媒體訪問控制（MAC）協(xié)議對(duì)無線傳感網(wǎng)的性能具有重要影響。根據(jù)無線傳感網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)性能方面的要求，針對(duì)現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)協(xié)議在節(jié)點(diǎn)能耗和時(shí)延方面的不足，提出了一種IM-TDMA方案，根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量的變化，動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)幀長(zhǎng)，提高信道利用率；同時(shí)采用計(jì)數(shù)器管理及續(xù)傳優(yōu)先的調(diào)度方式，簡(jiǎn)化了調(diào)度復(fù)雜度，降低了節(jié)點(diǎn)能耗。仿真結(jié)果表明：IM-TDMA方案能有效地節(jié)約能耗。降低時(shí)延，可運(yùn)用于實(shí)際無線傳感網(wǎng)的MAC協(xié)議方案中。
0引言
無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是由許多在空間中分布的自動(dòng)裝置組成的一種無線通信網(wǎng)絡(luò)，這些裝置使用傳感器監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況（比如溫度。聲音。振動(dòng)。壓力。運(yùn)動(dòng)或污染物），并相互協(xié)作，共享信息。無線傳感網(wǎng)絡(luò)最初起源于戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等軍事應(yīng)用，現(xiàn)已被應(yīng)用于很多民用領(lǐng)域，如環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測(cè)。健康監(jiān)護(hù)。家居自動(dòng)化以及交通控制等。其應(yīng)用價(jià)值，已引起世界多國軍事部門。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
無線傳感網(wǎng)有TDMA和CSMA兩種基本的MAC協(xié)議方案。其中基于TDMA的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)信道分配的機(jī)制簡(jiǎn)單成熟，它沒有CSMA競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞和重傳問題，而是為傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的時(shí)隙用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過多的控制信息，且節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。因而在節(jié)點(diǎn)無移動(dòng)且網(wǎng)絡(luò)部署情況已知的場(chǎng)景，采用TDMA方式進(jìn)行通信，可避免信道沖突以及沖突引起的丟包和能量損耗；保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性；令節(jié)點(diǎn)在不工作期間進(jìn)入睡眠狀態(tài)，以保存能量。這些特點(diǎn)很適合無線傳感網(wǎng)中的節(jié)能要求。近年來，有很多基于TDMA的改進(jìn)方案，像LEACH.BCMAC等。這些新的方案雖然在資源節(jié)約。性能提高上有了一些改進(jìn)，卻存在調(diào)度方式復(fù)雜。時(shí)延過大。信道利用率低。資源浪費(fèi)等不合理性。因此尋求新的方案以改進(jìn)存在的問題，仍然是業(yè)界面臨的迫切任務(wù)。
1問題描述
現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)中，基于TDMA的MAC協(xié)議大多是與簇的組網(wǎng)方式相結(jié)合。將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)簇，每個(gè)簇選舉一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)做為集中控制點(diǎn)，對(duì)簇內(nèi)成員進(jìn)行TDMA調(diào)度，各簇內(nèi)成員在其分配的時(shí)隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。
典型的有LEACH協(xié)議，該協(xié)議以輪為單位周期性執(zhí)行簇的重構(gòu)過程。如圖1所示，每輪分為簇的形成階段和簇的穩(wěn)定階段。簇的形成階段，主要完成簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇。廣播。建立和調(diào)度機(jī)制的生成。簇的穩(wěn)定階段，分為調(diào)度階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。調(diào)度階段，簇頭根據(jù)收集來的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，將數(shù)據(jù)傳輸階段分配為n個(gè)長(zhǎng)度相等的幀，每個(gè)幀內(nèi)的時(shí)隙又固定分配給簇內(nèi)的成員，每輪只調(diào)度分配一次。數(shù)據(jù)傳輸階段，根據(jù)調(diào)度結(jié)果，每個(gè)簇內(nèi)成員在每幀中的固定時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。每輪數(shù)據(jù)傳輸階段之后進(jìn)行下一輪的簇重構(gòu)過程。這種基于簇的TDMA協(xié)議，采用周期性的選舉簇頭的方法，使得各簇頭節(jié)點(diǎn)的能量得到均衡，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命；但是在每一輪中只進(jìn)行一次調(diào)度，且n個(gè)幀的長(zhǎng)度相等，各節(jié)點(diǎn)在幀內(nèi)的時(shí)隙固定。如圖1所示，假設(shè)在一個(gè)幀內(nèi)只有第1.5.m三個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要傳輸（圖中的陰影時(shí)隙，即表示有數(shù)據(jù)傳輸），則無數(shù)據(jù)傳送節(jié)點(diǎn)所占用的固定時(shí)隙就會(huì)被浪費(fèi)，從而造成了信道利用率低下，時(shí)延加大。同時(shí)由于簇頭起到的是轉(zhuǎn)發(fā)信息的功能，因而在整個(gè)幀內(nèi)，簇頭都需要保持監(jiān)聽狀態(tài)，浪費(fèi)了簇頭的能量。
圖1 LEACH調(diào)度協(xié)議
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(duì)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(qǐng)，簇頭節(jié)點(diǎn)根據(jù)申請(qǐng)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(hào)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(zhǎng)幀長(zhǎng)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。