A Patterned Preamble MAC Protocol forWireless Sensor Networks

1. A Patterned Preamble MAC Protocol forWireless SensorNetworks 无线传感器网络中一种基于模式的前同步MAC协议

2. 摘要 • 在本文中，我们提出了一种新型的带有模式的前同步信号技术的MAC协议,用来改进无线传感器网络在低功耗，通道利用率,以及延迟等方面的性能。B -MAC是一个典型的MAC协议的无线传感器网络使用占空比，以实现低功率运行。因为工作在一异步方式下，所以B-MAC采用了延长前同步信号和序言采样技术。这些技术虽然在空闲状态处理上有出色的表现,但是但遇到非常大的数据包发送和收到时, 传统的处理前同步信号的方法将是一个很大的浪费. 相对于简单的前同步信号的处理方法，我建议的MAC解决方案是引进更智能化的前同步信号与一些模式构成的二阶段（Tx阶段和ACK阶段）。出于这个想法我们试验了真正的源代码运行,利用mica2平台与tinyos - 1.x版本。最后，经过测试并对分析试验结果表明，该智能化的方法在改进数据包延迟性能上给我们提供了比B-MAC更好的效果。

3. 关键词： • 模式前同步技术，MAC协议，无线传感器网络，低功耗,通道利用

4. 一 意义与目的 • 我们知道,能源效率是最关键的和根本的因素在无线传感器网络，对于传感器节点，因为有其自身的限制，那就是能量来源是有限的。因此，我们需要采取一些技术来保证低功耗，以保持它的使用持续超过一年。不过，我们不可能再在一些硬件比如微控制器或RF模块上下功夫了，因为他们不能在工作在比现在更低的功耗下了。在这种情况下，为了减少浪费能源最有效的方法是把低功耗技术应用在Mac （介质访问控制）或路由协议的水平[2], 在此方法中，我们建议一个很有效的MAC协议算法，不仅表现出很低的功耗而且能达到很好的通道利用效果。这个拟定的协议是基于B-Mac协议之上的 ，当然我们知道B- MAC协议是MAC协议中为无线传感器网络而设计的。为实现低功耗运行的B-MAC定期的进行睡眠和激活状态的切换。因为该协议大部分时间处于休眠状态，所以大大的提高了能源利用率并节省了大量的能源。但是， B-MAC采用自适应前同步信号采样，以减少占空比并且尽量减少闲置听的时间。这种做法虽然很简单并提高了能源利用率，但它也同时造成了几个不利的结果,由于太长的前同步序列信号,这在收发双方而言并不是最优的能源解决方案.由于它的过度发送信号导致过剩的能量消耗在非目标接收机上，并导致了过多的潜伏期在同一个结点上。 • 本文提出了一种新的MAC协议算法对于B-MAC相比：保持了原来的占空比性能并提高了通道利用率，改善了多跳的延迟现象。

5. 二基于模式的前同步信号的MAC协议 • 对于B-MAC协议而言，它的睡眠和激活状态是定期的。 即使在睡眠期间是相同的所有传感器节点， 每个节点也是在异步模式下在必要时才进入休眠状态 。为了检查是否有任何数据需要接收，前同步信号在激活时间里不停的采样。图1介绍了B_Mac,在采用延长前同步信号方法所带来的缺点。我们假定节点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ都位于在一个跳域。如果节点A要发送一个数据包到节点c ，节点A首先要通过CSMA（载波帧听多路访问）/ＣＡ获取一个免费的通道。 当它获得通道之后，像所有的休眠区域发一个前同步信号。这样的话第一个缺点就是信息的过量发送。如果接收方的睡眠期间是一秒，发送方已发送的前同步信号超过一秒却只是为了发送36个字节的数据包。而实际上一秒之内信号可能超过2400字节，这意味着发送方每包浪费了2364字节的数据。这样呢，就有每包99 ％以上的开销。 • 我们可以找到另一个不利之处在邻居节点。当节点A发出了一个长时间的前同步信号邻居节点B和C就必须听取到一个长时间同步信号。如图1所示，节点B和C保持听力状态在垃圾的长同步信号里，直到他们最后获得自己所需的数据包。

6. 图一　Ｂ＿ＭＡＣ使用延长的前同步时间信号时带来的弊端图一　Ｂ＿ＭＡＣ使用延长的前同步时间信号时带来的弊端

7. 在实际中，所有的邻居节点都必需听取长期前同步信号部分超过2400字节的长度。最后，经过他们检查目的地地址是否在数据包里，结果有时侯他们发现自己所要的数据不在这个数据包里．在实际中，所有的邻居节点都必需听取长期前同步信号部分超过2400字节的长度。最后，经过他们检查目的地地址是否在数据包里，结果有时侯他们发现自己所要的数据不在这个数据包里．

