关键词 : S-MAC ; 通信负载;延迟 ; NS-2
1 引言
随着计算机、传感器和无线通信的发展，出现了一种新兴的计算机网络——无线传感器网络[1] 。由于其广泛的应用前景，无线传感器网络受到越来越多研究人员的青睐。介质访问控制（MAC）协议决定了无线信道使用的方式，在传感器结点之间分配有限的通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键网络协议之一。
S-MAC [2]协议是一种典型的基于竞争的随机访问MAC协议，它是建立在IEEE802.11MAC[3] 协议的基础上，针对传感器网络的节省能量需求而提出来的传感器网络MAC协议。该协议具有良好的扩展性，不要求严格的时间同步，但是它也存在着节点活动时间无法根据通信负载动态变化以及节点休眠带来的延迟问题。
本文首先解析了S-MAC协议采用的机制，指出其存在的问题，然后结合T-MAC协议和D-MAC协议，提出了改进方法。最后通过仿真分析，证明了改进后的方法能使节点活动时间灵活的适应网络通信负载的变化，进一步节省了能量，同时能在很大程度上减少节点休眠产生的延迟。
2 S-MAC协议采用机制解析
S-MAC协议是一种基于竞争的控制协议，它主要采用以下机制：
“虚拟簇”机制：每个节点在每个时隙开始的时候广播含有自己调度信息的同步数据包，接受到同步数据包的节点按需要调整时钟。这样具有相同调度的节点形成一个“虚拟簇”。原则上整个网络应该工作在同一“时隙结构”，但是由于移动性和时隙调度机制，在网络中可包含许多“虚拟簇”。
周期性活动和休眠机制：S-MAC协议将时间划分为多个帧，每个帧由两部分构成：活动状态和休眠状态。在活动状态节点和相邻节点进行通信，接收或发送数据，活动状态通常固定在300ms。在休眠状态节点将其发射接收器关闭，以此减少能量的损耗，如果此时有数据要处理，就被缓存起来，等到节点处于活动状态再处理，通过周期性的活动/休眠大大减少了空闲监听造成的能量损耗。
3 S-MAC协议存在问题
S-MAC协议采用周期性的活动/休眠调度机制，活动时间通常是固定不变的，而消息速率是变化的，协议处于活动状态的时间长度不能根据网络中业务量的变化动态调整，不能有效的节省能量。
通信模块处于休眠状态的节点，如果检测到事件，就必须等到通信模块转换到活动周期才能发送数据，中间节点要转发数据时，下一跳节点可能处于休眠状态，此时也必须等到它转换到活动周期，这种由于节点休眠带来的延迟会随着路径上跳数的增加成比例增加。
4 S-MAC协议的改进
针对无线传感器网络S-MAC协议存在无法使节点的活动时间根据通信负载动态变化以及节点休眠带来的延迟问题，我们首先分析一下T-MAC协议和D-MAC协议对它的改进，然后再提出自己的改进方法。
T-MAC协议主要是针对S-MAC协议活动时间固定、无法适应通信负载变化的问题而提出来的。它在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态地调整活动时间。处在活动状态的节点，如果在一个给定时间TA内没有发生周期时间定时器溢出或感知网络发生冲突，就结束活动状态，进入休眠状态，但是引入了早睡问题。
D-MAC协议主要是针对节点休眠带来的延迟问题而提出来得。它采用交错调度机制，将节点周期划分为接收时间、发送时间和休眠时间。其中接受时间和发送时间相等，均为发送一个数据分组的时间。每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的发送时间对应上层节点的接收时间。这样数据能够连续地从数据源节点传送到汇聚节点，减少了传输延迟，但是D-MAC协议需要严格的时间同步。
结合T-MAC协议和D-MAC协议各自的优缺点，下面提出了自己对S-MAC协议的改进方法，改进后的S-MAC协议机制如图1所示：
图1 S-MAC改进
节点周期仍然划分为活动时间和休眠时间两部分，活动时间和休眠时间都不是固定的。在改进后的协议中节点周期性唤醒进行监听，如果在Δt时间内没有发生任何一个激活事件，则提前结束活动周期，减少能量的损耗。激活事件为：感知网络上发生冲突;周期的帧定时器打开;传送数据结束，等待对方发送确认信息;监听网络上的RTS和CTS数据包，与相邻节点进行数据交换。每个节点的调度具有不同的偏移，下层节点的活动时间和上层节点的活动时间相对应，这样当下层节点有数据需要发送给目的节点或从目的节点接收数据时，它就能够及时迅速的和上层邻居节点进行数据传递，最终像爬楼梯或下楼一样到达目的节点，这样大大减少了节点休眠带来的延迟问题。改进后的S-MAC协议采用ACK应答机制，发送节点如果没有收到ACK应答，要在下一个发送时间重发。节点正确接收到数据后，立刻发送ACK消息给发送数据的节点。为了减少发送数据产生的冲突，节点在等待固定的后退时间后，在冲突窗口内随机选择发送等待时间。
此外采用自适应占空比机制，根据网络流量变化动态调整整条路径上节点的活动时间。当传输的数据量比较大时，节点可能需要在一个发送周期内发送多个分组，此时需要增加节点的占空比，并请求传输路径上的节点也相应的增加占空比。通过在传输路径上进行逐跳预约，能够大大提高网络的数据传输率。
