自组织网络MAC层节能协议的研究与分析
Ad Hoc网络联合物理层MAC协议设计研究
【 中图分类号 １ Ｔ ９ Ｎ２
【 文献标识码】 Ａ
【 文章编号１ １ １ ５１０６ ０—０３０ ６ — ８（ ０ 一１ ２—６ ７９ ２ ） ０
Ｍ ｅ ｉ ｃ ｅｓｃ ｎ ｒ ｌ（ ｄａ ａ ｃ ｓ ｏ ｔｏ ＭＡＣ）ｆｒ Ｗ ｉｅｅｓＡｄ ｏ Ａ ｏ ｄ Ｈ ｅ网络引起 了人们的高度 关注 。 ｄＨ ｅ网络 是 由一组 带有 无线 收发装 置 的移 Ａ ｏ 动终端组成 的一个多跳的临时性 自治系统 。这种网 络不需要中心控制以及基础设施支持便能够快速地
布置使 用 。Ａ ｏ ｄＨ ｅ网络 最初 设计应 用 于军事 、 灾难
中。
Ｈ ｅ网络的 Ｍ Ｃ协议事实标准。 ｏ Ａ 然而 由于无线 Ａ ｄ
求 ，现 有 的 ８２１ 协 议 并 不 能 很 好 的适 用 于 无 线 ０ ．１
与传统的无线局域网或蜂窝网络不同， 无线 Ａ Ｈ ｅ网络的特殊性 以及人们 日益增长 的对带宽的要 ｄ ｏ Ｈｅ ｏ 网络是无中心控制的 自组织 、分布式的多跳网
Ｈｏ ｅ ｗｏ ｋ：ｉｓ ｅ ｎ ｐ ｒ ａ ｈ ｓ ｃ ｍ ｂ ｎ ｄ ｃｎｔ ｒ ｓｕ ｓ ａ ｄ ａ ｐ ｏ ｃ ｅ ｏ ｉｅ ｗｉｈ ｐ ｙ ｉ ａ ａ ｅ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｔ ｈ ｓｃ ｌ ｌ ｙ ｒ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ
一 一 一 一 一
议 ， Ｃ协 议对 无线 Ａ ｃ网络 的路 由 以及传 输 ＭＡ ｄ Ｈｏ
现场等紧急通信等场合，但由于其简单快速布置的
协议有 极大 的影 响ｌ 。
基 于无线 局 域 网的 ＩＥ ０ ．１ 议 以其 简 易 Ｅ Ｅ ８ ２１ 协 特性， 目 前被广泛地研究并应用于无线传感器网络 （ Ｎ 、 ＷＳ ） 个人局域 网 （ Ａ ） Ｐ Ｎ 以及常规的无线网络 性 、 壮性 得 到 了广 泛应 用 ， 进 一步 成 为 无 线 Ａ 健 并 ｄ
基于环境监测的无线传感器网络MAC协议研究
第5章-MAC层
的MAC协议。协议假设所有节点之间都是时间同步的，节点发送
的消息由多个固定长度的分组组成，每个消息都有生存时间的限 制，消息产生后必须在给定时间内发送出去，否则该消息即使发
送出去也没有意义。时间被划分为连续的长度相同的时槽，时槽
长度是发送一个固定分组需要的时间。
5.4.4 TRAMA协议
流量自适应介质访问(traffic adaptive medium access，TRAMA)协议 将时间划分为连续时槽，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举 机制确定每个时槽的无冲突发送者。同时，通过避免把时槽分配给无流量的 节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。TRAMA协 议包括邻居协议NP (neighbor protocol)、调度交换协议SEP (schedule exchange protocol)和自适应时槽选择算法AEA (adaptive electional gorithm)。
源站点 数据 SIFS 目的站点 DIFS 竞争 其他站点 等待时间 数据 t ACK
图5-5
DCF基本访问模式
2．RTS/CTS访问机制
如图5-6所示。DCF可利用RTS和CTS两个控制帧来进行信道预约。
RTS/CTS访问机制工作原理如图5-7所示。
DIFS 源站点 SIFS SIFS 目的站点 DIFS NAV等待时间（CTS响应帧） 其他站点 NAV等待时间（CTS响应帧） 竞争期 数据包 选退 避 CTS SIFS ACK RTS 数据包
活动 睡眠 S-MAC （a)S-MAC协议的基本机制
活动
睡眠 TA TA
TA T-MAC
（b)T-MAC协议的基本机制 图 5-12 S-MAC和T-MAC的基本机制
传感器网络MAC协议能量有效性的研究与MATLAB的仿真
机制 ， 减少侦听时间 ， 当然这需要同步机制支持。 发送节点和接收节点用 Ｒ Ｓ和 Ｃ Ｓ机制 占有信 Ｔ Ｔ
道， 这样可以减少 冲突， 而其他无关节点可以先休
眠一段 时间 。
１１ Ｓ—ＭＡ Ｓｎｏ — Ｃ） ． Ｃ（ｅｓｒ ＭＡ 协议
虑节点传输、 以及传输时发生拥挤、 碰撞 ， 导致能
摘
要 ： 线传感器 网络 由于能量受限 ， 无 传感器节点的生存周期取决 于节点 的能量消耗 。本文分
析 了典型 的 Ｓ—ＭＡ Ｃ协议 和 Ｔ—Ｍ Ｃ协议 ， Ａ 研究了这些协议 的工作原理。针对 节能问题 ， 建立 了
能量消耗的数学模型。对无线传感器网络的 Ｍ Ｃ Ａ 协议 ， 进行了 Ｍ Ｔ Ａ Ａ Ｌ Ｂ软件仿真， 做出了关于
采集到的数据， 在工作阶段集中发送。
如图２ 在工作阶段的开始 ， ， 节点发送同步消 息， 之后通过 Ｒ Ｓ Ｃ Ｓ Ｄ Ｔ ／ Ｃ Ｔ ／ Ｔ ／ Ａ Ａ Ａ Ｋ机 制发送数 据， 避免冲突造成 的能量浪费。通过同步消息 ， 相 邻节点可以采用相同的工作／ 休眠策略 ， 新节点也 可以加人进来 ， 这种机制在协议 中称为虚拟簇 。
０ ６ ０ ０ ５ — ４ １０ ３ ５ ２０ ）２— ０ １ ０
传 感器网 Ａ 协 络Ｍ Ｃ 议能量 性的 有效 研究与ＭＴＡ 的 ＡＬＢ 仿真
樊庆 亮 武卫东 王光兴
５００ ２ 辽 （． １ 胜利油 田有限公司技术检测 中心 ． 山东 东营 ２７０ ； ．东北大学 网络与通信 中心 ． 宁 沈阳 １００ ） １０４
量也要考虑能量高效问题。具体包括如下几个方
面：
收稿 Ｅ期 ： ０ 一 １ １ １ ２ ５ ｌ— ６ ０ 作者简介 ： 樊庆亮 （９ ８ ） 男 ， １６ 一 ， 山东聊城人 ， 工程师
区分优先级的无线传感器网络MAC协议分析与实现研究
区分优先级的无线传感器网络MAC协议分析与实现研究谢显杰;何亚南;袁建明;刘发稳;黄智睿;方芳
【期刊名称】《昆明冶金高等专科学校学报》
【年(卷),期】2022(38)1
【摘要】无线传感器网络中节点的能耗直接影响了节点工作的持久程度,研究和优化MAC协议能够有效解决节点的能耗问题。
基于无线传感器网络操作系统TinyOS对MAC协议进行研究,在对现有无线传感器网络MAC协议分析的基础上,结合区分优先级的思想,提出一种区分优先级的无线传感器网络MAC协议,以实际的硬件节点CC2538来探究MAC协议的改进以及对其性能的验证。
结果表明该区分优先级的无线传感器网络MAC协议在负载较高时有着较好的QoS保障,能够有效降低节点的能量开销。
【总页数】4页(P79-82)
【作者】谢显杰;何亚南;袁建明;刘发稳;黄智睿;方芳
【作者单位】昆明冶金高等专科学校计算机信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN915.04;TN926
【相关文献】
1.基于区分服务的无线多媒体传感器网络MAC协议
2.煤矿井下无线多媒体传感器网络区分服务的QoS-MAC协议
3.无线传感器网络S-MAC协议分析
4.无线传感器网络MAC层协议分析和研究
5.无线传感器网络中MAC协议分析
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无限自组网技术综述与设计
无线自组网技术综述和设计摘要无线自组织网络即MANET（Mobile Ad Hoc Network)是一种不同于传统无线通信网络的新型网络，具有自组织、多跳路由和动态拓扑等特点，在军事上和商业应用中有着很大的前景。
无线自组织网络可以不必依托于基础设备，组网拥有了动态性。
从现状看，自组织网络可被用作商业及军事，注重了网络本体的移动属性。
在各个领域内，无线架构的自组织网络获取了明显进步。
然而，受到自身约束，这类网络仍存有若干疑难有待于化解，例如隐暴终端、路由是否拥有最优的适应特性、系统配备的单向链路。
