外文翻译--能量采集 - 无线传感器网络的自适应媒体访问控制

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毕业设计(论文)外文资料翻译

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专业：通信工程

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外文出处：1.Adaptive Media Access Control for Energy Harvesting - Wireless Sensor Networks2.Analytical Comparison of MAC Schemes for Energy Harvesting - Wireless Sensor

Networks

附件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文

附件1：外文资料翻译译文一

能量采集- 无线传感器网络的自适应媒体访问控制

Xenofon Fafoutis and Nicola Dragoni

摘要:ODMAC（按需媒体访问控制）是最近提出的MAC协议，旨在支持能量采集-无线传感器网络（EH-WSNs）的个人占空比。对EH-WSNs而言个人的工作周期是至关重要的，因为它们允许节点以适应不断变化的环境能源的能源消费。在本文中，我们为ODMAC提出了一个改进和扩展版本，并通过分析模型来分析它，该分析模型可以在任意的网络拓扑结构中使之接近某些性能指标。仿真和分析实验表明了ODMAC满足EH-WSNs三个主要属性的能力，这三个属性分别为：能源消费的适应性、分布式能源的负载平衡和对不同应用具体要求的支持。

关键词: 无线传感器网络、多址通信

1.引言

能量采集—无线传感器网络（EH-WSNs）由能够从环境中提取能量的节点组成。每个节点可能还配备有能量缓冲区，若获得的能量多于耗电量，则节点操作处于可持续发展状态并有一个连续的生存期。此状态被定义为能源中性操作（ENO）收获的能源远远高于消耗的能源的操作状态是可持续的，但并不理想，额外的能源被浪费了，我们所期望的操作状态是收获的能源等于消耗的能源，因为这是一种所有的收获能源都用来提高系统性能的可持续状态，这种状态被命名为ENO-Max [9],是EH-WSNs的基本目标。

旨在实现ENO-Max ，EH-WSNs的通信协议需要在环境能源可用的情况下适应其能源消耗而环境能源随时间和空间变化。此外，通信协议需要有某些额外的特性。首先，需要为节点分配负载从而在任何给定的时间内都能获得更多的能量；其次，需要支持具有不同性能要求的应用程序，换言之，收获的能量应被用于提高应用程序的性能。在本文中，我们提出了ODMAC的扩展版本[3]，并研究用分析模型使之在任意的网络拓扑中近似的接近于性能指标。分析实验表明了ODMAC提供上述特质：能源消费的适应性、分布式能源的负载平衡和对不同应用具体要求的支持的能力。先前在OPNET中的模拟验证了同样的结果[3]。

文章的条理如下，在第二节提出了新的ODMAC，第三节引用了一个使用ODMAC的普通的EH-WSNs模型，这使我们能够在第四节中研究分析协议，最后，第五节讨论了相关研究，第六节总结全文。

2.按需媒体访问控制（ODMAC）

为支持个人工作周期，ODMAC使用载波监听方案。每个接收器定期广播信号来表明以准备好接收数据包的传输。需要转发数据包的所有节点都排队进入缓

冲池，侦听广播等待合适的信号。一旦接收到信号，数据包相继进行传输。为减少信号等待时间，协议融入了一个转发方案，而不是等待一个特定的信号，每一帧都在等待合适的发射时间，只要它被包含在一个适当的转发器列表里。除了减少等待时间，这种方法允许节点控制它们之间数据包传递载荷分布。除了这种方式，在文章中我们引进了更适合某些特殊情况的具有约束力的方案，在这种转发机制中，发射器选择一个节点并与其各自的生命周期相捆绑，降低了能量消耗，因为它完全消除了空闲侦听延迟的额外成本。当只有一个适当的下一跳，捆绑将自动使用，它还可以在极低功率条件下节约更多的能源。

