基于最小跳数的跨层mac（mhc—mac）协议

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1、基于最小跳数的跨层MAC(MHC—MAC)协议【摘要】针对已有无线传感器网络屮协议栈各层往往只关心不同的性能指标，缺乏层间交互和信息共享，以及网络生存时间有限的缺点，提出了一种基于最小跳数的跨层MAC协议，解决了非通信节点的“强迫唤醒”问题，并在转发选举时采用设定搜索角度的竞争系数，让能量有变化的节点只需向有价值的邻居节点广播自己的信息，解决路由选择问题。仿真结果表明，该方案在降低网络能耗的同时可延长网络寿命。【关键词】无线传感器网络跨层邻居节点中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1006-1010(2013)-14-1引言目前大多数MAC协议都是利用

2、无线传感器网络的协作性质以及其相关特性，这在一定程度上提高了能量的效率。同时这些协议有着最主要的共性——延续了传统的层次协议结构，它们虽能在每个协议层的某些指标方面获得很高的执行能力，但在降低能耗方面并不能使得整体网络性能呈现最优化。考虑到无线传感器网络的能源稀缺以及处理能力有限的特点，实现各层协议的共同优化和设计，即跨层设计[1,3],对于处理传统层次协议结构具有十分广阔的前景。所谓跨层设计就是共享网络各层次的相关信息，它并不是对已有分层模式的完全否认，而是打破各层次之间的界限，充分融合网络中各个子层的参数信息。跨层设计的思想如图1所示：图1跨层设计示意图在本

3、文的安排上，首先回顾近几年一些为无线传感器网络设计的通信协议，然后设计提出了融合网络层和MAC层的一种简单跨层协议。2跨层交互机制2.1PI1Y+MAC文章提出在物理层的设计上使用以脉冲无线电超宽带技术为基础的频识别系统［4］。设计提出的自适应传输算法在不同的场合下都显示出了较好的取舍灵活性，满足了QoS和传输速率参数的要求。经过理论分析、专用的实验设计和实现，证明了该体系结构的有效性。Chan等人提出了一种基于跨层的载波监听机制［5］,用以解决隐藏/暴露终端，称为MP方案。该方案使用基于MAC地址的物理载波侦听来判断信道是否繁忙。在MP屮，信息包的源地址和目标

4、地址被写入了PHY的头部。通过在其载波监听阶段使用这个地址信息，能够大幅度降低节点的隐藏/暴露等不良情况。2.2MAC+NTWMitchell等人提出了一种新颖的MAC协议［6］,创建空中平台达到分布式协调的目的，从而降低网络整体能耗。协议采用平台作为整体的数据收集装置，收集包括拓扑结构、调度信息在内的网络信息，使得可以全局考虑网络的调度安排。但是该协议所提出的空中平台过于理想，并没有考虑众多的不良因素。Macro协议［7］属于另一个结合MAC层和网络层的MAC协议，在MAC层采取路由决策作为成功竞争信道的结果，下一跳节点的选择是基于加权因素和传输能量的增加，直

5、到达到最优选择为止。2.3NTW+APPYuan等人提出一种融合网络层和应用层的解决方案［10］,用以延长无线传感器网络的生命周期。其中QoS参数作为簇头节点自适应编码调制方案的参考对象，适用于计算传输时的误码率。仿真发现,恰当的QoS参数可以提高簇之间的数据包传输速率，降低端到端的延迟，并将首个传感器节点的生命周期至少延长了60个周期。在最新的关于水下传感器网络(UW-ASNs)［11］的应用中，研究者提出一个地理路山方案，与传统方案不同的是路山表的建立过程并不依赖于视线传播，而是利用定向天线进行反射，显著改善了链接路由过程。此外该方案不但优化路线选择，而且使

6、网络具有较大的吞吐量。2.4多层解决方案文献［10］中提出了通过联合路由、时间表和MAC层的联合优化方案，来实现无线传感器网络寿命最大化的自适应策略。笔者提出了一种可变长度的TDMA设计思路，可根据路由需要最优化分配时隙的长度，最小化网络能量消耗，其中包括传输能耗和路由能耗。研究表明，单跳通信在电路能耗而不是传输能耗占能耗支配地位的情况下最佳。但是随着所涉及到的层结构的增加会引起方案复杂性的增加，同时也会造成传感器节点成木的增加。因此，如何综合考虑跨层优化方案尤为重要。文献［11］提出了一个应用于集群无线传感器网络的节能调度算法，通过结合网络层、MAC层和物理层

7、信息来优化TDMA时间表信息，实验表明该算法有效地提高了网络效率，减少了信道干扰，降低了端到端的延迟。3MHC-MAC协议设计本节提出一种融合网络层和MAC层信息的跨层MAC协议：基于最小跳数的跨层MAC协议(MinimumHopCountCross-layerMAC,MHC-MAC),旨在从提高能效利用率和平衡能量消耗方面延长网络生命周期。该协议属于S-MAC的改进，但不同于S-MAC协议，数据转发节点不再单纯由网络层路由协议规定，而是进行选举转发节点，节点剩余能量越多，最小跳数越少，则提供数据转发的概率越大，越优先成为转发节点。它实现了路由选择功能，降低了节

8、点能耗，同时避免了重复人