林铭瀚，胡永洪，薛毓强，凌飞鸿

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建　福州　350116； 2.国网福建省电力有限公司，福建　福州　350002)



无线传感器网络的SMAC协议跨层优化

林铭瀚1，胡永洪2，薛毓强1，凌飞鸿1

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350116； 2.国网福建省电力有限公司，福建福州350002)

针对无线传感器网络中，由于个别节点因能量消耗大而加快网络消亡问题。本文采用能量均衡思想对SMAC协议进行跨层优化，提出了b-SMAC协议，节点可根据路径能耗来更新路由表，有效优化选择下一跳的节点，达到无线传感器网络中节点能耗均衡的目的。NS-2软件仿真结果表明，b-SMAC比SMAC协议更有效解决能量非均衡消耗问题，减少了网络消耗，延长了网络生存周期。

WSN；热点问题；SMAC；跨层优化

1　引言

无线传感器网络(WSN)是由大量传感器节点所组成的 “多跳”传输的自组织网络。无线传感器网络具有易布署，覆盖范围广，可进行远程监测，成本低廉等优点，因此被广泛应用于环境监测、军事、工业控制等多种领域。可以预见的是，WSN因其优良特性在未来将拥有更加广泛的应用空间[1-3]。

因布署环境限制，无线传感器网络中的节点绝大部分由电池供电。此外，布署节点的数量多，环境复杂，后期电池更换不便,而节点能量是有限的，如何在节点能量有限的情况下，提高节点的续航能力成为当今研究的热点。在物理层(MAC)当中，节点的主要能耗主要来自①数据发送；②载波侦听；③数据重发；④协议开销等[4]。现如今，应用较多的MAC协议有SMAC协议、TMAC协议、DMAC协议等。

本文基于SMAC协议的特点，提出了b-SMAC(balanced-SMAC)协议。该协议的主体思想是节点根据路径能耗来更新路由表，优化选择了下一跳的节点，进而使网络能量均衡，延长了网络生存周期。

2　SMAC协议

SMAC协议是一种基于竞争的媒体访问控制协议，其主要功能是降低节点的能耗，以延长节点的生存周期。其基本思想是每个节点在网络初始化时，就通过SYNC广播包以同步调度表，并结成同步调度表虚拟簇。每个节点基于同步调度表进入睡眠—侦听的工作机制以降低节点能耗[5-6]。节点在进行数据传输时，需先通过握手机制竞争到传输信道，在其他节点的睡眠时段进行数据传输直至传输完成。

2.1周期性的睡眠—侦听

周期性的睡眠—侦听是让每个节点间歇性的进入睡眠状态以节约能量，当定时器时间到的时候则唤醒侦听信道。SMAC协议睡眠机制如图1所示。

图1SMAC协议睡眠机制

为了保证数据传输，SMAC协议引入调度表制度用以同步节点之间的睡眠时间。每个节点广播同步包(SYNC)来告知邻居节点自己的调度表，用来保持相同的唤醒时间。其中，SYNC中包含的内容为节点ID，以及从发包时刻距下次睡眠的时间Tre。因此节点在接收到同步包时应减去传输时间Tdu，才为节点的休眠时间Tsleep。

Tsleep=Tre-Tdu

(1)

SMAC协议为了避免串音以及冲突，引入NAV定时器以及RTS/CTS握手机制。此外，引入能量自适应侦听机制，能有效降低通信延时累加效应，从而减少数据分组的延迟。

2.2虚拟簇机制

节点在生成并广播自己的调度表后，若又收到其他节点发来的调度表后，有两种处理方式。若节点收与自己调度相同的其他邻居的广播，就在调度表中记录该调度表，以期与非同步节点通信。若节点没有收到与自己相同的调度表，则采用邻居节点的调度表而丢弃自己的调度表。若节点采用同一调度表则形成一个虚拟簇，边界节点则同时拥有多个调度表。如图2在广阔的WSN区域中，可能存在众多不同的虚拟簇即调度1与调度2，中间节点则同时拥有2种调度表，则优先选择更早接收到的调度表，节点定期广播自己的调度表。这使得SMAC协议拥有良好的拓展性。

3　SMAC协议的改进

SMAC协议当中引入了周期性的睡眠—侦听，用以节约传感器的能量。不足在于节点之间的不同步会导致数据延迟会累加，睡眠机制也会有较大差异导致节点能量不均衡。为了更好保持网络节点之间的能量均衡。利用路由层与物理层之间的数据交互，在SMAC协议的SYNC广播包中加入路径能耗以及能量字段，实现节点能量信息的共享。最后，收到SYNC广播包得节点根据其能量信息更新其路由表。

