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1、论文学习交流 古连华 An Adaptable Energy-Efficient Medium Access Control Protocol for Wireless Sensor Networks 一种自适应低能耗的无线传感器网络MAC协议 Justin T. Kautz 23rd Information Operations Squadron, Lackland AFB TX Justin.Kautzlackland.af.mil Barry E. Mullins, Rusty O. Baldwin, Scott R. Graham Air Force Institute of Tech
2、nology, Wright-Patterson AFB OH Barry.Mullins, Rusty.Baldwin, Scott.Grahamafit.edu 摘要 l我们基于S-MAC协议设计了一种叫“自适应MAC协议 （AMAC）”的无线传感器网络MAC协议。由于无线 传感器网络是能量吝惜的，尽可能地节能可以延长网 络的生存时间。而S-MAC协议用了一个固定大小的侦 听/睡眠周期长度，AMAC协议通过合并多个工作周期 来适应流量状况。在高流量负载情况下，AMAC适用 一个短的工作周期，可以更多地侦听。在低流量负载 情况下，AMAC适用一个长的工作周期，减少侦听频 率。AMAC协议是在
3、OPNET仿真器下仿真的。分析 指出相对于S-MAC协议，AMAC节省了15%能量，节 省了22%的单位比特能耗，代价是造成了2倍的延时 。对于延时不敏感的应用，AMAC可以延长网络生存 时间。 Background & Methodology l点对点的通信中针对能耗高效的低层的MAC协议改进，可以为节点带来益处 。一些MAC从这样一个事实进行改进：一个无线传感器网络的节点花费大部 分时间进行媒体的空闲侦听，而不是传输或接受数据。为了节省能源，接收 节点可以关闭一段时间，称作睡眠周期。S-MAC协议就是用了这样的方法。 l一个节点常常接收到发送给其他节点的数据。为了节省能量，在旁边的节点 传
4、输数据的时候，这样的节点可以关闭。PAMAS协议和SMAC协议都体现了 这样的做法。其他的方法使用基于调度的而不是基于竞争的算法，来最大化 通信效率，比如TRAMA协议。 lS-MAC相对于802.11协议来说在能量消耗上是有效率的，但它还不能自适应 ，也不灵活。S-MAC的侦听/睡眠周期是在网络应用之前设置耗的。在应用中 来调整合适的工作周期，一旦设置耗，这个周期是不变的。这种静态的配置 制约了S-MAC的灵活性。 l我们的研究的目标是通过允许动态调整适应不同的网络状况，使S-MAC 更加能耗高效。我们验证了平均的能量节省了，因为它根据流量状况调 整，在不活动期间更多地进入睡眠。这些做法增加
5、了在低活跃期间的时 延。 AMAC Protocol Design lAMAC 功能上类似于S-MAC， 对原先的协议改变不大。 AMAC根据流量趋势改变了睡 眠时间。睡眠周期情况见图1。 lAMAC的节点通知邻居节点变 化情况，从而让邻居节点与该 节点在合适的调度下通信。 l节点的收敛是以分钟为顺序的 。 l这种过程在整个网络运行过程 中贯穿。 在工作周期中设置界限，防止节点太 常醒来或过长时间睡眠。 而且，必须保持同步，工作周期中选 择了最高1/4分隔到最低1/64的分隔。 AMAC Protocol Design lAMAC adapts to varying traffic condi
6、tions by maintaining a variable called currentusage which uses exponential forgetting. currentusage is affected by whether or not the listen period/slot of the duty cycle is used. A used slot means that data was either sent or received. The current usage value is (where n is the sensitivity level.)