图1展示了ODMAC 发射器和接收器之间的基本通信。假设传感器节点B 需要转发一个数据包到节点A ，节点B 侦听信道等待信号，在某一点，节点A 被唤醒并尝试发送一个信号。首先，节点A 监听一段时间（TIFS ）的信道，除非信道一直空闲，节点A 才返回到睡眠状态。此举可是两个节点之间的通信保持不间断。如果信道空闲，节点A 发送信号并侦听等待计时器TTX 该计时器等待下一个数据包。如果在规定的时间内没有节点发送，节点A 将返回到睡眠状态。节点B 接收到信号并确定信号源于节点A 然后发送数据包。最后，删除碰撞保护机制，其原因是该信号周期必须比传输期短很多。将在下一节中展示。因此信号传输的随机选择构成了一个有效地简介碰撞避免机制。

图1 发射器和接收器之间的通信

3.ODMAC 的普通的EH-WSNs 模型

等待一个信号延迟。假设每个传输候选者都有一个信号周期j t ，j X 表示节

点j 的信号等待时间，j x 是它的预期值。节点将帧转发到该节点先唤醒，i Y 表示

N 潜在下一跳的第一次信号等待时间，i y 是它的预期值。因此，()5.0=≤i i y Y P 。J X 服从均匀分布，()()j i j i j y t y X P -=>，等式（1）告诉我们预期的第一次信号（i y ）等待时间。

节点到接收器延迟。节点到接收器延迟由节点到信宿在每一跳的每个环节的

延迟的总和，比较重要的延迟只有传输延迟和在每一环节延迟的显著来源的等待延迟。传输延迟等于R L ,其中L 代表数据包大小，R 代表链接的传输速率。等待时延可以由（1）得出。节点i 的这些链接时延的总和i i y R L d +=。记住路径伺机决定。每一个适当的战法预期服务于节点数据包的一部分。数据包会被节点i 转发的概率由i p 给出，是对存在于适当转发器列表中的节点的遍历求和