关键词：无线自组织网络；关键技术；应用现状AbstractWireless ad hoc networks, which are different from traditional wireless communication networks, have many characteristics, such as self-organization, multi hop routing and dynamic topology, which have great prospects in military and commercial applications. Wireless ad hoc networks do not have to rely on the infrastructure, the network has a dynamic. From the current situation, the self-organizing network can be used as the commercial and military, and it has a focus on the mobile property of the network ontology. In all areas, the wireless architecture of the self-organizing network has made significant progress. However, subject to its own constraints, there are still some problems to be resolved in this kind of network, such as the hidden storm terminal, routing has the best adaptive characteristics, the system is equipped with a one-way link.Keyword: MANET; key technology; Application status前言随着社会的发展和科技的进步，人们对信息的需求日益高涨，而随时随地获取所需信息的渴望更使无线网络得到飞速的发展，在过去的十年里，无线自组网已经成为移动通信技术研究的热点之一，正得到越来越广泛的应用，并将在未来的通信技术中占据重要地位。
无线传感器网络MAC协议进展
ｔｈｅ
ｃｏｍｐｅｔｉ－
无线传感器网络（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，简称ＷＳＮ）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信 方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者， 使得人们能在任何时间、地点和任何环境条件下都能获取大量详实而可靠的信息。传感器网络由于其具有易扩展、自组织、分布式 结构、健壮性和实时性等特点，能够广泛地应用在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域 远程控制等诸多领域。 在无线传感器网络中，介质访问控制（ｍｅｄｉｕｍ ａｃｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＣ）协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限 的无线通信资源。用来构建无线传感器网络系统的底层基础结构。ＭＡＣ协议处于传感器网络协议的底层部分，对传感器网络的性能 有较大影响。是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。
ＩＳＳＮ
１００９－３０４４
Ｅ—ｍａｉｌ：ｉｎｆｏ＠ｃｃｃｃ．ｎｅｔ．ｅｎ
Ｃｏｍｐｐｔｅｒ
Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ电脯知识与技术
Ｖ０１．５，Ｎｏ．１３，Ｍａｙ ２００９，ＰＰ．３３９４—３３９７
Ｔｅｌ：＋８６—５５ １—５６９０９６３
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｎｚｓ．ｎｅｔ．ｃａ ５６９０９６４
２无线传感器网络Ｍ．ＡＣ协议能量浪费原因
由于节点能量有限，能量管理是无线传感器网络的协议设计中的核心问题。已有的研究表明，无线通信模块是无线传感器网络 中主要的耗能部件，ＭＡＣ层协议为达到节能的目的，直接控制节点的通信模块，对节能起着最重要的作用。通信模块能量浪费主要 在四个方面： １）空闲侦听：当无数据发往节点时，通信模块仍然保持接收状态侦听信道，等待发往本节点的数据，造成无必要的空闲侦听能 量消耗。 ２）冲突：接收节点同时接收到来自多于一个节点的数据，无线信号重叠，造成接收到无用数据，即使只重叠一部分，也不得不丢 弃已接收部分，重传整个数据包，因此导致额外的重传能量浪费。 ３）串音（ｏｖｅｒｈｅａｒｉｎｇ）：节点接收到发往其他目的节点的数据包，也是无用数据，必须丢弃，导致接收能量浪费。 ４）控制包开销：连接建立阶段的控制包交换和数据发送前后的握手协议或者是固定分配协议中周期建立分配表等都是非有用 数据的控制包开销，ＭＡＣ层协议应该最小化控制包开销。 无线传感器网络中数据量很少，突发性很强，节点约９５％的时间都是空闲的，因此空闲侦听是主要的能量浪费，如果一直保持 侦听状态会造成极大的能量浪费，因此降低能耗主要是从控制通信模块的开启时间人手。冲突和串音在基于竞争的协议中易于发 生，而在固定分配协议中得到较好的控制，当负载很重和节点密度很高的时候，冲突和串音也是比较严重的能量浪费源。在协议启 动阶段、协议维持阶段和数据转发过程串都应该使用尽量少的控制包达到可靠的传输，以减少控制包发送能耗ｉ。ＭＡＣ层协议的设计 必须考虑以上四方面能量消耗．使这些能量浪费达到最小化。
无线自组织网络可靠组播MAC协议
无线自组织网络可靠组播MAC协议 余燕平;郑元琰;黄怡;倪玲玲 【摘 要】为了在无线自组织网络的MAC层中更好地提供可靠组播,在尽量少修改IEEE 802.11协议的原则下提出了一个可靠组播MAC协议RMMP (reliable multicast MAC protocol).首先由源节点组播RRTS( reliable RTS)帧,各接收节点依次回复RCTS( reliable CTS)帧；源节点在收到所有RCTS后,组播N个RDATA( reliable DATA)帧,各接收节点收到第N个要求回复的RDATA帧后依次回复RACK( reliable ACK)帧,然后源节点重传丢失帧.RMMP协议提高了MAC层组播可靠性.最后运用NS-2仿真软件对该协议进行验证,结果表明,RMMP在包投递率、吞吐量性能上都有很大的提高,实现了MAC层可靠组播,其代价是平均端到端时延略大.%In order to provide MAC (medium access control) layer reliable multicast in wireless Ad Hoc networks, a new reliable multicast MAC protocol(RMMP) based on IEEE 802.11 is proposed. In this protocol, a sender multicasts a reliable RTS (RRTS) frame and the receivers reply with reliable CTS (RCTS) frames according to the designated sequence. Then the sender sends N reliable DATA (RDATA) frames and the receivers reply with reliable ACK(RACK) frames sequentially after receiving the N-th RDATA frame in which an acknowledgement frame RACK is demanded. The sender then retransmits the lost frames which are indicated in the RACK frame. The network simulator NS-2 was used to simulate to demonstrate the performance of the protocol. The results show that this protocol achieves reliable multicast at MAC layer by providing higher packet delivery ratio and throughput while slightly increasing average end-to-end delay.
