收稿日期：２００９唱０９唱０７；修回日期：２００９唱１０唱２６
作者简介：曾斌军（１９８４唱），男，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络（ｚｅｎｇｂｉｎｊｕｎ＠ｔｏｍ．ｃｏｍ）；费耀平（１９５９唱），男，河北平山人，教授，博士，主要研究方向为图形图像处理、计算机网络、模式识别、数据挖掘；李敏（１９７８唱），女，博士，主要研究方向为生物信息学、网络、数据挖掘；陶志坚（１９７８唱），男，主要研究方向为网络、数据挖掘． 一种基于功率控制的无线传感器网络ＭＡＣ协议
曾斌军，费耀平，李 敏，陶志坚
（中南大学信息科学与工程学院，长沙４１０００１）
摘 要：提出了一种基于功率控制的无线传感器网络ＭＡＣ协议，根据节点接收阈值，计算出节点发送最优功率，在根本上减小发送功率从而节省节点能量。为了减少节点间的碰撞，引入了自适应调整竞争窗口和快速退避机制，减少节点空闲时间，从而进一步减少节点耗能。仿真结果显示在能量和吞吐量上都有显著提高。关键词：无线传感器网络；媒质接入控制；能量效率；功率控制 中图分类号：ＴＰ３９１．４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１唱３６９５（２０１０）０５唱１９３１唱０４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１唱３６９５．２０１０．０５
．０９４
ＮｅｗＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｂａｓｅｄｏｎｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ
ＺＥＮＧＢｉｎ唱ｊｕｎ，ＦＥＩＹａｏ唱ｐｉｎｇ，ＬＩＭｉｎ，ＴＡＯＺｈｉ唱ｊｉａｎ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｎｉｎｇ，ＣｅｎｔｅｒＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｂａｓｉｎｇｏｎｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌ．Ｔｈｉｓｐｒｏｔｏｃｏｌｕｓｅｄｔｈｅｎｏｄｅｒｅｃｅｉｖｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｖａｌｕｅ，ｔｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｐｏｗｅｒ．Ｉｔｃｏｕｌｄｕｌｔｉｍａｔｅｌｙｒｅｄｕｃｅｎｏｄｅｃｏｎｓｕｍｅｅｎｅｒｇｙ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｎｏｄｅａｎｄｔｈｅｄｕｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｄｌｅｌｉｓｔｅｎｉｎｇｔｉｍｅ，ｉｔａｄｄｅｄｓｅｌｆ唱ａｄａｐｔｉｖｅｃｏｎｔｅｎｔｉｏｎｗｉｎｄｏｗｓｉｚｅａｎｄｆａｓｔｂａｃｋｏｆｆｓｃｈｅｍｅｔｏｍａｋｅｆｕｒｔｈｅｒｓａｖｅｎｏｄｅｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｎ
ｅｗＭＡＣｒｅｄｕｃｅｓｔｈｅｎｏｄｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｅａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＷＳＮ）；ｍｅｄｉａａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ（ＭＡＣ）；ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌ
刘爱勤０ 引言