在传感器i 中节点到接收器延迟（s i d ）等于本地连接延时（l i d ）加上每个

考虑到变成实际转发器概率的潜在转发器的节点到接收器延时，这由下面的方程给出，是对存在于适当转发器列表中的节点的遍历求和。

对节点而言，直接访问缓冲池，等式（3）也适用于1sin =k p 和R L d e k =sin 。

通信速率.传感器需要发送的流量（i r ）包括传输产生的流量（g i r ）和代表

其他节点转发的流量（f i r ）。局部产生的通信速率等于i g i s r 1=，i s 表示传输工

作周期，此外，每个向后的邻居有助于总的通信速率的一部分，总的通信速率是关于变成实际转发器（（2）式给出）的概率。

对网络最外层节点而言等式（4）0=m 时也成立。

能量的消耗与产生.我们在通信中值模拟功率消耗，实际上它是功率消耗的重要来源。在传输数据包中所有功耗()ttx

i P 用（5）式表示i

r 由（4）式计算得到，数据包大小（L ）与传输速率（R ）的比率是传输的持续时间。t i P 表示传输过程

中的功耗。

对于t i P 的值，我们使用功耗模型在[10]中提出。特别的，传输过程中的功耗

由下面的公式给出，tx i P 代表传输信号的已选功率，η代表排水板效率，0t P 表示

在持续的通信模块电路中的功耗。

接收数据包的所有功耗trx i P 有下面的公式给出，r P 是接收到的功耗，f i r 代表

转发数据包的通信速率，数据包大小（L ）与传输速率（R ）的比率是接收所需的时间。

在等待适合信号时消耗的总功率w i P 依靠节点的操作是否在捆绑模式下。对

于后者，若无功耗，则

0=w i P ，在前者情况下，功耗由下述公式给出，r P 代表接收方的功耗，i y 代表（1）式给出的等待时间，i r 由公式（4）给出。

最后，数据包的所有功耗b i P 由下面的公式给出，i t 代表信号期，信号大小

（b L ）与传输速率（R ）的比率是信号传输的需要时间，t P 代表传输时功耗。

我们选择不模拟潜在冲突，因为我们认为在给定的轻交通环境下这些都微不足道，所有上述来源的功耗的总和代表节点i 的总功耗。收获的能源，引脚i 作

为服从正态分布的随机变量被建模，无论什么时候tot i in i

P P ≥，节点i 在ENO 态被操作，如果比率在[1,|1.1],我们认为节点在ENO-Max 态进行操作。

传输范围，传输范围模型是基于链路预算公式，rx i P 在dBm 中是接收器的信

号源，tx i P 代表dBm 中传输信号的功率，tx G 和irx G 在dBi 中代表传输端和接收

端的天线增益，i PL 代表路径上的信号衰减，在此所有的节点都有同样的天线增益。

在距离为i d 的路径衰减由下面的方程式在空间空闲模式下给出，f 是信号（MHz ）的频率，e 代表衰减指数。

如果我们将x i P r 与接收端的阈值相等，我们就得到了节点i 的传输范围。

拓扑结构，当前的公式有效地模拟了一种EH-WSN ，给定任意一节点集，不管是预定义还是任意A*A 的矩阵，亦或是给出任意一个节点的一系列参数，我们都能够确定其拓扑结构和近似性能指标。

4.ODMAC 分析

表1提供了模型一些参数值，这些值适用于所有的传感器节点。参数家丁使用CC1000收发器[10].

表1 模型参数值

此外，我们选择最大支持传输电源，然后逐渐降低到所有连接都是完好的状态。适当的转发器列表包括更接近一跳到接收器的所有节点。最后，我们考虑一个有50节点的随机拓扑。基于这些参数，传输范围约为105米，信宿节点被放置在（0,0）位置，导致了5跳深的网络。并在不同的随机拓扑结构上的进一步实验进行了验证。然而，因为空间限制被省略。

信号（i t ）和传感器（i s ）的分析。在功耗上增加信号周期有两个对立的效果，一方面，功耗由于信号而降低，另一方面，依赖节点信号的节点需要花更长的时间等待信号，良妃了空闲侦听的能量。在本次实验中，在输入能量很低时我们考虑在最坏的情况下所有节点运行在最大的占空比、max t 和max s 条件下。图2展示了在不同最大信号周期每个节点的平均功耗。不同的路线代表以秒为单位的不同的最大检测周期，以观察最小值的逐渐增大作为传感期的增加，我们设置了最大的信号周期max t ，作为最小值，因此，该系统具有以下操作备选方案，该系

统可在更小的延时下进行能量的传递，若i t 在（0，max t ）范围内。该系统也能够通过调节i s 交换能量的吞吐率。备选方案中系统可在最小的功耗下运行，并在其他方面使用能量。

案略分析：延迟敏感应用。为支持延迟敏感应用，系统应保证能源中立的操作和在减少延迟的情况下，收获能源的投资过剩。我们假设应用程序具有在数秒内达到最大传感期间要求的特征，max s 。同样的，定义最小传感期间要求，min s 。如下，定义了一个工作周期适应算法。所有的传感器设置感应期min s s i =，信号周期max t t i =，max t 在图2中给出。如果一个节点有过多的能量，减少信号周期，在如果另一方面，一个节点需要节约能源同时提高了信号周期的最大值，max t 。如果这不足以实现ENO 状态，传感周期增加至最大值，max s 。如果仍然不够，节点将切换到捆绑模式，将节点与其最小信号周期进行捆绑。

图2 不同最大传感周期的功耗

表2展示了几个树值实验的结构。EH-WSN 在四个输入变量条件下（mean/variance ）和你不同的应用需求（max s ）条件下进行测试，根据[6]能源输入涵盖了种类繁多的能量采集。我们还考虑了2max min s s =，该表还显示了每分钟数据包中节点的平均传感率和每毫秒平均节点到缓冲池的延时，最后一列给出了系统的整个能源状态，在此ENO-MAX 意味着所有的节点都在ENO-MAX 状态运行，否则，将给出一个不可持续发展状态节点的数目。