AdHoc网络中联合功率节省与功率控制的MAC协议
收稿日期:2007 09 05基金项目:中南民族大学自然科学基金重点项目资助(YZZ07006)作者简介:朱容波(1978 ),男,中南民族大学副教授,博士,E mail:ron gbozhu@.Ad Hoc 网络中联合功率节省与功率控制的MAC 协议朱容波1,高 波2(1.中南民族大学计算机科学学院,湖北武汉 430073;2.上海交通大学电子工程系,上海 200240)摘要:针对Ad H oc 网络中的能量效率与网络容量问题,提出了一种单信道环境下联合功率节省和功率控制的M A C 协议PSP C.该协议在每个信标间隔周期内由交换控制信息窗口阶段和数据交换阶段组成.在交换控制信息窗口期间,节点通过交换控制信息来估计传输数据时实际使用的传输功率,与此同时,接收节点将自己在接收数据过程中可以容忍的最大噪声功率通知给可能造成冲突的相邻节点.在数据交换阶段,节点根据在控制信息窗口中获得的信息来决定实际的数据发送功率.对于不能传输或无数据传输的节点,则进入睡眠状态,直到本周期结束.仿真实验证明了提出的P SPC 协议在节省能量的同时显著地提高了网络的吞吐量.关键词:能量节省;功率控制;Ad H oc 网络中图分类号:T P393 文献标识码:A 文章编号:1001 2400(2008)03 0563 09Joint power saving and power control MAC protocolin Ad Hoc networksZH U Rong bo 1,GA O Bo 2(1.Co llege of Com puter Science,South Centra l U niv.for N ationalities,W uhan 430073,China;2.Dept.o f Electro nic Eng ineer ing,Shanghai Jiaotong U niv.,Shang hai 200240,China)Abstract: Fo r pow er efficiency and capacity in ad hoc netwo rks,a no vel jo int pow er sav ing and po werco nt rolled medium access co ntr ol (M A C)pr otoco l called P SPC is pr oposed in sing le channel netw or ks.PSPC is made up of tw o perio ds in a beacon interva l:A T IM (A d hoc T r affic I ndicatio n M essage)per iodand data t ransmission per iod.A t the beg inning o f A T IM ,nodes w ake up simultaneously and ex chang ethe contr ol message t o estimate the po wer to be used in later data tr ansmissio n.A t the same time,receiver s infor m neig hbo ur no des of their allow able maximum tr ansmissio n pow er for avoidingint erference to allo w fo r concur rent t ransm ission in the same vicinity.After t he end of A T IM ,nodes candecide their tr ansmissio n po wer level and w het her they can t ransmit data on t he infor matio n they hav eex chang ed in the AT IM.If nodes cannot transmit data o r hav e no data to t ransmit,they enter thesleeping state until the end of this beacon inter val.Simulation results demo nstr ate the sig nificantthr oughput and ener gy gains that can be obtained under the PSPC pro tocol.Key Words: po wer saving;pow er contro l;Ad H oc netw o rkIEEE 802 11标准中[1]的Ad H o c 运行模式已经成为移动自组织网络中M AC 层协议事实上的标准.IEEE 802 11协议使用RTS/CT S 四次握手机制来解决信道竞争和隐藏终端问题.虽然RTS/CT S 机制可以有效地消除节点之间的冲突,但由于IEEE 802 11M AC 层协议规定在一对节点正在进行数据传输时,其他侦听到其RTS 或CTS 消息的节点禁止发送数据,从而导致了网络吞吐量的下降.在IEEE 802 11协议中产生的这种低效率的根源是由于它夸大了冲突的定义[2]:如果某个终端i 当前正在从终端j 接收数据,那么位于i 和j 的传输范围内的终端都必须延迟自己的传输来避免与终端i 正在接收的数据以及终端j 对随后的2008年6月第35卷 第3期 西安电子科技大学学报(自然科学版)JOUR NAL OF XIDI AN UNIV ER SI TY Jun.2008Vol.35 No.3ACK 包的接收发送冲突.除此之外,在IEEE 802 11协议中使用固定而且相等的传输功率(T P)还导致了信道利用率的降低以及能量消耗的增加.为了解决Ad H oc 网络中能量效率和网络容量的问题,Wu 等人[3]为Ad H oc 网络提出了一种功率控制MAC 协议,该协议使用由Deng 和H ass 提出的两路忙音多路访问(DBT MA)协议架构[4]作为避免信道访问冲突的基础.但是DBT MA 并没有解决在节点同时传输忙音信号和接收数据包的问题,而且由于忙音信号连续传输,所以由多个发送节点和接收节点发出的忙音信号之间将会发生严重的干扰以及额外的能量消耗.同时,很多研究者从传输功率控制(TPC)的角度对Ad H oc 网络进行了研究.目前为移动自组织网络设计的T PC 方案大致可以分为两大类型[2].在第一种类型[5,6]中,T PC 用于控制网络的拓扑,通过间接地影响下一跳邻居的构成来影响终端对路由的选择.这类协议的一个局限性是单纯依赖于CSMA 机制来完成访问或预定共享信道.文献[7]中已经证明由于隐藏终端问题的存在,只使用CSM A 来访问信道将会显著地导致网络性能的下降.在第二类TPC 方案中,功率控制以每个数据包为单位,然而传输功率将依赖于发送端和接收端的实际距离和当前的信道条件.这类TPC 方案还可以进一步分为两个子类:面向能量节省的[8,9]和面向吞吐量的[10,11].面向能量节省的主要目的是减少能量消耗.面向吞吐量的T PC 方法使用基于每个数据包的功率控制来提高信道的空间重用性.但上述TPC 方案存在以下几个方面的问题:一是文献[3,10,11]中假定控制信道和数据信道的信道增益相同,且终端在一个信道上发送数据的同时能在另一个信道上接收数据.在实际中这两个假设同时成立非常困难;二是控制信道和数据信道的带宽分配不应该相等,而信道衰落与频率相关,因此两个信道将经历不同的衰落;要使两个信道可以同时发送和接收数据,移动终端需要配备两套收发器.