近年来，传感器节点功能的增强和无线通信技术的发展，推动了无线传感器网络的快速发展。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量廉价、低功率的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的就是协作地感知、采集和处理网络中感知的对象信息，并发送给
［１］
。由于无线传感器网络具有易扩展性、自组织、分布式结
构、健壮性和实时性等特点，使其在军事、农业、医疗、环境监测等领域有着传统网络无法比拟的优势，必将开发出很多有价值的应用。传感器节点体积微小，通过电池提供能量，加上节点数量多、成本低、分布区域大，通常部署在比较危险或是人不能到达的地区，所以不可能给传感器节点补充能量。
如何最大化网络生命周期，即如何高效使用能量成为传感器网络面临的首要挑战。在通信模块中，节点的收发数据耗能最大，所以如何减小收发数据耗能成为节省能量的方式之一［２］
。为了能准时
收发数据，节点必须有段时间进行空闲侦听，实际上空闲侦听
也占用了大量的节点能量
［３］
，所以减少空闲侦听的时间也是
节省能量的方式之一。基于以上原因，本文提出了一种基于功率控制的无线传感器网络ＭＡＣ协议。
１ 相关工作
在无线传感器网络中，介质访问控制（ＭＡＣ）协议决定无
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，对传感器网络的性能有较大影响，是保证无线传感器网络高效通信的关键协议之一。在设计
无线传感器网络的ＭＡＣ协议时，需要考虑如下几个方面：ａ）节省能量，由于节点由电池供电，且不能提供再生能源，为了提高网络生命周期，节省能量成为设计考虑之首；ｂ）可扩展性，由于节点数目多、分布密集，有旧节点因能量耗尽而无效或是因节点加入而使网络拓扑动态变化，协议必须适应这种变化；ｃ）网络效率，包括公平性、实时性、网络吞吐量等。大量研究表明，通信过程中主要能量浪费在冲突导致的重传、节点接收不属于自己的数据包（串音）、发射／接收不同步导致的分组空传、控制分组的开销、节点空闲侦听等
［４］
。
Ｓ唱ＭＡＣ（ｓｅｎｓｏｒＭＡＣ）协议
［３］
是在８０２．１１ＭＡＣ协议基础
上，针对能量浪费的四个方面采取了相应的措施来节省能量，即：通过周期性侦听／睡眠的低占空比方式，减少节点活动时间；通过ＲＴＳ／ＣＴＳ来消除节点间的数据传送的碰撞；通过网络分配矢量（ＮＡＶ）机制使节点在ＮＡＶ阶段进入睡眠而减少串音现象；通过将长消息分成几个分组发送，减
少重传需要发送的能量，并且在控制开销上通过一次ＲＴＳ／ＣＴＳ就可以完成长分组的发送，减少控制帧的数量。
ＳＭＡＣ协议将一个时间周期分为活动阶段（ａｃｔｉｖｅ）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
第２７卷第５期２０１０年５月
计算机应用研究
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒｓ
Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．５Ｍａｙ２０１０
Ｄ＝Ｔａｃｔｉｖｅ
Ｔａｃｔｉｖｅ＋Ｔｓｌｅｅｐ
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尽量小来减少节点的使用时间，从而节省节点的能量，
但太小的Ｄ带来的是很大的延迟且降低了网络的吞吐量。因
此Ｄ的选择也要根据应用的不同而选择合适的占空比。在ＳＭＡＣ中，活动阶段又分为三部分：ＳＹＮＣ、ＲＴＳ和ＣＴＳ。ＳＹＮＣ部分（主要包含该邻居节点下一次睡眠的时间）主要完成节点
之间的同步并且相同调度的节点形成一个虚拟簇，ＳＭＡＣ可扩电力线上网
展性也是通过ＳＹＮＣ帧发现新节点或弃除无效节点达到动态
适应拓扑变化，ＲＴＳ和ＣＴＳ阶段主要是用于收发ＲＴＳ和ＣＴＳ。
虽然ＳＭＡＣ在节省能耗上有了很大的突破，但是节省能耗
是通过牺牲传感器网络的延迟、吞吐量等，从而造成了ＳＭＡＣ在
能量上有优势，但有很大的延迟和比较低的带宽利用率［６］。由
于是固定的占空比，固定的发送功率和固定的竞争窗口大小，当
网络的负载很大时，由于固定的占空比使得网络的信道利用率 很低，固定的竞争窗口使得冲突的概率并没有减少，固定的发射
