本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展可預(yù)約sr-bma協(xié)議。

背景技術(shù)：

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wirelesssensornetworks，wsn）廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭、工業(yè)等方面，以其低成本、低功耗、自組織和分布式的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，成為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。媒體訪問(wèn)控制（mediumaccesscontrol，mac）協(xié)議決定了無(wú)線信道的使用方式，直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)性能的好壞。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)信道的方式，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議可以分為三類(lèi)：（1）基于競(jìng)爭(zhēng)的mac協(xié)議，允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)信道，可擴(kuò)展性好，但容易產(chǎn)生沖突；（2）基于tdma的mac協(xié)議，周期性地為節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙，可以避免消息碰撞，然而又會(huì)產(chǎn)生大量的空閑偵聽(tīng)；（3）混合型mac協(xié)議，具有較好的可靠性、容錯(cuò)性及可擴(kuò)展性，但是算法復(fù)雜，影響了協(xié)議的可用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的mac協(xié)議存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展可預(yù)約sr-bma協(xié)議。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展可預(yù)約sr-bma協(xié)議，該協(xié)議采用多簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被分為多個(gè)簇，每個(gè)簇包含一個(gè)簇頭和多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，成員節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到簇頭，簇頭收集整理后發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，該協(xié)議按輪進(jìn)行操作，在每一輪開(kāi)始之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇0-1之間的一個(gè)值，如果選定的值小于閾值t(n)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，其中，；

；

上述公式中，pch為簇頭節(jié)點(diǎn)所占比例，r為當(dāng)前所經(jīng)過(guò)的輪數(shù)，g為后1/pch輪未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合；節(jié)點(diǎn)使用該門(mén)限，在1-pch輪中被選為簇頭；在1/pch-1輪后，所有節(jié)點(diǎn)t(n)值為l，則沒(méi)有簇頭節(jié)點(diǎn)；

該協(xié)議每一輪包含建立階段和穩(wěn)定狀態(tài)階段；

建立階段發(fā)生在每一輪的開(kāi)始；節(jié)點(diǎn)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭所占比例和迄今為止每個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為簇頭的次數(shù)來(lái)決定是否成為簇頭；成功選出簇頭節(jié)點(diǎn)后，簇頭廣播簇建立信息，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收到的信息決定加入哪一簇，并向該簇頭發(fā)送加入請(qǐng)求；確認(rèn)所有節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求都已發(fā)送完畢后，簇頭根據(jù)這些加入請(qǐng)求計(jì)算成員節(jié)點(diǎn)總數(shù)，并為它自己及所有成員節(jié)點(diǎn)分配唯一的1byte短地址，通過(guò)cs_alloc信息告知；

穩(wěn)定狀態(tài)階段進(jìn)一步分為多個(gè)幀，每個(gè)幀包含控制周期、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期、數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播周期和數(shù)據(jù)傳輸周期；

在控制周期中，簇頭為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)固定時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)在所分配的控制時(shí)隙發(fā)送請(qǐng)求到簇頭，沒(méi)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無(wú)線電來(lái)節(jié)省能量，簇頭在整個(gè)控制周期都保持偵聽(tīng)狀態(tài)；

而后進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期，建立階段沒(méi)有加入簇的節(jié)點(diǎn)在該周期中可以重新發(fā)送加入請(qǐng)求到簇頭來(lái)申請(qǐng)加入簇；

成功加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)以及在建立階段已經(jīng)成為成員節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播信息；節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的優(yōu)先級(jí)由背包算法及其優(yōu)化算法決定；如果源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目之和大于數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)，則會(huì)出現(xiàn)一些源節(jié)點(diǎn)無(wú)法成功分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的情況，此時(shí)，簇頭為這些節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙；如果簇頭沒(méi)有收到某一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息，則只告知該節(jié)點(diǎn)下一控制時(shí)隙的編號(hào)。