采用两套收发设备在实际应用中增加了成本;三是信道分配与实际网络的负载相关,因此在可变负载的情况下对信道做最优分配,功率控制协议就必须采用自适应的算法,这在实际情况中难以实现.笔者针对Ad H oc 网络中能量效率和网络容量问题,考虑到周期睡眠可以节省大量的能量消耗,以及功率控制对于提高空间重用性、增加网络容量的特点,提出了一种联合能量节省(周期睡眠)和功率控制的MAC 层协议PSPC,该协议采用单收发器和单信道,并且在提高吞吐量的同时节省能量消耗.笔者提出的MAC 协议与现有协议相比有两个显著的不同:一是PSPC 关注的是无线单信道,其中所有节点共享同一个信道而且没有集中控制或接入点;二是PSPC 将能量节省和功率控制机制相结合,从而在降低信道功率的同时最大限度地延长电池的使用时间.1 改进的MAC 协议实验证明,通过节点周期睡眠的方式可以节省大量的能量消耗,在IEEE 802 11协议中就采用了类似的过程即PSM 模式.因此,首先必须分析哪些情况下节点需要睡眠:一是当节点没有发送和接收任务时;二是当节点发送数据时会对周围正在接收数据的节点造成不可容忍的干扰时.虽然此时节点有数据需要发送,但如果这个节点以接收节点能正确接收数据所需要的最小功率发送数据时,会对周围一跳领域内的其他正在接收数据的节点造成冲突.也就是超过了这些正在接收数据的节点的最大容忍干扰极限.这种情况下需要发送数据的节点推迟自己的数据发送直到正在进行接收的节点完成接收,因此可以进入睡眠状态;三是当采用周期睡眠机制时,节点在当前的周期结束之前已经完成了预先声明的数据,此时发送和接收节点在本周期剩下的时间内可以进入睡眠状态.在这种情况下,节点在当前的周期结束之前已经完成了自己的数据发送和接收任务,如果继续保持清醒状态只会浪费能量资源.所以这种情况下需要进入睡眠状态直到下一个周期的开始,从而节省能量的消耗.功率控制的基本目的就是用可以满足接收端正确接收所需的尽可能小的发射功率发送数据,同时还可以允许接收端有一定的抗干扰能力.由于发送节点在发送数据之前无法获知与接收节点之间的距离和信道条件,因此在发送数据之前需要和接收节点用最大的发送功率交换控制信息来估计随后发送数据所需要的实际功率.因此对于控制信号不需要功率控制,而对于实际数据发送需要进行功率控制.1 1 单信道下实现功率控制要考虑的问题要实现功率控制需要解决以下几个问题.首先要由接收节点来确定发送节点为了保证接收节点在当前564 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第35卷的信道情况下能正确接收数据所需要的最小功率.由接收节点决定发送节点需要的最小发送功率的同时要考虑接收节点现在的信道干扰情况和未来可能收到的干扰.然后接收节点把这个功率通知发送节点,同时把自己还可以容忍的干扰功率广播给周围的节点来限制他们将来可以传输的最大功率值.发送节点在收到由接收节点发来的为了保证接收节点正确接收数据所需的功率值时,把这个值和自己的最大发射功率与周围其他正在接收的节点所允许的最大发送功率相比较,取其最小值,然后把自己预采用的发送功率通知周围的节点以便他们更新自己的干扰信息,最后用前面协商好的功率来发送自己的数据.在多信道的解决方案中,接收节点在接收数据的时候同时在另一个信道上广播busy tone 信号,以此来限制周围别的节点最大允许的发送功率.而在单信道的方案中,在接收节点接收数据的时候无法给周围的节点广播这个功率限制信号,因而只能在实际的数据传输之前通知其他节点.但是如果其它节点没有收到这个信号,就可能产生冲突.另外在有数据发送的节点由于事先不知道接收节点所需要的传输功率,因此用最大的功率发送传输请求信号,此时可能会与周围正在接收数据的节点造成冲突.为了解决冲突,我们把所有的控制信号集中到ATIM 窗口期间来传输,而在随后的时间内只进行数据传输,从而保证控制信号不会与数据信号发生冲突,而且可以保证所有节点都能收到控制信号.1 2 能量节省与功率控制的结合周期睡眠需要节点间始终保持同步,而且周期性地醒来以便在实际数据传输之前交换控制信息.以此来预定AT IM 窗口接收之后剩余时间的节点状态.功率控制也需要在传输实际的数据之前先进行控制数据包的传输,从而来确定实际传输数据包时所需要的实际功率,因此可以把这两种在实际数据包传输之前需要交换的控制包结合起来,从而在AT IM 窗口中同时实现对AT IM 窗口结束之后信道的预定和完成对实际数据传输需要功率的计算.如果节点在AT IM 窗口结束之后剩下的时间传输会对其它节点的传输造成过大的干扰,则在AT IM 窗口结束之后剩下的时间里进入睡眠状态.为了后续部分便于说明,下面给出几个符号定义.P i 表示节点i 的发送功率,G ij 表示节点i 和j 之间的信道增益,SINR ij =P i G ijn j P n G nj +Pthermal 表示节点j 收到节点i 以发送功率P i 发来的信号在节点j 处的信号功率与干扰加噪声功率的比值.P thermal 表示节点j 此时的热噪声.当SINR ij 高于某一个阈值SINR threshold 时,接收节点才可以正确接收数据,如果节点i 用于向节点j 传输数据的功率刚好够节点j 克服当前的干扰,即刚好达到节点j 要求的SINR threshold ,此时有SINR threshold =P i G ijn j P n G n j +P thermal .(1)那么节点j 附近的所有节点在节点j 接收节点i 发来的数据时都不允许开始新的发送.这种禁止邻居节点并发发送的行为降低了网络的吞吐量.显然增加P i 会增加并发传输的节点数量,从而增加网络吞吐量.但是过高的P i 会对发送节点i 周围正在接收数据的其它节点造成较大的干扰,从而影响发送节点周围节点对数据的接收,除此之外还会消耗更多的能量.为了解决该矛盾,引入传统蜂窝网中对上行链路的功率控制问题中的负荷因子(Load factor)的概率.负荷因子 用来测量网络的负荷情况,也就是节点此时的干扰情况.=1-P thermal sum int ,(2)其中,P su m int = n j P n G nj +P extra int ,(3)其中P extra int 是未来潜在的干扰,P sum int 是节点j 此时收到的所有来自其它节点的干扰加上未来能容忍的最大额外干扰的总和.可以看出,随着P sum in t 的增加, 将上升.在文献[12]中, 的值应该在0 4~0 8之间时系统性能较好,这里取 =0 6,此时P thermal /P su m int =0 4,可得SINR threshold =P i G ijn j P n G n j +P extra in t +P thermal =P i G ij 3 5P thermal .(4)因此可得节点i 所需的传输功率为P i =3 5P thermal SINR threshold G ij .(5)因此联合能量节省和功率控制协议的目的就是找到合适的方式来完成发送节点和接收节点的信息交换,完565第3期 朱容波等:A d Ho c 网络中联合功率节省与功率控制的M AC 协议成发送节点以合适的功率来传输数据,同时与周期睡眠结合起来,达到最大限度地节省能量消耗.1 3 单跳Ad H oc 网络中的联合能量节省和功率控制的M AC 协议当单跳范围内的节点完成时钟同步后,节点进入周期睡眠.为了与IEEE 802 11PSM 模式兼容,睡眠周期大小为一个信标间隔(beacon inter val),在每个睡眠周期的开始是AT IM 窗口期.在进入ATIM 窗口期后,所有节点保持清醒状态,进行控制信息的交换.当AT IM 窗口结束后,如果节点允许交换数据则开始数据交换,完成传输之后进入睡眠状态.