无线传感网中一种基于即时信息的TDMA方案

媒体访问控制（MAC）协议对无线传感网的性能具有重要影响。根据无线传感网在网络性能方面的要求，针对现有无线传感网协议在节点能耗和时延方面的不足，提出了一种IM-TDMA方案，根据节点流量的变化，动态地调节帧长，提高信道利用率；同时采用计数器管理及续传优先的调度方式，简化了调度复杂度，降低了节点能耗。仿真结果表明：IM-TDMA方案能有效地节约能耗。降低时延，可运用于实际无线传感网的MAC协议方案中。

0引言

无线传感网络（Wireless Sensor Network）是由许多在空间中分布的自动装置组成的一种无线通信网络，这些装置使用传感器监控不同位置的物理或环境状况（比如温度。声音。振动。压力。运动或污染物），并相互协作，共享信息。无线传感网络最初起源于战场监测等军事应用，现已被应用于很多民用领域，如环境与生态监测。健康监护。家居自动化以及交通控制等。其应用价值，已引起世界多国军事部门。工业界和学术界的广泛关注。

无线传感网有TDMA和CSMA两种基本的MAC协议方案。其中基于TDMA的MAC协议实现信道分配的机制简单成熟，它没有CSMA竞争机制的碰撞和重传问题，而是为传感器网络中每个节点分配独立的时隙用于数据发送或接收，数据传输时不需要过多的控制信息，且节点在空闲时能够及时进入睡眠状态。因而在节点无移动且网络部署情况已知的场景，采用TDMA方式进行通信，可避免信道冲突以及冲突引起的丢包和能量损耗；保证数据传输的实时性和可靠性；令节点在不工作期间进入睡眠状态，以保存能量。这些特点很适合无线传感网中的节能要求。近年来，有很多基于TDMA的改进方案，像LEACH.BCMAC等。这些新的方案虽然在资源节约。性能提高上有了一些改进，却存在调度方式复杂。时延过大。信道利用率低。资源浪费等不合理性。因此寻求新的方案以改进存在的问题，仍然是业界面临的迫切任务。

1问题描述

现有无线传感网中，基于TDMA的MAC协议大多是与簇的组网方式相结合。将网络划分为若干个簇，每个簇选举一个簇头节点做为集中控制点，对簇内成员进行TDMA调度，各簇内成员在其分配的时隙内发送数据。

典型的有LEACH协议，该协议以轮为单位周期性执行簇的重构过程。如图1所示，每轮分为簇的形成阶段和簇的稳定阶段。簇的形成阶段，主要完成簇头节点的选择。广播。建立和调度机制的生成。簇的稳定阶段，分为调度阶段和数据传输阶段。调度阶段，簇头根据收集来的簇内节点的信息，将数据传输阶段分配为n个长度相等的帧，每个帧内的时隙又固定分配给簇内的成员，每轮只调度分配一次。数据传输阶段，根据调度结果，每个簇内成员在每帧中的固定时隙内进行数据传输。每轮数据传输阶段之后进行下一轮的簇重构过程。这种基于簇的TDMA协议，采用周期性的选举簇头的方法，使得各簇头节点的能量得到均衡，延长了网络的工作寿命；但是在每一轮中只进行一次调度，且n个帧的长度相等，各节点在帧内的时隙固定。如图1所示，假设在一个帧内只有第1.5.m三个节点有数据需要传输（图中的阴影时隙，即表示有数据传输），则无数据传送节点所占用的固定时隙就会被浪费，从而造成了信道利用率低下，时延加大。同时由于簇头起到的是转发信息的功能，因而在整个帧内，簇头都需要保持监听状态，浪费了簇头的能量。


