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无线传感器网络S-MAC协议研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 江雪:无线传感器网络S—MAC协议研究 ZTE COMMUNICATIONS 消耗,提供良好的扩展性。其主要实 无线传感器网络S—MAC 协议研究 S—MAC Pr0t0c0I f0r Wireless Sensor Networks 现机制包括周期性侦听与睡眠、串音 避免、消息传递和流量自适应侦听。 1.1 S—MAC协议实现的关键技术 (1)数据包的嵌套结构 S-MAC协议数据包的嵌套结构如 图l所示。在S-MAC协议中,上一层数 (南京邮电大学。江苏南京210003) (Nanjing University of Posts and T Nanjing 210003,China) 中图分类号:TN929.5文献标识码:A文章编号:1009—6868(2007)02—0039—03 摘要:传感器节点能量受限,节能是传感器网络中媒体访问控Su(MAC)协议设计的首 要问题。采用周期性睡眠机制、自适应侦听机制、串音避免机制和消息传递机制可使 得传感器媒体访问控制(S—MAC)协议在网络能耗和时延方面得到改进。对S—MAC协 议的改进主要有两种方式:动态调整、区别控制包与数据包的发送条件进行发送。对 无线传感器网络。要想设计出一种满足各方面要求的MAC协议是不现实的,可针对 不同应用的要求,灵活采用不同的方式,设计出相应的协议。 关键词:无线传感器;媒体访问控制协议;改进 Abstract:As sensor nodes are energy limffed,saving energy is the primary issue in designing Medium Access Control(MAC)protocols in sensor networks.The Sensor Medium Access Control(S-MAC J protocol is developed to improve the network energy efficiency and latency performance through the periodical sleep,adaptive listening, crosstalk rejection,and message passing mechanisms.The S-MAC protocol can achieve better performance by allowing dynamic scheduling,and sending controI and data packets under diferent transmission conditions.For the wireless sensor network, it’S impractical to design a MAC protocol that will meet all the requirements.Varied approaches should be taken in designing the protocols that meet diferent applications’ requirements. Key words:wireless sensor;Medium Access Control(MAC)protocol:improvement j__线传感器网络通常包含大量自 体访问控制(S-MAC)协议就是针对传 l1.组织的分布式节点。由于其组 感器网络的节能需求而提出的。周期 网快捷、灵活,且具有不受有线网络 性睡眠机制、自适应侦听机制、串音 约束的优点,可广泛应用于紧急搜 避免机制和消息传递机制使得 索、灾难救助、军事应用等特殊环境, S-MAC协议在网络能耗和时延方面 因而具有广泛的应用前景。由于传感 的性能很优越,但距离实际应用的要 器节点能量受限,节能成为传感器网 求还有一段差距。 络媒体访问控制(MAC)协议设计首要 的问题。由文献[1】可以看到传感器媒 1 S—MAC协议介绍 S-MAC协议是在802.11协议的基 基金项目:国家自然科学基金(60372107) 础上提出的,设计的目标是减少能量 据包包含了下一层数据包的内容。数 据包传送到哪一层,那一层只需要处 理属于它的部分。 (2)堆栈结构和功能 在S-MAC协议堆栈内,当MAC层 接收到上层传送过来的数据包后,它 就开始载波侦听。