所述的每一個(gè)簇最多只能包含1個(gè)簇頭和255個(gè)成員節(jié)點(diǎn)。

所述的數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播信息包含：（1）新成員列表，簇頭會(huì)為它們分配唯一的短地址以及控制時(shí)隙編號(hào)；（2）成功分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的源節(jié)點(diǎn)列表，包括這些源節(jié)點(diǎn)的短地址，數(shù)據(jù)時(shí)隙起始編號(hào)以及所分配的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展可預(yù)約sr-bma協(xié)議，通過(guò)對(duì)best-mac協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，提出一種基于tdma的mac協(xié)議；與傳統(tǒng)協(xié)議相比，該協(xié)議將數(shù)據(jù)時(shí)隙設(shè)置為很小的尺寸，數(shù)據(jù)時(shí)隙的數(shù)目超過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所請(qǐng)求的數(shù)據(jù)量，分配相應(yīng)數(shù)目的數(shù)據(jù)時(shí)隙，極大地提高了數(shù)據(jù)時(shí)隙的利用率；對(duì)背包算法進(jìn)行優(yōu)化，很好地避免了等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；加入預(yù)約機(jī)制，對(duì)沒(méi)有成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙的源節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙，又可以在一定程度上減少控制開(kāi)銷(xiāo)。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明sr-bma協(xié)議示意圖；

圖2本發(fā)明簇建立的流程圖；

圖3本發(fā)明穩(wěn)定狀態(tài)階段的流程圖；

圖4本發(fā)明節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙的舉例圖；

圖5本發(fā)明能量消耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)n變化圖；

圖6本發(fā)明能量消耗隨幀數(shù)l變化圖；

圖7本發(fā)明能量消耗隨概率p變化圖；

圖8本發(fā)明能量消耗隨數(shù)據(jù)包大小變化圖；

圖9本發(fā)明傳輸時(shí)延隨節(jié)點(diǎn)數(shù)n變化圖；

圖10本發(fā)明傳輸時(shí)延隨數(shù)據(jù)包大小變化圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述。

如圖所示：一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展可預(yù)約sr-bma協(xié)議，采用多簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被分為多個(gè)簇，每個(gè)簇包含一個(gè)簇頭和多個(gè)成員節(jié)點(diǎn)。成員節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送到簇頭，簇頭收集整理后發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。該協(xié)議按輪進(jìn)行操作，在每一輪開(kāi)始之前，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇0-1之間的一個(gè)值，如果選定的值小于閾值t(n)，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)成為簇頭節(jié)點(diǎn)，其中，；

；

上述公式中，pch為簇頭節(jié)點(diǎn)所占比例，r為當(dāng)前所經(jīng)過(guò)的輪數(shù)，g為后1/pch輪未成為簇頭節(jié)點(diǎn)的集合；節(jié)點(diǎn)使用該門(mén)限，在1-pch輪中被選為簇頭；在1/pch-1輪后，所有節(jié)點(diǎn)t(n)值為l，則沒(méi)有簇頭節(jié)點(diǎn)。

該協(xié)議每一輪包含建立階段（setupphase，sp）和穩(wěn)定狀態(tài)階段（steadystatephase，ssp）。穩(wěn)定狀態(tài)階段進(jìn)一步又可以分為多個(gè)幀，每個(gè)幀包含控制周期（control，period，cp），數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播周期（dataslotannouncementperiod，ads_ann），競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期（contentionaccessperiod，cap）和數(shù)據(jù)時(shí)隙（dataslot，ds）。該協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該協(xié)議為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配唯一的短地址代替之前的地址，同時(shí)將數(shù)據(jù)時(shí)隙分為更小的時(shí)間段，減少數(shù)據(jù)時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間，使數(shù)據(jù)時(shí)隙的數(shù)目大于節(jié)點(diǎn)數(shù)目，按照數(shù)據(jù)請(qǐng)求，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)包。采用背包算法及其優(yōu)化算法，最大限度地減少空閑偵聽(tīng)。在數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播周期的最后，簇頭為未能成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙，若無(wú)新的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生，該節(jié)點(diǎn)在下一控制周期就可以關(guān)閉無(wú)線電，減少控制開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)也能在一定程度上減少等待時(shí)間。

