無線傳感網(wǎng)中一種基于即時(shí)信息的TDMA方案

　　類似的還有BCMAC協(xié)議，如圖2 所示，該協(xié)議與LEACH協(xié)議在簇的形成階段相似.在穩(wěn)定階段對TDMA協(xié)議進(jìn)行了一些改進(jìn)，即在每幀開始時(shí)，由那些有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送申請，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)申請情況來分配時(shí)隙，并向簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播調(diào)度方法，每個(gè)需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)獲得一個(gè)確定的發(fā)送時(shí)間，沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)則處于睡眠狀態(tài)，并在下一幀開始時(shí)蘇醒.假設(shè)只有三個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸，則簇頭節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)信息收集起來進(jìn)行時(shí)隙分配.由于簇頭無需在整個(gè)幀長內(nèi)保持偵聽且無數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)可以處于睡眠狀態(tài)，因而節(jié)約了大量的能量.同時(shí)由于采用了固定幀長，仍然會(huì)有時(shí)隙被浪費(fèi)，因而沒有提高信道利用率，時(shí)延依然很大.該方案中，簇頭需要廣播各個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID 號及調(diào)度方案，增加了調(diào)度開銷，增加了能量消耗.本文提出的IM-TDMA 方案是在現(xiàn)有TDMA 協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過變長幀長來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變化，提高信道利用率，降低時(shí)延；并通過計(jì)數(shù)器管理方式來進(jìn)行TDMA 調(diào)度，降低調(diào)度復(fù)雜性，減少調(diào)度開銷，降低能耗；同時(shí)選取合適的時(shí)隙大小，進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能.

　　2 IM-TDMA方案描述

　　2.1 基本算法

　　IM-TDMA方案與LEACH 協(xié)議和BCMAC協(xié)議在簇形成階段類似，如圖3所示，仍是按輪運(yùn)行的，每一輪由簇形成階段和簇穩(wěn)定階段組成.簇形成階段，完成成簇.簇頭選舉及時(shí)鐘同步的任務(wù)；簇穩(wěn)定階段，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的流量，分為n個(gè)長度不等的幀，即每幀有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)就分配幾個(gè)時(shí)隙.如圖3所示，假設(shè)一幀中有3個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸，則該幀就只由3個(gè)時(shí)隙組成.該方案將每幀分為時(shí)隙申請.調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸三步.

　　2.1.1 時(shí)隙申請

　　這一階段主要按照節(jié)點(diǎn)ID 順序，給每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)信令小時(shí)隙，每個(gè)信令小時(shí)隙占用1 b用于向簇頭申請時(shí)隙.有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)在自己的信令小時(shí)隙內(nèi)發(fā)送申請時(shí)隙的信息，觸發(fā)簇頭計(jì)數(shù)器，隨著申請節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，計(jì)數(shù)器值依次增加，每個(gè)節(jié)點(diǎn)觸發(fā)計(jì)數(shù)器得到的計(jì)數(shù)值即為該節(jié)點(diǎn)在本幀的時(shí)隙位置值.由于各節(jié)點(diǎn)在各自不同的信令小時(shí)隙內(nèi)向簇頭發(fā)送申請時(shí)隙的信息，因此不會(huì)發(fā)生碰撞.在此過程中，對上一幀中未傳完的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先分配信令時(shí)隙，即在每幀開始時(shí)先給在上一幀中未傳完數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)申請時(shí)隙，以讓續(xù)傳信息優(yōu)先完成數(shù)據(jù)傳輸，然后再給在本幀中有數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點(diǎn)申請時(shí)隙，且每幀中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行一次時(shí)隙申請.具體的時(shí)隙分配過程如圖4所示，每一幀信令時(shí)隙S0由兩部分組成，第一部分S0為續(xù)傳申請時(shí)隙，其由h個(gè)信令小時(shí)隙組成，h為前一幀數(shù)據(jù)傳輸所占用的總時(shí)隙數(shù)，且在每輪數(shù)據(jù)的第一幀，h值為0.第二部分S02由m個(gè)信令小時(shí)隙組成，m為該簇內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)數(shù).由于每幀每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能發(fā)送一次申請時(shí)隙的信令信息，因而在S01中申請時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)不會(huì)在S02中重復(fù)申請時(shí)隙.如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)在上一幀中有未傳輸完的數(shù)據(jù)，需要在本幀中傳輸，假定其在上一幀中的第i個(gè)時(shí)隙傳送，則在本幀中S01時(shí)隙的第S01i個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)簇頭計(jì)數(shù)器加1,計(jì)數(shù)器的值即為該節(jié)點(diǎn)在本幀中傳送的時(shí)隙位；如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)在本幀中有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，假定其信令小時(shí)隙是第j個(gè)，則在S02時(shí)隙中的第S02j個(gè)信令小時(shí)隙中發(fā)送申請時(shí)隙信令，觸發(fā)簇頭計(jì)數(shù)器加1,計(jì)數(shù)器的值即為該信息在本幀中傳送的時(shí)隙位.計(jì)數(shù)器在每輪開始時(shí)，初始化為0,并在每幀時(shí)隙申請完成之后立刻置0.

