一種基于接收節(jié)點(diǎn)控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問(wèn)控制協(xié)議*

錢(qián)麗麗,劉　昊

(東南大學(xué)國(guó)家ASIC系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,南京 210096)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有布設(shè)靈活、范圍廣、成本低等特點(diǎn),在軍事國(guó)防、生物醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。媒體訪問(wèn)控制層MAC(Media Access Control)協(xié)議負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信道有效接入控制,對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)功能與性能有直接影響[1],是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[3-16]。

周期性睡眠是目前大多數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議所選擇的低功耗方法,也是本文所研究MAC協(xié)議的低功耗實(shí)現(xiàn)方法。當(dāng)載荷強(qiáng)度較小時(shí),采用周期休眠機(jī)制的MAC協(xié)議如S-MAC[7]、T-MAC[8]、RMAC[9],可以使節(jié)點(diǎn)在大部分時(shí)間進(jìn)行休眠以節(jié)省功耗,而不會(huì)錯(cuò)過(guò)數(shù)據(jù)包。但是S-MAC、T-MAC的協(xié)議設(shè)計(jì),只允許節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行一次、單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸,這導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的端到端傳輸延時(shí)較長(zhǎng),隨著載荷增大,容易造成數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)積壓,而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)緩存溢出,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的性能。另一方面,隨著載荷增大,節(jié)點(diǎn)在單位時(shí)間內(nèi)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目增加,而發(fā)送節(jié)點(diǎn)每傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包都需要參與信道的競(jìng)爭(zhēng),這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中控制幀碰撞加劇,增加了發(fā)送節(jié)點(diǎn)獲得信道的時(shí)間和能量開(kāi)銷(xiāo),如此必然增加數(shù)據(jù)包的端到端的傳輸延遲,并且縮短整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作壽命,更惡化了網(wǎng)絡(luò)性能。

RMAC采用了前導(dǎo)控制幀(Pioneer Control Frame)在操作周期開(kāi)始時(shí)首先進(jìn)行多跳預(yù)約,以使得數(shù)據(jù)包在一個(gè)周期中可以沿預(yù)約路徑進(jìn)行多跳傳輸。但是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)常表現(xiàn)為數(shù)據(jù)匯聚樹(shù)的拓?fù)湫问?如多個(gè)子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳遞至一個(gè)父節(jié)點(diǎn),多個(gè)父節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包傳遞給一個(gè)爺節(jié)點(diǎn)。上述等現(xiàn)有低功耗MAC協(xié)議,并沒(méi)有充分考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的該基本特點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了基于時(shí)間同步、接收節(jié)點(diǎn)控制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問(wèn)控制協(xié)議SRI-MAC(Synchronous Receiver-Initiated MAC)。該協(xié)議通過(guò)邀請(qǐng)傳輸機(jī)制和迸發(fā)傳輸機(jī)制,顯著提高了MAC協(xié)議的性能?；诮邮展?jié)點(diǎn)控制使得協(xié)議能夠根據(jù)接收節(jié)點(diǎn)的情況管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)包的傳輸。

SRI-MAC的基本原理如下:①當(dāng)子節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)包需要發(fā)送時(shí),通過(guò)報(bào)告幀向父節(jié)點(diǎn)匯報(bào)自身緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量。②父節(jié)點(diǎn)維護(hù)子節(jié)點(diǎn)情況表,以記錄子節(jié)點(diǎn)等待傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)目。③父節(jié)點(diǎn)發(fā)送邀請(qǐng)幀,告知被邀請(qǐng)的子節(jié)點(diǎn)允許其發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目。④子節(jié)點(diǎn)采用迸發(fā)傳輸機(jī)制,在一次通訊中,可向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)包,提高數(shù)據(jù)包的傳輸效率。⑤父節(jié)點(diǎn)發(fā)起多次邀請(qǐng)通訊,在一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)邀請(qǐng)多個(gè)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸,避免了子節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道,減少了碰撞。