建立階段發(fā)生在每一輪的開(kāi)始。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)包含多個(gè)固定的簇，每個(gè)簇中只有一個(gè)簇頭，源節(jié)點(diǎn)直接和簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，而不是采用多跳的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。節(jié)點(diǎn)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中所需要的簇頭所占比例和迄今為止每個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)成為簇頭的次數(shù)來(lái)決定是否成為簇頭。成功選出簇頭節(jié)點(diǎn)后，簇頭廣播簇建立信息（ch_ann），其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)所接收到的信息決定加入哪一簇，并向該簇頭發(fā)送加入請(qǐng)求（join_req），如圖2所示。等待一定時(shí)間確認(rèn)所有節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求都已發(fā)送完畢后，簇頭根據(jù)這些加入請(qǐng)求計(jì)算成員節(jié)點(diǎn)總數(shù)，并為它自己及所有成員節(jié)點(diǎn)分配唯一的1byte短地址，通過(guò)cs_alloc信息告知。因此，每個(gè)簇最多可以有1個(gè)簇頭及255個(gè)成員節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)預(yù)約數(shù)據(jù)時(shí)隙，簇頭分配數(shù)據(jù)時(shí)隙以及數(shù)據(jù)包的傳輸都發(fā)生在穩(wěn)定狀態(tài)階段，該階段由多個(gè)幀組成，每個(gè)幀依次為控制周期，競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期，數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播周期及數(shù)據(jù)周期。

在控制周期中，簇頭為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)固定時(shí)隙，源節(jié)點(diǎn)在所分配的控制時(shí)隙發(fā)送請(qǐng)求到簇頭，沒(méi)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無(wú)線電來(lái)節(jié)省能量，簇頭在整個(gè)控制周期都保持偵聽(tīng)狀態(tài)。在best-mac協(xié)議中，上一幀沒(méi)有成功預(yù)約數(shù)據(jù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)，在該幀需要重新發(fā)送請(qǐng)求，而sr-bma協(xié)議中，簇頭提前為沒(méi)有成功分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙，因此，節(jié)點(diǎn)若無(wú)新的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送則在下一幀的控制周期中可以關(guān)閉無(wú)線電，減少控制開(kāi)銷(xiāo)。而后進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期，建立階段沒(méi)有加入簇的節(jié)點(diǎn)在該周期中可以重新發(fā)送加入請(qǐng)求到簇頭來(lái)申請(qǐng)加入簇，每一個(gè)簇最多只能包含1個(gè)簇頭和255個(gè)成員節(jié)點(diǎn)。成功加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)以及在建立階段已經(jīng)成為成員節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)都會(huì)收到簇頭發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播信息，該信息包含：（1）新成員列表，簇頭會(huì)為它們分配唯一的短地址以及控制時(shí)隙編號(hào)；（2）成功分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的源節(jié)點(diǎn)列表，包括這些源節(jié)點(diǎn)的短地址，數(shù)據(jù)時(shí)隙起始編號(hào)以及所分配的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目。節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的優(yōu)先級(jí)由背包算法及其優(yōu)化算法決定。如果源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目之和大于數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)，則會(huì)出現(xiàn)一些源節(jié)點(diǎn)無(wú)法成功分配數(shù)據(jù)時(shí)隙的情況，此時(shí)，簇頭為這些節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙。如果簇頭沒(méi)有收到某一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信息，則只告知該節(jié)點(diǎn)下一控制時(shí)隙的編號(hào)，流程圖如圖3。

