低WSN服務(wù)能耗的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)

張立新

（西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于存在隱藏終端以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳糠诌B通等問題，節(jié)點(diǎn)之間的競爭機(jī)會并不均等。當(dāng)信道負(fù)荷很重時，某些節(jié)點(diǎn)的吞吐量會急劇下降；同時還會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)接入信道的等待時間很長，這對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保證造成了困難[1-2]。然而在無線信道這種不可靠的傳輸媒介上，僅通過采用排隊(duì)和路由技術(shù)所能提供的QoS保障遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在數(shù)據(jù)鏈路層也必須提供一定的QoS保證[3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的媒介訪問控制 （Medium Access Control，MAC）協(xié)議主要有基于無線信道隨機(jī)競爭方式（Carrier Sense Multiple Access，CSMA）和時分復(fù)用方式（Time Division Multiple Access，TDMA）[4]，時分復(fù)用方式可以有效避免節(jié)點(diǎn)間的干擾，網(wǎng)絡(luò)的QoS能得到保障，并能實(shí)行有效的休眠機(jī)制，但是需要實(shí)現(xiàn)時間同步，節(jié)點(diǎn)的硬件要求高，并且對網(wǎng)絡(luò)變化敏感，只適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)；而隨機(jī)競爭型MAC協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)變化不敏感，適用于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)經(jīng)常變化的網(wǎng)絡(luò)，但是在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大的情況下分組發(fā)生碰撞的幾率很大，網(wǎng)絡(luò)的QoS難以得到可靠保障。

加州伯克利大學(xué)的Mustafa Ergen和Duke Lee等提出了一種針對無線鏈路的MAC協(xié)議的無線令牌環(huán)協(xié)議（Wireless Token Ring Protocol，WTRP）[3，5]，具有沖突避免、擴(kuò)展性和各節(jié)點(diǎn)間能量消耗平均3大優(yōu)點(diǎn)。但是節(jié)點(diǎn)必須保持無線模塊處于接收狀態(tài)，以便隨時接收傳給自己令牌，否則就會導(dǎo)致令牌環(huán)認(rèn)為節(jié)點(diǎn)丟失而重建令牌，加重了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)和穩(wěn)定性，節(jié)點(diǎn)的能耗得不到有效的保證。在WTRP的基礎(chǔ)上提出一種新的無線令牌環(huán)協(xié)議WTRP-S（WTRP-Sensor）。

1 WTRP-S協(xié)議

1.1 算法簡述

網(wǎng)絡(luò)按照分群算法建立若干令牌環(huán)，令牌環(huán)上的每個節(jié)點(diǎn)都有自己的上游節(jié)點(diǎn)和后繼節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送的令牌后，開始在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再將令牌傳向它的后繼節(jié)點(diǎn)。每當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時間超出規(guī)定的時長，會被迫停止發(fā)送，將令牌傳向后繼節(jié)點(diǎn)。依次類推，同一個令牌環(huán)上的所有節(jié)點(diǎn)按照接收令牌的次序，輪流享用同一個無線媒介。該協(xié)議最大的特點(diǎn)是令牌環(huán)中的節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要傳送時才打開無線通信模塊，并且節(jié)點(diǎn)關(guān)閉通信模塊不會中斷令牌的傳遞，令牌會主動傳給下一個有數(shù)據(jù)要發(fā)送的節(jié)點(diǎn)，令牌環(huán)不需要重建。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1）令牌幀結(jié)構(gòu) 文中根據(jù)WTRP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種適用于WTRP-S的無線令牌幀格式，如圖1所示。

圖1中幀控制字段（FC）用來標(biāo)示分組的類型，諸如一般的令牌、邀請節(jié)點(diǎn)加入以及加入響應(yīng)等令牌的類型；令牌環(huán)地址（RA）是指令牌所屬的令牌環(huán)的地址，用來區(qū)分不同的令牌環(huán)；NON代表令牌環(huán)中節(jié)點(diǎn)的總數(shù)；序列號（Seq）代表發(fā)出令牌的節(jié)點(diǎn)在令牌環(huán)中的排序，取值為0～NON－1；生成序列號（GenSeq）是一個初始為0的值，每完成一輪令牌傳遞，就由令牌生成器進(jìn)行一次遞加；令牌環(huán)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)（SOAN）是一個位尋址字段，該字段的每一位都代表令牌環(huán)上的一個節(jié)點(diǎn)，置1表示有節(jié)點(diǎn)在令牌環(huán)的相應(yīng)位置上，否則不在。該字段在令牌傳遞和關(guān)閉通信模塊上具有極其重要的作用。