功率使得节点间的连通性过于复杂而浪费更多的能耗。
ＦＰ唱ＭＡＣ［６］是在ＳＭＡＣ上改进的一个协议，主要是提高了ＳＭＡＣ的吞吐量和降低了点到点的传输延迟，通过减少占空比来达到这种要求。通过改变ＳＭＡＣ中的ＲＴＳ和ＣＴＳ部分，其中周期为Ｐ的是ＦＰ唱ＭＡＣ改进ＳＭＡＣ后的周期，可以看到，相对于ＳＭＡＣ的周期，ｐ比ｐ′小（ｔｍ＜ｔｍ１），并且它们的睡眠时间都一样，短的周期可以减少节点间的延迟，从而在一定程度上增加网络的吞吐量。并且由于ｐ比ｐ′少了两个控制帧（ＲＴＳ和ＣＴＳ），减少了控制帧的开销，从而也节省了节点的能耗，如图１所示。
由于ＦＰ唱ＭＡＣ协议没有ＲＴＳ和ＣＴＳ帧，就无法控制节点间的冲突和串音等。通过引入简单退避机制来尽可能地减小冲突的概率。它的工作方式与ＳＭＡＣ有点不同的是，当节点Ａ有数据要发送至Ｂ时，由于没有ＲＴＳ和ＣＴＳ帧，在节点Ａ侦听到Ｂ发送来的ＳＹＮＣ消息时，就开始侦听信道，如果信道空闲，完成了退避时间后就发送数据给Ｂ，收到Ｂ发送的确认帧时，就认为数据成功发送，节点重新进入睡眠。由于Ｂ是采用简单的退避机制（即二进制指数退避机制ＢＥＢ），该机制不能很好地适应当网络负载较大的环境，只是通过简单地侦听忙就加倍竞争窗口，成功发送一个数据就将竞争窗口变为最小。当网络负载很大时，窗口过大，使得节点的退避时长过长，增加延迟和节点侦
听时间；窗口过小，使得节点在碰撞后，选择新的退避时间又与旧的时间产生二次冲突，不但减小了吞吐量，增加了延迟，而且过多的碰撞使得节点频繁地重传数据重传，造成网络的信道利用率非常低。其在发射功率上与ＳＭＡＣ一样，采用固定发射功率。２ 协议描述
针对ＳＭＡＣ和ＦＰ唱ＭＡＣ协议的不足，提出了一种基于功率控制的ＭＡＣ协议（ｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｈｏｒｔｐｅｒｉｏｄｉｃＭＡＣ，ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ），主要是通过以下几个机制来解决以上的不足：首先，将功率控制引入到ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ中，通过调整节点发射功率，以最优的功率值来达到节省节点能量，并且减少冲突范围的目的；其次，通过减少ＲＴＳ和ＣＴＳ帧，改变ＳＹＮＣ帧的结构，得到节点的相关数据来计算节点的最优发射功率，并且减小了控制帧的数量，在一定程度上也减小了节点的能量；然后，通过引入一个参数（Ｃｂｕｓｙ），将竞争窗口的抖动性变得平滑，使得竞争窗口的大小在网络负载很大时，自适应地将窗口调整到合理值。２畅１ 最优发射功率
使用发射功率控制可以控制干扰，其基本思想是调节发射机的发射功率，在满足通信质量要求的前提下，使得在接收机处的接收功率尽量小［７］。发射功率的大小影响着网络的连通性和网络拓扑等，大的发射功率使得节点将数据传输到需要的跳数减少，减小了时延，但由于覆盖的范围大，使得在该范围内节点间冲突的概率增加，抑制了其他节点的通信，从而减小了网络的整体吞吐量。小的发送功率可以减少节点间的相互影响，增加带宽利用率，但节点之间传输延迟会增长，所以发射功率大
小的选择直接影响着网络的性能［８］。本文选择最优发射功率值作为发射功率，根据电磁波在自由空间传播损耗的Ｆｒｉｉｓ公式，可得到接收端功率：
Ｐｒ＝
ＰｔＧｔＧｒλ２
（４π）２ｄ２Ｌ
（１）其中：Ｐｔ为发送端天线发射功率；Ｇｔ、Ｇｒ分别为发射、接收天线增益；λ为波长；ｄ为发射端到接收端的距离；Ｌ为传播损耗因子（Ｌ≥１）。节点通过侦听信道中的能量强度来判断是否有数据在信道中传输。当侦听到的能量强度高于节点的接收门限阈值Ｐｔ时，则说明信道中有数据在传输，接收节点能够正确接收信道内的数据。由此可得出发送节点所需的最小发射功率：
Ｐｍ＝
ＲｔＬｄ２（４π）２
ＧｔＧｒλ２（２）其中：Ｒｔ为接收节点的接收门限阈值，Ｐｍ为发送节点所需的最小发射功率。
由式（１）（２）可得
Ｐｍ＝
ＲｔＰｔ
Ｐｒ