其具体过程如下:(1)在A TIM 窗口开始之后,所有需要发送数据的节点都用最大的传输功率P max 来竞争发送ATIM 消息.假设A 最先竞争成功发送ATIM.当目标节点B 收到从A 发送的ATIM 消息时,根据收到的信号功率P rev 和包含在AT IM 中A 的发送功率P max 来估计A 和B 之间的信道增益:G AB =P rev max .(6)接着B 用表达式(5)计算出A 需要的发送功率,以及如果A 以功率P A 传输时,B 还可以容忍的额外干扰功率为P extra in t =P sum int -j B p j G jB =2 5P thermal - j B p j G jB ,(7)其中j B p j G jB 可以通过测量获得.下面的工作就是如何在未来造成潜在的干扰的节点间平均分配P extra r min t .这样做的动机是为了防止任何一个潜在干扰的节点消耗完P extr a int .对于可能造成潜在干扰的节点数n,每个节点分配的干扰功率为P int bound =P extr a int n.接着B 把P A 和P in t bound (B )包含在AT IMA CK (P A ,P int bound (B ))消息中,并且以最大的传输功率P max 发送给节点A.(2)由于所有节点都位于一个广播域内,所以网络中的其他节点可以听到从A 发送给B 的AT IM 和由B 发送给A 的A TIM ACK.因此对于节点i,不但可以估计节点i 到节点A 的信道增益G Ai ,同时也可以方便的计算出从B 到节点i 的信道增益G Bi ,以及知道A 稍后在数据发送节点将采用的发射功率P A .此外,节点i 还能获得B 节点在接收A 的数据时可以容忍的额外干扰功率P int bound (B ).由P A 和G Ai ,节点i 可以计算出A 在数据发送阶段会给节点i 带来的干扰;由P int bou nd (B)和G Bi ,节点i 可以计算出自己要发送数据时,为了不和B 节点接收数据发生冲突所允许的最大发送功率.(3)假定节点C 有数据要发送给D ,同节点A 一样,C 用最大发送功率P max 向D 发送AT IM ,D 收到后,根据表达式(5)计算P C ,如果P C !P max ,则向节点C 发送一个否认消息AT IM NACK 通知C 在随后的数据发送阶段不能发送数据;否则,根据式(7)计算P ext ra int 和P int bound (D),然后发送相应的AT IM ACK 给节点C.节点C 在收到节点D 发送的AT IM ACK 后,把其中的P C 和P max int (C)=min j ∀Nei (C)P int bound (j )G jC 相比较,其中Nei (C)表示C 的邻居节点集.如果P C <P max int (C),则节点C 在随后的数据发送阶段可以以功率P C 发送数据给D;否则不能发送数据,从而在随后的数据发送阶段进入睡眠状态.(4)在AT IM 串口结束时,可以发送数据的节点则在随后的数据发送阶段并行地按照相应的功率发送数据,在完成数据发送或接收之后进入睡眠状态.没有数据发送或接收,或不能发送或接收数据的节点则在随后的时间进入睡眠状态,直到本次beacon inter val 结束.(5)在AT IM 窗口中交换信息以确定传输功率时,后完成功率协商交换的节点要记录先完成功率协商的节点传输数据时造成的干扰信息,以便在自己的功率协商过程中参考.算法1和2分别给出了单跳网络中位于AT IM 窗口期中的节点进行联合能量节省和功率控制的M AC 层算法流程.算法1 单跳环境中节点有数据发送算法伪代码1:SendData(A ,B ,message)2:if w ithin the ATIM w indow then3: repeat4: contend the channel 5: until w in the channel566 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第35卷6: send ATIM w ith P man7: repeat8: wait AT IM ACK9: until receive AT IM A CK10: if it is the intended AT IM ACK then11: P A=AT IM A CK.P A#得到AT IM ACK中的包含的目标节点允许节点A的发送功率∃12: if P A<P max and P A<P max int(A)then#需要发送的功率既没超过最大发送功率也没超过允许的最大干扰功率∃13: hold until the end of the A TIM w indow14: send the data w ith P A15: else16: hold until the end of the A TIM w indow17: enter the sleep m odel18: end if19: end if20:end if算法2 单跳环境中节点有数据接收算法伪代码1:ReceiveData(A,m essage)2:if w ithin the ATIM w indow then3:if receive AT IM messag e to this no de then4: com pute cor respo nding G AB using Eq.(6)5: com pute P A using Eq.(5)6: if P A>P max then7: send negative AT IM A CK to node initiating ATIM w ith P max8: hold until the end o f the AT IM w indow9: else10: co mpute P int bo und11: send A TIM ACK(P A,P in t bound)to node A w ith P max12: hold until the end of the AT IM w indo w13: receive data14:end if15: else if receive AT IM messag e from node j to other nodes then16: compute corr esponding G AB using Eq.(6)17: hold until the end of teh ATIM w indow18: else if receiv e ATIM ACK from node j to o ther node i then19: compute corr esponding G AB using Eq.(6)20: P i=AT IM ACK.P i:#得到AT IM ACK中的包含的目标节点允许节点i的发送功率∃21: P int bound(j)=A TIM ACK.P int bound22: end if23:end if对于节点B需要根据信道的实际情况调整干扰节点数目的估计值n.其调整方式如下:n(t+1∀(2 5P thermal%70%,2 5P thermal%90%) ,<2 5P thermal%70% ,>2 5P thermal%90% .(8)567第3期 朱容波等:A d Ho c网络中联合功率节省与功率控制的M AC协议在节点B 的AT IM 窗口结束时,节点计算实际接收到的干扰P sum int =j B P jB G jB ,如果高于能承受的最高干扰,则意味着B 所收到的实际干扰超过了节点在接收数据时可承受的最大干扰功率,这种情况说明对于n 的值估计过小,在这种情况下,扩大n 的值来减少给每个潜在干扰节点分配的干扰功率.