2）連接管理器 每個節(jié)點(diǎn)都設(shè)置有連接管理器，用來控制、管理令牌的傳遞和維護(hù)。每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)建一個管理列表，如圖2所示。

圖1 幀結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure

圖2 連接管理器Fig.2 Connection manager

圖2中Now-RA為當(dāng)前令牌環(huán)的地址，即令牌中的RA；Self-Seq為節(jié)點(diǎn)在令牌環(huán)中的序列號，節(jié)點(diǎn)在加入令牌環(huán)時分配，代表節(jié)點(diǎn)在令牌環(huán)中的次序；Last-Gen為節(jié)點(diǎn)上一次獲得令牌中的GenSeq，與本次所獲得令牌中的GenSeq比較就可以知道節(jié)點(diǎn)休眠了多少輪；otherRing為節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到的其他令牌。

3）令牌傳遞 令牌環(huán)建立之后，無數(shù)據(jù)要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)關(guān)閉無線通信模塊，有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)等待傳給自己的令牌。上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送令牌后，在一個等待響應(yīng)窗的持續(xù)時間內(nèi)等待節(jié)點(diǎn)的接受響應(yīng)。將等待響應(yīng)窗分成以“接受令牌應(yīng)答”長度為間隔的若干個時隙，等待發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)接到令牌幀，將自身的序列號和令牌中的Seq比較，在相應(yīng)的時隙內(nèi)發(fā)送應(yīng)答令牌幀。

圖3 令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Token ring network

在圖 3中，A為令牌環(huán)業(yè)主，B、C、D、E和 F依次加入令牌環(huán)，相應(yīng)的Self-Seq為1、2、3、4和 5。假設(shè)D離開了此令牌環(huán)，則此令牌環(huán)的NON為5，SOAN為如圖4的結(jié)構(gòu)形式。

圖4 SOAN結(jié)構(gòu)Fig.4 SOAN structure

B完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，發(fā)送Seq為Self-Seq（文中以1為例），SOAN為圖4所示的令牌。E收到令牌，發(fā)現(xiàn)Seq為1，本身Self-Seq為4，而SOAN中，位2到位4共有兩個1，則知道自己應(yīng)在響應(yīng)窗的第二個時隙發(fā)出響應(yīng)。若在第一個時隙中有節(jié)點(diǎn)響應(yīng)了令牌（C），則E不在等待，休眠一個節(jié)點(diǎn)持有令牌的時間之后再等待傳給自己的令牌；若第一個時隙無節(jié)點(diǎn)應(yīng)答令牌，則E在第二個時隙發(fā)出響應(yīng)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這樣，有數(shù)據(jù)發(fā)送的才等待令牌，令牌只發(fā)送一次就能完成傳遞，每個節(jié)點(diǎn)持有令牌時間有限，保證了服務(wù)質(zhì)量又兼顧了能耗。

4）接入管理 當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要加入一個令牌環(huán)時，它打開無線通信模塊并監(jiān)聽，若收到邀請令牌幀，則響應(yīng)邀請，若節(jié)點(diǎn)被允許加入，設(shè)置自己的節(jié)點(diǎn)管理器數(shù)據(jù)。Now-RA為令牌中的RA，Self-Seq為SOAN中第一個不為1的所在位，Last Gen為GenSeq。節(jié)點(diǎn)若無數(shù)據(jù)發(fā)送則按規(guī)定關(guān)閉無線通訊模塊。

如何以及何時喚醒休眠中的節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)節(jié)能的關(guān)鍵，采用以下調(diào)度方法喚醒休眠中的節(jié)點(diǎn)：

設(shè)該節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送為多個數(shù)據(jù)信息，且發(fā)送的多個數(shù)據(jù)信息分為實(shí)時信息和非實(shí)時信息。根據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的多個數(shù)據(jù)信息。

首先建立需要發(fā)送數(shù)據(jù)信息的參數(shù)模型為

式中:tis為任務(wù)狀態(tài)；tia為任務(wù)實(shí)際啟動時間；tio為完成任務(wù)的公式和函數(shù)；tir為任務(wù)最大執(zhí)行時間；tif為任務(wù)最早啟動時間；tie為任務(wù)最遲啟動時間；tid為任務(wù)截止時間；tib為任務(wù)周期；tig為優(yōu)先級。

