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无线传感器网络
SMAC
协议的分析与算法改进
The analysis of SMAC protocol for
Wireless sensor networks and its algortithm
improvement
摘要：无
线传感器网络（
WSN
）使用灵活，移动性强，架设便捷，应用
范围非
常广泛。
Abstract: Nowadays Wireless Sensor
Networking(WSN) has been widely used
because of its adaptivity, mobility and
scalability
（假设便捷）。
媒体访问控制
(MAC)
协议是保证无线传感器网络高效通
信的关键网络协议之一。
MAC protocol is
one of the most important network protocol which
guarantees
the efficiency of WSN
communication.
重点分析了
WSN
中基于竞争的典型
M
AC
协议——
SMAC
协议。
Our
major
concern
is
the
typical
contention-based
MAC
protocol
in
WSN
—
SMAC
protocol.
针对
SMAC
协议中采用的退避算法不能良好地
解决节点通信公平性等问题，提
出了
QRDB
< br>退避算法。
仿真结果表明，
该算法可以使节点在发送失败时快速逃离拥挤竞争窗口，
在发送
成功后能保持最优发送窗口，
并能定位和解决网络拥堵区域问题，
从而有效地提
< br>高了节点通信公平性，降低了信道的碰撞，延长了网络的生命周期。
The results demonstrate that by using
this algorithm, the nodes can promptly
escape
(
拥挤竞争窗口
) when
transmission is failed
关键词：无线传感器网络，
媒体访问控制
，
退避算法
Keyword: wireless
sensor networks(WSN), medium access control(MAC),
avoidance algorithm
0
引言
Introduction
无线传感器网络（
WSN
）以其独特的优势，广泛应用于气象和地理研究、
洪水、火灾检测，监视农作物灌溉情况、土壤参数变化、牲畜和家禽的环境状况
以及大
面积的地表检测等
[4
，
6]
。
WSN
has
a
wide
range
of
application
including
气象
and
geography
researches, detection of floods and
fire
……
with its
unique advantages,
无线传感器网络综合了现代传感器
技术、
微电子技术、
通信技术、
嵌入式
计
算技术和分布式信息处理技术等多个学科
[3]
[4]
。
WSN
synthesizes
many
modern
sensor
technology,
micro
electronic
technology
而在无线传感器网络中，媒体访问控制（
MAC
）协议决定无线信道的使用
方式
[8]
，主要作用是为无线节点合理分配通信资源，避免众多节点在同一时间
发射信号时产生碰撞冲突。
无线信道的使用方式
in
WSN
is
determined
by
MAC
main
function of
MAC protocol
is distributing
communication
sources
reasonably
,
avoiding collision from interfering
nodes.
对大多数传感器硬件平台而言，
无线通信模块是传感器节点能量的主要消耗
者。
As
for
most
of
sensor
hardware
platforms,
the
wireless
communication
module is the primary consumer of the
sensor nodes energy.
由图
1
所示可见，
通信过
程中发生、
接收、
空闲状态消耗了大部分的能量
[*]
。
As shown
in the figure 1, Transmitting, Receiving and
Idling dominate the
total energy
consumption.
而<
/p>
MAC
子层直接与物理层连接，即
MAC
协议直接控制着无线射频收发器
的活动，决定何时发送数据或接
收数据，所以
MAC
协议节能效率的好坏将严重
影响网络的生命周期
[9]
。
However MAC layer links to physical
layer directly, which means that MAC
protocol controls the
无线射频收发器
,
图
1
WSN
节点能量消耗图
1
SMAC
协议分析
The analysis of SMAC protocol
无线传感器网络
应用的范围非常广泛，
不同应用场合对网络
的要求都是不尽相同的。
WSN has a wide
range of
applications,
whereas the demanding of networks are
varied from different circumstances.
因此，
对
于
无线传感器网络的
MAC
协议来说，
并不存在一种适用于所有无线传感器
网络应用的
MAC
协议，也不能说某种
MAC
协议相对其他
MAC
协议在所有
方面都有
明显优势。
各种
MAC
协议均有各自的性能特点，或者倾向于提
能量有效性方面，
或者倾向于提高
网络延迟方面，
或者倾向于提高网络吞吐量方面等，
在这些性能之间都存在不同程度的矛盾<
/p>
性，且受到多方面因素的制约
[10]
。
Every MAC protocol has its
own characteristics
因此，应根据具体应用环境来决定无线传感
器网络的
MAC
协议。
Therefore the MAC protocols of WSN
should be used accordingly by the certain
circumstance.
1.1SMAC
工作机制
The SMAC
operation
mechanism
无线传感器网
络与应用高度相关，研究人员从不同的方面出发提出了多种
MAC
协议。
……………
..
< br>根据信道访问策略，
MAC
协议可分为竞争协议、调度协
议和混合
MAC
协议。
According to the channel access scheme,
MAC protocol can be sorted
as
……
.
S-MAC(Sensor-MAC)
是基于竞争机制的典型<
/p>
MAC
协议，
它是
Wei Ye
等人在
IEEE802. 11
协议的基础上
,
针对传感器网络的节省能量的需求而
设计的
[1]
。
S-MAC is a typical protocol based on
the contention mechanism
……
.
SMAC
的主要工作机制如下：
SMAC
main
operation mechanisms are as follows:
（
1
）
周期性睡眠
/
侦听机制
Periodic sleep /listen mechanism
周期性的侦听
/
睡眠机制是
< br>SMAC
协议最主要的运行机制。
Periodic sleep /listen mechanism is the
most primary operation mechanism
该机制把节点的工作周期分为侦听时间（
Listen
）和睡眠时间（
Sleep
< br>）两个大帧，
The
mechanism
divides
the
node
operation
cycle
into
two
frame,
listening
and
sleeping
period.
在保证正常工作的条件下，
通过使节
点进入的睡眠时间，
利用低占空比尽量地降低
节点的能量消耗。
可以说
SMAC
提出的这种周期性的侦听
/
睡眠机制，是整个协议运行的核
心内容。
< br>
图
1
周期性
睡眠
/
侦听机制
（
2
）
虚拟簇机制
The virtual
cluster mechanism
在同步策略方面，
SM
AC
采用了一种非常聪明的虚拟簇机制。
From
the
aspect
of
synchronize
schedule,
SMAC
exploits
a
very
smart
virtual
cluster mechanism
节点每隔
n
个侦听周期广播一次同步帧，相
邻节点通过同步帧采取相同的侦听
/
睡眠策
略，从而形成了一个同步的小网络，这些小网络
S-MAC
称之为虚拟簇。
Every
several
listen
period,
the
node
broadcasts
a
synchronize
frame.
The
neighboring nodes adopt
the same listen/sleep schedule with the
synchronize frame.
Therefore they form
a micro network which is called virtual cluster.
这样整个无线传感器网络就形成了若干个采用不同侦听
/
睡眠策略的虚拟簇，
Thus
the
whole
WSN
consists
of
several
virtual
clusters
by
listen/sleep
schedules.
如图
2<
/p>
所示。虚拟簇之间通过边缘节点来进行数据传输。
As figure 2shown, data is sent and
received between the virtual cluster through
the cluster edge node.
通过虚拟簇机制，新的节点也可以很容易地加入到网络当中。
With the virtual cluster
mechanism, the new nodes can be easily
implemented
into the networks.
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