表2 延迟敏感应用程序的数值计算

在高输入功率下，系统工作在最大的所需感测率下，而过量的能量石用于尽可能降低节点到缓冲池的延时，所有的节点在ENO-MAX态下操作，当我们降低能源输入时，平均延时会变得更高，这表明，系统能有效的使用收获能源来改善选定的性能度量。当输入功率很低时，许多节点需要切换到具有捆绑模式，以达到ENO状态，在系统达到ENO-MAX时，我们将放松对应用传感率的要求。在最后一种情况下，网络管理在非常低功耗的条件下通过每小时产生约一个数据包来运行在可持续状。

简而言之，对本次实验进行总结，ODMAC可以使功耗有效地适应各种程度命令的不同能量输入，提供一个可持续的运行。此外，我们看到因为系统暴露更高层次的能源而使延迟减少，这表明，收获的能量被用于性能度量，而其选择是最重要的，进一步对不同要求应用程序的实验，也证实这些发现，由于篇幅有限有所省略。

5.相关研究

作者[2]为EH-WSNs研究了MAC层方法，这些研究的一个重要限制是她们只考虑在单跳WSNs的情况，这只是个简化的情况，就像缓冲池不存在能量限制，节点同步不是个难题。因此，这些方案不能直接应用于多跳的情况。

占空比在节点同步上产生了难题，因为发送器并不非常清楚接收器是否被唤醒。传统的WSNs中有处理该问题的方法，在同步方法中，如S-MAC[11]和T-MAC[8]中的节点通过共享一个共同的休眠表而形成虚拟集群。因为不能支持个别的占空比，而这些占空比对功耗适应在每个节点中都可用的环境能源是必要的，所以，同步方法不适合EH-WSNs。在序文方法中，，如BAMC[5]和X-MAC[1]发送者发送的前导码持续至少在实际数据传输之前接受者的一个休眠周期。当接收者被唤醒并检测前导码，其保持唤醒状态进行数据传输，在信号基本方法中，像RI-MAC[7]和ODMAC，通信由信号接收器开始，我们认为后者更接近我们的研究领域，[4]中体粗了两个异步方法的比较。

6.总结

采集可利用能源具有随着空间和时间显著变化的特点，这构成了至关重要的解耦占空比，本文中，我们提出了扩展ODMAC版本，并展示使用ODMAC，节点能够调整操作达到在各种能源情况下的可持续水平，而这些能源情况涵盖了大量的能源收集技术。此外，实验结果表明，能源能够用于不同应用需求。

参考文献:

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[4] X. Fafoutis and N. Dragoni. Analytical Comparison of MAC Schemes for Energy Harvesting - Wireless Sensor Networks. In EnHaNSS, 2012.

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外文资料翻译译文二

能量采集—无线传感器网络的MAC方案的分析比较

Xenofon Fafoutis and Nicola Dragoni

Technical University of Denmark, DTU Informatics, Denmark

{xefa,ndra}@imm.dtu.dk

摘要:多跳无线传感器网络的MAC协议，以解决协调工作循环变送器的挑战与工作循环接收机。以解决协调工作循环变送器的挑战与工作循环接收机。所有建议的协议可分为三种基本模式：同步，前言和信标范式。在本文中，我们在讨论的三种范式的适用性能量收集无线传感器网络的上下文（EH WSN）中节点能量，他们从他们的周围环境的收获。两个合适的范式建模和相互比较。的分析表明，特定条件下的一种方案比其他更合适。

关键词: 无线传感器网络、多址通信

一、引言

能量采集- 无线传感器网络（EHWSNs）[10]中的网络化系统的传感节点是采用能量从周围的环境。环境能源的一个主要特性的是，所提取的能量在空间和时间而变化。如一个例子，考虑太阳能。这可能源来自太阳的收获取决于各种因素，如在一天的时间，天气条件和潜在的阴影。然而，如果输入的能量就足够了，一个传感器节点永久可供电，从而降低成本和定期更换电池的复杂性。