由此，根据已知的数据Ｐｔ、Ｒｔ以及Ｐｒ就可以计算出发送节点所需要的最小发送功率值Ｐｍ。考虑到信号在空间中的传输损耗，保证数据的可靠传输，必须将Ｐｍ乘以一个系数ｃ（ｃ≥１）。得出了Ｐｍ后，就把Ｐｏｐｔｉｍａｌ（ｃＰｍ）作为节点的最优发射功率值［９］。
２畅２ 自适应调整竞争窗口算法
Ｓ唱ＭＡＣ协议采用的退避算法是二进制指数退避算法（ＢＥＢ），只是其窗口大小ＣＷ是固定的。ＢＥＢ算法中的窗口调节和退避时长确定如下：
ＣＷ←ＣＷｍｉｎ，（ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ）；
ＣＷ←ｍｉｎ（２×ＣＷ，ＣＷｍａｘ），ｉｆ（ｂｕｓｙ）；
·２３９１
·
计算机应用研究 第２７
卷
ＣＷ←ＣＷｍｉｎ，ｉｆ（ｉｄｌｅ）；
Ｂ＝ｒａｎｄｏｍ（０，ＣＷ－１）×ＳｌｏｔＴｉｍｅ
其中：ＣＷ为竞争窗口大小，Ｂ为退避时间，ｒａｎｄｏｍ（０，ＣＷ－１）为在当前竞争窗口中的随机值。
当多个节点因同时完成退避后而发送自己的报文时，就会有碰撞发生。每当节点发送失败（如遇到ＡＣＫ确认超时），则默认为网络中节点之间对信道的竞争程度加剧（发生了碰撞），因此，节点将当前的竞争窗口值ＣＷ加倍，直至达到最大门限值ＣＷｍａｘ。由于退避计数器的值Ｂ是由在０～ＣＷ－１间随机选取的整数来决定的，所以节点在下一次发送之前更有可能选择较长的退避时间。从网络角度来看，在某一空闲时隙有多个节点同时发送的概率减小了，从而在一定程度上降低了冲突概率。每当节点成功发送一个报文，则又默认为信道竞争程度降低了，因此节点将ＣＷ重置为最小值ＣＷｍｉｎ。
ＢＥＢ算法存在的一个问题是在某一小段时间内，它总是
有利于前一次成功发送的节点短时间内再次竞争信道，从而造成小时间尺度上的不公平性现象，短程不公平现象是由于ＣＷ变化过于剧烈而造成的。ＢＥＢ的另一个问题是当网络中只有一个活跃节点（不存在报文碰撞问题）时，其竞争窗口ＣＷ始终等于ＣＷｍｉｎ（过大），仍然需要平均退避ＣＷｍｉｎ／
２个时隙才能发送一个报文；而当网络节点数较多时，节点每次成功发送后都将ＣＷ重置为ＣＷｍｉｎ（过小），这又会引起新的碰撞。算法参数不能随网络状况而改变造成了资源浪费。
鉴于ＢＥＢ的不能自适应网络负载的变化，通过引入一个参数Ｃｂｕｓｙ来记录在退避过程中的碰撞
次数，每次监测到碰撞就增加１，将Ｃｂｕｓｙ和一个设定的阈值ｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄ相比较，如果Ｃｂｕｓｙ＞ｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，则认为网络中冲突的次数太多，表示了网络需要传输数据的节点多，即网络负载较高，当前竞争窗口过小，在较小的窗口内有较多的节点竞争信道，引起频繁的碰撞。ＢＥＢ算法成功传送一次就将ＣＷ重置为ＣＷｍｉｎ，使得竞争窗口抖动性太大，二次冲突概率加大。本算法不是简单地将ＣＷ重置为ＣＷｍｉｎ，使得窗口的抖动性更小，变化更平滑。如果Ｃｂｕｓｙ＜ｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，表明网络负载较低，成功传送一次数据窗口将减小一半，如果连续几次成功发送数据，就将窗口大小置为ＣＷｍｉｎ。其中α为一个小于１的系数。在网络负载较高时，不想ＢＥＢ将ＣＷ减半，而是将窗口大小变为αＣＷｍｉｎ，窗口的减小相对于
ＢＥＢ显得更平滑，并且由于减小后的ＣＷ值不会因为急剧减小而造成频繁的碰撞。β（β≥１）的系数，当网络负载较小时，当侦听到信道忙时，将ＣＷ变为≥βＣＷ，其相对于ＢＥＢ的指数增长使窗口快速增大而言，有着更合适的窗口大小。因为负载较小，需要传送数据的节点比较少，太大的窗口必然导致节点需要过长的退避时间而浪费节点的能量，并且增加节点间的延迟。当节点连续侦听到ｃｏｕｎｔｅｒ次空闲后，认为此时信道比较好，将ＣＷ置为ＣＷｍｉｎ，如下所示。其中：Ｃｂｕｓｙ表示当前信道忙的累积次数；ｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄ表示一个阈值；ｃｏｕｎｔｅｒ为计数器；α、β为一个常系数。自适应调节窗口算法如下：
ｉｆＣｂｕｓｙ＞ｌｔｈｒｅｓｈｏｌｄ乌昌