如果结果显示MAC 层空闲,它就会把数据传到物理层; 如果MAC层忙,它将会进入睡眠状 态,直到下个可用时间的到来,再重 新发送。当MAC层在收到物理层传送 过来的数据包后,先通过循环冗余校 验(CRC)表示没有错误,MAC层就会 将数据包传向上层。具体网络模型如 图2所示。 f3)选择和维护调度表 在开始周期性侦听和睡眠之前, 每个节点都需要选择睡眠调度机制 并与邻居节点一致。如何选择和保持 调度机制分为以下3种情况: (a)节点在侦听时间内,如果它没 有侦听到其他节点的睡眠调度机制, 则立即选择一个睡眠调度机制。 (b)当节点在选择和宣布自己的 调度机制之前,收到了邻居节点广播 的睡眠调度机制,它将采用邻居节点 的睡眠调度机制。 (C)当节点在选择和广播自己的 睡眠调度机制之后,收到几种不同的 睡眠调度机制时,就要分以下两种情 况考虑:当节点没有邻居节点的时 候,它会舍弃自己当前的睡眠调度机 制,采用刚接收到的睡眠调度机制; 当节点有一个或更多邻居节点的时 候,它将同时采用不同的调度机制。 (4)时间同步 在S—MAC协议中,节点与邻居节 点需要保持时间同步来同时侦听和 中兴通讯技术 39 维普资讯 http://www.cqvip.com 江雪:无线传感器网络S—MAC协议研究 ZTE COMMUNICAT10NS 适应侦听机制可以改善其延时特性。 自适应侦听机制是指节点在通信结 束后,不是马上进入睡眠状态,而是 侦听一段时间,如果在这段时间内, 节点收到发往它的RTS或CTS控制 包,节点马上准备通信,而无需等到 下个侦听时间到来。 下面分析比较一下没有睡眠机 ..图1 S—MAC协议中数据 包格式 居节点知道它们正在进行数据传输, 载波侦听控制、 退避重传控制、 从而减少传输碰撞。 握手机制控制、 消息传递机制控制、 f6)网络分配矢量 无线收发装置开关控制 在S—MAC协议中,每个节点都保 ……一 持了一个网络分配矢量(NAV)来表示 邻居节点的活动时间,S-MAC协议中 CRC校验・ 在每个数据包中都包含了一个持续 编码,解码 时间指示值,持续时间指示值表示目 前这个通信需要持续的时间。邻居节 点收到发送者或接收者发往其他节 萋_ 无线收发装置控制、 载波侦听机制控制、 点的数据包的时候,就可以知道它需 j1 前导码侦听 要睡眠多久,即用数据包中的持续时 鹭{ 00}一一 g 。 间更新NVA的值,当NVA的值不为零 I 一 零获验√ 媒体访闻控制 的时候,节点应该进入睡眠状态来避 I ▲图2 S—MAC协议的堆栈的网络模型 免串音。当NVA变为零的时候,它就 马上醒来,准备进行通信。 睡眠。S-MAC协议采用的是相对而不 是绝对的时间戳,同时使侦听时间远 1.2 S—MAC协议的网络性能分析 大于时钟误差和漂移,来减少同步误 (1)能量 差,并且节点会根据收到的邻居节点 在无线传感器网络中造成能源 的数据包来更新自己的时间,从而与 消耗的主要因素包括下列几方面:空 邻居节点保持时间同步。 闲侦听、竞争冲突、串扰和控制开销。 (5)带冲突避免的载波侦听多路 S-MAC协议针对这些能耗的主要因 访问 素,制订了相应的机制。节点采用周 带冲突避免的载波侦听多路访 期性的睡眠和侦听机制,使节点周期 问(CSMA/CA)的基本机制是在接收者 性地进人睡眠状态,减少空闲侦听的 和发送者之间建立一个握手机制来 能耗;采用串音避免机制使正在进行 传输数据。 通信的节点进人睡眠状态,减少串扰 握手机制是:由发送端发送一个 造成的能耗;采用消息传递机制减少 请求发送(RTS)包给它的接收者,接 发送RTS/CTS控制包来减少控制开销 收者在收到以后就回复~个准备接 的能耗。 收(CTS)包,发送端在收到CTS包后, (2)延时 开始发送数据包,RTS与CTS之间的 在S—MAC协议中,引人周期性睡 握手是为了使发送端和接收端的邻 眠机制的同时也增加了不少延时,自 40 中兴通讯技术 制又没有自适应侦听机制的s—MAC 协议、有睡眠机制没有自适应侦听的 S-MAC协议和既有睡眠机制又有自 适应侦听的S-MAC协议的网络时延 差别。 先做如下定义: 岫表示没有睡眠机制也没有自 适应侦听机制的S-MAC协议的网络 平均时延; 表示有睡眠机制没有自适应 侦听机制的S-MAC协议的网络平均 时延; 表示既有睡眠机制又有自适 应侦听的S-MAC协议的网络平均 时延。 由文献【2】我们可以得到: 7 Ⅳ( tj (1) Ⅳ 一 ,2+f + (2) =Ⅳ ,2+2f -2 ,2 (3) 其中:t 为竞争窗的大小,f 为传 输时延, 为一帧时间;N为数据包传 输总跳数。 