8. 图二　模式前同步信号序列结构

9. ２.１为了解决B－Mac协议存在的以上问题以下两项规定应予以处理２.１为了解决B－Mac协议存在的以上问题以下两项规定应予以处理 • ，。首先，我们必须把一些控制信息包括在目的地址里，和前同步信号中的一样。如果节点得到目的地地址从前同步信号中，他们可以作出决定，是否返回睡眠状态或保持监听状态。第二，发送方需要由接收方得到承认，知道它准备进行发送数据。 这使发送方不用发送整个同步信号。 如果发送方知道何时接收准备，然后它可以开始传送的数据包。 • 为了满足这两项要求，我们建议一个新的同步信号的做法，我们建议模式的前同步信号。模式的前同步信号是相当不同于以往的序言方法。传统的前同步信号是由一些简单的0，1交替位组成的。然而，基于模式的前同步信号为了达到收发双方的握手，通过在两个阶段重复一些模式信号完成任务，而这两个阶段包括发送前同步信号和接收应答同步信号序列．（见图2 ）其中前一个阶段是用来发出前同步字节（2字节） ，而后面的阶段是用来接收等待接收器的ACK数据序言字节（2字节） ，显示该接收器已准备就绪。当数据传输速率是250 kbps时， 持续时间2个字节对应耗时60微妙 。 • 在模式前同步信号部分，传送序列包括一个目的地地址. 这样做为了让邻居节点检查谁是正确的目的地址。此外，接收方的ACK序列包括同一目的地的地址为了让传送方可以确认这个应答信号是来自于正确的目的地址。开关的RX /Tx周期，是指改变中射频模式的持续时间，这是一个固定的值,而这个值取决于射频芯片本身，例如，我们cc1000 是250微妙 。发送方重复这些模式的前同步信号，在这两个阶段之间不断地进行而没有任何延误

10. 图四,例2传送方和接收方的状态

11. 图五,传送状态的传送图

12. 图六接收方的接收图

13. 3.1传输模式图5代表了一个状态的过渡图传送模式。信道接入后，通过的CSMA /核证机关，要制定“发送令牌” ，意思是发送序列。 状态将设“阅读确认”后发送列序然后 “读的ACK ”阶段意味着发射方等待的ACK序言是来自于目的节点。 国家转型期将被设置为“发送数据”当它收到的ACK的序言，否则，状态的过渡将被设置“传送令牌”状态。

14. Fig. 7 Delay performance. (Red: Patterned Preamble MAC, Blue: BMAC)

15. 4 结论 • 在本文中，我们提出我们的模式同步信号MAC协议。该协议克服大多数的B-MAC的缺点。我们的MAC协议实现了极低的功率运行，而且其网络性能明显改善，通道利用和延误也被改进。，我们的MAC协议表明，一个新的序列技术，是把一些控制信息和一些序列同步模式集合在一起。总而言之，序列是不仅用来进行同步化，但它也可以用来在真正的数据传送之前的发送方和接收方之间的握手联络信号,这样就提高了传输速率,并降低了能耗,改善了网络性能.

16. 参考文献 • [ 1 ]瓦特叶女士，海德曼，和D雌激素， “一具能源效益的MAC协议无线传感器网络， “ 21国际联合年会会议的IEEE计算机和通信社团，pp.1567 - 1576 ，2002 。[ 2 ]汤匙，范达姆和K langendoen ， “一种自适应的能源efficientmac 议定书为无线传感器网络， “第一acmconference对嵌入式网络传感器系统（sensys ） ，pp.171 - 180 ，2003 。[ 3 ] j. polastre女士，山，和D卡勒， “多才多艺的低功耗媒体访问无线传感器网络， “第二次含石棉材料会议上的嵌入式网络传感器系统（sensys ） ，pp.95 - 107 ，2004 。[ 4 ] g. halkes ，汤匙，范达姆，和K langendoen ， “比较节能陆委会orotocols无线传感器网络， “含石棉材料的移动网络及应用，pp.783 - 791 ，2005 。[ 5 ] tinyos作业系统的传感器网络，http://www.tinyos.net [ 6 ]德州仪器， “ cc1000数据， ” http://www.ti.com

17. 谢谢大家！！