我們用NS-2仿真工具評(píng)估了協(xié)議,實(shí)驗(yàn)表明,采用了多次邀請(qǐng)和迸發(fā)傳輸機(jī)制后,本協(xié)議相較于S-MAC和RMAC,在延遲、吞吐量、包傳輸率以及能耗方面均提升了性能。

1　協(xié)議設(shè)計(jì)

1.1　多次邀請(qǐng)機(jī)制

SRI-MAC使父節(jié)點(diǎn)在單操作周期時(shí)間內(nèi),通過(guò)調(diào)度,邀請(qǐng)多個(gè)子節(jié)點(diǎn)依次發(fā)送數(shù)據(jù)包的機(jī)制,簡(jiǎn)稱(chēng)為多次邀請(qǐng)。協(xié)議中,父節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一張“子節(jié)點(diǎn)情況表”,該表由兩個(gè)字段組成:子節(jié)點(diǎn)識(shí)別編號(hào)和子節(jié)點(diǎn)剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目。子節(jié)點(diǎn)識(shí)別編號(hào),由父節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣⒑?通過(guò)路由表獲得。子節(jié)點(diǎn)剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目由父節(jié)點(diǎn)從子節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)告幀中提取相關(guān)參數(shù)并通過(guò)計(jì)算獲得。父節(jié)點(diǎn)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)情況表中的參數(shù)決定邀請(qǐng)傳輸?shù)牟呗浴?/p>

如圖1所示,SRI-MAC中,節(jié)點(diǎn)的工作周期分為“競(jìng)爭(zhēng)-迸發(fā)傳輸”階段和“邀請(qǐng)-迸發(fā)傳輸”階段,其中,CR為報(bào)告幀,I為邀請(qǐng)幀,A為確認(rèn)幀,DATA為數(shù)據(jù)包。子節(jié)點(diǎn)情況表中子節(jié)點(diǎn)剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目項(xiàng)在競(jìng)爭(zhēng)-迸發(fā)傳輸階段中被填寫(xiě)。在競(jìng)爭(zhēng)-迸發(fā)傳輸階段中,各子節(jié)點(diǎn)公平競(jìng)爭(zhēng)信道,發(fā)送報(bào)告幀至父節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)到信道,并成功發(fā)送報(bào)告幀的子節(jié)點(diǎn)s1首先進(jìn)行數(shù)據(jù)包的迸發(fā)傳輸。設(shè)子節(jié)點(diǎn)s1當(dāng)前待發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目為a,父節(jié)點(diǎn)P接收數(shù)據(jù)包的能力為b,每個(gè)操作周期時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目最多為c。當(dāng)a-b>0時(shí),說(shuō)明子節(jié)點(diǎn)s1當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)目超過(guò)父節(jié)點(diǎn)的接收能力;當(dāng)a-c>0時(shí),說(shuō)明s1當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)目來(lái)不及在一個(gè)操作周期內(nèi)進(jìn)行傳輸,此時(shí)父節(jié)點(diǎn)P將在a-b和a-c中取較大的值,并將該值填入本地子節(jié)點(diǎn)情況表中“剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目”的對(duì)應(yīng)位置,以便在之后的操作周期中主動(dòng)邀請(qǐng)子節(jié)點(diǎn)s1繼續(xù)發(fā)送剩余的數(shù)據(jù)包。

