鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程學(xué)院 劉 亞 陳建威 尤曉蕾

無線傳感網(wǎng)絡(luò)一種基于節(jié)能的TDMA協(xié)議分析

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信工程學(xué)院 劉 亞 陳建威 尤曉蕾

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中MAC協(xié)議節(jié)能的高低會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的性能受非常大影響。基于TDMA的MAC協(xié)議有著自身的節(jié)能性質(zhì)，即利用合適的TDMA調(diào)度使傳輸碰撞減少同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)能耗。本文引入了TH-TDMA協(xié)議，一種面向事情驅(qū)使的傳感器網(wǎng)應(yīng)用的TDMA協(xié)議。此協(xié)議依據(jù)現(xiàn)在源節(jié)點(diǎn)的數(shù)量使TDMA幀的長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)使信道使用率上升。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；節(jié)能；TDMA協(xié)議

0 引言

無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)的電源能量有限。如何提高能量的利用率，使得無線傳感網(wǎng)的壽命延長(zhǎng)成為現(xiàn)在的研究重點(diǎn)。在傳感器節(jié)點(diǎn)里，無線通信模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)由MAC協(xié)議直接影響著，網(wǎng)絡(luò)的壽命周期直接由MAC協(xié)議的能量利用率決定?；赥DMA的MAC協(xié)議里，各個(gè)時(shí)隙基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而不會(huì)發(fā)生混亂；并且移動(dòng)終端只在給定的時(shí)隙里接收消息，在很大的程度上使監(jiān)聽的空閑時(shí)間降低，所以TDMA協(xié)議有著自身節(jié)約能量的性質(zhì)。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)TDMA協(xié)議

TDMA協(xié)議多數(shù)情況下跟成簇（clustering)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式相綜合來增加系統(tǒng)的伸縮性，例如HEED協(xié)議、LEACH協(xié)議，均是隨機(jī)選取簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃為多個(gè)簇，對(duì)簇里面的成員來時(shí)隙分配并傳輸消息到簇頭。大型的無線傳感網(wǎng)非常適于基于簇的TDMA協(xié)議，可以自己來管理網(wǎng)絡(luò)，所以使系統(tǒng)的彈性大大增加。

傳統(tǒng)的TDMA調(diào)度只適合在不斷網(wǎng)羅數(shù)據(jù)的運(yùn)用領(lǐng)域，像壓力、地震的不斷監(jiān)測(cè)等。可是對(duì)于另一類的應(yīng)用----基于事情驅(qū)使的應(yīng)用，比如地震的監(jiān)測(cè)、目標(biāo)的跟蹤、火災(zāi)的警報(bào)等的應(yīng)用里存在著一定的限制。在這種情況下，在出現(xiàn)指定的事情時(shí)，數(shù)據(jù)才需要傳感器中的節(jié)點(diǎn)來傳輸，傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議并不適用，有很多弊端，比如帶寬的利用率不高，能量的利用率低。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要接連傳輸時(shí)，十分適合用傳統(tǒng)的TDMA調(diào)度。然而對(duì)基于事情驅(qū)使的應(yīng)用，由于在本幀里面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的成員節(jié)點(diǎn)不確定，所以就算沒有傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，在完整的幀長(zhǎng)里面還是需要處于監(jiān)聽的狀態(tài)，使得能源無謂消耗。

2 TH-TDMA協(xié)議描述

本文提出TH-TDMA協(xié)議，是無線傳感網(wǎng)中適用于事情驅(qū)使的一類TDMA協(xié)議。在此協(xié)議下，TDMA幀的長(zhǎng)度受現(xiàn)在源節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化而改變，從而讓信道的利用率增大。

TH-TDMA按輪來運(yùn)轉(zhuǎn)。每一輪也含有設(shè)置階段跟穩(wěn)定階段，如圖1所示。設(shè)置階段進(jìn)行時(shí)鐘的同步跟形成簇，把網(wǎng)絡(luò)里面的節(jié)點(diǎn)用簇的形式來完成組織跟管理。穩(wěn)定階段是長(zhǎng)度不一樣的n個(gè)幀構(gòu)成，每一個(gè)幀包括預(yù)約、調(diào)度跟傳送三階段的數(shù)據(jù)的收集。

圖1 TH-TDMA協(xié)議幀結(jié)構(gòu)

