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LC-MAC一种针对长链拓扑无线传感器网络MAC协议 　　摘要：在无线传感器网络的实际应用中，传感器节点常用于监测一条直线上的物体，如电力电缆监测系统、水道监测系统等。在长链拓扑下，随着中继节点越来越靠近接收节点，多跳传输的负载和延迟将会不断增大，导致剧烈的碰撞和冲突，从而影响接收节点处测量数据的准确性，甚至导致整个网络的崩溃。该文提出了一种带占空比机制的MAC协议，称为LC-MAC（the Long-Chain MAC）协议，在LC-MAC协议下，超级同步帧（super SYNC，SSYNC）为后面的数据传输进行预约；预约完成后，各中继节点都在预约时间醒来，接收上游节点的数据包，并且立即转发给下游节点。NS-2的仿真实验结果表明，相比于SMAC协议，LC-MAC协议在保证能耗和吞吐率性能的情况下，极大地降低了长链拓扑的端到端延迟。 　　关键词：LC-MAC；长链；无线传感器；MAC；多跳 　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3030-05 　　1概述 　　目前，在无线传感器网络的许多实际应用当中，数据流都是由通过单向骨干网同接收节点相连的若干源节点收集的数据组成的，而这些由几十个节点组成的骨干网在一些应用中都形成了一种长链的拓扑，如对电缆系统的监控、水道船只的监控、道路交通的监控等等。同其他无线传感器网络的应用类似，除了接收节点以外，其他节点都有着有限的能量资源、相对弱的运算能力和相对少的存储空间。 　　在长链网络中，中继节点首先监测到事件，然后将事件通过数据包的方式发送给接收节点。假设事件发生地点沿着长链拓扑平均分布，数据包将采用一种多对一的方式逐跳发送至接收节点。在这种情况下，随着中继节点越来越靠近接收节点，多跳传输的负载和延迟将会不断增大，从而导致剧烈的碰撞和冲突，甚至丢包。在理想情况下，这仅仅影响接收节点处测量数据的准确性，在严重情况下，可能会导致整个网络的崩溃。 　　众所周知，南加州大学的叶伟小组提出了SMAC[1]协议，其目标是降低IEEE 802.11协议的能耗。为了进一步降低能耗和延迟，基于SMAC协议的占空比机制，随后出现了一系列的MAC协议，如U-MAC[2]、T-MAC[3]和DSMAC[4]等，这些协议都提出了不同的占空比机制，为不同节点和不同的负载分配不同的占空比。然而，采用占空比机制的MAC协议都面临一个数据转发干扰问题，位于多跳路由上的节点并不知道数据的发送时间，从而导致了剧烈的睡眠延迟。其他基于TDMA[5-7]和多信道[8-10]的MAC协议也不适用于这种情况。以上所有的MAC协议能够降低无线传感器网络的能耗和端到端延迟，但是都不适用于特定的长链拓扑。 　　为了降低特定长链拓扑的传输延迟，延长节点的生命周期，该文提出了LC-MAC协议，一种低延迟和低能耗的MAC协议。LC-MAC协议利用位置检测技术（Location Detection technique）来实现节点定位，并采用SSYNC传输技术为数据发送进行预约，最后采用突发传输技术（Burst transmission technique）实现数据包的传输。该文的剩余章节安排如下：第二节分析长链拓扑中遇到的问题，第三节是协议设计细节，第四节给出协议的性能评估，最后在第五节给出结论。 　　2问题分析 　　这一类的实际应用可以抽象为一个长链传输问题，如图1所示，除了接收节点以外的所有中继节点都需要监测事件，并向接收节点发送数据，此外，除了Rn以外的所有中继节图1电缆监测系统 　　点都需要转发其他节点发送而来的数据包。假设节点R1的负载是每秒λ1个数据包，节点R2是每秒λ2个数据包，则节点i的负载如（1）式所示，其中TLi记为节点i的负载。 　　(1) 　　在采用占空比机制的MAC协议下，需要发送的数据包为： 　　(2) 　　其中Ntotal是需要发送总的数据包个数，Nip是节点i在T时间内收集的数据包个数。通过（2）式，我们可以发现，i越小，负载强度越大，需要发送的数据包个数也越多。这就意味着，在靠近接收节点的中继节点处，接收到的数据包将会增大负载强度，同时延迟也会增大。在仅仅只有若干节点组成的长链拓扑中，这会导致极大的数据冲突和数据包丢失，在严重情况下甚至可能导致整个网络的崩溃。 　　3协议设计 　　3.1节点定位 　　假设所有中继节点都是等间距地排列在一条直线上，每个中继节点调整自己的发送功率，保证仅仅只有自己的邻居节点能够接收到本节点发送的数据包。在初始化阶段，各个中继节点对自身邻居节点进行监测，只有一个邻居节点的中继节点即为长链拓扑的末端节点，标记为Rn，随后节点Rn将会向其邻居节点发送一个包含了自身位置信息的位置检测包（Location Det