一種低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議

田海濤 譚敏生 陳偉

南華大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 湖南 421001

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量廉價(jià)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的全分布式的自組織網(wǎng)絡(luò)，它集成了信息采集、信息處理、信息傳輸、信息管理與應(yīng)用等多種技術(shù)。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、易擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性和健壯性等特點(diǎn)，使其在軍事、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。不同的應(yīng)用對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗、吞吐量、延遲等有不同的要求，這些獨(dú)特的要求和制約因素為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。而在這些技術(shù)問(wèn)題中，能耗問(wèn)題成為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要問(wèn)題。

媒介訪問(wèn)控制（Medium Access Control，MAC）是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，是使得WSNs能夠正常運(yùn)作的重要技術(shù)，其主要功能是控制媒介訪問(wèn)，協(xié)調(diào)多個(gè)競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)共享信道資源，避免沖突發(fā)生。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能如能耗、吞吐量、延遲等在很大程度上取決于所采用的MAC協(xié)議。因此，MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。

1 相關(guān)研究

目前針對(duì)不同的應(yīng)用，研究人員從不同方面提出了多種MAC協(xié)議。

S-MAC是一種基于CSMA隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)方式的MAC協(xié)議，其沖突避免機(jī)制類似于IEEE802.11，采用物理載波偵聽(tīng)和虛擬載波偵聽(tīng)兩種方式降低沖突發(fā)生概率，RTS/CTS握手機(jī)制避免隱藏終端問(wèn)題。此外，S-MAC首先引入了周期激活/休眠機(jī)制以避免空閑監(jiān)聽(tīng)，如圖1所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期地在一段時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)信道，等待業(yè)務(wù)的到來(lái)，然后進(jìn)入休眠直到下一激活期。

圖1 周期偵聽(tīng)和休眠

S-MAC協(xié)議采用消息傳遞（message passing）機(jī)制，很好地支持長(zhǎng)消息傳遞。該機(jī)制是將長(zhǎng)消息分為若干短包，采用RTS/CTS握手機(jī)制集中連續(xù)發(fā)送全部短包，即可提高發(fā)送成功率，又可減少控制開(kāi)銷。S-MAC協(xié)議的擴(kuò)展性較好，可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；其缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要占用大量的存儲(chǔ)空間，這對(duì)資源受限的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)顯得尤為突出。

為了減少能耗，T-MAC協(xié)議針對(duì)S-MAC協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，在保持周期長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，根據(jù)通信流量動(dòng)態(tài)的調(diào)整活動(dòng)時(shí)間，以突發(fā)方式發(fā)送信息，減少空閑偵聽(tīng)時(shí)間。如圖2所示，T-MAC協(xié)議相對(duì)S-MAC協(xié)議減少了處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間。

在T-MAC協(xié)議中，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)仍采用RTS/CTS/DATA/ACK的通信過(guò)程，節(jié)點(diǎn)周期性喚醒偵聽(tīng)，如果在一個(gè)給定時(shí)間TA（Time Active）內(nèi)沒(méi)有活動(dòng)發(fā)生，直接進(jìn)入休眠。

圖2 S-MAC和T-MAC的基本機(jī)制

T-MAC協(xié)議雖然減少了空閑偵聽(tīng)，但卻帶來(lái)了早睡問(wèn)題。T-MAC為此提出了兩種解決方案，一種稱為未來(lái)請(qǐng)求發(fā)送（Future Request-To-Send，F(xiàn)RTS）；另一種稱為滿緩沖區(qū)優(yōu)先（full buffer priority），但是這兩種方法都不是很好。

