一种能量高效和时延敏感的无线传感器网络mac协议.ppt

论文学习交流 古连华 一种针对多信道无线传感器网络的改善能耗效率的动态的跨层的MAC设计 Abstract 我们提出了一种新颖的为了改善能耗效率的跨层设计的MAC协议，它针对利用多信道非坚持CSMA MAC协议，和物理层采用动态MQAM调制的无线传感器网络。跨层作用通过下面方式得到，MAC层的联合的流量依赖的适应后退概率，和物理层的调制阶数。这种联合的后退概率和调制阶数的改善服从数据包重发延时的限制。这种优化提高了每比特能耗效率。 1. Introduction 目前的WSN信道接入控制协议可以分为scheduling-based基于调度/预约的，和 contention-based基于竞争的方式。 基于调度的方式包括TDMA、FDMA和CDMA的策略。其中TDMA最适合WSN。 基于竟争的协议主要来自于CSMA。CSMA包括p-坚持和不坚持两种方式。 本文研究了无限大量节点的WSN中，多信道非坚持的CSMA MAC的能量效率。 1. Introduction 为了提高能耗效率，我们考虑结合物理层的调制方法和MAC层的重发概率的优化。我们假设在物理层，节点可以根据瞬时的流量负载来调整它的调制阶数。通过使用可适应的调制，系统可以控制每个包的传输时间，实现可控的流量负载。 使用多信道策略的最大好处是网络的流量负载可以被分配到不同的信道上去，从而减少冲突，提高容量。 已经有研究考虑了多信道，但是他们没有结合物理层和MAC层进行优化。 2. System model 我们考虑的系统如图： 可用的带宽R被分为J+1个无重叠的附加高斯白噪声信道（AWGN）。其中一个信道用来传输控制信息，其他J个信道传输数据。 节点主要包括三个部分：包产生器，一个基于M序列积分幅度调制（MQAM）的物理层，和一个多信道的基于非坚持CSMA的MAC层。 3. Delay analysis4. Analysis of energy efficiency （略） 5. Protocol design 本节我们描述了提出的多信道非坚持MAC协议。这个协议基于RTS-CTS-data-ACK握手。我们的前提如下： 控制信道有带宽Wc，这是离线决定和固定的。剩下的带宽均匀地分为J个无重叠的数据信道 所有的数据信道有相同的后退分布；流量负载平均地分布在这些信道上 数据包和控制包不会冲突，侦听到CTS的节点推迟传输到CTS包的结束。这允许了更多的平行传输发生 所有的节点可以侦听控制信息。控制信息使用最大能量来传输。高能量汇聚节点提供瞬时的流量负载给整个网络的实现方式就是通过周期地在控制信道传输这些信息 每个数据包有一个跳数统计域。它代表有多少传输在到达汇聚节点之前发生过。通过检测这个域可以估测网络流量负载 5. Protocol design 当一个节点有数据包要发送，它首先监听各种信道，从channel 1一直到第一个空闲的channel。然后按照下面的方式作用： (1). 如果没有空闲信道，节点在全部信道上初始化一个退避，每个都根据一个几何随机变量参数p。当第一个退避时间超时，节点监听相应的信道。如果信道忙，节点再初始化一个新的退避时间。 (2). 如果有信道j空闲，则对于每个忙信道i，i=1，2，...，j-1，节点根据一个几何随机变量参数p初始化一个退避时间 (3). 在第一个退避时间超时的空闲信道上，节点在控制信道传输RTS包给接收节点，告诉对方它想在那个空闲的数据信道上传输数据。对方回发CTS包来确认信道的选择。然后，发送节点和接收节点调整到协调的信道上去开始数据传输。 5. Protocol design (4). 如果监测到冲突（通过ACK信息的丢失可知），节点在那个信道上退避。在下一个时间槽，节点检测在包传输中是否有退避时间超时。然后它监听超时退避的信道，以及其他没有初始退避计时器的信道。找到空闲信道，则重复第(3)步。 (5)如果包正确接收，接收点在传输数据的信道上发送ACK包。一旦接收到ACK包，节点重置所有的退避计时器。 6. Numerical examples and simulation results 我们在MATLAB中做了多次的实验来评估提出的结合退避-调制优化的协议。我们也使用CSIM来仿真。 我们对比了我们的跨层动态优化策略，以及两个动态策略：调制阶数动态，和退避概率动态。 右图，标准化的能量效率vs流量负载的情况。表明联合M和P动态的策略提供了最好的能量效率 右图可见，当J信道数为4～8的时候，协议表现最好。当J继续增大的时候，性能并没有很大改善。 7. Conclusions 我们提出了一种新颖的跨层设计的多信道非坚持CSMA的协议，主要用在无线传感器网络中。我们的设计结合了物理层的带宽分割和自适应调制，和MAC层的自适