7、lAMAC适用一个参数 currentusage来适应变化的流 量状况。Currentusage受侦听/ 睡眠周期的影响。 Experimental Design l评价和仿真是在OPNET 11.0.A下进行的。 l详细的模型是基于S-MAC设 计。 l图5显示AMAC平均能耗比S -MAC节省15% l图6显示AMAC时延比S- MAC大。 lAMAC每比特能耗比S-MAC 减少了22% Conclusion l本研究的目标是修改已有的协议，使它更灵活 ，更节能。AMAC是最新一代的节能型的MAC 协议，并可以适应流量变化，提高能量利用率 。 lAMAC减少了15%能耗，22%每字节能耗，
8、提 高4%吞吐量。代价是两倍的时延。对于时延 不敏感的应用，AMAC提供了延长网络生存时 间的解决方法。 An Adaptive Schedule Medium Access Control for Wireless Sensor Networks 一种自适应调度机制的无线传感器网络MAC协议 LIU Bing, ZHANG Lin, ZHANG Huimin School of Information Engineering Beijing University of Posts and Telecommunications Beijing, China Bing76 摘要 l许多无线传感器
9、网络MAC协议，比如S-MAC和 CSMA-MPS，都采用了侦听/睡眠周期来节省能量。 l节点的工作周期影响网络的表现，比如能耗效率，时 延和吞吐量。 l本文介绍一种自适应调度机制的MAC协议AS-MAC。 lAS-MAC在MAC层引入周期的适应性。这个协议的效 果是它能在动态流量中减少时延，提高吞吐量，和提 高能量效率。 l我们同时把AS-MAC跟S-MAC和CSMA-MPS通过仿 真比较，结果显示AS-MAC比以前的协议表现好。 ADAPTIVE SCHEDULE MEDIA ACCESS CONTROL l网络性能包括能耗效率、时延和吞吐量，受很 多条件的影响。设计MAC协议时，应该分析
10、 影响网络性能的因素，并在各个指标间作个平 衡。 l在无线传感器网络中，影响效率的主要因素是 空闲侦听。这在低流量的无线传感器网络中尤 其明显。 l为了提高技能效率和吞吐量，降低时延，提出 一种自适应调度的MAC协议AS-MAC ADAPTIVE SCHEDULE MEDIA ACCESS CONTROL l这不是一个真正的跨层设计，因为它 没用到高层的信息。但它有一些跨层 的特征，因为MAC层的侦听状态可 以适应高层定义的动态流量，并且可 以改善高层的表现。 l当没有数据流时，节点的侦听时间T 为Tmax，最大侦听时间。Tmax是根 据时延要求选择的。 l当一个节点有数据包要发送时，在成 功
11、的载波侦听（CS）后，它增加一 个状态列T和R。在状态T中节点广播 目的地址，然后转入状态R，准备接 收数据。 l当发送节点收到回答后，结束T和R 序列，并开始数据的传输。 过程见图1。 ADAPTIVE SCHEDULE MEDIA ACCESS CONTROL l时间T应该适应流量负载 。没有流量时，参数T应 为Tmax，当有数据交换 时，下一个T会变成 Tmin。Tmin是最小的时 间，使接收节点接收数 据并在下个周期回应。 如图2所示。 lTmin保证网络能达到最 大的吞吐量，最大限度 并减少队列延迟。 PERFORMANCES AND SIMULATIONS lAS-MAC使节点适应
12、动态的网 络流量，它的侦听周期随数据 流量调整，当流量负载轻的时 候，参数T可以较大。 l相对于CSMA-PS和CSMA- MPS，AS-MAC在第一个数据 包传输之前只要一个长列T-R。 因为节点之间序列包的协调不 多，T-R队列也比较少。所以 AS-MAC有较高的能耗效率。 l节能性。从右图看出，在轻负 载时AS-MAC右较好的节能特 性，这是由动态的侦听时间带 来的。当网络负载重时，AS- MAC消耗较多能量。 PERFORMANCES AND SIMULATIONS l时延分析。AS-MAC有最低延时，因为在数据流 中侦听状态的调整。 l在AS-MAC中，吞吐量随着流量的增加而增加， 直到它到达网络最大容量。 Conclusion l本文分析了网络性能因素如能耗效率、时延和 吞吐量等，用了动态的节点侦听状态。提出了 AS-MAC协议。它的侦听时间是随数据流和负 载变化的。 l在这个协议中，时延减少了，吞吐量随负载变 化。而且它不需要时间同步。 l现在我们正在实际平台中实现这个协议，在实 际环境中验证它。 l谢谢！