　　2.1.2 調(diào)度分配

　　這一階段簇頭根據(jù)時(shí)隙申請及觸發(fā)計(jì)數(shù)器生成的計(jì)數(shù)結(jié)果，廣播一個(gè)調(diào)度結(jié)果.該調(diào)度分配結(jié)果將數(shù)據(jù)時(shí)隙分為兩部分.第一部分是在S01申請續(xù)傳的時(shí)隙，假設(shè)有p個(gè)；第二部分是在S02申請新傳的時(shí)隙，假設(shè)有q個(gè).

　　這兩部分所占用的時(shí)隙數(shù)之和，即為下一幀用于申請續(xù)傳信息的信令小時(shí)隙的h（h = p + q）值.

　　下面以一個(gè)實(shí)例來說明：

　　假設(shè)有m個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，用Ip表示第p個(gè)節(jié)點(diǎn)所傳的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，用Sq表示第q個(gè)時(shí)隙，用S01i表示S01信令時(shí)隙中第i個(gè)信令小時(shí)隙，用S02j表示S02信令時(shí)隙中第j個(gè)信令小時(shí)隙.計(jì)數(shù)器的值在系統(tǒng)形成時(shí)已初始化為0.假設(shè)在第一幀中節(jié)點(diǎn)3.5.8有數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)槭堑谝粠?，所以不存在續(xù)傳信息，即沒有S01信令時(shí)隙，只有S02信令時(shí)隙.節(jié)點(diǎn)3在S02時(shí)隙中的第S023個(gè)信令小時(shí)隙中向簇頭發(fā)送申請時(shí)隙的信息，觸發(fā)計(jì)數(shù)器，因?yàn)樵搸_始時(shí)，計(jì)數(shù)器初始化為0,因而觸發(fā)后其值為1,故節(jié)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)在第1時(shí)隙中傳輸，可表示為I3在S1中傳；同理節(jié)點(diǎn)5在S02時(shí)隙中第S025個(gè)信令小時(shí)隙中向簇頭發(fā)送申請時(shí)隙的信息，觸發(fā)記數(shù)器，記數(shù)器值增為2,表明節(jié)點(diǎn)5的數(shù)據(jù)在第2時(shí)隙中傳輸，表示為I5在S2中傳；同樣的道理可得節(jié)點(diǎn)8的數(shù)據(jù)在第3個(gè)時(shí)隙中傳輸，即I8在S3中傳.第一幀時(shí)隙申請完之后，將計(jì)數(shù)器置為0.這樣在第一幀中，節(jié)點(diǎn)3.5.8的數(shù)據(jù)依次在S1.S2.S3三個(gè)時(shí)隙中傳輸.第一幀的時(shí)隙總數(shù)為3（即下一幀的h值）.在第二幀中，假設(shè)節(jié)點(diǎn)3.8的數(shù)據(jù)在第一幀中未傳送完，需要在第二幀中續(xù)傳，同時(shí)節(jié)點(diǎn)1.4.9在本幀中有數(shù)據(jù)需要傳輸.由于前一幀的時(shí)隙總數(shù)為3,因而本幀的h值為3,即S01時(shí)隙中有3個(gè)信令小時(shí)隙，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)3在前一幀中所占的是第一時(shí)隙，因而節(jié)點(diǎn)3在S01時(shí)隙中的第S011個(gè)信令小時(shí)隙中發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)計(jì)數(shù)器，故節(jié)點(diǎn)3的續(xù)傳信息在本幀中的第1時(shí)隙傳送，可表示為I3在S1中傳；同理節(jié)點(diǎn)8在前一幀的第3時(shí)隙傳送數(shù)據(jù)，因而節(jié)點(diǎn)8在該幀中的S01時(shí)隙的第S013個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器值加1,故節(jié)點(diǎn)8在該幀中的續(xù)傳信息在第2 時(shí)隙傳送，可表示為I8在S2中傳.接著分配本幀中需要傳送信息的節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙位置，節(jié)點(diǎn)1 在本幀中有數(shù)據(jù)需要傳輸，因而節(jié)點(diǎn)1 在S02時(shí)隙的第S021個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，繼續(xù)觸發(fā)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器值加1,故節(jié)點(diǎn)1在該幀中的第3時(shí)隙傳送，可表示為I1在S3中傳；同理節(jié)點(diǎn)4在本幀中有數(shù)據(jù)需要傳輸，因而在S02時(shí)隙的第S024個(gè)信令小時(shí)隙發(fā)送申請時(shí)隙信息，觸發(fā)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器值加1,故節(jié)點(diǎn)4在該幀中的第4時(shí)隙傳送，可表示為I4在S4中傳；同理可得節(jié)點(diǎn)9在該幀中的第5時(shí)隙傳送，可表示為I9在S5中傳.由于每幀中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能申請一次時(shí)隙，因而續(xù)傳信息的節(jié)點(diǎn)不會(huì)在S02時(shí)隙中重復(fù)進(jìn)行時(shí)隙申請.本幀節(jié)點(diǎn)申請完時(shí)隙后，計(jì)數(shù)器初始化為0.這樣在第二幀中節(jié)點(diǎn)3.8的數(shù)據(jù)分別在第1.2時(shí)隙中進(jìn)行續(xù)傳，而節(jié)點(diǎn)1.4.9的數(shù)據(jù)分別在第3.4.5時(shí)隙中進(jìn)行傳輸.可以看出本幀總的傳輸時(shí)隙數(shù)為5（為下一幀的h值）.