圖1　SRI-MAC工作原理圖

在邀請(qǐng)-迸發(fā)傳輸階段,父節(jié)點(diǎn)根據(jù)子節(jié)點(diǎn)情況表,選取表中記錄的子節(jié)點(diǎn)緩存的數(shù)據(jù)包最多的節(jié)點(diǎn)作為邀請(qǐng)對(duì)象,繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)包,如圖1中節(jié)點(diǎn)s2。如果表中兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)包數(shù)量的記錄相同,則子節(jié)點(diǎn)識(shí)別編號(hào)大的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先被邀請(qǐng)。如果子節(jié)點(diǎn)情況表中所有節(jié)點(diǎn)的剩余待發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)目項(xiàng)均為空,則父節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)本周期剩余工作時(shí)間來(lái)決策是否啟動(dòng)邀請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng),本文通過(guò)在NS-2中仿真的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),選擇當(dāng)本周期剩余的工作時(shí)間若仍能夠至少傳輸10個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí),父節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)邀請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)。此時(shí)父節(jié)點(diǎn)發(fā)出邀請(qǐng)幀,通知所有喚醒的子節(jié)點(diǎn)再次競(jìng)爭(zhēng)信道發(fā)送權(quán),如圖2。如子節(jié)點(diǎn)有傳輸數(shù)據(jù)包的需求,那么子節(jié)點(diǎn)在接收到父節(jié)點(diǎn)的邀請(qǐng)幀后,發(fā)起競(jìng)爭(zhēng),競(jìng)爭(zhēng)到信道的子節(jié)點(diǎn)在剩余的周期時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包,如圖2(b),競(jìng)爭(zhēng)和數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程與競(jìng)爭(zhēng)-迸發(fā)傳輸階段操作相同。如果父節(jié)點(diǎn)在發(fā)送了邀請(qǐng)幀后,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間沒(méi)有收到回應(yīng),那么父節(jié)點(diǎn)認(rèn)為此時(shí)沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)包,父節(jié)點(diǎn)切換入休眠狀態(tài),如圖2(c)。

圖2　父節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)競(jìng)爭(zhēng)操作

父節(jié)點(diǎn)通過(guò)邀請(qǐng)幀中的邀請(qǐng)觸發(fā)位來(lái)告知簇中的其他子節(jié)點(diǎn),本操作周期中,是否會(huì)繼續(xù)進(jìn)行子節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)操作。若父節(jié)點(diǎn)的接收緩存已滿,則不會(huì)繼續(xù)邀請(qǐng)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。

本機(jī)制在單個(gè)周期內(nèi)使父節(jié)點(diǎn)具備從多個(gè)子節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)包的能力,本質(zhì)上減少了子節(jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)、提高了信道利用率、增強(qiáng)了父節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)目刂颇芰?、減少了能量浪費(fèi),大幅提升了傳輸效率。

1.2　迸發(fā)傳輸機(jī)制

迸發(fā)傳輸機(jī)制使單個(gè)子節(jié)點(diǎn)在被父節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)后,能夠連續(xù)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)包至父節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)單次能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目受限于父節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能夠接收數(shù)據(jù)包的數(shù)目以及操作周期時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目。定義一個(gè)本地通信簇的子節(jié)點(diǎn)的集合為S={s1,s2,…,sn},對(duì)于節(jié)點(diǎn)si,i∈{0,1,…,n},設(shè)其當(dāng)前緩存的數(shù)據(jù)包數(shù)量為li,父節(jié)點(diǎn)當(dāng)前可接收數(shù)據(jù)包數(shù)目為Qi,當(dāng)前操作周期時(shí)間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目為Ci,

(1)

其中,ΔTw為本周期中剩余可用于傳輸數(shù)據(jù)包的工作時(shí)間,TD為最大幀間間隔,Td為傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包需要的時(shí)間,Ta為傳輸確認(rèn)幀需要的時(shí)間,TS為最小幀間間隔。

父節(jié)點(diǎn)分析節(jié)點(diǎn)si發(fā)來(lái)的報(bào)告幀,提取li的值,比較li、Qi、Ci的值,三者的最小值即為si當(dāng)前可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)目,設(shè)為

(2)