ＣＷ＝ｍｉｎ（ＣＷｍａｘ，αＣＷ）；ｉｆ（ｓｕｃｃｅｓｓ） ＣＷ＝ｍｉｎ（２×ＣＷ，ＣＷｍａｘ）；ｉｆ（ｂｕｓｙ）ｅｌｓ
ｉｆＣＷ＞ＣＷｍｉｎ
ｃｏｕｎｔｅｒ＋＋；
ＣＷ＝ｍａｘ（ＣＷｍｉｎ，（ＣＷ＋１）／２－１）； ｉｆｃｏｕｎｔｅｒ＞ｍａｘ＿ｃｏｕｎｔｅｒ ＣＷ＝ＣＷｍｉｎ； ｃｏｕｎｔｅｒ＝０；
ＣＷ＝ｍｉｎ（ＣＷｍａｘ，βＣＷ）；ｉｆ（ｂｕｓｙ）
２畅３ 扩展的ＳＹＮＣ消息
ＳＹＮＣ消息机制的作用与ＳＭＡＣ的同步消息机制差不多，
只不过在原来的基础上增加了一些字段来达到功率控制的目的，将原来的ＳＹＮＣ结构增加两字节，用于存储发送同步消息节点的发射功率值。由于采用了扩展的ＳＹＮＣ消息机制，并且减少了ＲＴＳ和ＣＴＳ帧，使得节点在侦听阶段比ＳＭＡＣ侦听阶段在控制帧的开销上要节省将近２／３。
当节点有数据需要发送时，首先在节点的调度表中出需要接收节点的唤醒时间，在得到目的节点的唤醒时间后，在目的节点发送同步帧之前打开收发器进行信道侦听，一旦接收到目的节点的ＳＹＮＣ消息后，发送节点从目的节点的消息帧中提取Ｐｔ的值，根据最优发射功率算法，算出发送数据需要的最优功率值，再随机选择一个退避时间，当退避的时间耗完后，物理层就进行载波侦听，来确定信道是否空闲，如果空闲，则开始传送数据。其他竞争节点侦听到信道忙后，根据侦听到的信道，从中提取出分组的长度，从而知道该次通信需要的时间，并且关闭收发器，待通信完后再打开收发器，选择一个新的退避窗口。为了提高网络的信道利用率和减小数据延时，所有节点在发送完ＡＣＫ帧后，不是立即将收发器关闭，而是继续侦听一段时间，如果节点在这段时间侦听到别的ＳＹＮＣ消息，并且接收节点为自己，则继续接收数据，使得节点不必等到下一周期才发送数据，降低了延时，如图２所示。
当节点Ａ、Ｂ都有数据需要发送给Ｃ，在节点Ａ竞争到信道后，节点Ｂ侦听到信道忙后，提取分组中的数据长度得出通信需要的时间，当传输结束后，由于Ｃ不是立即关闭收发器，Ｂ选择了新的退避时间，如果信道空闲，则发送数据至Ｃ。通信完后，节点进入睡眠状态。
３ 实验结果与分析
利用ＮＳ２仿真平台验证本协议，为了测试ＰＣＳＦ唱ＭＡＣ的性能，将本协议与ＳＭＡＣ和ＦＰ唱
ＭＡＣ在能量的消耗、冲突的次数、吞吐量三个方面进行比较，从而评估出ＰＣＳＦ唱ＭＡＣ的性能。３畅１ 实验设置
在仿真实验中，本文采用与ＳＭＡＣ相同的拓扑结构，由五
个节点组成的交叉型拓扑结构如图３所示，Ａ和Ｂ为源节点，Ｃ为中转节点，Ｅ和Ｄ为汇聚节点。
在仿真中，通过调节源节点产生数据的快慢来表示网络中
负载的变化。在每种流量情况下，独立地仿真１０次，然后取平均值作为最后的结果，仿真时间为１０００ｓ。其他一些重要的
·
３３９１·第５期曾斌军，等：一种基于功率控制的无线传感器网络ＭＡＣ协议
参数如表１所示。
表１ 仿真参数
Ｐａｒａｍｅｔｅｒ
纳达尔资料ＶａｌｕｅＰａｒａｍｅｔｅｒ
ＶａｌｕｅＮｕｍｂｅｒｏｆｎｏｄｅｓ５Ｐｏｗｅｒｆｏｒｒｅｃｅｐｔｉｏｎ／Ｗ１．０Ｍａｘｉｍｕｍｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｒａｎｇｅ／ｍ２５０Ｐｏｗｅｒｆｏｒｉｄｌｅ／Ｗ１．０ＴｒａｆｆｉｃｔｙｐｅＣＢＲｔｒａｆｆｉｃ
ｆｌｏｗＰｏｗｅｒｆｏｒｓｌｅｅｐ／Ｗ０．００１Ｐａｃｋｅｔｌｅｎｇｔｈ／Ｂｙｔｅ１０００Ｐｏｗｅｒｆｏｒｓｌｅｅｐ／ｉｄｌｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ／Ｗ
０．２ＳＭＡＣｄｕｔｙｃｙｃｌｅ／％１０Ｔｉｍｅｆｏｒｓｌｅｅｐ／ｉｄｌｅ
ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ／ｓ０．００５
Ｐｏｗｅｒｆｏｒｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ／Ｗ
２．０（ｆｏｒ２５０ｍ）
３畅２ 实验结果
按照图３的拓扑进行仿真，首先对三种协议的冲突次数进
行分析，如图４所示，在网络负载较小时，ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ和ＦＰ唱
