关于S-MAC和T-MAC协议能耗的比较
田玉祥 20110801129 计算机科学与技术(1)班
摘要：无线传感器网络的出现和发展对现代科学技术产生了及其深刻的影响，
它在军事、工业、医疗、交通、环保等许多领域都具有广阔的应用前景和巨大的实用价值。新的不同的应用对无线传感器网路的研究提出了新的技术问题，在这些技术问题中，能耗问题成为了首要问题。文章就S－MAC协议和T－MAC协议在无线传感器网络中针对节能的需求做简要探讨 。
关键字：无线传感器网络、S－MAC 协议、T－MAC 协议、能量消耗
Abstraction：The emergence and development of wireless sensor networks to modern science and technology had its profound impact, it has broad application prospects and great practical value in many areas of military, industrial, medical, transportation, and environmental protection. New and different applications of wireless sensor networks proposed new technical problems in these technical problems, the energy issue has become a priority. Article on the S-MAC protocol and T-MAC protocol in wireless sensor networks for energy demand briefly discussed.
Keywords：Wireless sensor networks、S-MAC protocol、T-MAC protocol、Energy consumption
引言
无线传感器网络是一种新兴的网络技术，它具有广泛的应用，包括很多工业过程监测和战术系统等潜在领域。然而，当无线网络在地势陡峻的地方传播时，为了实现地区全覆盖就需要使用大量的无线传感器，但它们的电池一旦耗尽时要想更换就很困难。所以节能对于传感器网络是非常必要的,特别是在MAC层水平。S-MAC协议和T-MAC协议，能耗问题成为了首要问题。
1. 无线传感器网络
1.1无线传感网络定义
无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。 其结构就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点
组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。结构见图1。
图1 无线传感网络的结构
无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为: 军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
1.2节点能耗消耗情况
无线传感器网络通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。其中，传感器节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分。无线通信模块的状态包括发送、接收、侦听、睡眠四种（见下图）。无线通信模块在发送状态能量消耗最多，在睡眠状态能量消耗最少，接收状态与发送状态的能量消耗几乎均等。为了减少能耗，MAC协议的无线信道使用通常采用“侦听／睡眠”交替策略。
1.3 造成能耗的原因分析
在无线传感器网络中，造成网络能量浪费的主要原因包括： (1) 碰撞
碰撞使目的节点的数据接收和源节点的数据发送变得无效，并且分组的重传会消耗更多的能量。MAC协议采用竞争方式使用共享无线通道发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间产生碰撞，然后由于需要重传数据，而消耗节点更多的能量。
(2) 串音
如果源节点的所有相邻节点均处于接收状态，可能会接收并处理不是发送给自己的数据，这种串音现象造成节点的无线接收模块和处理器模块的能量消耗更多。
(3) 空闲侦听
由于节点不能预知相邻节点什么时候传送数据给自己，所以处于空闲状态的节点需要一直保持对无线信道的侦听，以便随时准备接收分组数据，这种准备就绪的状态造成了节点能量的大量消耗。
(4) 协议开销