父節(jié)點(diǎn)將ni的值置于邀請(qǐng)幀中,并發(fā)送至節(jié)點(diǎn)si。節(jié)點(diǎn)si接收到邀請(qǐng)幀后,根據(jù)要求向父節(jié)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送ni條數(shù)據(jù)包。報(bào)告幀和邀請(qǐng)幀的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　報(bào)告幀和邀請(qǐng)幀結(jié)構(gòu)

簇中的其他子節(jié)點(diǎn)接收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)出的邀請(qǐng)幀后,計(jì)算節(jié)點(diǎn)si傳輸數(shù)據(jù)包所需的時(shí)間并設(shè)置定時(shí)器后進(jìn)入休眠;定時(shí)器到時(shí)后節(jié)點(diǎn)喚醒,接收父節(jié)點(diǎn)的下一條邀請(qǐng)幀,并進(jìn)行相應(yīng)的迸發(fā)傳輸。定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間略小于傳輸ni條數(shù)據(jù)包需要的總時(shí)間,以避免錯(cuò)過(guò)父節(jié)點(diǎn)的下一條邀請(qǐng)幀。

1.3　沖突和重傳

在競(jìng)爭(zhēng)-迸發(fā)傳輸階段,因?yàn)殡[藏終端的問(wèn)題,本地通信簇中的子節(jié)點(diǎn)可能無(wú)法預(yù)知彼此的存在,報(bào)告幀可能會(huì)發(fā)生沖突。本協(xié)議采用物理載波偵聽(tīng)及虛擬載波偵聽(tīng)機(jī)制,以避免節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)告幀時(shí)發(fā)生沖突。在邀請(qǐng)-迸發(fā)傳輸階段,由父節(jié)點(diǎn)發(fā)出邀請(qǐng),通知某子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包發(fā)送,可以避免子節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)信道,減少了沖突的發(fā)生,提高傳輸數(shù)據(jù)包的效率。

當(dāng)子節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到確認(rèn)幀,或者發(fā)現(xiàn)接收到的確認(rèn)幀中應(yīng)答標(biāo)志位沒(méi)有被置1時(shí),認(rèn)為發(fā)送數(shù)據(jù)包失敗。子節(jié)點(diǎn)不會(huì)立即嘗試重新發(fā)送該數(shù)據(jù)包,而是緩存該數(shù)據(jù)包,然后繼續(xù)發(fā)送剩余數(shù)據(jù)包。緩存的數(shù)據(jù)包將在下次迸發(fā)傳輸中進(jìn)行發(fā)送。

圖4　仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2　仿真環(huán)境

本文使用NS-2 V2.29版本的仿真軟件對(duì)協(xié)議進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和比較。實(shí)驗(yàn)采用15個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的樹(shù)狀匯聚拓?fù)?如圖4,編號(hào)為0的節(jié)點(diǎn)是匯聚節(jié)點(diǎn)。仿真中在節(jié)點(diǎn)7～14加載數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包的大小為50 byte。假設(shè)節(jié)點(diǎn)不改變數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度,并且節(jié)點(diǎn)內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)包的處理可以在射頻收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)完成,不會(huì)引入新的延遲。本文為證明協(xié)議的有效性,將協(xié)議與S-MAC,R-MAC進(jìn)行性能對(duì)比。

產(chǎn)生載荷的節(jié)點(diǎn)7～14在仿真開(kāi)始240 s時(shí)開(kāi)始工作。在所有產(chǎn)生載荷的節(jié)點(diǎn)各發(fā)送了500個(gè)數(shù)據(jù)包后,仿真結(jié)束。載荷的生成間隔范圍從0.08 packet/s到0.48 packet/s變化。節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1　節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置表