在占空比不大的条件下, 远远 大于t 和t ,由公式(1)、(2)和(3),可 以看到 和 随跳数的增加速度比 大很多,而 变化大小约为 的 一半。这表明,在有睡眠机制的 S-MAC协议中,采用自适应侦听机制 的延时增加速度比没有自适应侦听 机制S-MAC协议的网络会减半,但它 们比没有睡眠机制S-MAC协议的网 络延时还是增加了很多,延时性能不 够理想。 2 S—MAC协议的研究现状 目前在S-MAC协议的基础上,对 S-MAC协议的改进主要有两种方式: 动态调整、区别控制包与数据包的发 维普资讯 http://www.cqvip.com 江雪:无线传感器网络S—MAC协议研究 ZTE COMMUNICAT10NS 送条件进行发送。 2.1基于动态调整的改进协议 V表1协议性能比较 在S—MAC协议中,动态调整是固 定的,即周期性的睡眠和侦听固定长 度的时间,不够灵活。下面几种协议 就是针对这个缺点,动态调整,节约 能量。 唤醒MAC协议(T—MAC)[31主要根 据5种事件和一个记时器TA(Time Active)动态调整,5种事件分别为: ・帧长度超时 “; 。注: 一 衰 (‰),就表示目前通信量大过目前调 度机制可以承受的范围,就增加动态 调整的值:如果 的值小于流量下限 的;在传送DATA的时候,则选取到达 目的节点所需功率即可。 DCMA/AP协议中,节点发送控制 ・节点接收到数据 ・数据传输发生冲突 ・节点数据确认发送成功 ・邻居节点完成数据交换 如果在 rA时间内,射频模块没有 侦听到这5种事件中任何一种,则认 为信道进入空闲状态,节点关闭射频 ( ),就表示相对目前的动态调整通 信量很小,需要减小动态调整的值, 使睡眠时间延长节约能量。 自适应MAC协议(AC—MAC)[ 1的基 包RTS/CTS/ACK与数据包DATA的发 送信道不同,即在协议中使用双信道 传送,传送RTS/CTS/ACK控制包的信 道为控制信道,传送DATA数据包的 信道为数据信道。 将上述协议与S-MAC协议的性能 比较总结,可得表1。 本思想是:根据在MAC层中排队的数 据包数量表示通信量的大小,记为 ;通过针对应用函数尼:,(N,-)和公 式 —1i ̄—S/CT ¥"I一-I skep得到 这个小周 期来划分原来的大周期,这里 表 示帧时间大小,毋为 通过针对应用 模块,进入睡眠状态。 样式MAC(P-MAC)协议I41中节点 及其邻居节点对自己将来几个时隙 内的睡,醒的计划用一个比特串表示 出来,在该协议中,称这种比特串为 “样本”,节点依靠自身以及邻居节 点的“样本”便可适应性调节,形成 自己的调度表。 通过以上分析比较可以看到,基 于竞争的MAC协议今后应在以下几 个方面展开研究: 函数的映象,,为针对应用函数 增加 了原来动态调整中发送数据的机会。 2.2区分数据包与控制包发送条件 f11在保证一定的节能性的前提 下,在各种性能指标之间进行折衷。 因为在达到节能的同时必然牺牲延 时或吞吐量性能,因此应在保证延时 的改进 流量感知节能的MAC协议 (TEEM)t51中发送的同步包SYNC划分 为两种,一种是SYNCed(表示节点中 和吞吐量的条件下,实现节能。 (2)增强协议对服务质量(QoS)保 障的支持,随着各种应用的发展,能 为不同业务提供不同的服务质量保 在S—MAC协议中,节点发送控制 包RTS/CTS/ACK与数据包DATA均采 用相同的条件,如发送功率、信道条 件等等,但实际中,控制包的长度一 有数据包在排队准备发送),另外一 种是s y=^ h(表示节点没有数据包 需要发送)。当节点收到S y=^ ,.的时 障显得越来越重要。对于具有QoS支 持能力的无线传感器网络的MAC协 议有待进一步研究。 候,它会在原来发送数据包的时间内 睡眠。当节点收到Sy』vc 的同步包的 般比数据包小很多,而且控制包中内 容不重要。功率控制MAC协议 时候,它会直接回复CTS数据包,开始 通信过程。 参数U—MAC协议[61中,定义了一 个变量 并且有: t (PCSMAC)与双信道MAC协议 fDCMA/AP)就是针对S-MAC协议的这 f3)与其他层的结合,跨层的协议 实现起来相对复杂,但跨层的设计协 议可以使各个方面的网络性能都达 到最好。 个缺点,区分控制包与数据包的发送 条件,节约能量。 PCSMAC协议中,节点发送控制 包RTS/CTS/ACK与数据包DATA的发 l rx'l"ltx ( ) 3结束语 传感器网络是目前通信界最新 研究热点,具有广阔的应用前景。