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A Threshold-Based MAC Protocol with Energy-Efficiency for Wireless Sensor Networks

A Threshold-Based MAC Protocol with Energy-Efficiency for Wireless Sensor Networks. Jong-Whoi SHINa),Student Member,Seog-Gyu KIM,and Chong-Sun HWANG,Nonmembers IEICE TRANS.INF.&SYST.,VOL.E90–D,NO.2 FEBRUARY 2007.

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A Threshold-Based MAC Protocol with Energy-Efficiency for Wireless Sensor Networks

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  1. A Threshold-Based MAC Protocol with Energy-Efficiency forWireless Sensor Networks Jong-Whoi SHINa),Student Member,Seog-Gyu KIM,and Chong-Sun HWANG,Nonmembers IEICE TRANS.INF.&SYST.,VOL.E90–D,NO.2 FEBRUARY 2007

  2. SUMMARY In this paper,we propose TB-MAC(Threshold-Based MAC),which has been designed to consider various network traffic conditions while providing energy efficiency in a wireless sensor networks.Existing MAC protocols for sensor networks attempt to solve the energy consumption problem caused by idle listening using an active/sleep duty cycle.Since there are various traffic conditions,however,they may not always provide improvements in energy consumption.Hence,we propose a MAC protocol algorithm that stores data in a buffer and transmits data when the buffer exceeds a threshold value so that energy efficiency is always guaranteed for any network traffic condition.The analytical results show that our proposed algorithm enables significant improvements in energy consumption compared to the existing MAC protocols for sensor networks. • key words:sensor networks,MAC protocol,energy-efficiency,buffer threshold • 本文提出了TB-MAC协议（阈值MAC）。它的设计考虑到了各种网络流量条件同时提供了无线传感器网络中的能源效率。现有的传感器网络MAC协议尝试解决由主动/睡眠任务周期空闲监听引起的能量消耗问题，然而优于各种的流量条件，这些协议并未在能量消耗方面有所提高。所以我们提出一个MAC协议算法，在缓冲区中存储数据，当缓冲区超出一个阈值便发送数据，因此各种网络流量条件下的能量效率得以保证。分析结果显示，算法相比现有的MAC协议在能量消耗方面有了明显的改进。

  3. 1、Introduction • 能量效率是无线传感器网络通信机制中的一个关键问题。WSNs的MAC协议的主要目标是最小化传感器节点的功率消耗以最大化网络寿命。众多引起能量损耗问题中，空闲监听是最不利于能量效率的。Stemm and Katz[4]and the Digital Wireless LAN Module(IEEE802.11)的仿真结果显示，空闲模式，接收模式和发送模式的功耗比例分别是1:1.05:1.4 和1:2:2.5。传感器节点中的任务周期用于减少由空闲监听引起的不必要的功耗。S-MAC (Sensor-Medium Access Control)[1]和 T-MAC(Timeout-Medium Access Control)协议的一些优点和不足。而为解决T-MAC的早期睡眠问题的F-RTS(Future-RTS)也有其应用局限。而TB-MAC使用一个阈值算法充分的考虑到各种的网络流量条件。B-RTS(Booking-RTS)用于预存多跳数据在相同帧内发送也会有所介绍。

  4. 2、TB-MAC Protocol • 为最大化其性能，假设TB-MAC协议是运行在从源节点到接收器节点的总跳数大于3的网络中。另外，并不考虑在通信中丢失的数据包。

  5. 2.1、Threshold-Based Algorithm • TB-MAC的主要思想是如果缓冲区值超过阈值就发送数据。否则计时器设置比T-MAC更小的值。由于当计时器不操作时节点不发送RTS控制包或数据，协议转向睡眠模式。相比现存的MAC协议，它提高了能源效率。 • 图1显示了TB-MAC协议的运行算法。ql是每个帧中累积的数据，qt传感器节点总的缓冲区大小，α是阈值0<α≤θ,η是总跳数的相关函数，qth是缓冲区阈值。 • θ是用于防止缓冲区溢出的极值，发送的数据由于多跳数据发送连续的积累。多跳发送到节点n的θ值通常是： • Rdata 是接收的数据，Tdata是发送的数据。η定义为Nhops的倒数， 。所以，若η值小，qth值也变小，导致fast快速数据发送到接收器节点。