除了能源收割机，每个节点都可能还可以配备一个能量存储单元的行为作为一种能量的缓冲和稳定的能量输入。如果的能量，它是收获的比能量它是消耗在一段时间内，可支持那能量缓冲区的节点操作在一个可持续的状态，有效地有一个连续的寿命。这种状态是指在文献中的能量中性操作（ENO）[ 6 ]。操作状态，获得的能量比消耗的能量要高然而，最理想的是可持续的，因为过量的能量被浪费而不是被用于提高性能该系统。期望的操作状态时收获的能量约等于消耗能源，因为系统运行在一个可持续的状态虽然所有的收获的能量被用来提高系统性能。在这种状态下运行，这是在文献中称为ENO max [ 15 ]，构成一个基本目标无线传感器网络是由能量采集供电。

传统上，传感器节点之间的循环活动和睡眠期间为了节约能源和生存极低的电力资源。工作循环的产生为MAC（介质访问的通信的挑战控制）协议中不存在典型的无线网络：一个数据包发送到另一个节点的节点不知道接收者是否处于活动状态或在睡眠状态。在电池供电的无线传感器网络，三个基本范式已经提出解决这一挑战的同步，序言和信标范式。在本文中，我们提出了这三种方法探讨它们适用于上下文的能量收集环境。本次讨论的基础上，我们的模型分析比较了两种有代表性的协议两个合适的方法，在能源消耗方面的开销信道利用率的开

销。

有一些相关的MAC协议研究WSN environements。那些作者们[4]研究了几个在ehwsns背景下的传统的MAC层接近。本文不同，它们只考虑单跳的情况下，EH-无线传感器网络，即网络中的所有传感器节点可以直接与接收器通信。

[7]，建模和分析数MAC协议。然而，他们的研究并没有包括任何协议后面的信标范例。

该文献的其余部分的组织如下。在第二节中，我们提出了三个的MAC方案和评估他们适合在EH-无线传感器网络。在第三节，我们提供了一个链路层通信模型的任意EH-WSN是根据对各自合适的MAC计划。利用该模型，我们比较了MAC的方法在能源消耗的开销和通道利用开销。在第四节中示范结果这种比较。在最后一节中总结全文

二、基本的MAC方案

占空比循环产生的通信挑战系统，即发射机不平凡的知道，如果接收器是唤醒的，并准备接收业务或睡眠，以节省能源和补给。传统上，MAC无线传感器网络的协议大致可以分为两种类别：同步和异步的。

在同步方法中，节点形成虚拟的集群都有一个共同的睡眠时间表，有效地同时醒来。一方面，这种方法有的开销保持细同步的节点和建立，维护和分发睡眠时间表节点之间的。另一方面，不存在在实际通信的额外的开销。这方法是直观的，因为它不适合EH-无线传感器网络不支持单独的占空比是必不可少的适应环境能源消耗的能量是提供给每个单独的节点。想想看，即使系统被调谐，以使该节点具有在ENO访问，以最少的环境能源状态，那么其他节点将运行在最理想的状态其中一些收获的能量被浪费了。例子MAC协议的基础上同步，S-MAC[17] DSMAC[8]，T-MAC[14]，RMAC[2]和DW-MAC[11]。

即使之前EH-无线传感器网络，研究界公认的去耦的占空比的重要性单个传感器节点。因此，一些异步的通信的方法已经被提出。异步方法可分为两类，即序言和信标方法。在序言的方法，发送者发送一个序言持续，只要接收机的睡眠期间之前实际的数据传输。定期接收器醒来时，如果它检测到的序言，保持清醒等待数据传输。有两个来源这种方法的开销。首先，变送器消耗每个数据包的传输能量发送的前导码。其次，每个节点周期性地需要唤醒和消耗能源听的通道序言的。的前导码的方法的基础上的实施例的MAC层协议B-MAC[9]，X-MAC[1]和WiseMAC[3]。

