无线传感网中具有唤醒机制T—MAC协议

摘要：无线传感器网络为了节约能量在设计MAC协议时常采用周期睡眠机制，但在传感器结点处于睡眠状态时无法对发生的事件进行及时的处理。本文是在T-MAC协议的基础上做了改进，在睡眠时引入了唤醒机制，使用和T-MAC一样的方式竞争信道，出现早睡的时候，可直接利用唤醒机制，这样可及时的传输信息，而能量消耗和T-MAC相比最多增加一个睡眠周期的能量，通信方式也较为简单。

关键词：T-MAC 唤醒 竞争信道 能量消耗

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0033-01

1 引言

随着通信技术、传感技术、计算技术与网络技术的发展，出现了无线传感器网络。无线传感器网络已经应用在军事、农业、工业、医疗、智能家居、环境监控等方方面面，它将成为二十一世纪影响人类的十大技术之一，因此无线传感器网络成为热门的研究课题。目前无线传感器网络协议栈分为物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。人们对各层进行了大量的研究，其中对数据链路层的研究主要集中在对介质控制协议（MAC）的研究上，介质控制协议（MAC）分类方法多种多样，按分配信道的方式划分有竞争型、无竞争型、混合型和跨层MAC协议，无竞争型有TRAMA、Y-MAC、DESYNC、LEACH、LMAC等，竞争型有PAMAS、T-MAC、S-MAC、Pattern MAC、RMAC等，混合型有Zebra MAC、MH-MAC等，跨层MAC有MINA等。竞争型协议T-MAC、S-MAC非常有代表性，但这两个具有周期性睡眠的MAC协议在睡眠的时候不能及时的把发生的事件传送出去，这对一些需要立即发送的信息，比如火灾、水灾、地震、敌人的入侵等事件的汇报、处理会造成延误，后果非常严重的；虽然用周期性睡眠机制能节省能量消耗，但有可能会丢失或错过需要及时处理的信息；目前已有的芯片已经可在睡眠的时候被唤醒，为克服不能及时的报告信息提供了实现的可能，为此提出了具有唤醒机制T-MAC协议。

2 具有唤醒机制T-MAC协议

无线传感器网络目前大规模使用的制约因素一个是成本太高，一个是对电池供电的系统来说能量消耗太大。为了节约能量消耗，人们设计了周期性的侦听睡眠机制，使的能量消耗大大的降低了，但也出现了问题，不能处理在睡眠时发生的紧急情况。且要求可忍受一定的延时，而这与无线传感器网络的实时性是背道而驰的。为此，我们在周期性的活动睡眠机制基础上引入了唤醒机制，以满足无线传感器网络实时的要求。

T-MAC协议是在S-MAC协议基础上发展起来的具有活动和睡眠功能的MAC协议，它在活动期间在没有数据需要发送的情况下可自适应的提前进入睡眠状态，进一步节省了能量。下面我们在T-MAC协议的基础上引入唤醒机制，以适应无线传感器网络实时性的要求。

协议是在下列假设下工作的：

（1）目标以节省能量为目的且能适应实时性要求。

（2）无基站，是分布式的。

（3）有严格的周期性活动睡眠机制。

（4）结点基本上只能和邻居结点通信。

（5）在活动周期没有激活事件转入睡眠（采用T-MAC自适应占空比的手段）。

下面我们引入一个新的时间间隔的概念：

唤醒时间间隔：指从一个结点接收到唤醒信号到下一个结点收到此结点发出唤醒信号的这一段时间间隔。

具有唤醒机制T-MAC协议的思想：如果有事件发生，结点处在活动状态不需要唤醒。如果结点处于睡眠状态，事件会唤醒结点，进入活动状态。此结点首先把此时的时间到下一个活动周期开始的这一时间段划分为一个个时间间隔为T（T=唤醒时间间隔+a，a是一个很小的常数）的小时隙，使得每个要被唤醒的结点从接收到唤醒信息到发送出唤醒下一个结点的信息的时间段都在一个T内，最后一个时间间隔T中可能含有活动周期中的时间，在此时间段不在进行唤醒工作。结點被唤醒后，一直工作到和周期工作中的活动周期相连。接下来从第一个被唤醒的结点开始以洪泛的方式向外传递唤醒信息。唤醒信息里包含刚才分割成一个个T的划分信息和目前处在第几个T时隙的信息。如果结点已经被唤醒或周期性的醒来，则抛弃收到的唤醒信息。每一个结点要发送不是唤醒信息的其他信息时，需要经过从唤醒开始的两个T的时间间隔后才可开始，使用和T-MAC一样的载波帧听方式竞争信道，使用RTS/CTS/DATA/ACK交互原理来进行通信。

时间间隔T主要用来唤醒睡眠中的节点，利用洪泛的方式传递信号，可使的睡眠中的结点快速的处于活动状态。需要经过从唤醒开始的两个T的时间间隔后才可开始，是因为不经过两个T的延迟，会有冲突。时间间隔T中的常量a是为了使的唤醒结点在进行唤醒时具有更充足的时间。

在T-MAC协议中，存在结点的早睡问题。所谓早睡是指一个结点准备向邻居结发送信息而邻居结点处于睡眠状态，延误信息传输情形。T-MAC中为解决此问题，提出了满缓冲区优先、未来请求发送等方法。但对于有唤醒机制T-MAC协议，出现早睡的时候，直接利用前面的唤醒机制即可，简化了数据传送的复杂性。

具有唤醒机制T-MAC协议使得T-MAC具有了在睡眠时刻能及时的唤醒功能，克服T-MAC协议在睡眠状态时实时性的不足，而与T-MAC相比能量的消耗每次唤醒时最多增加一个睡眠周期的能量。

3 结语

本文是对T-MAC协议的改进，因T-MAC在睡眠时无法对发生的事件进行及时汇报，我们在睡眠时引入了唤醒机制，并引入了一个划分时间间隔的机制，使得睡眠中醒过来的结点能及时的把无线传感器网络中的结点唤醒，唤醒后的结点仍使用和T-MAC一样的方式竞争信道，使用了和T-MAC一样的自适应占空比的手段，出现早睡的时候，就直接利用唤醒机制。具有唤醒机制T-MAC协议能及时的把信息传递出去，而能量消耗在每次唤醒时只比T-MAC能量消耗最多增加一个睡眠周期的能量，通信设计也较为简单。

参考文献：

[1]Van Dam T，Langendoen K. An Adaptive Energy-Efficent MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C].In Proceeding of the First International Confererence on Embedded Networked Sensor Systems，Los Angeles，CA，2003：171-180.

[2]刘伟荣，等.物联网与无线传感器网络技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

收稿日期：2016-09-01

作者简介：张涌逸（1968—），男，山西河曲人，硕士，副教授，主要研究方向为网络容错、网络路由和协议等。