5 仿真分析
本文采用了由UC Berkeley 开发的、面向对象的、离散事件驱动的网络环境模拟器NS-2对改进的S-MAC协议进行了仿真，也可以用TOSSIM作为无线传感器网络仿真环境[4]。NS-2这种仿真软件以脚本作为输入，脚本描述了网络拓扑结构、网络协议、网络负载，以及一些控制参数。NS-2输出的是一系列的数据，如每个数据源所发送的数据包数量，每个网络节点处的延迟等等。
在仿真实验中我们对原S-MAC协议和改进的S-MAC协议分别收集以下性能评价参数来比较分析：能量开销和延迟,根据消耗的能量多少来判断活动时间是否改进。其定义分别为：
能量开销（energy overhead）：从源点到目的节点发送一定数量的包的总的花费。
延迟（latency）:传输一个包端到端的时延。
仿真中有关参数设置如下：
无线设备带宽100kbps,传输范围250m,干扰范围550m,包长度100字节，传输功率0.66瓦，接收功率0.395瓦,空闲监听时耗电0.35瓦,休眠时耗电忽略不计设为0。根据无线参数和包的长度,S-MAC协议的活动时间设为20ms。改进后的S-MAC协议的活动时间不固定，受其周围环境和邻居节点收发数据的影响，其值应小于20ms。
下面在简单的多跳链式拓扑结构和随机分布的拓扑结构中分别进行仿真。
为了在一个相对可靠的环境下研究验证S-MAC协议改进后的性能，我们首先在一个简单多跳的、11个节点组成的链式拓扑逻辑结构中进行测试。邻居节点的距离被配置为100米。
模拟结果如图2所示：
图2.1 能量分析
图2.2延迟分析
图2.1描述了多跳链式拓扑结构中S-MAC协议和改进后的S-MAC协议在能量开销上的对比，两种MAC协议的能量开销都随着跳数的增加而增加。从图2.1看出当跳数增大到5以后，改进后的S-MAC协议几乎比原来的S-MAC节省了近一半的能量。因为改进后的S-MAC协议的活动时间根据通信量的多少变化，原S-MAC协议对一些不是下一跳的节点也发送数据包，占用了额外的活动时间，造成了能量的浪费。
为了验证改进后的S-MAC协议在减少节点休眠延迟方面的能力，我们测量在轻负载的情况下数据包端到端的延迟。图2.2显示了在不同跳数情况下的模拟结果，改进后的S-MAC协议比原来的S-MAC 协议在延迟方面有明显好转，特别是在4跳以后，改进后的S-MAC协议比原来减少了大约60%的延迟。因为采用交错调度机制使数据能够连续的从源节点传送到目的节点，减少节点的休眠带来的传输延迟。
议改进后的效果。50个节点随机的配置在100＊500m2的区域，我们通过在网络边缘的节点中随机选择来改变源节点的数目，所有的源节点每3秒产生一条消息。
图3.1 能量分析
图3.2 延迟分析
图3.1和3.2分别在能量和延迟方面对S-MAC协议及其改进后的协议进行分析。这是在更为真实复杂的环境下对协议进行的仿真。从图3.1可以看出原S-MAC协议随着源节点数目的增加，消耗的能量线性上升，而改进后的S-MAC协议能量消耗的曲线近似平滑直线，大致在500焦耳左右。图3.2反映了改进前后的S-MAC协议延迟的对比，随着源节点数目的增加干扰增加，导致原S-MAC延迟的不断增加，在36个源节点的时候延迟达到2.7s，而改进后的S-MAC协议因为使数据连续传输受干扰较小，最大延迟只有1.6s。
6 结束语
本文对无线传感器网络S-MAC协议进行了深入的分析，指出了S-MAC协议存在的问题，然后结合无线传感器网络T-MAC协议和D-MAC协议，提出了自己的改进方法。通过仿真分析，结果表明该方法有效地减少了节点空闲监听造成的能量损耗，缓解了节点休眠引起的传输延迟问题，改进效果明显，具有实际意义。
参考文献
[1] Akyildiz LF, Su WL, Sankarasubramaniam Y, Cayirci E. A survey on sensor networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2002, 40（8）:102～114.
[2] Ye W, Heidemann J , Estrin D.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor network[C] . In: Proc 21st Int’l Annual Joint Conf IEEE Computer and Communication Societics （INFOCOM 2002）,New York ,NY, June 2002
[3] IEEE802.11 Wireless LAN Medium Access Control and Physical Layer Specifications[S],1997
[4] 袁红林，徐晨，章国安. TOSSIM:无线传感器网络仿真环境[J].微计算机信息，2006，7-1：154-156