图1 LEACH调度协议

类似的还有BCMAC协议，如图2所示，该协议与LEACH协议在簇的形成阶段相似。在稳定阶段对TDMA协议进行了一些改进，即在每帧开始时，由那些有数据传输的节点向簇头发送申请，簇头节点根据申请情况来分配时隙，并向簇内节点广播调度方法，每个需要发送数据的节点获得一个确定的发送时间，没有数据需要发送的节点则处于睡眠状态，并在下一帧开始时苏醒。假设只有三个节点有数据传输，则簇头节点将节点信息收集起来进行时隙分配。由于簇头无需在整个帧长内保持侦听且无数据传输的节点可以处于睡眠状态，因而节约了大量的能量。同时由于采用了固定帧长，仍然会有时隙被浪费，因而没有提高信道利用率，时延依然很大。该方案中，簇头需要广播各个节点的ID号及调度方案，增加了调度开销，增加了能量消耗。本文提出的IM-TDMA方案是在现有TDMA协议的基础上，通过变长帧长来适应网络流量变化，提高信道利用率，降低时延；并通过计数器管理方式来进行TDMA调度，降低调度复杂性，减少调度开销，降低能耗；同时选取合适的时隙大小，进一步优化网络性能。


图2 BCMAC调度协议

2 IM-TDMA方案描述

2.1基本算法

IM-TDMA方案与LEACH协议和BCMAC协议在簇形成阶段类似，如图3所示，仍是按轮运行的，每一轮由簇形成阶段和簇稳定阶段组成。簇形成阶段，完成成簇。簇头选举及时钟同步的任务；簇稳定阶段，根据节点的流量，分为n个长度不等的帧，即每帧有几个节点需要传输数据就分配几个时隙。如图3所示，假设一帧中有3个节点有数据传输，则该帧就只由3个时隙组成。该方案将每帧分为时隙申请。调度和数据传输三步。


图3 IM-TDMA调度方案

2.1.1时隙申请

这一阶段主要按照节点ID顺序，给每个节点分配一个信令小时隙，每个信令小时隙占用1 b用于向簇头申请时隙。有数据需要传输的节点在自己的信令小时隙内发送申请时隙的信息，触发簇头计数器，随着申请节点数的增加，计数器值依次增加，每个节点触发计数器得到的计数值即为该节点在本帧的时隙位置值。由于各节点在各自不同的信令小时隙内向簇头发送申请时隙的信息，因此不会发生碰撞。在此过程中，对上一帧中未传完的数据节点优先分配信令时隙，即在每帧开始时先给在上一帧中未传完数据的节点申请时隙，以让续传信息优先完成数据传输，然后再给在本帧中有数据传送的节点申请时隙，且每帧中每个节点只能进行一次时隙申请。具体的时隙分配过程如图4所示，每一帧信令时隙S0由两部分组成，第一部分S0为续传申请时隙，其由h个信令小时隙组成，h为前一帧数据传输所占用的总时隙数，且在每轮数据的第一帧，h值为0.第二部分S02由m个信令小时隙组成，m为该簇内的所有节点数。由于每帧每个节点只能发送一次申请时隙的信令信息，因而在S01中申请时隙的节点不会在S02中重复申请时隙。如果某个节点在上一帧中有未传输完的数据，需要在本帧中传输，假定其在上一帧中的第i个时隙传送，则在本帧中S01时隙的第S01i个信令小时隙发送申请时隙信息，触发簇头计数器加1，计数器的值即为该节点在本帧中传送的时隙位；如果某个节点在本帧中有需要传输的数据，假定其信令小时隙是第j个，则在S02时隙中的第S02j个信令小时隙中发送申请时隙信令，触发簇头计数器加1，计数器的值即为该信息在本帧中传送的时隙位。计数器在每轮开始时，初始化为0，并在每帧时隙申请完成之后立刻置0.

2.1.2调度分配

这一阶段簇头根据时隙申请及触发计数器生成的计数结果，广播一个调度结果。该调度分配结果将数据时隙分为两部分。第一部分是在S01申请续传的时隙，假设有p个；第二部分是在S02申请新传的时隙，假设有q个。

这两部分所占用的时隙数之和，即为下一帧用于申请续传信息的信令小时隙的h（h = p + q）值。


图4 帧结构图