通 过近几年的研究,人们对传感器网络 MAC协议设计要求的认识已经逐渐 其中: 表示接收所用的总时 间; 表示发送所用的总时间; 闲状态的总时间。 根据实际计算的 的大小来动态 调整。如果 的值大于流量上限 空 送功率不同。 节点的调度表中增加了节点与 各个邻居节点通信所需要的最小传 输功率表。这样节点在传送 RTS/CTS/ACK时,选取功率表中最大 下转第46页 中兴通讯技术41 维普资讯 http://www.cqvip.com 鞠鸣等:一种在MPEG一4编码过程中提高实时性的算法 ZTE C0MMUNlCATl0NS 我们还在MPEC-4编码器中使用 该算法进行了测试,测试的硬件平台 是DAM ̄I6P图像处理平台,测试结 掩模矩阵的计算基于宏块,处理的数 据量与基于像素的掩模矩阵的计算 相比大为减少,仅为基于像素的掩模 矩阵计算的1/64,从而使处理速度相 应提高了很多,适合实时应用。在对 视频会议、视频电话、视频监控这些 5】黄波,杨勇,王桥,等.基于模糊聚类和时域跟 踪的视频分割【J】.通唐学报.2001.22(12): 22-28. 果表明使用该算法的编码器平均处 理一帧所需的时间为0.037 s,帧格式 61包红强,张兆扬.一种基于区域Gibbs势能函数 的视频运动对象分割算法【J】.通信学报. 2005。26(6):57—61. 71张旭东,卢国栋,冯健.图像编码基础和小波压 缩技术[MI.北京:清华大学出版社.2004. 8】Gonzalez RC。Woods R E.Digitalimage 为cIF格式,其效果具有很好的实时 性,而如果在编码前采用速度相对较 快的对称差分法进行分割然后再进 行编码,处理同样一帧所需的时间为 0.09 s。 具有静止背景特点的视频压缩编码 时,通过本文的方法可以快速有效地 只对感兴趣的运动区域进行编码,而 不对背景编码,在解码端再进行背景 和前景的合成,这样能较大地提高编 码效率。 prcessiong[MI.Second Edition.北京:电子工 业出版社。2004. 收稿日期:2007一O1—17 从对比中可以看出本文所采用 的算法具有较高的实时性。 3结束语 针对现有视频分割算法为了获 取好的效果不便实时处理的情况,本 文提出了上述算法。本算法的特点是 避开在视频编码前花大量处理时间 4参考文献 【1】ArnelI F,Petersson L.Fast object segmentation from a moving camera【C】 //Proceedings of 2005 Intelligent Vehicles svmposium,Jun 6—8,2005,Las Vegas,NV, USA.Piscataway。NJ。USA:IEEE。2005: 136-141.  -i ≯ ≮薹薯曩 ll_ _鞠鸣,南京邮电大学涸瞻与 信息工程学院在读硕士研究 生,研究方向为IP与宽带网 络中语音与图像处理。 进行视频对象的分割,而在编码过程 中利用运动估计的结果进行运动物 【2】KIM Changick,Hwang Jenq—Neng.Fast and automatic video object segmentation and tracking for content—based applications【JI. IEEE Transactions on Circuits and Systems forVideoTechnology,2002,12{2):122—129 【3】Chien Shao—Yi,MA Shyh—Yih,CHEN 体的分割。 在分割得到运动物体之后,无需 再重新进行运动估计,只需将原先用 于分割的运动估计的结果,根据分割 出运动区域中心点的坐标位置,做相 应的坐标变换即可。 Liang—Gee.Efficient moving object segmentation algorithm using background registration technique【Jl lEEE Transactions on Circuits and Systems for Video 从实验的结果中可以看出分割 效果比较理想。另外本文的运动区域 ...上接第41页 明确【 l。 TechnologY,2002,1 2(7):577—586. 