為了減少空閑監(jiān)聽(tīng)，提出了一種載波檢測(cè)機(jī)制，通過(guò)使節(jié)點(diǎn)的無(wú)線收發(fā)裝置有規(guī)律地處于“工作”、“待命”狀態(tài)，而不丟失發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，以減少空閑偵聽(tīng)的能量消耗。這種機(jī)制工作在物理層，它在每個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)包的前面附加了一個(gè)前導(dǎo)載波Preamble，這個(gè)前導(dǎo)載波Preamble的主要作用是通知接收節(jié)點(diǎn)將有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，使其調(diào)整為接收模式準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。這種機(jī)制的主要思想是減少接收節(jié)點(diǎn)在空閑偵聽(tīng)上的能耗，使接收節(jié)點(diǎn)能周期性地開(kāi)啟無(wú)線收發(fā)裝置，偵聽(tīng)是否有前導(dǎo)載波Preamble，從而決定是否要接收數(shù)據(jù)。如果接收節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)檢測(cè)到前導(dǎo)載波Preamble，它就會(huì)一直偵聽(tīng)信道，直到數(shù)據(jù)被正確地接收；如果節(jié)點(diǎn)沒(méi)有檢測(cè)到前導(dǎo)載波，接收節(jié)點(diǎn)的無(wú)線裝置將被置于“待命”狀態(tài)，直到下一個(gè)前導(dǎo)載波檢測(cè)周期到來(lái)，如圖3所示。

這種有效的載波偵聽(tīng)方法可以和任何一種基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議相結(jié)合，將其與ALOHA協(xié)議結(jié)合，提出了前導(dǎo)字段偵聽(tīng)（Preamble sampling）協(xié)議；將其與CSMA協(xié)議結(jié)合，提出了低功耗偵聽(tīng)（Low power listening）協(xié)議。這兩種協(xié)議統(tǒng)稱為L(zhǎng)PL協(xié)議。LPL協(xié)議通過(guò)周期性關(guān)閉無(wú)線裝置節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能耗，對(duì)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)能力要求很低，并且不需要周期性的信息交換和維護(hù)鄰居節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，節(jié)省了協(xié)議的控制開(kāi)銷，具有良好的可擴(kuò)展性，但減小了數(shù)據(jù)成功發(fā)送的概率。前導(dǎo)字段的長(zhǎng)度與節(jié)點(diǎn)的無(wú)線模塊通斷時(shí)間有關(guān)。節(jié)點(diǎn)周期睡眠的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)前導(dǎo)字段的長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。因此，隨著前導(dǎo)字段長(zhǎng)度的增加，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的能量消耗也隨之增加。

由于喚醒前導(dǎo)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)周期休眠時(shí)間的增加而變長(zhǎng)，增加了發(fā)送節(jié)點(diǎn)的控制開(kāi)銷，因此必須壓縮前導(dǎo)序列的長(zhǎng)度。WiseMAC采用動(dòng)態(tài)調(diào)整前導(dǎo)長(zhǎng)度方法減少控制開(kāi)銷，其基本思想是通過(guò)在數(shù)據(jù)確認(rèn)包中攜帶節(jié)點(diǎn)下次信道偵聽(tīng)時(shí)間，節(jié)點(diǎn)獲得所有鄰居的信道偵聽(tīng)時(shí)間。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以將喚醒前導(dǎo)序列壓縮到最短。WiseMAC協(xié)議可以很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變化，它是針對(duì)WiseNET設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議。但是由于節(jié)點(diǎn)需要存儲(chǔ)鄰居節(jié)點(diǎn)的信道偵聽(tīng)時(shí)間，會(huì)占用寶貴的存儲(chǔ)空間，增加協(xié)議實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，尤其是在節(jié)點(diǎn)密度較高的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)這個(gè)問(wèn)題尤為突出。