在另一种异步的方式，通信是由周期性的广播接收器信标，表示接收数据的可用性。的前导码方案同样地，有两个来源在信标方法的开销。首先，发射机所消耗的能量监听信道的信标每个数据包的传输。其次，每个节点周期性地

所消耗的能量传输信标。例子使用信标方法的MAC协议是RI-MAC[12]，

ODMAC[5]和MAC 协议所使用的奥里诺科河[13]。请注意，消耗的能量的开销 两个异步方法尚未被反转对称。

这两个异步方法可以有效地支持个人占空比，这是一个重要的要求，对实现EH-无线传感器网络，即自适应的基本目标操作状态的性能最大化，而保持永续经营。因此，它成为有趣的识别条件的序言或信标方式更适合。的其余部分纸是比较注重两个异步MAC 方案。所表示的信标协议一个基本的的ODMAC 版本，其中具有约束力转发计划disactivated 。 ODMAC 设计的协议EH-无线传感器网络。前导码表示的协议X-MAC 的基本版本。取而代之的是长的序言，XMAC 传输多个短的序言中包含地址信息。相应的接收器有足够的时间中断的一系列简短的序言与一个特殊的数据包名为预应答，表明它是准备好接收数据。这两个协议的细节分别可以发现在[5]和[1]。

此外，集成了一个机会转发的ODMAC 方案。而不是等待一个特定的灯塔，ODMA 机会主义转发每个发射机框架在第一信标接收只要它的主人包括在一个适当的代理列表，指定通过路由协议。我们强调，虽然X-MAC 不包含这样的转发机制，它能支持它；相反的前导的协议，例如B-MAC 。针对实际的一个公平的比较前言和信标方法开销，我们认为X-MAC 也使用相同的机会转发方案。XMAC 对称的相似性和ODMAC 是很重要的一个公平的比较。

三、建模任意EH-WSN 的拓扑结构

等待延迟。在发射机的ODMAc ，听通道等待每一个适当的灯塔数据包要发送。在X-MAC 的情况下，等待为唤醒和接收短一个适当的接收机序言。这个等待延迟平均等于两协议和可以描述如下。

假设一个节点i 具有一帧的发送。这节点可以转发到一个适当的节点的n 帧。这些节点中的每一个有责任的周期，TJ 。我们假定接收器唤醒的等待时间如下均匀分布的。这个假设的有效性依赖于随机化的分组生成避免同步。让XJ 的等待时间节点j 的灯塔。同时也让XJ 许继的预期值。不过，该节点不等待一个特定的接收器。相反，它的帧转发到节点的唤醒第一。让易是第一个适当的节点的等待时间的n 潜在的下一跳。让易预期易的价值。因此，P （j i X y ）= 0.5。鉴于XJ 如下的均匀分布，P （j

i X y ）=（TJ-YI ）/ TJ ，下面的公式给了我们预期的

等待时延

数据速率。在ODMAC 的机会扩展X-MAC ，路径是机会主义的决定。考虑再次，一个节点可能转发帧之一和n 个适当的节点。这些节点中的每一个预计转

发节点的数据包的一部分，是根据它的灯塔的时期，TI。数据包会被转发节点的概率，我给出了圆周率的总和循环在适当的转发器，在列表中的节点。

流量传感器需要发送（ri）的由生成的流量传感（RGi）和流量转发代表其他节点（射频I）。所产生的流量速率本地等于RG我1/si，其中Si是一段的检测。此外，每一个落后的邻居贡献的一部分相对于它的总的流量速率我的实际转发（给定节点的概率由（2））。后者是由下面的等式其中给出和遍历节点i的节点，在他们的适当的转发器列表。