假設(shè)w為背包的總重，即可使用的時(shí)隙總數(shù)，wi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)，w為當(dāng)前時(shí)隙編號(hào)，即從0到w。將節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目視為節(jié)點(diǎn)的重量，則問(wèn)題就變?yōu)閷⑦@些不同重量的節(jié)點(diǎn)放入總重為w的背包。首先，簇頭要檢查所接收到的時(shí)隙請(qǐng)求總數(shù)是否大于w。若小于或等于，則每個(gè)源節(jié)點(diǎn)都可以分配相應(yīng)的時(shí)隙數(shù)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，其優(yōu)先級(jí)由背包算法決定，詳見(jiàn)算法1。若源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的時(shí)隙總數(shù)大于w，則根據(jù)本文提出的優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)行分配。

algorithm1:knapsackalgorithm

首先根據(jù)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目將所有節(jié)點(diǎn)由大到小進(jìn)行排序，若數(shù)目相同時(shí)，則節(jié)點(diǎn)短地址小的優(yōu)先。請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)隙多的優(yōu)先處理，這樣可以避免處理完請(qǐng)求數(shù)目少的節(jié)點(diǎn)后，剩余時(shí)隙數(shù)目不夠，請(qǐng)求數(shù)目多的節(jié)點(diǎn)無(wú)法被處理的情況。當(dāng)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，源節(jié)點(diǎn)所請(qǐng)求的時(shí)隙總數(shù)大于最大值，總會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)無(wú)法分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙，此時(shí)，簇頭會(huì)為這些節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙，若節(jié)點(diǎn)沒(méi)有新的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，則在下一控制周期可以關(guān)閉無(wú)線電來(lái)節(jié)省能量，詳細(xì)的描述如下。

假設(shè)總共有12個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙，a,b,c,d,e五個(gè)節(jié)點(diǎn)在幀1請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目分別為3,2,0,4,5，在幀2請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)分別為1,1,1,5,3，在幀3請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)分別為1,2,0,3,2，則時(shí)隙分配情況如圖4所示。在幀1，節(jié)點(diǎn)c沒(méi)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，不分配時(shí)隙，a,b,d,e按照由大到小排列為e,d,a,b，為e,d,a三個(gè)節(jié)點(diǎn)分配完數(shù)據(jù)時(shí)隙后，已經(jīng)沒(méi)有剩余的時(shí)隙可以留給b了，則簇頭為節(jié)點(diǎn)b預(yù)約幀2的兩個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙。到幀2時(shí)，若節(jié)點(diǎn)b請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙沒(méi)有變化，在控制周期可以關(guān)閉無(wú)線電來(lái)減少控制開(kāi)銷(xiāo)，本例中節(jié)點(diǎn)b又請(qǐng)求了1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙，仍需在控制周期發(fā)送請(qǐng)求，除去簇頭為b提前預(yù)約的2個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙，將這些節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行排序?yàn)閐,e,a,b,c，由于a,b與c請(qǐng)求的時(shí)隙數(shù)相同，則短地址小的優(yōu)先分配，此時(shí)節(jié)點(diǎn)c無(wú)法分配數(shù)據(jù)時(shí)隙，則節(jié)點(diǎn)為c預(yù)約幀3的1個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙。在幀3中，節(jié)點(diǎn)c沒(méi)有新的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送，則在控制周期關(guān)閉無(wú)線電以減少控制開(kāi)銷(xiāo)，此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)目之和小于數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)，除去為c預(yù)約的一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)隙，其他節(jié)點(diǎn)按背包算法，依次分配數(shù)據(jù)時(shí)隙。

協(xié)議性能分析

假設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每一簇只有一個(gè)簇頭，每個(gè)幀有l幀，發(fā)送或接收一個(gè)數(shù)據(jù)包所必需的時(shí)間是td，發(fā)送或接收一個(gè)控制信息所必須時(shí)間是tc，發(fā)送或接收一個(gè)調(diào)度信息所必須時(shí)間是tch。節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕蕿?i>p。發(fā)送和接收模式的單位能量消耗分別為pt和pr，空閑偵聽(tīng)的單位能量消耗為pi。