图2　虚拟簇机制

3.1路径选择

在路径选择当中，引入路径能耗模型[8]。

E=Ecost〈h〉

(2)

其中

Ecost=ETX+ERX

=2Eelecn+εampnd∂

(3)

式(2)～(3)中，E为路径能耗值，h为跳转数，Ecost为单跳能耗值。设相距为d的两节点之间传输的数据量为n bit，发送节点能耗为ETX，接收节点能耗为ERX，则发射和接收的总能耗为Ecost。Eelec表示发射节点和接收节点每发送单位或接收单位比特的能耗；εamp表示发射增益电路将每bit传送单位平方米所耗的能量；∂为传播衰减指数，2≤∂≤5，取值范围由现场环境决定，当周围处于平坦无障碍环境时，∂取值为2。

(4)

式(4)中，节点剩余能量为Ers。Perr为链路丢包率；∂、β的取值为[0,1]，它们是衡量链路能耗和节点能耗的相关参数，式(4)由节点的邻居计算。

3.2SYNC广播字段更新

原先SYNC广播字段中的仅包含发送节点的标识和从发包时刻距离下次睡眠的时间。为实现层间的数据共享，主要通过修改smac.cc里sendSYNC()子函数实现。将式(4)计算得的单跳路径能耗参数r_cost加入到SYNC字段中形成新的字段SYNCenr即：{ID号，下次睡眠时间，r_cost，剩余能量}。

在节点接收到SYNCenr包时，根据节点的下一跳路径能耗进行从小到大排列，并将其加入路由表当中。

4　仿真验证与结果分析

在ns-2.34平台上[9]，对SMAC协议以及b-SMAC协议进行仿真验证比较。

主要仿真参数如下，节点数10个，初始能量1000J，传输耗能1.2J，接收耗能1.0J，数据量512kb，方向为0到9号节点，发包间隔1s，最大通信距离30m。

节点剩余能量对比如图3所示。从10个节点的情况来看,b-SMAC协议剩余能量平均值383.5J，极差为15J，标准差为4.88；SMAC协议剩余能量平均值为363.4J，极差为34J，标准差为10.72。因此使用b-SMAC协议，剩余能量离散程度低，能量均衡性要好于SMAC协议。

图3　剩余能量对比图

抖动率即延迟时间变化量，如图4所示。使用b-SMAC协议后传输路径的每一跳都要依据路径能耗大小进行选择，导致抖动率要高于改进钱。以节点0为例，随着节点的能量消耗，节点1与2的能量能量消耗有变化，故存在下一跳节点选择的变化。在无线传感器网络中，端到端延时的变化稍高对网络稳定影响不大。

图4　抖动率对比图

使用b-SMAC协议与SMAC协议的吞吐量均在300s左右达到饱和，二者的吞吐量比较接近如图5所示。因基于剩余能量机制的SMAC协议会根据下一跳节点的位置，优化自身调度表，以最优路径发送数据，减少节点自身的冲突域，降低节点间冲突后重发率。在负载较低时，需要发送的数据包减少，两种协议的平均吞吐量差不多。

图5　网络吞吐量对比图

5　结论

本文针对无线传感器网络中由于节点能耗不均衡而缩短整个网络生存周期，产生的“热点”问题，提出了引入路径能耗模型的改进SMAC协议b-SMAC。根据NS-2仿真平台的验证，结果表明改进后的协议更能降低能耗、均衡网络节点的能量、提高网络的吞吐量，延长了网络生存周期。综合上述分析表明，b-SMAC协议在能量有效性上明显超越SMAC协议。

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Cross Layer Optimization of SMAC Protocol Based on Energy Balanced

LINMing-han1，HUYong-hong2，XUEYu-qiang1，LINGFei-hong1

(1.College of Electrical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116，Fujian China；2.Fujian Electric Power Company Limited，Fuzhou 350002，Fujian China)

In wireless sensor network,as for individual nodes energy consumption which accelerate the demise of the network.Based on energy balanced idea to cross layer optimization of SMAC protocol,the b-SMAC protocol is proposed.To achieve the purpose of balancing the energy consumption of nodes,the node can update the routing table on the basis of energy consumption of path,optimal selection of next hop effectively.The NS-2 software simulation result shows that,b-SMAC protocol is more efficient than SMAC to solve the energy consumption problem of non-balanced in the network,extend the network life cycle.

WSN;hotspot problem;SMAC;cross layer optimization

1004-289X(2016)02-0016-03

国网福建省电力有限公司科技项目(编号：521309135004)

TP212

B

2015-04-22