【4】Tsaig Y,Averbush A.Automatic segmentation ot mowng obiect in video sequences:a region Iabeling approach【JI.IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 何鸿,江苏大学计算机科学 与通信工程学院在读硕士研 究生,研究方向为图像处理 2002.1 2(7):597261 2. Distributed,Apr 4—8,2005,Denver.CO.UsA. Piscataway.NJ.USA:IEEE Computer Society 20o5:8. Wireless Sensor Networks,Jan 31-Feb 2. 2005,Istanbu1.Turkey.Piscataway.NJ.USA: IEEE Computer Society,2005:81—92. 当然,就无线传感器网络而言, 设计出一种可以满足各方面要求的 MAc协议是不现实的,应该针对不同 应用的要求,灵活采用不同的方式, 4】SUH Changsu。KO Youngbae.A tra仟ic aware enery e仟igcient MAC protocoI for wireless sensor networks【C]//Proceedings of InternationaI Symposium on Circuits and Systems:Vol3,May 23—26。20o5,Kobe。Japan. New York,NY,USA:IEEE,2005:2975—2978. 8】纪阳,张平.无线传感器网络的体系结构【J】. 中兴通讯技术,2005,"{4):32—36. 9】苗付友,熊焰,卫国.一种无线传感器网络简单 按需路由协议【J】.中兴通讯技术, 2005,11{4): 42-46. 设计出合理的MAC协议。 5】、,ANG Shihhsien.TSENG Hungwei.WU E H K.et al Utilization based duty cycle tuning MAC protocoI for wireless sensor networks 收稿日期:2006—10—12 4参考文献 1】于海斌.曾鹏.梁口.智能无线传感器网络系统 【M】.北京:科学出版社,2006:68—1O2. 2】YE Wei,HEIDEMANN J,ESTRIN D.Medium access contro1 with coordinated adaptive 【C]//Proceedings of IEEE GIobaI Telecommunications Conference:Vol6,Nov 28一Dec 2,2005,St Louis,MO,USA. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2005:5. 6】AI Jin,KONG Jingfei,TURGUT D.An adaptive coordinated medium access controI for wireless sensor networks【C]//Proceedings of Ninth InternationaI Symposium on Computers and Communications:Voll。?Jun 28-Jul1。 2004,Alexandria,Eqypt.Piscataway,NJ,USA: IEEE Computer Society。2004:214—21 9. sleeping for wireless sensor networks【JI IEEE/ACM nsactions on Networking.2004。 1 2(3}:493—506. 3】ZHENG Tao.RADHAKRISHNAN S. SARANGAN V.PMAC:an adaptive energy—eficifent MAC protocoI for wireless 江重,南京邮电大学在读硕 士研究生,主要研究方向为 无线传感器潮终 、 7】NAR P C。CAYIRCI E PCSMAC:a power controlled sensor口MAC protocoI for sensor networks【C】,/Proceedings of 1 9th IEEE InternatonaIi Symposium on ParalleI and wireless sensor networks【C]//Proceeedings of the Second European Workshop on 46 中兴通讯技术 

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