無線傳感網(wǎng)中一種基于即時信息的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)議進行了一些改進，即在每幀開始時，由那些有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點向簇頭發(fā)送申請，簇頭節(jié)點根據(jù)申請情況來分配時隙，并向簇內(nèi)節(jié)點廣播調(diào)度方法，每個需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點獲得一個確定的發(fā)送時間，沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送的節(jié)點則處于睡眠狀態(tài)，并在下一幀開始時蘇醒.假設只有三個節(jié)點有數(shù)據(jù)傳輸，則簇頭節(jié)點將節(jié)點信息收集起來進行時隙分配.由于簇頭無需在整個幀長內(nèi)保持偵聽且無數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點可以處于睡眠狀態(tài)，因而節(jié)約了大量的能量.同時由于采用了固定幀長，仍然會有時隙被浪費，因而沒有提高信道利用率，時延依然很大.該方案中，簇頭需要廣播各個節(jié)點的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)議的基礎上，通過變長幀長來適應網(wǎng)絡流量變化，提高信道利用率，降低時延；并通過計數(shù)器管理方式來進行TDMA 調(diào)度，降低調(diào)度復雜性，減少調(diào)度開銷，降低能耗；同時選取合適的時隙大小，進一步優(yōu)化網(wǎng)絡性能.

　　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.簇頭選舉及時鐘同步的任務；簇穩(wěn)定階段，根據(jù)節(jié)點的流量，分為n個長度不等的幀，即每幀有幾個節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)就分配幾個時隙.如圖3所示，假設一幀中有3個節(jié)點有數(shù)據(jù)傳輸，則該幀就只由3個時隙組成.該方案將每幀分為時隙申請.調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸三步.

　　2.1.1 時隙申請

　　這一階段主要按照節(jié)點ID 順序，給每個節(jié)點分配一個信令小時隙，每個信令小時隙占用1 b用于向簇頭申請時隙.有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)墓?jié)點在自己的信令小時隙內(nèi)發(fā)送申請時隙的信息，觸發(fā)簇頭計數(shù)器，隨著申請節(jié)點數(shù)的增加，計數(shù)器值依次增加，每個節(jié)點觸發(fā)計數(shù)器得到的計數(shù)值即為該節(jié)點在本幀的時隙位置值.由于各節(jié)點在各自不同的信令小時隙內(nèi)向簇頭發(fā)送申請時隙的信息，因此不會發(fā)生碰撞.在此過程中，對上一幀中未傳完的數(shù)據(jù)節(jié)點優(yōu)先分配信令時隙，即在每幀開始時先給在上一幀中未傳完數(shù)據(jù)的節(jié)點申請時隙，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)點申請時隙，且每幀中每個節(jié)點只能進行一次時隙申請.具體的時隙分配過程如圖4所示，每一幀信令時隙S0由兩部分組成，第一部分S0為續(xù)傳申請時隙，其由h個信令小時隙組成，h為前一幀數(shù)據(jù)傳輸所占用的總時隙數(shù)，且在每輪數(shù)據(jù)的第一幀，h值為0.第二部分S02由m個信令小時隙組成，m為該簇內(nèi)的所有節(jié)點數(shù).由于每幀每個節(jié)點只能發(fā)送一次申請時隙的信令信息，因而在S01中申請時隙的節(jié)點不會在S02中重復申請時隙.如果某個節(jié)點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個時隙傳送，則在本幀中S01時隙的第S01i個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)簇頭計數(shù)器加1,計數(shù)器的值即為該節(jié)點在本幀中傳送的時隙位；如果某個節(jié)點在本幀中有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，假定其信令小時隙是第j個，則在S02時隙中的第S02j個信令小時隙中發(fā)送申請時隙信令，觸發(fā)簇頭計數(shù)器加1,計數(shù)器的值即為該信息在本幀中傳送的時隙位.計數(shù)器在每輪開始時，初始化為0,并在每幀時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)時隙申請及觸發(fā)計數(shù)器生成的計數(shù)結(jié)果，廣播一個調(diào)度結(jié)果.該調(diào)度分配結(jié)果將數(shù)據(jù)時隙分為兩部分.第一部分是在S01申請續(xù)傳的時隙，假設有p個；第二部分是在S02申請新傳的時隙，假設有q個.