其次建立要發(fā)送數(shù)據(jù)的特征，建立數(shù)據(jù)信息表，從所建立的數(shù)據(jù)信息表中取出首信息ti，根據(jù)其屬性tig與所需要發(fā)送信息隊(duì)列中的所有信息的tig比較，建立信息發(fā)送關(guān)系集為

由式（1）計算信息發(fā)送隊(duì)列分配給信息ti的時間片，若ti有 u 個[tik→ti]（k=1，2，…，u）關(guān)系，對于任一 tik信息所決定的ti最早發(fā)送時間 t’ikf為

根據(jù)式（1）和式（2）可以算出信息最早發(fā)送時間tif為

若 ti有 v 個[ti→tih]（h=1，2，…，v）關(guān)系，對于任一 tih信息所決定的ti最遲發(fā)送時間t’ihe為

根據(jù)式（1）和式（4）可以算出信息最遲發(fā)送時間tie為

則由已被調(diào)度的 ti的u個[tik→ti]和 v個[ti→tih]的信息所決定的 tia由不等式式（6）和式（7）決定

即若存在所有已調(diào)度的 tij信息中的某個 j （j∈（u－2，u+w+2））滿足不等式 （6）或式（7），則任務(wù)實(shí)際發(fā)送時間tia為

從而由式（8）算出發(fā)送信息隊(duì)列分配給ti的時間片為[tia，tia+tir]，并將其插入信息發(fā)送隊(duì)列。

根據(jù)建立的調(diào)度方法計算信息發(fā)送的時間，并基于該時間打開本節(jié)點(diǎn)無線通信模塊并監(jiān)聽，從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時間最短的目的。

5）恢復(fù)機(jī)制 當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要離開令牌環(huán)時，首先等待發(fā)送權(quán)利，一旦獲得發(fā)送權(quán)，將令牌幀中SOAN中第Self-Seq位置零，并將令牌傳遞出去，之后清零自己的連接管理器數(shù)據(jù)。如圖2所示，D離開令牌環(huán)就將令牌幀的SOAN中的第3位置零。

當(dāng)令牌環(huán)上某個節(jié)點(diǎn)失效（能量耗盡或故障等），令牌環(huán)業(yè)主在N輪（N為節(jié)點(diǎn)失效輪數(shù)）令牌傳遞中發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)無響應(yīng)，就將令牌幀中的SOAN的相應(yīng)位置零，這樣，其他節(jié)點(diǎn)就可以加入這個空位，填補(bǔ)令牌傳遞中的時隙空缺，使服務(wù)質(zhì)量不會因節(jié)點(diǎn)的失效而受到影響；若失效節(jié)點(diǎn)為誤判，N輪之后又恢復(fù)了正常，發(fā)現(xiàn)令牌幀中的GenSeq＞Last Gen+N，則知道自己應(yīng)重新加入令牌環(huán)，不會干擾令牌的正常傳遞。

2 結(jié)果仿真及分析

在仿真過程中物理層使用IEEE802.15.4的2.4 GHz信道[6]，比特率為250 kb/s，采用16進(jìn)制準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。共有3個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)分別有45 000 bits數(shù)據(jù)要傳輸，開始傳輸時間分別為 56 ms、106 ms和 166 ms。MAC協(xié)議分別為WTRP、WTRP－S 和 IEEE802.15.4。

由于WTRP需要節(jié)點(diǎn)一直打開無線通信模塊，所以能耗巨大，不具有可比性，實(shí)驗(yàn)只比較了WTRP－S和IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議，如圖5所示。

圖5 能耗比較Fig.5 Comparison of energy consumption

從圖5可以看出，WTRP－S在數(shù)據(jù)任務(wù)繁忙的網(wǎng)絡(luò)中具有更好的能耗和傳輸時間控制，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。

3 結(jié) 論

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的QOS和能耗要求，結(jié)合WTRP協(xié)議，提出了新的減小能耗的協(xié)議算法 WTRP－S。

從仿真結(jié)果顯示，WTRP－S在保證網(wǎng)絡(luò)QOS的同時，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的休眠，因此新協(xié)議更適用于WSN的特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

[1]Menouar H，F(xiàn)ilali F，Lenardi M.A survey and qualitative analysis of MAC protocols for vehicular ad hoc networks[J].IEEE Wireless Communications，2006，13（5）:30－35.

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[3]Lee D.Wireless token ring protocol[D].Berkeley:Electrical Engineering， University of California Berkeley，2001.

[4]宋文，王兵.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2007.

[5]于弘毅.無線移動自組織網(wǎng)[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[6]Wireless medium access control （MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks （WPANs）[J].LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society， 2006:1－26.