无线传感网中一种基于即时信息的TDMA方案

下面以一个实例来说明：

假设有m个节点，如图5所示，用Ip表示第p个节点所传的数据信息内容，用Sq表示第q个时隙，用S01i表示S01信令时隙中第i个信令小时隙，用S02j表示S02信令时隙中第j个信令小时隙。计数器的值在系统形成时已初始化为0.假设在第一帧中节点3.5.8有数据传输，因为是第一帧，所以不存在续传信息，即没有S01信令时隙，只有S02信令时隙。节点3在S02时隙中的第S023个信令小时隙中向簇头发送申请时隙的信息，触发记数器，因为该帧开始时，计数器初始化为0，因而触发后其值为1，故节点3的数据在第1时隙中传输，可表示为I3在S1中传；同理节点5在S02时隙中第S025个信令小时隙中向簇头发送申请时隙的信息，触发记数器，记数器值增为2，表明节点5的数据在第2时隙中传输，表示为I5在S2中传；同样的道理可得节点8的数据在第3个时隙中传输，即I8在S3中传。第一帧时隙申请完之后，将计数器置为0.这样在第一帧中，节点3.5.8的数据依次在S1.S2.S3三个时隙中传输。第一帧的时隙总数为3（即下一帧的h值）。在第二帧中，假设节点3.8的数据在第一帧中未传送完，需要在第二帧中续传，同时节点1.4.9在本帧中有数据需要传输。由于前一帧的时隙总数为3，因而本帧的h值为3，即S01时隙中有3个信令小时隙，因为节点3在前一帧中所占的是第一时隙，因而节点3在S01时隙中的第S011个信令小时隙中发送申请时隙信息，触发计数器，故节点3的续传信息在本帧中的第1时隙传送，可表示为I3在S1中传；同理节点8在前一帧的第3时隙传送数据，因而节点8在该帧中的S01时隙的第S013个信令小时隙发送申请时隙信息，触发计数器，计数器值加1，故节点8在该帧中的续传信息在第2时隙传送，可表示为I8在S2中传。接着分配本帧中需要传送信息的节点的时隙位置，节点1在本帧中有数据需要传输，因而节点1在S02时隙的第S021个信令小时隙发送申请时隙信息，继续触发计数器，计数器值加1，故节点1在该帧中的第3时隙传送，可表示为I1在S3中传；同理节点4在本帧中有数据需要传输，因而在S02时隙的第S024个信令小时隙发送申请时隙信息，触发计数器，计数器值加1，故节点4在该帧中的第4时隙传送，可表示为I4在S4中传；同理可得节点9在该帧中的第5时隙传送，可表示为I9在S5中传。由于每帧中每个节点只能申请一次时隙，因而续传信息的节点不会在S02时隙中重复进行时隙申请。本帧节点申请完时隙后，计数器初始化为0.这样在第二帧中节点3.8的数据分别在第1.2时隙中进行续传，而节点1.4.9的数据分别在第3.4.5时隙中进行传输。可以看出本帧总的传输时隙数为5（为下一帧的h值）。


图5 帧结构示例

2.1.3数据传输

这一阶段各个节点按照簇头发送的调度信息，在各自分配的数据时隙中传输数据。如果节点在下一帧中仍有数据传输，则继续在下一帧信令时隙S01时隙中对应的信令小时隙进行时隙申请，完成调度，然后在分配的时隙中进行数据传输即可。

在这种调度分配中，难免会遇到需要传输的数据极少甚至无数据传输的情况，为了避免调度的频繁进行或睡眠时间过长，需要设定一个最小帧长，这个需要依据实际应用中要求的而定。本方案中依据所占用的平均时隙数而定。

2.2时隙计算

在此调度方案中，使用的是帧长不定。时隙定长的方法，需要对时隙定义一个合适的长度，过大会使空闲时间过长，浪费资源，过小又会使调度次数增多。按照节点的负载与信道容量的关系，给出如下时隙计算公式：

式中：ts表示所选的时隙大小；bavg表示各节点产生的业务通信负载的平均量；bk表示各个节点可能产生的业务负载量的值；m表示簇中的节点数；C表示信道容量。

3仿真实验及结果分析

3.1仿真参数设置

为了验证本方法的有效性和通用性，在不同负载情况下，对IM-TDMA，BCMAC和传统的TDMA协议的平均时延和平均能量消耗进行了仿真对比实验。仿真环境如下：

无线网络的覆盖范围为100 m×100 m，节点数为50，数据包大小为512 B，模拟时间为1 000 s，簇半径为30 m，数据包由CBR流量产生器产生。

3.2仿真结果分析

三种协议在平均时延方面的对比如图6所示。可以看出，IM-TDMA协议比TDMA协议和BCMAC协议的时延都小，这是因为IM-TDMA协议根据节点流量来动态调节帧长，提高了信道利用率，因而数据的传输时延较小。


图6 平均时延对比

三种协议在平均能量消耗方面的比较如图7所示。由图7可以看出，当网络数据流量较大时，TDMA协议的能耗较小；而当网络数据流量较小时，IM-TDMA协议的能耗较小。这是因为当数据量较大时，簇头调度开销所消耗的能量占主导地位，因而TDMA的能耗较BC-MAC和IM-TDMA协议较小。当网络数据较小时，由于TDMA在没有数据传输时也要保持侦听状态，因此能耗较大。而BCMAC协议虽然不用在整个过程中保持侦听，但帧长度固定，因而能耗较IM-TDMA协议大。

从仿真结果可以看出，IM-TDMA协议较TDMA协议和BCMAC协议在能耗和时延方面更优。


图7 平均能量消耗对比