3　仿真結(jié)果評(píng)估

3.1　平均延遲評(píng)估

圖5　載荷變化時(shí)的平均延遲曲線

圖5顯示了數(shù)據(jù)包端到端平均傳輸延遲時(shí)間和載荷的關(guān)系,隨著載荷強(qiáng)度增大,端到端的平均延遲時(shí)間增長(zhǎng)。端到端的平均延遲時(shí)間是數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)發(fā)出到匯聚節(jié)點(diǎn)成功接收所花費(fèi)時(shí)間的平均值。圖5顯示SRI-MAC和RMAC的端到端平均延遲明顯小于S-MAC。因?yàn)镾-MAC中,在相鄰節(jié)點(diǎn)的區(qū)域內(nèi),每個(gè)周期,只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行一次、單個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸,因此數(shù)據(jù)包端到端的平均延遲時(shí)間將隨數(shù)據(jù)包需要通過(guò)的跳數(shù)增加而擴(kuò)大。RMAC采用前導(dǎo)控制幀為數(shù)據(jù)包預(yù)約信道,因此能夠在單個(gè)周期內(nèi)將一個(gè)數(shù)據(jù)包連續(xù)傳輸多跳,這顯然加速了數(shù)據(jù)包的傳輸速度,有助于降低端到端的延遲。SRI-MAC能夠?qū)?lái)自一個(gè)或者多個(gè)子節(jié)點(diǎn)的多個(gè)數(shù)據(jù)包在單個(gè)周期內(nèi)傳輸?shù)礁腹?jié)點(diǎn),通過(guò)提高信道的利用效率,縮短了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)需要的時(shí)間。當(dāng)載荷強(qiáng)度大于0.32 packet/s時(shí),RMAC的端到端延遲迅速增大,而SRI-MAC始終保持著最低的平均延遲時(shí)間。

3.2　吞吐量評(píng)估

仿真中,本文計(jì)算吞吐量為匯聚節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間接收的總的比特?cái)?shù)。圖6顯示了吞吐量和載荷的關(guān)系,隨著載荷強(qiáng)度的變化,圖中3個(gè)協(xié)議的曲線都顯示了吞吐量先增加后減小的變化過(guò)程。吞吐量是衡量網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的重要指標(biāo),圖中的曲線說(shuō)明采用SRI-MAC協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)比采用RMAC和S-MAC有更強(qiáng)的傳輸能力。當(dāng)載荷強(qiáng)度小于0.12 packet/s時(shí),網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量較小,節(jié)點(diǎn)能夠順利將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn),從圖中可以看到3種協(xié)議的吞吐量接近,吞吐量隨著載荷強(qiáng)度的增大而增加。隨著載荷強(qiáng)度增大,節(jié)點(diǎn)逐漸無(wú)法及時(shí)排空自身的緩存隊(duì)列,如圖6,S-MAC首先出現(xiàn)吞吐量下降的趨勢(shì);在載荷強(qiáng)度小于0.28 packet/s時(shí),RMAC與SRI-MAC的吞吐量仍保持隨載荷強(qiáng)度增大而增加的趨勢(shì),并且RMAC的吞吐量性能與SRI-MAC接近,并遠(yuǎn)高于S-MAC,然而隨著載荷強(qiáng)度進(jìn)一步增大,RMAC的吞吐量性能迅速下降。SRI-MAC由于采用了多次邀請(qǐng)和迸發(fā)傳輸?shù)臋C(jī)制,使得節(jié)點(diǎn)能夠快速、高效、及時(shí)地將數(shù)據(jù)包向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸。當(dāng)載荷強(qiáng)度大于0.4 packet/s時(shí),網(wǎng)絡(luò)吞吐量較S-MAC及RMAC增大近50%,性能最優(yōu)。

