无线传感器网络中一种自适应占空比的S-MAC功率控制算法研究*

何少尉

（浙江邮电职业技术学院，浙江 绍兴 312366）

0 引言

随着无线通信、传感器等技术的快速发展，无线传感器网络将逐渐进入人类生活并对人类的工作、学习和生活产生巨大的影响[1]。无线传感器网络中，各节点具有良好的感知能力、通信能力和计算能力，可以按照预先设计好的算法协议自组织，对网络分布区域内的感知对象进行实时检测和采集，对采集到的信息进行处理和传送，有效拓展了现有通信网的功能和服务范围[2]。无线传感器网络的运行需要消耗能源，网络内通信协议对各节点均进行了一定程度的节能处理，但随着传感器节点布点数的增加，如何采用功率控制算法进一步降低无线传感器网络的总功耗是非常必要的。无线传感器网络中的节点通常密集部署，如果每个节点都通过大功率进行通信，不仅会增加每个节点的传输能耗，还会加剧节点之间的干扰，使传输误码率上升，降低通信效率，导致网络的能量在很大程度上被浪费；另外，如果节点选择的发射功率过小，就会对网络的连通性造成影响。因此，各节点根据其通信需求通过动态调整其发射功率，在保证网络拓扑结构连通的基础上，尽可能降低各节点的能耗，为构建绿色无线传感器网络而服务[3]。

S-MAC协议由SC 9636-006协议发展而来，主要负责降低无线传感器网络的能耗。该协议采用固定的占空比和周期性的睡眠来减少能耗。研究表明，该协议能有效降低无线传感器网络的能耗，但由于该协议中对任何数据流均采用相同的睡眠周期，致使节能效果不佳，且增加了网络的传输延迟，降低了系统的吞吐量[4]。本文针对这一不足，提出一种改进的自适应调整占空比的功率控制算法，为降低网络能耗、延长网络生存时间提供新的方法。

1 无线传感器网络中S-MAC协议的功率控制方法

1.1 S-MAC协议的功率控制机制

不同于其他的传统型无线通信网络，无线传感器网络采用自组织的方式来部署网络节点。因此，无线传感器网络内各节点必须要有较强的自适应性、自组织性和鲁棒性。另外，无线传感器网络是一种典型的资源受限网络，其网络节点的计算能力、能量和存储量都较为有限[5]。功率控制在无线传感器中主要应用于链路层和网络层，通过优化站点和节点的发送功率，使每个数据包都能有效传送至网络节点，保障网络的拓扑和路由有效运行，使无线传感器网络的整体性能处于最优状态。

在无线传感网络中，无线信道的访问通常由介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议来决定。MAC协议对无线传感器网络的高效稳定运行有着非常重要的作用。MAC协议分为两大类：基于竞争的MAC协议和基于调度的MAC协议。其中，S-MAC协议属于基于竞争的MAC协议，是由IEEE 802.11 MAC发展而来的一种MAC协议，采用定期监听和睡眠循环来降低功耗。该协议使用低占空比的周期性睡眠/侦听[6]。

在S-MAC协议中采用了周期性侦听/睡眠机制，其基本思想是减少节点的侦听时间，尽量让节点处于功耗较低的睡眠状态，S-MAC协议的节能机制原理为[7]：

当节点a开始工作时，首先进行侦听。在侦听的时间段内，如果节点b收到其邻居节点的SYNC帧，节点b会按照SYNC帧内的时间调度表开始周期性的睡眠、唤醒，并在监听时段接收和发送数据。还会向其邻居节点的下一个侦听阶段广播SYNC帧。节点a被进一步划分为SYNC、RTS、CTS 3个阶段，如图1所示。

图1 S-MAC原理

1.2 S-MAC协议的不足

与IEEE 802.11 MAC相比，S-MAC协议在节能方面进行了很大的改善，其所采用的周期性侦听/睡眠机制有效地降低了网络的整体能耗。但该方式所采用的固定睡眠机制以固定占空比实现侦听和睡眠，没能充分考虑网络传输流量的变化。若网络内传输流量较大，固定的占空比降低了信息传输效率，增加了传输延迟。若网络内传输流量较低或没有通信需求时，保持固定的侦听，会导致网络的功耗增加，缩短网络的生存时间[8]。

2 改进的S-MAC协议自适应占空比功率控制算法

S-MAC协议中使用固定的侦听/睡眠策略，以固定的占空比在每帧内分别分配侦听阶段和睡眠阶段。当有通信任务时，节点处于侦听阶段；当完成通信任务时，节点会切换到睡眠状态，并将采集到的数据缓存并等待下一个工作状态时再次通信，避免了在全帧中保持工作状态，可有效降低功耗。S-MAC协议采用协议采用固定的占空比和周期性的睡眠导致网络传输效率下降，节能效果有待提高。