如果P sum int ∀(2 5P thermal %70%,2 5P thermal %90%),表明当前对干扰节点数目的估计是合理的,不需要调整n.如果P su m int <2 5P thermal %70%,则说明节点B 的额外功率没有被充分利用,即n 值估计过大,这种情况下应减小n.为了保证n 值的稳定性,每次调整n 值的步长为1.1 4 多跳Ad H oc 网络中的联合能量节省和功率控制的M AC 层协议在多跳环境中联合能量节省和功率控制的协议和单跳环境中的协议主要有两点不同:一是需要不同的时钟同步协议.二是发送节点在从接收节点收到需要的传输功率后需要一个单独的机制,将它在数据传输阶段将要使用的实际发射功率通知发送节点周围的节点.由于在单跳环境中所有节点都可以位于彼此的传输范围之内,发送节点周围的其它节点可以通过侦听接收节点发出的AT IM ACK 中所包含的发送节点的发送功率来获取该信息.而在多跳环境中,发送节点周围的节点可能不位于接收节点的最大功率有效范围内,因此需要发送节点A 在收到从接收点B 发来的包含在AT IM ACK 之中的P A 之后,立即用P A 的功率发送一个AT IM TONE 消息来通知节点A 周围的节点其在随后的数据发送阶段要采用的功率P A .相应的算法伪代码由算法3和算法4描述.算法3 多跳环境中节点有数据发送算法伪代码1:SendData(A ,B ,m essag e)2:if w itin the AT IM w indow then3: repeat4: contend the channel5: until w in the channel6: send ATIM w ith P max7: repeat8: w ait ATIM ACK9: until receive AT IM A CK10: if it is the intended AT IM ACK then11: P A =AT IM A CK.P A #得到AT IM ACK 中的包含的目标节点允许节点A 的发送功率∃12: if P A <P max and P A <P max int (A )then #需要发送的功率既没超过最大发送功率也没超过允许的最大干扰功率∃13: send AT IM T ONE(P A )w ith P A14: hold until the end of AT IM w indow15: send the data w ith P A16: else17: hold until the end of the A TIM w indow18: enter the sleep m odel19: end if20: end if21:end if算法4 多跳环境中节点有数据接收算法伪代码1:ReceiveData(A ,m essage)2:if w ithin the ATIM w indow then3: if receiv e ATIM m essage to this node then 4: compute corresponding G AB using Eq.(6)568 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第35卷5: compute P A using Eq.(5)6: if P A >P max then7: send negativ e ATIM ACK to node initiating AT IM with P max8: ho ld until the end of the ATIM w indow9: else10: co mpute P int bound11: send A TIM ACK(P A ,P in t bound )to node A w ith P max12: hold until the end of the AT IM windo w13: receive data14: end if15: else if receive AT IM messag e from node j to other nodes then16: compute corr esponding G jB using Eq.(6)17: hold until the end of the ATIM w indow18: else if receive AT IM TONE from node j to o ther nodes j then19: P j =AT IM T ONE.P j20: else if receive AT IM ACK from no de j to other nodes then21: compute corr esponding G jB using Eq.(6)22: P int bound (j )=A TIM ACK.P int bound23: end if24:end if2 性能仿真采用网络仿真工具NS 2[13]对提出的PSPC 协议与IEEE 802 11协议的PSM 模式进行了比较.在仿真实验中假定所有的目的节点都严格限制在源节点的一跳传输范围内(由于论文长度的限制,对于多跳环境中协议的性能结果与讨论将在以后的工作中给出).2 1 仿真模型仿真实验中射频物理层工作于914M H z,信道速率为2M b/s.数据包大小固定为512字节,网络中的每个数据流采用CBR(Constant Bit Rate).仿真实验中暂时不考虑节点的移动.实验中采用两路路径损失模型.节点最大的发送功率为282mW,对应于250m 的传输范围.假定载波侦听范围是传输范围的两倍.所有的实验都运行30次,然后取平均值作为最后的实验数据.信标间隔为100ms,AT IM 窗口大小为5m s.基于以上的实验参数设置,通过改变网络负载来研究网络负载对协议的吞吐量和能量消耗的影响.仿真实验中的网络负载按照占用总信道容量2M b/s 的百分比分别设为10%到100%.实验中采用网络吞吐量和发送每个数据包所消耗的能量两个指标来衡量协议的性能.实验中考虑两种拓扑结构:(1)随机拓扑.在随机拓扑中,50个节点随机分布于一个250m &250m 的平面区域中,每个数据流初始于每个节点,取其最近的邻居节点为目的节点,总共有50个数据流产生.(2)簇式(Cluster)拓扑.在该拓扑中,每个节点以较大的概率与自己位于同一个簇的节点通信,而以较小的概率与邻居簇中的节点通信.40个节点平均分配到分别占用300m &300m 的区域的4个角的簇中,每个簇占据100m &100m 的区域.对于某个给定的源节点,目的节点以1-p 的概率位于同一个簇内的节点通信,而以概率p 与位于不同簇的节点通信.2 2 仿真结果图1所示为在随机拓扑中协议的网络吞吐量与网路负载的关系.从图1中可以看出,随着网络负载的增加,PSPC 协议能显著增加网络的吞吐量.在网路负载小于40%时,PSPC 协议的网络吞吐量与PSM 相比只有较少的增加,原因是由于在较低的负载下,节点需要发送的数据量较少,PSPC 协议的并发传输的优势不569第3期 朱容波等:A d Ho c 网络中联合功率节省与功率控制的M AC 协议明显.另外,由于冲突发生的概率低,PSM 模式一次性发送成功的概率较高,因此用于冲突引起重传而导致的能量消耗较低.但是随着负载的增加,PSPC 协议的吞吐量明显增加,与PSM 相比,平均高50%.原因在于在高负载下,PSPC 具有并行传输的优势,而且由于可以选择合适的发射功率,对周围节点造成的干扰也比PSM 模式小很多,从而减少了冲突的产生,提高了吞吐量.图1 随机拓扑时吞吐量与网络负载图2 随机拓扑时能量效率与网络负载图2所示为随机拓扑中两种协议能量消耗与网路负载的关系.