圖6　載荷變化時(shí)的吞吐量曲線

3.3　包傳遞率評(píng)估

圖7顯示了包傳遞率和載荷的關(guān)系。包傳遞率是仿真中匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包總量與節(jié)點(diǎn)7～14產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包的總和的比值。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的緩沖隊(duì)列大小有限,當(dāng)載荷強(qiáng)度增大時(shí),一方面數(shù)據(jù)包在傳感器節(jié)點(diǎn)積壓,節(jié)點(diǎn)無(wú)法及時(shí)將數(shù)據(jù)包傳遞給下一跳節(jié)點(diǎn),導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的緩存溢出,數(shù)據(jù)包丟失;另一方面網(wǎng)絡(luò)中的競(jìng)爭(zhēng)和沖突加劇,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境惡化,導(dǎo)致數(shù)據(jù)包在傳輸途中被丟失。從圖7可以看到,3個(gè)協(xié)議中,SRI-MAC獲得了最好的性能。因?yàn)閰f(xié)議所采用的多次邀請(qǐng)和迸發(fā)傳輸機(jī)制,一方面使得數(shù)據(jù)包能夠更均勻地分布在中繼節(jié)點(diǎn)中,提升了網(wǎng)絡(luò)的報(bào)文容量;另一方面縮小了數(shù)據(jù)包端到端的平均傳輸延遲,減小了數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)上的積壓,使得網(wǎng)絡(luò)在相同時(shí)間內(nèi)能夠傳輸更多的數(shù)據(jù)包。從圖7可以看到當(dāng)載荷強(qiáng)度小于0.28 packet/s時(shí),SRI-MAC與RMAC的包傳遞率均為1,即所有數(shù)據(jù)包都順利被匯聚節(jié)點(diǎn)接收了,而S-MAC在0.14 packet/s后包傳遞率就急劇下降了;當(dāng)載荷強(qiáng)度大于0.28 packet/s后,RMAC的包傳遞率急劇下降,到0.36 packet/s時(shí),接近于S-MAC,而SRI-MAC的包傳遞率明顯優(yōu)于RMAC。

圖7　載荷變化時(shí)的包傳遞率曲線

3.4　能耗評(píng)估

平均能耗是總的能量開(kāi)銷(xiāo)與總的節(jié)點(diǎn)數(shù)目的比值。圖8顯示的是平均能耗和載荷之間的關(guān)系。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中每個(gè)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)目是固定的,所以當(dāng)載荷強(qiáng)度小時(shí),網(wǎng)絡(luò)需要更多的操作周期來(lái)完成所有數(shù)據(jù)包的傳輸,在沒(méi)有數(shù)據(jù)包需要傳輸?shù)臅r(shí)候,空閑偵聽(tīng)導(dǎo)致了能量消耗。隨著載荷強(qiáng)度增大,發(fā)生空閑偵聽(tīng)的操作周期減少,工作效率提高,所以3個(gè)協(xié)議的平均能耗都降低了。隨著載荷強(qiáng)度的增大,SRI-MAC的能耗低于RMAC,RMAC的能耗要低于S-MAC。這是因?yàn)?RMAC采用預(yù)約的方法使一個(gè)數(shù)據(jù)包在單個(gè)周期內(nèi)能夠進(jìn)行多跳傳輸,使數(shù)據(jù)包能更快地傳輸,縮短傳輸全部數(shù)據(jù)包需要的工作周期,從而節(jié)約了能量。SRI-MAC由于采用了多次邀請(qǐng)和迸發(fā)傳輸機(jī)制,充分利用了信道資源,使得緩沖的數(shù)據(jù)包能夠迅速均勻地向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸,當(dāng)載荷強(qiáng)度大于0.4 packet/s時(shí),較S-MAC及RMAC節(jié)約能耗分別約58%和37%。

圖8　載荷變化時(shí)的能量消耗曲線

4　結(jié)論

本文提出了一種新穎的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體訪問(wèn)控制層協(xié)議SRI-MAC。SRI-MAC通過(guò)多次邀請(qǐng)機(jī)制,在單個(gè)周期內(nèi)使父節(jié)點(diǎn)具備從多個(gè)子節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)包的能力,增強(qiáng)了父節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸?shù)目刂颇芰?本質(zhì)上減少了子節(jié)點(diǎn)間競(jìng)爭(zhēng)。此外,協(xié)議采用了迸發(fā)傳輸機(jī)制,使得父節(jié)點(diǎn)可以在一次通訊中連續(xù)接收多個(gè)數(shù)據(jù)包。仿真結(jié)果表明,SRI-MAC極大地提升了網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信道的利用率。

參考文獻(xiàn):

[1]Yick J,Mukherjee B,Ghosal D.Wireless Sensor Network Survey[J].Computer Networks,2008,52(12):2292-2330.