  6. 2.2、Determining the Threshold Value • 文献6分析了传感器报告周期和各种性能指标的相互关系。报告周期值用于TB-MAC阈值使得TB-MAC在各种网络流量条件下能有效的发送数据。方程3描述了权重阈值α。Fo(t)是在单位时间t的最优报告周期。t是代表一个监听和睡眠的完全周期持续时间的帧时间which is the frame time representing the duration of a complete cycle of listen and sleep。该值由最短报告周期（能取代所有指标报告周期）决定。例如特定应用性能指标考虑到goodput,delay,和 energy depletion，传感器节点布置在15×15的网格。文献六中，t＝1时，我们发现最优报告周期值分别超过1,0.5和2倍。这种情况下，最优报告周期值是0.5.设单元时间t内数据包的大小是dsize(t)， 是t必须发送的最小数据包大小。所以 是dsize(t)的最小值，： • 所有节点的α初始值相等，接收到α值的节点通过其到接收器节点的跳数计算η，计算出方程一中的qth，在其缓冲区中设置结果。若α值需要改变，一个新的阈值插入到SYNC包中（SYNC在T-MAC节点同步中定义）然后分发到各个节点。

  7. 2.3、Operation of TB-MAC and Determining Time Out • 如图2，传感器节点检查缓冲区中的累积数据值，当ql≥qth时发送数据。为减少发送数据后不必要的空闲监听时间，没有数据发送时，T-MAC利用计时器转向睡眠模式节省功耗。 • C是contention interval，R是RTS包长度，T是RTS和CTS之间非常小的时间间隔。TB-MAC执行时间以检测来自相邻节点的RTS包。该时间定义： • R是RTS包长度，C是CTS包的长度，n是跳数。对于多跳数据发送， R＋（n－1）C，第一和第二跳 。TB-MAC，timer operates after the contention period。由于比T-MAC协议的计时器短，TB-MAC可以减少空闲监听的功耗。图3显示了计时器操作的概念。

  8. 2.4、Advanced Asymmetric Communication • B-RTS是提高T-MAC中F-RTS的控制信号，以在相同帧内节省多跳数据发送。这明显提高了数据发送延时。如图3所示，基本概念是如果一个节点无意监听到，一个发往另一个节点的CTS包，它可能立刻发送B-RTS包到该相邻节点。当一个相邻节点收到B-RTS包，它按顺序发送B-RTS包到相同帧内其它相邻节点。一个接收到B-RTS包的节点知道它能及时的唤醒，因为控制信号包含了CTS信息，他知道何时能接收到数据。结果节点通过转换到睡眠模式直到唤醒来节省能量。The algorithm for finding the optimized route for data transmission between the nodes is not covered in this paper,since it belongs to the network layer.

  9. 3.Performance Analysis3.1 Active Time • 能量消耗在激活周期。所以我们比较S-MAC,T-MAC和TB-MAC的激活时间以探知这些协议的能量效率。发送相同的帧数，i表示发送的帧数。首先，S-MAC总的激活时间： • T-MAC分为两种状态，没有数据发送的概率是p： • 有数据发送的概率是q： • 因此总的激活时间: • TB-MAC分为三种状态。若0≤ql<qth，RTS包没有接收到的概率是： • ql≥qth的概率是τ, • 若收到RTS包和数据，则数据是否发送到一个相邻节点概率是1－ρ－τ, • 总的激活时间是

  10. 图4发送相同的帧数时，每个协议的累积激活时间。S-MAC的激活时间最长，TB-MAC的比T-MAC少17％。图4发送相同的帧数时，每个协议的累积激活时间。S-MAC的激活时间最长，TB-MAC的比T-MAC少17％。

  11. 3.2、Energy Consumption • 为分析功耗，我们参考EYES节点的数据接收和发送。S-MAC协议中，一个固定激活周期，数据可以发送到n个跳数。第n跳的功耗是 • N个跳数的功耗是 • T-MAC协议中，一个固定激活周期，数据可发送到三个跳数。N跳数的功耗是 • TB-MAC协议中，一个固定激活周期，数据可以发送到n个跳数.每个帧一个跳数的情况下，只有当缓冲区大于等于阈值时发送数据，三个情形的概率存在。0≤ql<qth，节点没有从相邻节点接收到RTS包的概率为ρ • 若ql≥qth的概率是τ，功耗为 • 若0≤ql<qth的概率为1－ρ－τ，则 • TB-MAC中一个跳数发送的功耗是

  12. N跳数功耗为 • 图5a和b显示各流量条件下的功耗。TB-MAC在各流量条件的效率最好，图6a和b显示TB-MAC协议的传感器寿命最长。

  13. 4、Conclusion • 本文提出了一种在传感器节点缓冲区中使用阈值的算法以提高传感器网络中的能源效率。分析结果显示，相比现有的MAC协议，TB-MAC协议最好的提高了能源效率。我们计划把该算法应用到实际环境中。基于这些工作，我们将尝试确定适合实际环境的θ和η值。

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