建立階段的能量分析

在有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的簇中，建立階段的能耗e^setup是一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)及n-1個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)的能量總和，其中又分為喚醒狀態(tài)和空閑狀態(tài)。

在喚醒狀態(tài)，簇頭的能耗為：

（1）

其中，，分別為簇頭發(fā)送廣播信息，接收加入請(qǐng)求及發(fā)送cs_alloc的能量消耗，而tat，tjr，tcs為簇頭發(fā)送廣播信息，接收加入請(qǐng)求及發(fā)送cs_alloc所需時(shí)間，在相同狀態(tài)下，非簇頭節(jié)點(diǎn)m的能量消耗為：

（2）

其中，，為節(jié)點(diǎn)接收簇頭廣播信息，發(fā)送加入請(qǐng)求及接收cs_alloc的能量消耗。在有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的簇中，共有n-1個(gè)非簇頭節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，該簇在建立階段喚醒狀態(tài)下的總能耗為：

（3）

在空閑狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)存在空閑偵聽(tīng)，因此依舊會(huì)造成能量消耗。簇頭在整個(gè)建立階段需要保持無(wú)線電開(kāi)啟，來(lái)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送的加入請(qǐng)求，其空閑階段的能耗為：

（4）

其中，分別為簇頭處于空閑狀態(tài)的能耗及時(shí)間。在空閑狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)m的能耗為，時(shí)間為，其能耗為：

（5）

因此，n-1個(gè)成員節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)的總能耗為：

（6）

則該簇在建立階段的總能耗為：

（7）

穩(wěn)定狀態(tài)階段的能量分析

每個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)階段都是由多個(gè)幀構(gòu)成，每個(gè)幀又包含控制周期，競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期，數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播周期及數(shù)據(jù)時(shí)隙。

在幀j中，源節(jié)點(diǎn)在所分配的控制時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求到簇頭，其他節(jié)點(diǎn)關(guān)閉無(wú)線電來(lái)節(jié)省能量。則源節(jié)點(diǎn)s在控制階段的能量消耗為：

（8）

其中為發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求的能耗，ts為數(shù)據(jù)時(shí)隙的持續(xù)時(shí)間。簇頭在整個(gè)控制周期保持無(wú)線電開(kāi)啟來(lái)接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求，假設(shè)有x個(gè)源節(jié)點(diǎn)，則控制周期的總能耗為：

（9）

，分別為簇頭空閑偵聽(tīng)及接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求的能耗。

控制后期結(jié)束后，進(jìn)入競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)周期。此時(shí)沒(méi)有假如簇的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送加入請(qǐng)求到簇頭。此時(shí)簇頭的能耗為：

（10）

同樣的，非成員節(jié)點(diǎn)的能耗為：

（11）

因此，有d個(gè)非成員節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，總能耗為：

（12）

在數(shù)據(jù)時(shí)隙廣播周期中，節(jié)點(diǎn)接收簇頭發(fā)送的ads_ann信息，總能耗為：

（13）

之后進(jìn)入數(shù)據(jù)周期。假設(shè)在x個(gè)源節(jié)點(diǎn)中，有y個(gè)節(jié)點(diǎn)成功分配了數(shù)據(jù)時(shí)隙，則，其能耗為：

（14）

其中k為數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)，則簇頭的能耗為：

（15）

穩(wěn)定狀態(tài)階段的總能耗為：

（16）

因此，在有q個(gè)幀的輪中，該簇在建立階段及穩(wěn)定狀態(tài)階段的總能耗為：

（17）

為了驗(yàn)證sr-bma協(xié)議的性能，本文通過(guò)matlab仿真軟件進(jìn)行仿真分析，將其與best-mac協(xié)議進(jìn)行對(duì)比。仿真參數(shù)設(shè)置如下：