[2]Potdar V,Sharif A,Chang E.Wireless Sensor Networks:A Survey[C]//Advanced Information Networking and Applications Workshops,Bradford,England,2009:636-641.

[3]Polastre J,Hill J,Culler D.Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks[C]//Proc of 2nd ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems,Nov.2004.

[4]Buettner M,Yee G V,Anderson E,et al.X-Mac:A Short Preamble Mac Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks[C]//SenSys06:Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems.New York,2006:307-320.

[5]Sun Y,Gurewitz O,Johnson D B.RSRI-MAC:A Receiver-Initiated Asynchronous Duty Cycle Mac Protocol for Dynamic Traffic Loads in Wireless Sensor Networks[C]//SenSys08:Proceedings of the 6th International Conference on Embedded Networked Sensor Systems,2008:1-14.

[6]Tang L,Sun Y,Gurewitz O,et al.Pw-Mac:An Energy-Efficient Predictive-Wakeup Mac Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//2011 Proceedings IEEE Infocom,2011:1305-1313.

[7]Wei Ye,Heidemann J,Estrin D.Medium Access Control with Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks[J].Wireless Communications and Mobile Computing Conference(IWCMC),2004:493-506.

[8]Du S,Saha A K,Johnson D B.Rmac:A Routing-Enhanced Duty-Cycle Mac Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//Infocom 2007.26th IEEE International Conference on Computer Communications.IEEE,2007:1478-1486.

[9]Yu F,Wu T,Biswas S.Toward in-Band Self-Organization in Energy-Efficient Mac Protocols for Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2008,7(2):156-170.

[10]Liu S,Fan K,Sinha P.CMAC:An Energy-Efficient MAC Layer Protocol Using Convergent Packet Forwarding for Wireless Sensor Networks[J].ACM Transactions on Sensor Networks,2009,5(4):1-34.

[11]Hurni P,Braun T.MaxMAC:A Maximally Traffic-Adaptive MAC Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//European Conference on Wireless Sensor Networks.Coimbra,Portugal,2010:289-305.

[12]段蒙,陳嵐,呂超,等,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層自適應(yīng)喚醒算法研究[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(1):84-88.

[13]Fang C,Liu H,Qian L L.Lc-Mac:An Efficient Mac Protocol for the Long-Chain Wireless Sensor Networks[C]//International Conference on Communications and Mobile Computing.Qingdao,China,2011:495-500.

[14]O G,Sun Y,Johnson D B.Ri-Mac:A Receiver-Initiated Asynchronous Duty Cycle Mac Protocol for Dynamic Traffic Loads in Wireless Sensor Networks[C]//SenSys08:Proceedings of the 6th International Conference on Embedded Networked Sensor Systems,2008:November,p.1C14.

[15]丁岳,丁勇,于春娣,等,一種具有提高成簇質(zhì)量的WSN節(jié)能分簇路由算法[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(2):258-262.

[16]Tang L,Sun Y,Gurewitz O,et al.Em-Mac:A Dynamic Multichannel Energy-Efficient Mac Protocol for Wireless Sensor Networks[C]//The Twelfth ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking and Computing(MobiHoc11),2011:Article No.23.

錢(qián)麗麗(1982-),女,博士生,主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),lillian_qll@seu.edu.cn;

劉昊(1973-),男,博士,東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院副教授,主要從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),SoC系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究,nicky_lh@seu.edu.cn。