　　2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸

　　這一階段各個(gè)節(jié)點(diǎn)按照簇頭發(fā)送的調(diào)度信息，在各自分配的數(shù)據(jù)時(shí)隙中傳輸數(shù)據(jù).如果節(jié)點(diǎn)在下一幀中仍有數(shù)據(jù)傳輸，則繼續(xù)在下一幀信令時(shí)隙S01時(shí)隙中對應(yīng)的信令小時(shí)隙進(jìn)行時(shí)隙申請，完成調(diào)度，然后在分配的時(shí)隙中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可.

　　在這種調(diào)度分配中，難免會(huì)遇到需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)極少甚至無數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，為了避免調(diào)度的頻繁進(jìn)行或睡眠時(shí)間過長，需要設(shè)定一個(gè)最小幀長，這個(gè)需要依據(jù)實(shí)際應(yīng)用中要求的而定.本方案中依據(jù)所占用的平均時(shí)隙數(shù)而定.

　　2.2 時(shí)隙計(jì)算

　　在此調(diào)度方案中，使用的是幀長不定.時(shí)隙定長的方法，需要對時(shí)隙定義一個(gè)合適的長度，過大會(huì)使空閑時(shí)間過長，浪費(fèi)資源，過小又會(huì)使調(diào)度次數(shù)增多.按照節(jié)點(diǎn)的負(fù)載與信道容量的關(guān)系，給出如下時(shí)隙計(jì)算公式：

　　式中：ts表示所選的時(shí)隙大??；bavg表示各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的業(yè)務(wù)通信負(fù)載的平均量；bk表示各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能產(chǎn)生的業(yè)務(wù)負(fù)載量的值；m表示簇中的節(jié)點(diǎn)數(shù)；C表示信道容量.

　　3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

　　3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

　　為了驗(yàn)證本方法的有效性和通用性，在不同負(fù)載情況下，對IM-TDMA,BCMAC和傳統(tǒng)的TDMA協(xié)議的平均時(shí)延和平均能量消耗進(jìn)行了仿真對比實(shí)驗(yàn).仿真環(huán)境如下：

　　無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍為100 m×100 m,節(jié)點(diǎn)數(shù)為50,數(shù)據(jù)包大小為512 B,模擬時(shí)間為1 000 s,簇半徑為30 m,數(shù)據(jù)包由CBR流量產(chǎn)生器產(chǎn)生.

　　3.2 仿真結(jié)果分析

　　三種協(xié)議在平均時(shí)延方面的對比如圖6 所示.可以看出，IM-TDMA協(xié)議比TDMA協(xié)議和BCMAC協(xié)議的時(shí)延都小，這是因?yàn)镮M-TDMA 協(xié)議根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)幀長，提高了信道利用率，因而數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延較小.

　　三種協(xié)議在平均能量消耗方面的比較如圖7 所示.由圖7可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較大時(shí)，TDMA協(xié)議的能耗較小；而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小時(shí)，IM-TDMA協(xié)議的能耗較小.這是因?yàn)楫?dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)，簇頭調(diào)度開銷所消耗的能量占主導(dǎo)地位，因而TDMA的能耗較BC-MAC和IM-TDMA協(xié)議較小.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)較小時(shí)，由于TDMA在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也要保持偵聽狀態(tài)，因此能耗較大.而BCMAC 協(xié)議雖然不用在整個(gè)過程中保持偵聽，但幀長度固定，因而能耗較IM-TDMA協(xié)議大.

　　從仿真結(jié)果可以看出，IM-TDMA 協(xié)議較TDMA 協(xié)議和BCMAC協(xié)議在能耗和時(shí)延方面更優(yōu).

　　4 結(jié)語

　　本方案是對無線傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議方案進(jìn)行的設(shè)計(jì).傳統(tǒng)的TDMA 分配方案在時(shí)隙分配上采用固定幀長的方式，信道利用率低；在調(diào)度方法上偵聽時(shí)間過長.過程復(fù)雜，造成能量的浪費(fèi).文中的IM-TDMA 調(diào)度方案能夠克服上述不足，在時(shí)隙分配上，采用依據(jù)即時(shí)信息，動(dòng)態(tài)改變幀長的方式，提高了信道利用率；在調(diào)度方法上，采用計(jì)數(shù)器管理方式，簡化了調(diào)度復(fù)雜性，節(jié)約了能量的消耗.仿真結(jié)果表明，本方案效果極好.