无线传感器网络调度机制探究

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1、无线传感器网络调度机制探究　　摘要：无线传感器网络的能量主要被无线通信所消耗，延长网络生命周期的办法是尽量减少数据的接收，在空闲的期间关闭监听并进入休眠状态。该文在B-MAC协议的基础上实现一种调度机制，让终端节点大部分时间处于休眠状态，通过分析证明该机制可以有效减少终端节点的能耗。关键词：无线传感器网络；MAC协议；能量高效；调度机制中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）19-4395-037无线通信消耗了无线传感器网络的绝大部分能量，这其中包括发送、接收、监听三类任务。调度机制就是需要协调节点间发送和接收的时间，尽量减少不必要的接收和监听

2、，从而降低网络能耗。研究人员对无线传感器网络的调度机制做了大量的工作，目前有两大类主流的调度机制：（1）调度机制跟MAC协议集成在一起，例如B-MAC[1]，S-MAC[2]等，MAC层不但负责信道分配，还要控制节点在睡眠、发送、接收、监听等状态之间的切换；（2）独立的调度协议，与MAC层无关，MAC层只需为数据的发送提供最基本的冲突退避机制。其调度是建立在路由拓扑的基础之上，比如FPS[3]，DB-TDMA[4]等。FPS负责为父节点与子节点之间协商数据收发的时间，除收发时间之外节点均将处于睡眠状态。独立的调度协议需要时间同步机制，实现时间同步消耗大量能量，且这类算法实现相对复

3、杂。由于B-MAC是TinyOS系统[5]默认MAC协议，其应用非常广泛，该文在B-MAC的基础上实现一种低功耗的调度机制。1系统概述无线传感器网络包括终端节点、路由节点和基站组成。这些节点通过路由协议组成一颗树型结构，如图1所示为一种典型的无线传感器网络拓扑结构图。终端节点为树的叶子节点，负责感知环境信息，选择路由节点作为父节点。路由节点组成通信网络，即树的枝干，负责将终端节点采集的数据经过多跳转发到基站。基站是树的根，所有的感知数据都在基站汇聚和融合。7在B-MAC协议中，所有节点通过周期性的休眠机制来降低能耗，假定节点的休眠周期为T（B-MAC提供多种模式来调节T的大小），

4、即节点以时间T为周期醒来监听信道。发送节点在发送数据前，先发送前导码，其前导码的发送时间必须>T。这样可以确保数据的发送将会被所有的邻居节点所监听到并接收。这种机制没有考虑无线传感器网络节点的不同角色，对于终端节点其周期性监听机制造成了大量不必要的能量浪费。该文让不同角色的节点选择不同的调度机制：路由节点沿用B-MAC默认的调度机制，而终端节点采用一种改进的调度机制。2调度机制在没有时间同步与协商的情况下，路由节点不能预知什么时候需要接收来自孩子节点的数据包。在B-MAC协议中，为了确定数据能被接收，路由节点必须监听与接收每个邻居发来的包。B-MAC的模式4被选为路由节点的调度，

5、该模式是B-MAC的最佳工作模式。路由节点每隔100毫秒醒来，监听信道，如果有数据需要接收，则接收数据，否则进入睡眠，在下一个100毫秒醒来。发送节点需要在发送数据之前，发送长度至少为100毫秒的前导码，这样可以确保所有的邻居都可以醒来同步接收该数据包。7终端节点不需要转发数据，把自己采集的数据发送给路由节点即可，终端节点周期性采样与发包，因此终端节点能预测自己什么时候需要发送数据。在基于B-MAC协议上，我们为终端节点提出了一种简单调度机制。该机制在支持数据包发送与睡眠调度之外，还必须接收配置参数信息。每个节点有两种状态：睡眠状态与活动状态。当终端节点需要与其路由节点通信，那么

6、它进入活动状态。由于在B-MAC中要求通信双方必须使用同一模式，所以终端节点在活动状态使用B-MAC模式4。终端节点在确定的周期醒来感知环境，然后将数据包发送给它的路由节点。在发送数据包时，它将自己的配置参数版本号附带在数据包中，当路由节点接收到数据包时，检查版本号，如果与自己的版本号一致，则回复ACK标识为0；否则回复ACK标识为1，路由节点立即发送新版本的配置参数给终端节点。终端节点发送数据后，等待ACK：1）如果收到ACK且标识为0，则节点进入睡眠状态；2）如果ACK标志为1，则等待接收新的配置信息，如果成功接收新的配置信息，则回复ACK并进入睡眠；3）超时没有收到ACK则

7、重传，如果重传次数超过一定阈值，则进行路由维护，选择新的父节点。3能耗分析下面我们对改进的调度机制与B-MAC的模式4之间的能耗进行分析。忽略参数更新与控制包交换所消耗的能量，终端节点的能量消耗主要由发送数据包（Etr）、感知环境（Es）、接收数据包（Erx）、空闲监听（Elisten）、与睡眠（Esleep）这几部分的能耗组成，总的能耗用E表示，如式（1）所示。其中n是邻居节点个数；T是采样间隔，假定采用周期为5分钟，则T=5*60=7300秒；V为电压；Nlisten是在时间