表1仿真參數(shù)設(shè)置

能量消耗

sr-bma協(xié)議簇頭為每個(gè)成員節(jié)點(diǎn)分配唯一的1byte短地址，因此該協(xié)議每簇最大的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)為28-1個(gè)。圖5-圖8分別是能量消耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)n，幀數(shù)l，有事件發(fā)生的概率p及數(shù)據(jù)包大小變化圖，可以看出當(dāng)自變量增大時(shí)，節(jié)點(diǎn)的能耗也隨之增加，但是sr-bma協(xié)議的能耗始終小于best-mac協(xié)議。這是由于在best-mac協(xié)議中，如節(jié)點(diǎn)沒(méi)有成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙，則它在該幀無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)只能在下一幀的控制周期重新發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求到簇頭。而sr-bma協(xié)議則省去了這一過(guò)程，當(dāng)一個(gè)幀中已經(jīng)沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)隙分配給節(jié)點(diǎn)時(shí)，簇頭會(huì)為沒(méi)有成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一幀的數(shù)據(jù)時(shí)隙，因此，節(jié)點(diǎn)沒(méi)有新的數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時(shí)，在下一幀的控制周期就可以關(guān)閉收發(fā)器來(lái)減少能耗。

傳輸時(shí)延

在基于競(jìng)爭(zhēng)的、基于tdma的及混合類(lèi)mac協(xié)議中，基于tdma的mac協(xié)議采用調(diào)度機(jī)制，預(yù)先為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)隙來(lái)傳遞數(shù)據(jù)，這就導(dǎo)致了較大的傳輸時(shí)延。在非常注重時(shí)效性的應(yīng)用中，如地震預(yù)警，火災(zāi)預(yù)警，基于tdma的mac協(xié)議的劣勢(shì)就報(bào)漏無(wú)疑。為了減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延，本協(xié)議采用了背包算法及其優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖9，圖10所示。

可以很明顯的看出，相較于best-mac協(xié)議，sr-bma協(xié)議的最大傳輸時(shí)延減少了將近30%。在進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)隙分配時(shí)，如果源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)時(shí)隙總和大于數(shù)據(jù)時(shí)隙總數(shù)，best-mac協(xié)議優(yōu)先為請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)少的節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，這就可能導(dǎo)致還有空余時(shí)隙卻無(wú)法分配給請(qǐng)求時(shí)隙數(shù)大的節(jié)點(diǎn)，甚至當(dāng)業(yè)務(wù)量較大時(shí)，某些節(jié)點(diǎn)一直無(wú)法成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙，數(shù)據(jù)時(shí)隙分配的不公，直接導(dǎo)致了傳輸時(shí)延的增大。而sr-bma協(xié)議則不同，該協(xié)議優(yōu)先為請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)隙數(shù)大的節(jié)點(diǎn)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙，如果有節(jié)點(diǎn)沒(méi)有成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙，簇頭還會(huì)為它們提前預(yù)約下一幀的時(shí)隙，減少最大傳輸時(shí)延。

本文提出一種可擴(kuò)展可預(yù)約的mac協(xié)議：sr-bma協(xié)議。該協(xié)議將數(shù)據(jù)時(shí)隙分為更小的部分，采用背包算法及其改進(jìn)算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)隙的多少來(lái)動(dòng)態(tài)分配數(shù)據(jù)時(shí)隙，同時(shí)簇頭為沒(méi)有成功分配到數(shù)據(jù)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)提前預(yù)約下一回話的數(shù)據(jù)時(shí)隙，依次來(lái)減少控制開(kāi)銷(xiāo)，又更好的保證了公平性。仿真結(jié)果顯示與best-mac協(xié)議相比，sr-bma協(xié)議采用提前預(yù)約的方式減少了控制開(kāi)銷(xiāo)，因而降低了一部分能耗，在最大傳輸時(shí)延上，又降低了將近30%。下一步的研究將以sr-bma為基礎(chǔ)，將其可擴(kuò)展可預(yù)約的特性應(yīng)用在其他類(lèi)型的mac協(xié)議上，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的情況。