S0由兩部分組成，第一部分S0為續(xù)傳申請時隙，其由h個信令小時隙組成，h為前一幀數據傳輸所占用的總時隙數，且在每輪數據的第一幀，h值為0.第二部分S02由m個信令小時隙組成，m為該簇內的所有節(jié)點數。由于每幀每個節(jié)點只能發(fā)送一次申請時隙的信令信息，因而在S01中申請時隙的節(jié)點不會在S02中重復申請時隙。如果某個節(jié)點在上一幀中有未傳輸完的數據，需要在本幀中傳輸，假定其在上一幀中的第i個時隙傳送，則在本幀中S01時隙的第S01i個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)簇頭計數器加1，計數器的值即為該節(jié)點在本幀中傳送的時隙位；如果某個節(jié)點在本幀中有需要傳輸的數據，假定其信令小時隙是第j個，則在S02時隙中的第S02j個信令小時隙中發(fā)送申請時隙信令，觸發(fā)簇頭計數器加1，計數器的值即為該信息在本幀中傳送的時隙位。計數器在每輪開始時，初始化為0，并在每幀時隙申請完成之后立刻置0.

　　2.1.2調度分配

　　這一階段簇頭根據時隙申請及觸發(fā)計數器生成的計數結果，廣播一個調度結果。該調度分配結果將數據時隙分為兩部分。第一部分是在S01申請續(xù)傳的時隙，假設有p個；第二部分是在S02申請新傳的時隙，假設有q個。

　　這兩部分所占用的時隙數之和，即為下一幀用于申請續(xù)傳信息的信令小時隙的h（h = p + q）值。

　　圖4 幀結構圖

　　下面以一個實例來說明：

　　假設有m個節(jié)點，如圖5所示，用Ip表示第p個節(jié)點所傳的數據信息內容，用Sq表示第q個時隙，用S01i表示S01信令時隙中第i個信令小時隙，用S02j表示S02信令時隙中第j個信令小時隙。計數器的值在系統(tǒng)形成時已初始化為0.假設在第一幀中節(jié)點3.5.8有數據傳輸，因為是第一幀，所以不存在續(xù)傳信息，即沒有S01信令時隙，只有S02信令時隙。節(jié)點3在S02時隙中的第S023個信令小時隙中向簇頭發(fā)送申請時隙的信息，觸發(fā)記數器，因為該幀開始時，計數器初始化為0，因而觸發(fā)后其值為1，故節(jié)點3的數據在第1時隙中傳輸，可表示為I3在S1中傳；同理節(jié)點5在S02時隙中第S025個信令小時隙中向簇頭發(fā)送申請時隙的信息，觸發(fā)記數器，記數器值增為2，表明節(jié)點5的數據在第2時隙中傳輸，表示為I5在S2中傳；同樣的道理可得節(jié)點8的數據在第3個時隙中傳輸，即I8在S3中傳。第一幀時隙申請完之后，將計數器置為0.這樣在第一幀中，節(jié)點3.5.8的數據依次在S1.S2.S3三個時隙中傳輸。第一幀的時隙總數為3（即下一幀的h值）。在第二幀中，假設節(jié)點3.8的數據在第一幀中未傳送完，需要在第二幀中續(xù)傳，同時節(jié)點1.4.9在本幀中有數據需要傳輸。由于前一幀的時隙總數為3，因而本幀的h值為3，即S01時隙中有3個信令小時隙，因為節(jié)點3在前一幀中所占的是第一時隙，因而節(jié)點3在S01時隙中的第S011個信令小時隙中發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)計數器，故節(jié)點3的續(xù)傳信息在本幀中的第1時隙傳送，可表示為I3在S1中傳；同理節(jié)點8在前一幀的第3時隙傳送數據，因而節(jié)點8在該幀中的S01時隙的第S013個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)計數器，計數器值加1，故節(jié)點8在該幀中的續(xù)傳信息在第2時隙傳送，可表示為I8在S2中傳。接著分配本幀中需要傳送信息的節(jié)點的時隙位置，節(jié)點1在本幀中有數據需要傳輸，因而節(jié)點1在S02時隙的第S021個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，繼續(xù)觸發(fā)計數器，計數器值加1，故節(jié)點1在該幀中的第3時隙傳送，可表示為I1在S3中傳；同理節(jié)點4在本幀中有數據需要傳輸，因而在S02時隙的第S024個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)計數器，計數器值加1，故節(jié)點4在該幀中的第4時隙傳送，可表示為I4在S4中傳；同理可得節(jié)點9在該幀中的第5時隙傳送，可表示為I9在S5中傳。由于每幀中每個節(jié)點只能申請一次時隙，因而續(xù)傳信息的節(jié)點不會在S02時隙中重復進行時隙申請。本幀節(jié)點申請完時隙后，計數器初始化為0.這樣在第二幀中節(jié)點3.8的數據分別在第1.2時隙中進行續(xù)傳，而節(jié)點1.4.9的數據分別在第3.4.5時隙中進行傳輸?？梢钥闯霰編偟膫鬏敃r隙數為5（為下一幀的h值）。