因此，针对S-MAC协议的这一不足，提出一种改进的S-MAC协议自适应占空比功率控制算法（Self-Adaption S-MAC，SA S-MAC），利用先前5帧内的网络吞吐量，对当前节点的吞吐量进行预判并自适应地调整其占空比。当先前5帧内的吞吐量较大时，可以判断出当前节点的吞吐量也较大，此时调高其占空比；当先前5帧内的吞吐量较小时，可以判断出当前节点的吞吐量也较小，此时调低其占空比。采用自适应机制是根据传输的吞吐量来动态调整占空比，令当前帧为第i帧，其时间间隔为spi，在spi内的吞吐量为Mi，SA S-MAC算法如下：

步骤1：令节点第i帧的占空比的初始值和吞吐量分别为ηi和Mi；

步骤2：第i帧先前N（N=5）帧的吞吐量分别为Mi-k（1 ≤k≤5），计算第i帧先前5帧的吞吐量的平均值Qi。

步骤3：节点在第i+1帧的占空比ηi+1为：

步骤4：式（1）的占空比η用于取代S-MAC协议中的固定占空比，继续进行信息传输直至数据传输结束。

3 改进的S-MAC协议自适应占空比功率控制算法仿真研究

3.1 仿真模型

为了研究SA S-MAC算法的性能，采取NS2-3.31软件建立仿真平台，仿真平台为某7节点线性拓扑的无线传感器网络，其拓扑结构如图2所示，网络中的每个节点被假定为300 J的初始能量值。节点有效数据接收范围为250 m，载波侦听范围为550 m。由源节点周期性地向目标节点发送looobyte的cBR流，传输层采用UDP协议。具体参数配置见表1所示。

图2 仿真拓扑结构

表1 具体参数配置

3.2 不同数据发送间隔下的最佳占空比

参照式（1），对不同数据发送间隔下的最佳占空比进行研究，见图3。这表明S-MAC协议中对不同数据发送间隔下的数据流均采用固定占空比不是最优的选择。

3.3 两种算法的网络功耗对比

两种算法的网络功耗对比如图4所示。在数据发送间隔短、网络流量大的条件下，SA S-MAC协议的网络功耗低于S-MAC协议。数据发送间隔短会加大网络的流量，此时S-MAC协议中固定占空比机制会引起数据传送冲突，导致网络拥塞和延迟。而SA S-MAC协议采用自适应占空比，能根据无线传感器网络中流量大小调节数据发送间隔。当数据流量大时，缩短发送间隔，提高占空比，从而降低网络能耗，提高网络的能效。研究同时发现，当数据发送间隔达到8 s及更高时，S-MAC协议和SA S-MAC协议的能耗是一样的，这是由于发送间隔足够大，网络中的数据量偏小，自适应占空比算法未能发挥效用。

图3 不同数据发送间隔下的最佳占空比情况

图4 两种算法的能耗对比

3.4 两种算法的网络吞吐量对比

两种算法的吞吐量对比如图5所示。在数据发送间隔短、网络流量大的条件下，SA S-MAC协议的网络吞吐量高于S-MAC协议。在网络流量大时，SA S-MAC协议能自适应调节占空比，缩短数据发送间隔来提高网络的吞吐量。当数据量下降，数据发送间隔达到8 s及更高时，S-MAC协议和SA S-MAC协议的网络吞吐量是一样的，这是由于发送间隔足够大，网络中的数据量偏小，自适应占空比算法未能发挥效用。

图5 两种算法下网络吞吐量的对比

3.5 两种算法的端到端的平均延时对比

两种算法的端到端的平均延时对比如图6所示。在数据发送间隔短、网络流量大的条件下，SA S-MAC协议的端到端的平均延时低于S-MAC协议。在网络流量大时，SA S-MAC协议能自适应调节占空比，缩短数据发送间隔来降低端到端的平均延时。当数据量下降，数据发送间隔达到8 s及更高时，S-MAC协议和SA S-MAC协议的端到端的平均延时是一样的，这是由于发送间隔足够大，网络中的数据量偏小，自适应占空比算法未能发挥效用。

图6 两种算法下端到端的平均延时对比

4 结语

通过分析无线传感器网络MAC功率控制协议中的不足，提出一种基于S-MAC协议的自适应占空比改进功率控制算法（SA S-MAC协议），以达到降低网络整体功耗的目标。仿真结果表明，根据网络流量来自适应地调整占空比，可以达到降低能耗、缩短延时、提高网络吞吐量的目标，对保障无线传感器网络的正常运行有着非常重要的作用。今后，将进一步分析在网络拓扑结构较为复杂的场景下，探索该自适应功率控制算法的应用。