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

　　下面以一個實例來說明：

　　假設有m個節(jié)點，如圖5所示，用Ip表示第p個節(jié)點所傳的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，用Sq表示第q個時隙，用S01i表示S01信令時隙中第i個信令小時隙，用S02j表示S02信令時隙中第j個信令小時隙.計數(shù)器的值在系統(tǒng)形成時已初始化為0.假設在第一幀中節(jié)點3.5.8有數(shù)據(jù)傳輸，因為是第一幀，所以不存在續(xù)傳信息，即沒有S01信令時隙，只有S02信令時隙.節(jié)點3在S02時隙中的第S023個信令小時隙中向簇頭發(fā)送申請時隙的信息，觸發(fā)計數(shù)器，因為該幀開始時，計數(shù)器初始化為0,因而觸發(fā)后其值為1,故節(jié)點3的數(shù)據(jù)在第1時隙中傳輸，可表示為I3在S1中傳；同理節(jié)點5在S02時隙中第S025個信令小時隙中向簇頭發(fā)送申請時隙的信息，觸發(fā)記數(shù)器，記數(shù)器值增為2,表明節(jié)點5的數(shù)據(jù)在第2時隙中傳輸，表示為I5在S2中傳；同樣的道理可得節(jié)點8的數(shù)據(jù)在第3個時隙中傳輸，即I8在S3中傳.第一幀時隙申請完之后，將計數(shù)器置為0.這樣在第一幀中，節(jié)點3.5.8的數(shù)據(jù)依次在S1.S2.S3三個時隙中傳輸.第一幀的時隙總數(shù)為3（即下一幀的h值）.在第二幀中，假設節(jié)點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，同時節(jié)點1.4.9在本幀中有數(shù)據(jù)需要傳輸.由于前一幀的時隙總數(shù)為3,因而本幀的h值為3,即S01時隙中有3個信令小時隙，因為節(jié)點3在前一幀中所占的是第一時隙，因而節(jié)點3在S01時隙中的第S011個信令小時隙中發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)計數(shù)器，故節(jié)點3的續(xù)傳信息在本幀中的第1時隙傳送，可表示為I3在S1中傳；同理節(jié)點8在前一幀的第3時隙傳送數(shù)據(jù)，因而節(jié)點8在該幀中的S01時隙的第S013個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)計數(shù)器，計數(shù)器值加1,故節(jié)點8在該幀中的續(xù)傳信息在第2 時隙傳送，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)點的時隙位置，節(jié)點1 在本幀中有數(shù)據(jù)需要傳輸，因而節(jié)點1 在S02時隙的第S021個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，繼續(xù)觸發(fā)計數(shù)器，計數(shù)器值加1,故節(jié)點1在該幀中的第3時隙傳送，可表示為I1在S3中傳；同理節(jié)點4在本幀中有數(shù)據(jù)需要傳輸，因而在S02時隙的第S024個信令小時隙發(fā)送申請時隙信息，觸發(fā)計數(shù)器，計數(shù)器值加1,故節(jié)點4在該幀中的第4時隙傳送，可表示為I4在S4中傳；同理可得節(jié)點9在該幀中的第5時隙傳送，可表示為I9在S5中傳.由于每幀中每個節(jié)點只能申請一次時隙，因而續(xù)傳信息的節(jié)點不會在S02時隙中重復進行時隙申請.本幀節(jié)點申請完時隙后，計數(shù)器初始化為0.這樣在第二幀中節(jié)點3.8的數(shù)據(jù)分別在第1.2時隙中進行續(xù)傳，而節(jié)點1.4.9的數(shù)據(jù)分別在第3.4.5時隙中進行傳輸.可以看出本幀總的傳輸時隙數(shù)為5（為下一幀的h值）.

　　2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸

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

　　在這種調(diào)度分配中，難免會遇到需要傳輸?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)度的頻繁進行或睡眠時間過長，需要設定一個最小幀長，這個需要依據(jù)實際應用中要求的而定.本方案中依據(jù)所占用的平均時隙數(shù)而定.

　　2.2 時隙計算

　　在此調(diào)度方案中，使用的是幀長不定.時隙定長的方法，需要對時隙定義一個合適的長度，過大會使空閑時間過長，浪費資源，過小又會使調(diào)度次數(shù)增多.按照節(jié)點的負載與信道容量的關系，給出如下時隙計算公式：

　　式中：ts表示所選的時隙大??；bavg表示各節(jié)點產(chǎn)生的業(yè)務通信負載的平均量；bk表示各個節(jié)點可能產(chǎn)生的業(yè)務負載量的值；m表示簇中的節(jié)點數(shù)；C表示信道容量.

　　3 仿真實驗及結(jié)果分析

　　3.1 仿真參數(shù)設置

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

　　無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍為100 m×100 m,節(jié)點數(shù)為50,數(shù)據(jù)包大小為512 B,模擬時間為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)議的時延都小，這是因為IM-TDMA 協(xié)議根據(jù)節(jié)點流量來動態(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，當網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量較大時，TDMA協(xié)議的能耗較??；而當網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量較小時，IM-TDMA協(xié)議的能耗較小.這是因為當數(shù)據(jù)量較大時，簇頭調(diào)度開銷所消耗的能量占主導地位，因而TDMA的能耗較BC-MAC和IM-TDMA協(xié)議較小.當網(wǎng)絡數(shù)據(jù)較小時，由于TDMA在沒有數(shù)據(jù)傳輸時也要保持偵聽狀態(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)議方案進行的設計.傳統(tǒng)的TDMA 分配方案在時隙分配上采用固定幀長的方式，信道利用率低；在調(diào)度方法上偵聽時間過長.過程復雜，造成能量的浪費.文中的IM-TDMA 調(diào)度方案能夠克服上述不足，在時隙分配上，采用依據(jù)即時信息，動態(tài)改變幀長的方式，提高了信道利用率；在調(diào)度方法上，采用計數(shù)器管理方式，簡化了調(diào)度復雜性，節(jié)約了能量的消耗.仿真結(jié)果表明，本方案效果極好.