其中纵坐标表示成功发送一个数据包所消耗的能量.如图2所示,对于提出的PSPC 协议的能量消耗大大低于PSM 模式.另外,随着网络负载的增加,PSPC 协议的能量消耗保持轻微的下降趋势.原因是由于随着网络负载的增加,PSPC 协议一方面采用并行传输方式,提高了网络的吞吐量,同时由于节点可以调整传输功率而节省能量,而且通过对AT IM 窗口和随后的数据传输阶段的利用率都得到了提高.以上三个综合因素提高了PSPC 协议的能量效率.而在PSM 模式中,开始阶段,随着网络负载的增加,能量效率有轻微增加的趋势,原因是对信道的利用率增加.但是随着网络负载的继续增加,造成冲突概率的增加,因而节点需要更多的重传从而浪费了大量的能量,造成能量效率的下降.图3显示了在簇式拓扑中,网络吞吐量随着网络负载的变化趋势.其中对于PSPC 协议,仿真了p 值为0 25和0 50两种情况下,网络吞吐量随网络负载的变化情况.对于PSM 协议,由于采用固定的最大功率传输,因此网络吞吐量不会随着p 的变化而变化,因此图3中只显示了一条PSM 的曲线.对于PSM 模式不会从簇式拓扑中获得好处,网络的吞吐量和网络的拓扑无关.但是在PSPC 协议中,由于采用了功率控制,使得不同簇式拓扑中节点的传输可以同时进行,从而使得吞吐量获得了显著的提高.除此之外,当p 值为0 25时,PSPC 的吞吐量明显高于p 值为0 5时的PSPC 的吞吐量,这说明PSPC 协议可以充分利用簇式拓扑从而提高并行传输的吞吐量.图3 簇式拓扑时吞吐量与网络负载图4 簇式拓扑时能量效率与网络负载图4显示了簇式拓扑中,PSPC 协议和PSM 协议成功发送一个数据包的能量消耗相对于网络负载的变化情况.与图3中的情况类似,在这个实验中,也对p 取两个不同的值0 25和0 50,来研究不同程度的簇式拓扑对PSPC 和PSM 协议的能量效率的影响.从图4中可以看出,PSPC 协议在两种情况下都取得了比PSM 协议好得多得能量效率.当p 值分别为0 25和0 5时,对于成功发送一个数据包而消耗的能量而言,570 西安电子科技大学学报(自然科学版) 第35卷。
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC
无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC摘要：无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它的出现使得环境智能成为现实。
它是由一些微小的节点在特设环境中彼此连接，并相互配合，而形成的一个网络。
它具有广泛的应用，例如入侵者警报和跟踪，环境监测，工业过程监测和战术系统等潜在领域。
然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。
所以节能对于传感器网络是非常必要的特别是在MAC层水平。
现已经提出了多种针对不同目标的MAC协议的无线传感器网络。
在各种协议中SMAC就是其中一个简单修改的成果。
SMAC有静态睡眠时间表同时TMAC有动态睡眠时间表。
在本文中，我们首先概述了无线传感器网络的基础知识，然后我们讨论了MAC层的性能特征，在随后的一节中概括了WSN中能源浪费的原因。
紧接着描述了 i.e SMAC 和TMAC两个协议的各自的优缺点。
最后，在结束之前，根据无线传感器网络与SMAC 和TMAC有关的各种设计过程都包含在文章中。
关键词：无线传感器网络，环境智能，MAC层，能源废物，SMAC，TMAC1.引言在开始介绍无线传感器网络前，我们需要了解为无线传感器网络发明铺平道路的要求和条件。
通常情况下在我们的工作场所我们所使用的系统，主要包括个人电脑，笔记本电脑，电脑，智能手机和平板电脑等。
这些系统都是建立在“人 - 系统”互动的概念上的。
在这种人与信息处理系统交流互动的系统中。
整个装置是间接连接到物理环境的。
由用户和用户交流系统读取物理环境。
另一方面，系统的装置与物理环境相互作用，并自行调整。
在图1和图2中描绘了这两个方案。
系统人环境图 1 人机交互系统环境人图 2 系统环境交互正如我们从图1和图2中观察到的，系统本身能够与环境相互作用，这就是我们所说的“嵌入式系统”。
例如洗衣机，微波炉，化学工艺厂或高炉温度调节装置。
由于科技发展了我们的能力让我们产生了这样一种感觉，大机器也有把它传授给小型设备和对我们的日常生活相关的东西的渴望。
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自组织网MAC协议节能机制的研究与分析 摘要：
本文从功率控制和能量管理两个方面，讨论自组织网几种典型的MAC层节能协议，分析这些算法的减少功耗的能力以及在这些协议下自组织网络的吞吐量，时延等网络性能，并指出它们的局限性。 关键字：自组织网 节能 功率控制 能量管理 中图分类号: TP393 Research and Analysis on Energy-Efficient MAC Protocols for Ad-hoc Networks
Abstract: In this paper, several typical Mac layer protocols for ad-hoc networks are discussed from energy management to power control. We analyze the ability of reduce consumption of these algorithms and also the network performance such as network throughput, transmission delay, and noted their limitations. Key word: ad-hoc, energy-efficient, power control, power management 1.引言： 自组织网以其高度的灵活性和抗毁性一直倍受军方和学术界的关注，媒体接入控制协议（MAC）是移动自组织网中的关键技术之一，对整个移动自组织网的性能有着非常重要的影响。自组织网中的节点一般是通过电池进行供电，而电池提供的能量有限，且电池技术发展缓慢，无法跟上终端计算所需能量的快速增长。因此，节省节点的电能意味着延长节点的寿命，是自组织网中不可忽视的重要问题。 在MAC层，节省能量的措施有两种：一种是能量管理，即尽量让节点处于睡眠状态以节省电能；另一种是功率控制，即尽量降低发送功率，从而节省能源并减小干扰，同时增加空间重用率。本文将对这两种方法进行分别的讨论。
2.能量管理机制 能量管理机制的出发点在于通过使节点尽可能的处于休眠状态，来节省能量的消耗关于能量
ATTM 窗口 数据发送窗口 ATTM 窗口 数据发送窗口 ATTM 窗口
Beacon Interval Beacon Interval
Beacon
站点A 站点B 站点C