B-MAC協(xié)議是加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的伯克利媒介訪問(wèn)控制協(xié)議（Berkeley Media Access Control，B-MAC），該協(xié)議是一個(gè)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且可配置的MAC協(xié)議。B-MAC協(xié)議采用空閑信道評(píng)估CCA（Clear Channel Assess）技術(shù)進(jìn)行信道監(jiān)測(cè)，采用低功耗偵聽(tīng)LPL（Low Power Listening）機(jī)制實(shí)現(xiàn)低功耗通信，采用退避算法減少碰撞，使得其性能遠(yuǎn)高于S-MAC協(xié)議。信道評(píng)估通過(guò)對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI采用指數(shù)加權(quán)滑動(dòng)平均算法求出信道平均噪聲，再將一小段時(shí)間內(nèi)的最小RSSI值與平均噪聲比較，以確定信道狀態(tài)。B-MAC采用周期信道采樣和發(fā)送前導(dǎo)序列的方法減少空閑偵聽(tīng)。退避算法包括初始退避和擁塞退避兩種，可有應(yīng)用程序設(shè)置。該協(xié)議的最主要貢獻(xiàn)是它向上層協(xié)議提供了一系列雙向接口，通過(guò)配置這些接口，可以使該協(xié)議應(yīng)用于不同流量類型的網(wǎng)絡(luò)。B-MAC協(xié)議無(wú)需共享調(diào)度信息，可以有效縮短喚醒時(shí)間，因此，在吞吐量和延遲等方面優(yōu)于S-MAC協(xié)議，但在減少能耗方面并沒(méi)有太大優(yōu)勢(shì)，對(duì)B-MAC協(xié)議和S-MAC協(xié)等協(xié)議進(jìn)行比較后得出，B-MAC協(xié)議更適合于延遲要求不高的應(yīng)用，在延遲要求較高的情況下，S-MAC等同步MAC協(xié)議更節(jié)能。

為了縮短前導(dǎo)長(zhǎng)度，減少能耗，X-MAC協(xié)議將前導(dǎo)序列分為若干個(gè)較小的頻閃前導(dǎo)（strobed preamble），每個(gè)頻閃前導(dǎo)中都包含有目的地址，便于非接收節(jié)點(diǎn)盡早丟棄分組進(jìn)入休眠。利用頻閃前導(dǎo)之間的時(shí)間間隔，接收節(jié)點(diǎn)可以向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送早期確認(rèn)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到早期確認(rèn)后立刻發(fā)送數(shù)據(jù)分組，從而避免發(fā)送節(jié)點(diǎn)過(guò)度前導(dǎo)和接收節(jié)點(diǎn)過(guò)度偵聽(tīng)。圖4比較了B-MAC、WiseMAC等一般擴(kuò)展前導(dǎo)MAC協(xié)議和XMAC協(xié)議的時(shí)序關(guān)系。X-MAC協(xié)議還設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量變化動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比以減少單跳延遲。

圖4 低功率偵聽(tīng)擴(kuò)展前導(dǎo)與X-MAC時(shí)序比較

X-MAC協(xié)議在能量效率、吞吐量和延遲等性能上優(yōu)于B-MAC協(xié)議和WiseMAC協(xié)議。與傳統(tǒng)的基于LPL的MAC協(xié)議相比，X-MAC協(xié)議更易于被支持分組無(wú)線收發(fā)器的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)，但是X-MAC協(xié)議對(duì)時(shí)間同步精度要求高于WiseMAC，分組長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)發(fā)送速率等協(xié)議參數(shù)還需進(jìn)一步確定。

2 XW-MAC設(shè)計(jì)

XW-MAC協(xié)議是在采用低功耗偵聽(tīng)機(jī)制基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步節(jié)省能耗，結(jié)合了X-MAC協(xié)議和WiseMAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了優(yōu)化低功率偵聽(tīng)擴(kuò)展前導(dǎo)序列機(jī)制。另外，XW-MAC協(xié)議中還增加了自適應(yīng)機(jī)制，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)流量。