ＭＡＣ大致相同，由于ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ采用了功率控制，使得节点的影响半径变小，从而使得ＰＣ
ＳＰ唱ＭＡＣ在负载较小时，比ＦＰ唱ＭＡＣ在节点的冲突次数上少将近１０％。随着网络负载的增
大，当负载大于４（ｐａｃｋｅｔｓ／ｓ）时，会发现ＦＰ唱ＭＡＣ开始超过Ｓ唱ＭＡＣ，冲突曲线变化加剧，因为ＦＰ唱ＭＡＣ在冲突避免的措施中，只是应用了简单的退避算法，并且没有Ｓ唱ＭＡＣ中的ＣＴＳ控制帧来抑制其他节点，从而使得在负载较大时比不上Ｓ唱ＭＡＣ，在退避算法上，Ｓ唱ＭＡＣ和ＦＰ唱ＭＡＣ的竞争窗口都是固定的，当网络负载增大时，太小的窗口会引起节点的再次碰撞，造成网络在该阶段碰撞加剧。由于ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ在退避阶段采用了自适应窗口调节机制，当负载比较大时，自动调整竞争窗口的大小，使得竞争窗口变大，减少冲突的可能性。使用自适应调节竞争窗口算法，使得节点窗口大小适中，维持在一个合理的大小，避免了节点的频繁冲突，使得冲突的次数比Ｓ唱ＭＡＣ要少１５％。
图５为不同负载下的网络吞吐率。网络负载比较小时，由于ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ采用了功率控制和自适应调节竞争窗口的大小，节点间的相互影响减少，在退避时间上比ＦＰ唱ＭＡＣ的要小，而Ｓ唱ＭＡＣ的周期时间比这两种协议都要长，并且竞争窗口固定，使得在网络负载小时，吞吐率比较低。当小于３（ｐａｃｋｅｔ／ｓ）时，此时网络负载不太大，由于Ｓ唱ＭＡＣ采用了固定的空占比，使得节点不能很好地适应负载的变化，从而它的吞吐率比较低；ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ采用了三种技术来动态适应网络负载的变化，所以在负载较小时，对比Ｓ唱ＭＡＣ，吞吐率也将近提高了２５％。当网络负载较大时，如大于４（ｐａｃｋｅｔｓ／ｓ）时，三种协议的吞吐率大致相同，约为９３％，主要是负
载较大时，节点间碰撞加剧，冲突导致的重传使得信道的利用率趋近饱和，从而使得吞吐率在该阶段几乎不变。
图６为不同负载下的网络耗能情况。ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ和ＦＰ唱
ＭＡＣ协议由于具有较小的占空比，网络耗能都小于Ｓ唱ＭＡＣ。
这是因为Ｓ唱ＭＡＣ采用了固定的占空比，在网络负载比较大的时候，固定的占空比成为了降低节点能量的瓶颈问题，在负载
很大时，希望节点能尽量处在活动状态，提高节点的发送时长，降低网络的时延，增大网络信道的利用率。所以在网络负载较大时，ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ使用了自适应调节竞争窗口机制，使得在网络负载较大时，竞争窗口也随之增大，让节点选择在同一时间发送数据的概率减少，使得冲突要比Ｓ唱ＭＡＣ少。相对于ＦＰ唱ＭＡＣ来说，ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ通过引入了功率控制，使得节点的发射功率减小，减小节点的传输影响半径，进一步减少了节点相互影响，缩小了节点在同一时刻发送数据的可能，所以本协议在
网络负载较大时也比ＦＰ唱ＭＡＣ协议要节省１５％左右的能耗。４ 结束语
本文提出一种基于功率的无线传感器网络媒质接入控制协议（ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ），在ＦＰ唱ＭＡＣ
的基础上引入了功率控制来优化节点的发射功率，通过动态调整节点的竞争窗口大小，使得窗口的大小能够自适应网络负载的变化，窗口的大小维持在一个合理的范围内，减少节点间的二次冲突；修改了ＳＹＮＣ消息帧，使得在每次广播ＳＹＮＣ消息时，节点都可计算出最优的发射功率。ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ降低了节点的占空比，使得节点的活动时间减少，延长了网络生命周期。仿真结果显示，ＰＣＳＰ唱ＭＡＣ在网络负载较大时，吞吐率方面没有很大的改善，但在冲突概率和能耗上达到了理想的结果。参考文献：