ATIM DATA ACK ACK 图1 802.11DCF下的节能机制 管理机制的算法很多，本文介绍几个典型的MAC层协议中的能量管理和它们的改进协议： 2.1 802.11DCF的节能机制PSM 在802.11DCF的节能机制PSM中，时间被分成一个个beacon interval，在每个beacon interval的开始，每个节点都要醒来，并在一个ATIM窗口的时间内保持清醒，如果这个节点有数据包要发送，它必须在ATIM窗口内发送ATIM帧给目标节点，然后，在整个beacon interval保持清醒，目标节点收到ATIM帧后，将发送一个ACK给源节点，并在beacon interval 内保持清醒，收到ACK的源节点将会在ATIM窗口结束后用正常的DCF方式发送数据包。如果没有收到ACK，源节点将会在下一个ATIM窗口重新发送ATIM，直到超过规定的数目。如果在ATIM窗口没有数据包发送也没有收到ATIM帧，节点会在ATIM窗口结束的时候进入睡眠状态，直到下一个beacon interval。如图1，图中A有一个分组要发给B，C没有分组要发送也没有收到ATIM帧，因此在数据发送窗口进入睡眠状态。 这种算法简单，比较容易实现。缺点是节点只能在数据发送窗口传输数据，减小了可用带宽，造成了吞吐量的损失。 2.2 PAMAS(power-aware multiple access protocol)－能量感知多址接入协议 PAMAS[1]是MACA协议的一种改进，它把物理信道分成独立的控制信道和数据信道，并在接收节点接收数据时引入一个忙音（BUSY）信号来防止隐终端的发送造成的冲突，类似于BTMA协议。 PAMAS希望在采用睡眠方式来节省能量的同时能够保持性能不下降。它的关闭电源的准则为：如果一个节点没有数据要发送，当它的某个邻居节点发送数据时，它应关闭发射机；如果它的一个邻节点在发送，另一个邻节点在接收，它应关闭电源，因为此时它既不能发送也不能接收。关闭电源的时间由接收的RTS 中携带的数据长度信息来决定。考虑到关闭发射机期间，可能又有邻居开始发送数据，所以开启发射机后要执行二进制查找式探测算法来决定是否还需要关闭以及关闭多长时间。因为探测信道需要额外的控制分组，一种可选的策略是只关闭数据信道的发射机，而保持控制信道处于激活状态，从而结点可以随时监听信道，及时唤醒。另外可以采取的一种改进措施是一旦获取信道后，发送结点可以发送多个报文。 PAMAS的优点在于，在节能的同时对时延和吞吐量没有影响。根据[1]的仿真分析，在稀疏网络中，至少节能10％，而在全互连网络中，节能可达70％。 2.3 节能与移动性预测相结合的PMAW（Power and Mobility-Aware Wireless protocol） PMAW[2]是在PAMAS协议的基础上的改进算法。适用于移动性很高的军事行动。 PMAW继承了PAMAS的节能机制，终端节点将尽最大限度的关闭电源。此外，SNR的变化让节点可以侦测到其他节点的接近以便采取措施来避免冲突。经过合理的设计，减少了冲突的可能性，提高了网络的抗毁能力，并在节能的同时并不影响吞吐量。 主要的改进有以下几方面： 分时槽的控制消息：同PAMAS一样，PMAW的数据信道和控制信道分离。不同的是 PMAW控制信号在一个控制帧中被分成若干个时槽。时槽边缘由GPS系统进行同步。每种类型的控制消息在控制帧中被放置在相同的时槽。 检错和纠错：当出现暂时的障碍物或者收发双方互相离开的时候，信号强度可能会突然减弱。当检测到一个低信号强度时，接收端和发送端并不会直接停止传输，而是进入接收等待状态和发送等待状态而延时发送，当信道状况恢复后继续传输。使用这些增加的规则，可以让收发端在信号强度弱的期间能够延迟发送，并令正在离开的节点能够较早的结束传输，以节省功耗和时间。 消息的优先级： PMAW提出了消息的优先级标准。高优先级的消息可以令低优先级的消息延迟发送。消息的优先级信息包含在RTS信号中。另外PMAW引进了两个新的信号TDEL（发送延时）和RDEL（接收延时）用来强制消息延迟传输。 探测接近节点和避免冲突：通过到检测SNR持续下降，接收端可以预知另外一个节点正在接近它（假定另外一个节点正在发送数据），这时可以采取措施来避免冲突。方法是通过消息的优先级来协商哪一个传送将被延迟。具体的算法是这样的：在接收节点检测到SNR持续下降时，会发送包含消息优先级的RPRI信号。受到RPRI信号的发送端会将RPRI信号中的优先级跟自己的发送优先级做比较。如果RPRI包的优先级较低，发送端会发送包含自身优先级的TPRI信号，并继续自己的发送。如果RPRI信号包含了相等或更高的优先级，发送端将暂停发送并进入发送等待状态。如果接收节点当听到比自身优先级高的TPRI信号这时，它用TDEL信号通知自己的发送端，然后接收节点进入接收延迟状态。读者可以参考图2的例子。由于具有移动性预测的特点和很强的检纠错能力，PMAW可以应用于移动性很高的军事行动中。而由于硬件上要求节点单位有具有GPS的支持，在算法上也比较复杂。限制了它在民用领域的应用。
DATATDELDATAABCD
图2 C 接近时，节点B延时发送RPRITPRI
2.4无线传感器网络的MAC协议的节能机制 由于现在传感器节点的能量供给问题没有得到很好解决，传感器节点本身不能自动补充能量活能量补充不足，节约能量成为传感器网络MAC协议设计首要考虑的因素。而且通常传感器节点的数据传输量少，并且能够容忍一定程度的通信时延。这些特点使无线传感器网络的MAC层与在很多方面同传统网络不同。文主要介绍以下两种协议： 3.3.1 S-MAC S-MAC[3]的主要设计目标是提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。针对碰撞重传、串音、空闲侦听和控制消息等可能造成传感器网络消耗更多能量的主要因素。S-MAC协议采用以下机制： 1.周期性侦听和睡眠。每个节点独立的调度它的工作状态，周期性的转入睡眠状态，邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟簇，同一虚拟簇的节点具有相同的调度周期，边界节点记录两个或多个调度。 2.使用跟802.11相同的载波侦听机制和RTS/CTS通告机制。同PAMAS类似，当邻居节点处于通信过程中时，S-MAC协议的节点进入睡眠状态。 3.为了减少竞争带来的时延，每个长消息都被分割成几个短消息来发送，接收端对收到的每个短消息都要发送一个ACK。 3.3.2 T-MAC S-MAC是采用周期性侦听/睡眠的方式来减少空闲侦听，周期长度是固定不变的，节点的侦听活动时间也是固定的，通常节点的活动时间要适应最高的通信负载率。而无线传感器网络的负载经常是较小的，这时节点处于空闲侦听的时间就随之增加，针对这个问题，T-MAC[4]在保持周期长度不变的前提下，根据网络流量动态的调整侦听活动时间，用突发方式传输数据包，减少空闲侦听的时间。见图3。如果节点在给点的TA时间段内没有下面几种情况发生，则进入睡眠状态： 1. 周期时间定时器溢出； 2. 侦听到数据； 3. RSSI感知存在无线通信； 4. 通过侦听RTS/CTS分组，确定邻居的数据交换已经结束。 TA决定每个周期的最小侦听时间，它的取值至关重要，其约束为： TA>C+R+T 其中，C为竞争信道时间，R为发送RTS的时间，T为发送RTS结束到发送CTS开始的时间。 T-MAC协议通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，但带来的多节点转发时的早睡问题，因此，T-MAC协议的适用场合还须进一步调研；对网络动态拓扑结构变化的适应性也需要进一步研究。
normal
S-MAC活跃状态
睡眠状态活跃状态睡眠状态TATATAT-MAC
图3 S-MAC和T-MAC的基本机制 3功率控制方式 在自组织网MAC层合理的利用功率控制，不仅可以节能，而且能够实现信道资源的空间重用，获得更高的网络吞吐。然而，减少发送功率可能会降低网络的连通性，而且，可能会引起载波侦听的困难，导致冲突的增加，因此需要仔细考虑加以解决。 3.1 MACA协议的功率控制算法 MACA提供的自动功率控制功能，称之为BASIC算法。它的基本思想是用最大功率传输RTS、CTS，用最小功率传输DATA和ACK。 BASIC算法中有两种方法来决定DATA和ACK的传输功率。第一种方法：如图4，如果A要给B发送数据，先以最大功率Pmax发送RTS。当B接收到RTS后，根据接收功率Pr、Pmax