对于在外层中的网络的节点，式。（3），其中m =0仍然适用。功耗开销。我们的模型只有电源消费开销的协调过程中，其余的消费来源，这两个协议都是平等的。在ODMAC，消耗的总功率，而等待一个合适的信标（PWi）是由以下公式其中，Pr是在接收所消耗的功率，等待时间由下式给出（3）由（1）和ri 给出。

消耗的总功率为信标（Pbi）是给定的由以下结构式其中ti是信标期间，在传输速率的信标尺寸（L）的比值（R）是一个信标发送和Pi的所需时间在传输过程中所消耗的功率

。

如果在的Pt的值我，我们使用功耗模型[16]。特别是，所消耗的功率在传输中由下式给出下面的化学式为：其中tx

P是所发送的信号所选择的功率，η为的

i

漏极效率和PT0中的功率消耗的通信模块的电路不断独立tx

P。

i

这些源的能量消耗的总和给出节点i时的总功耗的开销运行ODMAC。

在X-MAC（YI）的等待时间都用在循环之间发送短的序言和监听preacks 的。因此，它是由以下通式其中Pi是由式（6）给出的传输功率消耗，Pr是在接

收时消耗的功率，yi是的等待时间由（1）由下式给出（3）和ri给出。

此外，对于每一个被转发的数据包中，每个节点都有实际的数据包之前发送一个确认包传输。它由下式给出的能量消耗以下公式，其中L是预应答的大小，和R是传输速率。

最后，每个节点需要周期性地监听信道简短的序言。接收器可启动监听，而发射机等待为预先应答。因此，用于接收在最坏的情况下，短前同步码的节点听其传输的持续时间的信道的两倍。因此，定期听的能源消耗下列通式其中，ti是循环周期时，该比率在传输速率的前序部分的尺寸（L）（R）是的前导码发送和Pr所需的时间是接收时消耗的功率。

这些源的能量消耗的总和给出节点i时的总功耗的开销运行X-MAC。

信道利用率开销。信道利用率开销间接的干扰量相若每个协议负责并且指的百分比时间节点的开销数据传输，即信标ODMAC和简短的序言和X-MAC-ACK。在ODMAC，信道利用率开销造成的信标传输。因此，近似为：

在X-MAC，信道利用率开销是由简短的序言和传输前的确认。

显然地，信道利用率的开销不不一定转化为性能造成的影响，碰撞，这两种协议都可以支持，不包括碰撞避免机制。然而，较高的这个度量的是，更可能的是一个节点找到通道占据，而尝试发送。

传输范围。传输范围模型的基础上的链路预算公式。PRX我是信号的功率以dBm为单位的接收器，PTX是电力传输的天线增益的信号以dBm为单位，GTX和GRXdBi的，分别的发射器和接收器，和PLI是的路径上的信号的衰减，即路径损耗，以dB为单位。我们认为，在所有节点的天线增益是相同的。

在距离di的自由空间路径损耗由下式给出的下式，其中f是频率的信号

（MHz）和e是损耗指数。

如果我们画上等号PRXi到接收机的灵敏度阈值，我们得到的传输范围，二，节点i。任意拓扑结构。给定一个任意节点的集合，与预定义或随机位置在A×A领域，为它们的每一个的输入参数的一组，我们可以分别接近这两个协议的开销。

四、分析比较

表一提供的一些参数的值模型。参数假设使用CC1000收发器[16]。我们认为10个随机拓扑50一次世纪50年代产生的流量的节点。这些值是用于除另有说明外，所有的节点。基于这些参数中，传输范围大约是105米。信宿节点被放置的位置（0，0）。适当的转发器列表包括所有的节点一个跃接近信宿。最后，我们认为最坏的打算的情况下（低能量输入）的所有节点在最大占空比周期，TMAX。