协议开销包含在MAC的控制帧中，在控制节点间信道分配时，节点发送如RTS／CTS／ACK等控制消息会消耗一定的网络能量。
传感器节点简单且廉价，不能提供大量的能量资源，由于节点数量多、又受环境和其他条件的限制，所以节点的电池能量通常难以进行补充。因此，大多数无线传感器网络MAC协议的设计均试图解决上述问题，以减小能量消耗，最大化网络周期。
在无线传感器网络的研究中，能耗问题一直是热点问题。当前的处理器以及无线传输装置依然存在向微型化发展的空间，但在无线网络中需要数量更多的传感器，种类也要求多样化，将它们进行链接，这样会导致耗电量的加大。如何提高网络性能，延长其使用寿命，将不准确性误差控制在最小将是下一步研究的问题。
2. MAC协议
MAC协议概述，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。MAC
协议的基本作用是避免点到点通信时冲突的发生。它必须实现两大基本功能目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享介质的访问，以便传感器网络节点能够公平有效地分享通信资源。MAC协议在无线传感器网
络中决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限系统的底层基础结构。它处于传感器网络协议的底层部分，对网络的性能有较大的影响，是无线传感器网络的研究重点。
2.1 MAC的定义
MAC协议，即介质访问控制协议，是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。MAC协议的基本作用是避免点到点通信时冲突的发生。
它必须实现两大基本功能目标：
(1) 在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；
(2) 协调共享介质的访问，以便传感器网络节点能够公平有效地分享通信资源。 MAC协议在无线传感器网络中决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。它处于传感器网络协议的底层部分，对网络的性能有较大的影响，是无线传感器网络的研究重点。
3. S-MAC
S-MAC，即Sensor-MAC, 它的基本思想是周期睡眠监听调度表，由传感器网络在本地处理。当相邻的节点形成虚簇时他们会分享共同的日程安排。这意味着，如果并排两个节点处在两个不同的簇之间，他们醒来时将监听两个群簇的调度表。S-MAC的一个新的和创新的特点是在消息传递时可以突发性地发送由长消息分割成的小消息，通过使用共同的开销的这种做法有助于节能。
3.1 S-MAC采用机制
针对可能造成传感器网络消耗更多能量的因素，S-MAC（sensor MAC）协议采用以下机制：
周期性侦听／睡眠的低占空比工作方式
网络中每个节点独立地调度它的工作状态，周期性地转入睡眠状态，在苏醒后侦听信道状态，判断是否要发送或接收数据。该机制由于采用周期睡眠会带来一定的通信延迟，所以为了便于相互通信，相邻节点应尽量维持睡眠／侦听调度周期的同步；
此外该机制会占用大量存储空间缓存数据，这在资源受限的无线传感器网络中显得十分
突出（见图2）。S-MAC协议将一个时间周期分为侦听阶段（listen）和睡眠阶段（sleep），将活动时间和整个周期时间的比值称为占空比（dutycycle），公式为
D的大小反映了节点工作时间的长短，在无线传感器中，希望D尽量小，从而节省节点的能量。但D的选择也要根据应用的不同来选择，因为太小的D带来的是很大的延迟且会降低网络的吞吐量。
3.1.1 采用带内信号避免串音
几乎每个节点都经历RTS／CTS／DATA／ACK通信过程，在传输的每个分组中，都有一个域值表示剩余通信过程需要持续的时间长度。源、目的节点的相邻节点在侦听到分组时，记录这个时间长度值，同时进入睡眠状态。通信过程记录的剩余时间会随着时间不断减少，当剩余时间减至零时，若节点仍处于侦听周期，就会被唤醒；否则，节点处于睡眠状态直到下一个调度的侦听周期。每个节点在发送数据时，都要先进行载波侦听。只有虚拟或物理载波侦听表示无线信道空闲时，才可以竞争通信过程。
3.1.2 协商邻居节点
邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制形成虚拟族，具有相同调度的节点形成一个虚拟族，边界节点记录两个或多个调度，以减少节点的空闲侦听时间，从而减少能耗。
3.1.3 流量自适应
通过流量自适应的侦听机制，减少消息在网络中的传输延迟：传感器节点在与相邻节点通信完后并不立即进入睡眠状态，而是继续侦听一段时间。如果节点在这段时间内收到RTS分组，则可以立即接收数据；否则转入睡眠状态直到下一次调度侦听周期。通过采用流量自适应侦听机制，减少了通信延迟的累加效应。