預(yù)約的階段包括m個(gè)mini slot，簇里面的成員數(shù)目是m，成員節(jié)點(diǎn)在設(shè)置階段能夠了解剩余節(jié)點(diǎn)的ID大小，同時(shí)依據(jù)此占據(jù)這m個(gè)mini slot。如果節(jié)點(diǎn)觀察到要發(fā)送數(shù)據(jù)即發(fā)生事情，那么會(huì)在mini slot里面跟簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸CE信息來預(yù)約時(shí)隙，CE信息可以只有1位，那么傳輸m比特?cái)?shù)據(jù)的時(shí)間是預(yù)約階段的長(zhǎng)度。

3 TH-TDMA協(xié)議調(diào)度原理

圖2 TDMA調(diào)度數(shù)據(jù)包

簇頭節(jié)點(diǎn)在預(yù)約階段收到CE信息后，在調(diào)度階段播送TDMA調(diào)度數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。這個(gè)序列包含兩部分，前一部分是現(xiàn)在幀的捎帶（piggybacking）預(yù)約，他的長(zhǎng)度是k位；后一部分是現(xiàn)在幀預(yù)約的結(jié)果，他的長(zhǎng)度是m位。第一幀數(shù)據(jù)采集時(shí)K的值是0，且k值在連續(xù)改變。之后，前面幀發(fā)送階段總時(shí)隙數(shù)是k，也是源節(jié)點(diǎn)數(shù)目，并且0≤k≤m。調(diào)度序列里面，源節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)1意味著預(yù)約了時(shí)隙，0表示相反。各源節(jié)點(diǎn)的相對(duì)應(yīng)的位在調(diào)度序列包里面的順序直接影響此幀預(yù)約的時(shí)隙號(hào)。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，在占據(jù)的時(shí)隙里面源節(jié)點(diǎn)完成傳送數(shù)據(jù)，如果在這次發(fā)送后節(jié)點(diǎn)還要傳送數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)包到簇頭時(shí)會(huì)捎帶一個(gè)標(biāo)志，來給后面一幀預(yù)約時(shí)隙，在節(jié)點(diǎn)的下一幀預(yù)約階段，不需要傳輸CE信息，僅僅知道自己后面一幀占據(jù)的時(shí)隙號(hào)在收到調(diào)度的數(shù)據(jù)包之后。

如果在調(diào)度的序列里面的1的數(shù)目是0，就是此幀無節(jié)點(diǎn)要傳輸數(shù)據(jù)，也就是特定事情不再發(fā)生,那么全部節(jié)點(diǎn)成員會(huì)休眠一個(gè)缺省的幀長(zhǎng)，像Tframe-def，來減少多次的預(yù)約跟調(diào)度。Tframe-def的設(shè)置跟相關(guān)應(yīng)用有關(guān)而跟最小幀長(zhǎng)Tframe-def不一樣，如果應(yīng)用對(duì)時(shí)間的要求不敏感，Tframe-def能夠設(shè)置的長(zhǎng)一點(diǎn)，相反能夠設(shè)置的短一些。TH-TDMA這樣的工作機(jī)制，大大降低了節(jié)點(diǎn)能耗。

4 結(jié)論

本文介紹了一種基于事情驅(qū)使的傳感器應(yīng)用的TDMA協(xié)議,THTDMA協(xié)議。此協(xié)議按照現(xiàn)在源節(jié)點(diǎn)的數(shù)量使TDMA幀的長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)的變化，讓信道的使用率上升，使得無線傳感網(wǎng)的能量利用率明顯升高。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的密度高時(shí)，TH-TDMA協(xié)議擁有比較高的信道的使用率，同樣的時(shí)間里面可以傳輸更加多的消息，完成一樣數(shù)目的數(shù)據(jù)采集時(shí)，耗能比TDMA調(diào)度花銷更加少。

[1]徐明霞,趙民建,陳杰,李式巨.應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)TDMA協(xié)議[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2008,42(11).

[2]莊雄,楊永明,丁唯,王波.一種消除無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇間干擾的TDMA協(xié)議及實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2009,22(8).

[3]鄧亞平,蔣新春,陳蘭蘭.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)TDMA MAC協(xié)議的對(duì)比和改進(jìn)研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2010,46(4).

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劉亞（1987—），女，河南鄭州人，碩士，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子通信學(xué)院助教，研究方向：無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015ZD55005）；河南省科技攻關(guān)基金資助項(xiàng)目（No.152102210137）；鄭州航院青年科研基金項(xiàng)目（2017133002）。