基本的比较。图。图1示出的平均功耗这两个协议的开销为不同的值最大占空比周期，最高温度的感应S =25秒期间。一般情况下，信标方案（BCN）执行更好，在大的责任循环周期，而的序言计划（PRE）在短周期表现更好。这两项计划有一个工作点的能量消耗的开销最小化。结果表明该信标协议可以被配置为使用扣除能源比序言协议。此外，该最低的序言计划显示较低的值TMAX，更短的延迟。因此，信标更适合的情况下，收获的能源是相对低或延迟是不是一个性能优先级和超过获得的能量应该用在别的地方（例如吞吐量或安全性）。另一方面，前同步码对延迟敏感的应用中有更好的表现能源利用率高的环境中。

图2示出的平均的信道使用的开销，这是节点发送开销的时间百分比数据。在低占空比周期，序言计划执行得更好，由于频繁的信标传输与此相反的适用于高负荷周期的开销呈指数下降的信标期增加_这给出了一个估计的所创建的干扰图中的误差线表示90％置信区间的平均开销在10个随机拓扑结构。我们可以观察到的信标计划是不依赖于拓扑结构。

未来的数字显示，不同的价值观的影响上的MAC方案的系统参数。

检测周期。图3描绘的平均功耗为不同的值的两个协议的开销敏感期（的）。减少检测时间，最低消费点降低和走向更高的责任周期两个协议。趋势描述它们的相对性能保持不变图1。图4描绘，增加检测周期提高了前导码的信道利用率的开销方案。结果是直观的主要来源开销是取决于量的序言

数据网络的产生。

信标/前导的大小。图5描绘的平均功率不同的两个协议消费开销该信标和前导的尺寸值，分别为。自他们携带的寻址信息，它们的大小高度取决于网络的大小。我们可以观察在较低的工作周期，较小的信标/序言大小的两个协议更好的性能。然而，较小的信标/前导减少MAC方案减少局部之间的相对差异前言方案优势。在更高的占空比该信标/前导尺寸的影响周期不重要的。同样的结论也适用于信道利用架空（图6）。

传输速率。的传输速率的影响在协议的开销（图7和图8）是类似的信标/前导的大小。特别是，当我们增加传输率这两个协议的能耗提高。此外，为提高信标方案高于前导码方案。

接收功耗。在图9中我们评估为不同的值的功耗开销接收功率的成本。我们观察到的影响接收功率的成本是相似的两种方案在高工作周期。另一方面，当占空比期较低，较高的听力成本增加的能量消费的前导码方案而信标方案仍不受影响。

网络密度。接下来，我们调查的影响在两个MAC性能的网络密度方案。特别是，50到200的节点被放置在同一地区。图10描述了功率消耗开销。网络密度影响不大低工作周期的功耗开销时期。然而，对于这两个协议的开销减少在较

高的循环周期。此外，前同步方案的改进是高于信标方案。同样适用于使用信道的开销（图11）。这是由机会转发机制引起的，这是我们考虑的X-MAC还集成了。

五、结论

多跳无线传感器网络的介质访问控制协议有三种基本的协调与接收机的发射机，即同步，序言和信标。在本文中，我们探讨在无线传感器网络是其中的哪一个更合适的他们收获的，他们周围的能源环境。同步的方法是不适合的，他们需要同步的工作周期。环境电源提供的能量变化的连续时间和空间。这使得个体和解耦的义务为适应周期至关重要的能源消耗的收获的能量和提供可持续的操作。

在本文中，我们模拟和比较两个有代表性的从两个异步方案协议。分析结果表明，信标范式可调谐消耗更少的能量。作为一个结果，它是在有限的环境能例更合适和应用程序需要系统为例在占空比提供最小能量运作消费（例如应用程序的吞吐量或安全作为性能度量）。另一方面，前言模式可以提供更好的性能，对延迟敏感的应用程序的环境中能量输入到足以让系统在工作循环，消耗更多的能量运作。尽管事实上，调整系统的几个参数增加或减少的两种范式的性能，的主要趋势是相同的。

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