　　圖5 幀結構示例

　　2.1.3數據傳輸

　　這一階段各個節(jié)點按照簇頭發(fā)送的調度信息，在各自分配的數據時隙中傳輸數據。如果節(jié)點在下一幀中仍有數據傳輸，則繼續(xù)在下一幀信令時隙S01時隙中對應的信令小時隙進行時隙申請，完成調度，然后在分配的時隙中進行數據傳輸即可。

　　在這種調度分配中，難免會遇到需要傳輸的數據極少甚至無數據傳輸的情況，為了避免調度的頻繁進行或睡眠時間過長，需要設定一個最小幀長，這個需要依據實際應用中要求的而定。本方案中依據所占用的平均時隙數而定。

　　2.2時隙計算

　　在此調度方案中，使用的是幀長不定。時隙定長的方法，需要對時隙定義一個合適的長度，過大會使空閑時間過長，浪費資源，過小又會使調度次數增多。按照節(jié)點的負載與信道容量的關系，給出如下時隙計算公式：

　　式中：ts表示所選的時隙大小；bavg表示各節(jié)點產生的業(yè)務通信負載的平均量；bk表示各個節(jié)點可能產生的業(yè)務負載量的值；m表示簇中的節(jié)點數；C表示信道容量。

　　3仿真實驗及結果分析

　　3.1仿真參數設置

　　為了驗證本方法的有效性和通用性，在不同負載情況下，對IM-TDMA，BCMAC和傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議的平均時延和平均能量消耗進行了仿真對比實驗。仿真環(huán)境如下：

　　無線網絡的覆蓋范圍為100 m×100 m，節(jié)點數為50，數據包大小為512 B，模擬時間為1 000 s，簇半徑為30 m，數據包由CBR流量產生器產生。

　　3.2仿真結果分析

　　三種協(xié)議在平均時延方面的對比如圖6所示?？梢钥闯?，IM-TDMA協(xié)議比TDMA協(xié)議和BCMAC協(xié)議的時延都小，這是因為IM-TDMA協(xié)議根據節(jié)點流量來動態(tài)調節(jié)幀長，提高了信道利用率，因而數據的傳輸時延較小。

　　圖6 平均時延對比

　　三種協(xié)議在平均能量消耗方面的比較如圖7所示。由圖7可以看出，當網絡數據流量較大時，TDMA協(xié)議的能耗較小；而當網絡數據流量較小時，IM-TDMA協(xié)議的能耗較小。這是因為當數據量較大時，簇頭調度開銷所消耗的能量占主導地位，因而TDMA的能耗較BC-MAC和IM-TDMA協(xié)議較小。當網絡數據較小時，由于TDMA在沒有數據傳輸時也要保持偵聽狀態(tài)，因此能耗較大。而BCMAC協(xié)議雖然不用在整個過程中保持偵聽，但幀長度固定，因而能耗較IM-TDMA協(xié)議大。

　　從仿真結果可以看出，IM-TDMA協(xié)議較TDMA協(xié)議和BCMAC協(xié)議在能耗和時延方面更優(yōu)。

　　圖7 平均能量消耗對比

　　4結語

　　本方案是對無線傳感網的MAC協(xié)議方案進行的設計。傳統(tǒng)的TDMA分配方案在時隙分配上采用固定幀長的方式，信道利用率低；在調度方法上偵聽時間過長。過程復雜，造成能量的浪費。文中的IM-TDMA調度方案能夠克服上述不足，在時隙分配上，采用依據即時信息，動態(tài)改變幀長的方式，提高了信道利用率；在調度方法上，采用計數器管理方式，簡化了調度復雜性，節(jié)約了能量的消耗。仿真結果表明，本方案效果極好。