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ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄａｄａｐｔｉｖｅｓｌｅｅｐｉｎｇｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ／
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［４］ＣＡＲＤＥＩＭ，ＴＨＡＩＭ，ＬＩＹｉｎｇ唱ｓｈｕ，ｅｔａｌ，Ｅｎｅｒｇｙ唱ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔａｒｇｅｔｃｏｖ唱
ｅｒａｇｅｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆｔｈｅＩＥＥＥＩＮＦＯＣＯＭ．Ｍｉａｍｉ：ＩＥＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒＳｏｃｉｅｔｙ，２００５：１９７６唱１９８４．
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ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＣｉｒｃｕｉｔｓａｎｄＳｙｓｔｅｍｓ．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒＳｏｃｉｅｔｙ，２００５：２９７５唱２９７８．
［６］
ＧＲＡＧＯＰＯＵＬＯＳＩ，ＫＡＲＡＰＩＳＴＯＬＩＥ，ＰＡＶＬＩＤＯＵＦ．ＦＰ唱ＭＡＣ：ａ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＭＡＣａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒ８０２．１５．４唱ｌｉｋｅｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＡｄｈｏｃＮｅｔｗｏｒｋｓ，２００８，６（６）：９５３唱９６９．
［７］ＫＡＷＡＤＩＡＶ，ＫＵＭＡＲＰ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓａｎｄｐｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌ
ｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓＡｄｈｏｃｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＪｏｕｒｎａｌｏｎＳｅｌｅｃｔｅｄＡｒｅａｓｉｎＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，２３（１）：７６唱８８．［８］
ＮＡＲＰ，ＣＡＹＩＲＣＩＥ．ＰＣＳＭＡＣ：ａｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｅｎｓｏｒ唱ＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｃ］／／ＰｒｏｃｏｆＩＥＥＥＥＷＳＮ２００５．Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ：ＩＥＥＥＣｏｍｐｕｔｅｒＳｏｃｉｅｔｙ，２００５．
［９］李方敏，徐文君，高超．一种适用于无线传感器网络的功率控制
ＭＡＣ协议［Ｊ］．软件学报，２００７，１８（５）：１０８０唱
１０９１．
微拟球藻·
４３９１·计
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用研
究 第２７
卡车司机的自述
卷