2.1 優(yōu)化低功率偵聽(tīng)擴(kuò)展前導(dǎo)序列機(jī)制

優(yōu)化低功率偵聽(tīng)擴(kuò)展前導(dǎo)沿用了X-MAC協(xié)議的前導(dǎo)機(jī)制，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將前導(dǎo)分為若干個(gè)短前導(dǎo)碼（short preamble），短前導(dǎo)碼中只包含一個(gè)短的前導(dǎo)序列和一個(gè)目標(biāo)地址。在發(fā)送前導(dǎo)序列時(shí)，每個(gè)短前導(dǎo)碼之間都有一個(gè)接收ACK包的時(shí)間間隔，如果接收節(jié)點(diǎn)蘇醒后收到短前導(dǎo)碼中的目的地址是本地地址，那么就向發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACK應(yīng)答包。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)短前導(dǎo)碼后收到ACK應(yīng)答包后，立即開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)；如果發(fā)送完一個(gè)短前導(dǎo)碼后沒(méi)有收到ACK包，就接著發(fā)送下一個(gè)短前導(dǎo)碼，直到收到ACK應(yīng)答包或超出所能發(fā)送的最大短前導(dǎo)碼數(shù)。XW-MAC協(xié)議的優(yōu)化在于采用WiseMAC喚醒偏移機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)記錄每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK應(yīng)答包時(shí)發(fā)送的短前導(dǎo)碼的個(gè)數(shù)，將其作為接收節(jié)點(diǎn)喚醒偏移，在以后向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)偏移發(fā)送短前導(dǎo)碼，這樣可以減少發(fā)送短前導(dǎo)碼的個(gè)數(shù)，從而減少能耗。如圖5所示，X-MAC中在發(fā)送到第四個(gè)短前導(dǎo)碼時(shí)收到ACK應(yīng)答包，如果時(shí)序不變，在以后的通信中發(fā)送節(jié)點(diǎn)仍然要發(fā)送四個(gè)短前導(dǎo)碼才能被接收節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)到；在XW-MAC協(xié)議中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的第一次通信與X-MAC協(xié)議一樣，都發(fā)送四個(gè)短前導(dǎo)碼，但經(jīng)過(guò)此次通信后，發(fā)送節(jié)點(diǎn)記錄接收ACK時(shí)發(fā)送的短前導(dǎo)碼包的個(gè)數(shù)4作為接收節(jié)點(diǎn)的喚醒時(shí)間，在以后的通信中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)先計(jì)時(shí)發(fā)送三個(gè)短前導(dǎo)碼的時(shí)間，之后再開(kāi)始真正發(fā)送短前導(dǎo)碼，圖中為了保證接收節(jié)點(diǎn)偵聽(tīng)的可靠性，提前多發(fā)送一個(gè)短前導(dǎo)碼。相比之下，XW-MAC協(xié)議的優(yōu)化前導(dǎo)序列比X-MAC協(xié)議中的能耗更少。

圖5 優(yōu)化前導(dǎo)序列與X-MAC序列比較

節(jié)點(diǎn)周期休眠和低功耗偵聽(tīng)機(jī)制是目前很多MAC協(xié)議采用的機(jī)制，它們也是XW-MAC協(xié)議優(yōu)化前導(dǎo)序列實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。在X-MAC協(xié)議中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)無(wú)需知道接收節(jié)點(diǎn)蘇醒的時(shí)間，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，首先發(fā)送喚醒前導(dǎo)碼，直到接收節(jié)點(diǎn)蘇醒；在WiseMAC協(xié)議中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)要知道接收節(jié)點(diǎn)嚴(yán)格的蘇醒時(shí)間，發(fā)送節(jié)點(diǎn)在接收節(jié)點(diǎn)蘇醒前開(kāi)始發(fā)送信息；XW-MAC協(xié)議對(duì)前兩種方式進(jìn)行了折中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)只要知道接收節(jié)點(diǎn)蘇醒的大致時(shí)間，只要在這之前開(kāi)始發(fā)送前導(dǎo)碼即可，能夠減少發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)碼的長(zhǎng)度，也無(wú)需嚴(yán)格的時(shí)鐘同步。另外，為了保證發(fā)送數(shù)據(jù)的可靠性，在XW-MAC協(xié)議中，當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送了指定偏移量的短前導(dǎo)碼后仍沒(méi)有收到接收節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀，就繼續(xù)發(fā)送短前導(dǎo)碼，直到達(dá)到最大短前導(dǎo)碼數(shù)或收到確認(rèn)幀才停止。