3.1.4 消息分割和突发传递机制
通过消息分割和突发传递机制来减少协议开销和传递延迟：对于无线信道，传输差错与消息长度成正比，短消息成功传输的概率要大于长消息。根据这一原理，在S-MAC协议中消息传递技术将长消息分成若干短消息，利用RTS／CTS机制，一次预约发送整个长消息的时间，集中连续发送全部短消息。这样既提高发送成功率，又减少了协议开销。
4. T-MAC
T-MAC（Timeout-MAC）协议与自适应睡眠的S-MAC协议基本思想相同，数据传输仍然采用RTS／CTS／DA-TA／ACK机制，不同的是在节点活动的时隙内插入了一个TA（Time-Active）时隙，若TA时隙之间没有任何事件发生，则活动结束进入睡眠状态，过程见图2。
图2 S-mac 和T-mac空闲侦听长度比较 TA的取值对于T－MAC协议性能至关重要，其约束条件为： TA＝m（C＋R＋T），m＞1，
其中，C为竞争信道时间，R为发送RTS分组的时间，T为RTS分组结束到发出CTS分组开始的时间。
T－MAC协议能根据当前网络的动态变化，通过提前结束活动周期来减少空闲侦听提高能效。
5. S-mac 和T-mac的比较
S-MAC是一个节能的基本MAC协议，通过提供一个睡眠时间表，使某一特定地区的所有节点在任何时间都是不活跃的。为了唤醒那些节点，就得需要保持对网络的完全访问。但是，S-MAC有静态的睡眠时间表，时间表不会根据需要或不断变化的环境改变，从而导致睡眠延迟。
S-MAC这种特殊的问题可以通过使用动态的睡眠模式或类似T-MAC协议的调度来克服。S-MAC协议监听时段是有固定长度的，而T-MAC协议自适应地缩短了监听时间，所以T-MAC协议与自适应睡眠的S-MAC协议保持基本相同的思想，优点是减少了空闲侦听功耗。
在T-MAC中，根据网络模式的改变例如加入新节点，丢弃用尽节点，网络将会自我适应，并形成一个可变的睡眠时间表，这将增加电池的利用率。然而，一个新的问题逐渐出现在早期的睡眠中，即如果一个节点在睡觉前完成传输，将增加延迟。
6. 结语
S-MAC协议监听时段是有固定长度的，而T-MAC协议自适应地缩短了监听时间，所以T-MAC协议与自适应睡眠的S-MAC协议保持基本相同的思想。二者都有各自的优点，但都具有一定局限性。为保证能量有效性问题，通常对无线传感器网络MAC协议的其他性能都进行了一定折衷，随着各种具体应用的发展，无线传感器网络的应用需求不单是能量有效性的问题，还同时存在着对某个或某些指标作特别优化的需求。所以，分析各种性能指标之间的相互影响关系，研究综合权衡各种性能的策略是一项不可忽略的问题。实际上，传感器网络是应用相关的网络，不存在一个适用于所有传感器网络的MAC协议，所以都要根据具体应用选择不同的MAC协议。
S－MAC协议和T－MAC协议的主要设计目标都是减少节点的能量消耗。S－MAC协议是通过采用周期性侦听／睡眠工作方式减少空闲侦听来减少能耗，但同时使得网络的传输延迟增加，吞吐量下降，针对这样的问题，人们提出了带有自适应睡眠的S－MAC协议。S－MAC协议监听时段是有固定长度的，而T－MAC协议自适应地缩短了监听时间，所以T－MAC协议与自适应睡眠的S－MAC协议保持基本相同的思想，优点是减少了空闲侦听功耗，但是它通过提前结束活动周期来减少空闲侦听，带来早睡问题。为保证能量有效性问题，通常对无线传感器网络MAC协议的其他性能都进行了一定折衷，随着各种具体应用的发展，无线传感器网络的应用需求不单是能量有效性的问题，还同时存在着对某个或某些指标作特
别优化的需求。所以，分析各种性能指标之间的相互影响关系，研究综合权衡各种性能。
参考文献
[1]. 无线传感器网络原理与实践（无线龙）
[2]. 无线传感器网络[ES\\OL] http://baike.http://www.32336.cn//subview/140209/5119782.htm?fr=aladdin [3]. 基于S_MAC和T_MAC协议的无线传感器网络技术之节能探讨 [ES\\OL]
http://wenku.http://www.32336.cn//link?url=nN0tV7wpoc6Y6vLdYWzqDWYYKQIDcgcAa3D-jUwQ5tSsLlW42ljCs1ACrWDiBfovf8y0yKNdC97BarYU9doHYRGbZtIk2t4fBZV-dxkcU17 [4]. S-MAC协议 [ES\\OL] http://baike.http://www.32336.cn//view/3682718.htm?fr=aladdin [5]. 无线传感器网络MAC协议：SMAC和TMAC [ES\\OL] http://wenku.http://www.32336.cn//view/606a594102020740be1e9b8d.html