2.2 自適應(yīng)設(shè)計(jì)

對(duì)于密集性網(wǎng)絡(luò)，MAC協(xié)議的性能嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和延遲。為了使節(jié)點(diǎn)適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，XW-MAC協(xié)議采用自適應(yīng)機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量，動(dòng)態(tài)調(diào)整檢測(cè)間隔時(shí)間CT（check time）和前導(dǎo)長(zhǎng)度L。在XW-MAC協(xié)議中，將流量分為三個(gè)級(jí)別：A、B、C，A代表流量較大，B代表流量一般，C代表流量較低，它們分別對(duì)應(yīng)的（檢測(cè)間隔，前導(dǎo)長(zhǎng)度）為（CTa，La）、（CTb，Lb）、（CTc，Lc）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都以B為默認(rèn)級(jí)別，當(dāng)流量不斷增加達(dá)到A級(jí)時(shí)，XW-MAC協(xié)議就改變節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)間隔和前導(dǎo)長(zhǎng)度變?yōu)镃Ta和La；同理，當(dāng)流量減少到B級(jí)，就調(diào)整為CTc和Lc。

3 能耗分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題是制約網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素之一，與網(wǎng)絡(luò)的壽命密切相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)的壽命有節(jié)點(diǎn)壽命決定，節(jié)點(diǎn)壽命有其總能耗決定。能耗越小，節(jié)點(diǎn)壽命就長(zhǎng)，因此，在保證節(jié)點(diǎn)正常通信前提下，盡量減少能耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)追求的目標(biāo)之一。節(jié)點(diǎn)的總功率E，單位為毫瓦，一般是固定值，總能量E乘以節(jié)點(diǎn)壽命t得到總能耗。對(duì)于WSN應(yīng)用，

E=Erx+Etx+Elisten+Ed+Esleep

其中，Erx代表接收功率，Etx代表發(fā)送功率，Elisten代表監(jiān)聽(tīng)功率，Ed代表數(shù)據(jù)采樣功率，Esleep代表休眠功率。傳感器是WSN的一部分，一般也由節(jié)點(diǎn)供電，所以數(shù)據(jù)采樣功率一般計(jì)算在總功率中。

對(duì)于采用不同的MAC協(xié)議的WSN，在相同的節(jié)點(diǎn)，相同的數(shù)據(jù)采樣頻率，相同的數(shù)據(jù)包大小情況下，其Erx、Etx和Ed都是相同的，又由于節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)Esleep很小，所以Elisten成為影響節(jié)點(diǎn)能耗的關(guān)鍵參數(shù)。XW-MAC協(xié)議與X-MAC協(xié)議相比，采用相同的低功耗偵聽(tīng)和帶ACK的前導(dǎo)序列，所以它們能耗的不同在于前導(dǎo)序列的平均長(zhǎng)度。XW-MAC協(xié)議中前導(dǎo)序列一般都是固定的1～2個(gè)短前導(dǎo)碼長(zhǎng)度，只有在出現(xiàn)變更檢測(cè)間隔變化時(shí)才會(huì)出現(xiàn)大于兩個(gè)短前導(dǎo)碼，而X-MAC協(xié)議的發(fā)送的短前導(dǎo)碼個(gè)數(shù)不確定，要比XW-MAC協(xié)議的多，因此，XW-MAC協(xié)議比X-MAC協(xié)議更節(jié)能。

4 小結(jié)

以減少節(jié)點(diǎn)能耗為目標(biāo)，結(jié)合X-MAC協(xié)議和WiseMAC協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，提出了XW-MAC協(xié)議。通過(guò)定性的能耗分析，XW-MAC協(xié)議比X-MAC協(xié)議更節(jié)能。進(jìn)一步的工作將通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量的驗(yàn)證和分析。

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