基于802.11 MAC協(xié)議的無線傳感器數(shù)據(jù)流優(yōu)先級模型

李靖平

(黎明職業(yè)大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，福建 泉州 362000)

802.11 MAC協(xié)議是保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效傳輸?shù)闹匾獏f(xié)議.查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)MAC協(xié)議自身還有不足之處，具體應(yīng)用到WSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，這種問題暴露得更加明顯，這種不足對于WSN網(wǎng)絡(luò)的推廣和業(yè)務(wù)的發(fā)展是極為不利的[1].

本文針對以上面臨的問題，創(chuàng)造性地提出了新控制分組概念，對于機(jī)制的驗(yàn)證方面，文章運(yùn)用數(shù)據(jù)分析模型進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，對于能耗對比還建立了相關(guān)的模型.

1 區(qū)分服務(wù)的MAC機(jī)制簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有眾多的結(jié)構(gòu)和變異種類，本文討論的是單挑簇狀式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)是由最簡單的簇頭、感知節(jié)點(diǎn)兩部分組成，并作如下假設(shè)：

(1)在半徑為R的圓內(nèi)平均的分布有N個節(jié)點(diǎn)，M代表簇頭的數(shù)目，為了簡單，假設(shè)簇頭和感知兩種節(jié)點(diǎn)的類型是一樣的，那么節(jié)點(diǎn)的綜述可以表示為N/M，其中簇頭數(shù)目是1，感知節(jié)點(diǎn)數(shù)目是N/(M-1)；(2)數(shù)據(jù)采集過程中，每個周期采集到的信息量是k比特，采集后再把這些信息傳到簇頭，簇頭負(fù)責(zé)將收集上來的信息匯總，再發(fā)送出去(一般是基站)；(3)由于基站自身的能量供應(yīng)是充足的，接收過程中的能耗基本上為0.具體的網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示：

下文的討論和方案提出都是基于圖1這種簡單的網(wǎng)絡(luò)模型.為了使MAC協(xié)議適應(yīng)WSN網(wǎng)絡(luò)需要，在原有802.11 MAC協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和完善，提出改進(jìn)的控制分組概念，對發(fā)送來的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流進(jìn)行區(qū)分通過目的節(jié)點(diǎn)來完成，目的節(jié)點(diǎn)可以隨著網(wǎng)絡(luò)變化而動態(tài)調(diào)整接收情況和數(shù)量，這在很大程度上節(jié)約了單個節(jié)點(diǎn)的資源，對業(yè)務(wù)的區(qū)分也得以實(shí)現(xiàn).

當(dāng)節(jié)點(diǎn)有傳輸信息的需要時，第一要務(wù)就是把各個組按照事先約定的法則進(jìn)行打標(biāo)編號.在目的節(jié)點(diǎn)一端，引入處理低優(yōu)先級業(yè)務(wù)的拒絕服務(wù)組，基于這個結(jié)構(gòu)目的節(jié)點(diǎn)就能夠?qū)Φ蛢?yōu)先級的業(yè)務(wù)有所拒絕[2].在目的節(jié)點(diǎn)拒絕了發(fā)送的低優(yōu)先級業(yè)務(wù)組后，會自動把這個情況向發(fā)送節(jié)點(diǎn)報(bào)告，源節(jié)點(diǎn)通過自身的算法產(chǎn)生隨機(jī)的計(jì)數(shù)，在合適的時機(jī)重新發(fā)送.假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)對于低優(yōu)先級拒絕的概率是Pr，即由于網(wǎng)絡(luò)或者目的節(jié)點(diǎn)不接受重傳的次數(shù)是L1次，則有如下公式：

(1)

2 基于區(qū)分服務(wù)的數(shù)學(xué)模型

2.1 基于馬爾科夫鏈的模型

本文將數(shù)據(jù)流分為Real-Time(實(shí)時流，簡稱為RT)和Best-Effort(非實(shí)時流，又稱為最大可能性數(shù)據(jù)流，簡稱為BE)，建模中，把RT和BE兩種模型分別設(shè)置為0和1，優(yōu)先級的類別用i表示[3].

假設(shè)Pi,c是沖突發(fā)生可能性，Pi,b代表在退避期發(fā)現(xiàn)信道沒空閑概率.Pr定義同上，Pi代表發(fā)送失敗的概率，所以有：

P0=P0,c

(2)

P1=1-(1-p1,c)(1-pr)

(3)

傳輸?shù)趇類簇頭時，設(shè)sit代表t時刻處于退避過程中，bit代表時刻t的技術(shù)值，那么可以推導(dǎo)出：

(4)

在模型的建立過程中，(1)中L1用低優(yōu)先級重傳均值替代，可以有下式：

(5)

(6)

再假設(shè)，Mi是數(shù)據(jù)流i的分組簇頭數(shù)，那么就有：

p0,b=1-(1-τ0)M0-1(1-τ1)M1

(7)

p1,b=1-(1-τ0)M0(1-τ1)M1-1

(8)

p0,c=1-(1-τ0)M0-1(1-τ1)M1

(9)

p1,c=1-(1-τ0)M0(1-τ1)M1-1

(10)

2.2 吞吐量的定性分析

假設(shè)一個分組處于發(fā)送過程的概率是Ptr，Pi,s代表某類分組占用信道概率，任何分組占用信道概率可表示為Ps，那么就有：

ptr=1-(1-τ0)M0(1-τ1)M1

(11)

p0,s=n0τ0(1-τ0)M0-1(1-τ1)M1

(12)

p1,s=n1τ1(1-τ0)M0(1-τ1)M1-1

(13)

ps=p0,x+p1,s

(14)

2.3 分組在信道內(nèi)丟棄概率

分組丟棄是因?yàn)橥吮苡?jì)數(shù)器溢出，再發(fā)送則遭到拒絕.設(shè)Pi,drop是第i個數(shù)據(jù)發(fā)生丟棄的概率，那么就有：

(15)

3 基于區(qū)分服務(wù)模型性能分析

上述章節(jié)對于區(qū)分服務(wù)的建模過程已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，接下來本節(jié)將對以上提出的改進(jìn)過的MAC層協(xié)議性能進(jìn)行驗(yàn)證，在驗(yàn)證過程中運(yùn)用了數(shù)學(xué)分析的方法，選用參考文獻(xiàn)[3]的參數(shù)假定.設(shè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目是200，M從10初始，另外在MAC層中，發(fā)送M0=M1=0.5M的同樣大小分組.

針對實(shí)時流和非實(shí)時流進(jìn)行模擬測試，結(jié)果如圖2.結(jié)果證實(shí)，本文提出的新分組方式可以提高RT流帶寬占用，隨節(jié)點(diǎn)增加更加明顯.機(jī)制改進(jìn)吞吐情況如圖3所示，由圖可以看到，隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增長，帶寬損失幅度明顯下降.

圖2 實(shí)時流和非實(shí)時流飽和吞吐量分析

圖3 改進(jìn)前后吞吐量對比

4 基于區(qū)分服務(wù)模型能量分析

4.1 基于first order的能量模型

Heinzelman在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗方面，吸收電磁和電路能量消耗的相關(guān)理論成果，制定了網(wǎng)絡(luò)能耗的相關(guān)模型，本文的能量分析選用的就是first order模型.接下來，將按照選用WSN挽留過模型對能量模型進(jìn)行建模[4].

(1)感知節(jié)點(diǎn)能耗建模．在單跳簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，在一個時間周期，感知節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)只發(fā)給簇頭，假設(shè)是k，那么其發(fā)送的能耗可以用下式表示：

(16)

其中，dto_ch代表的是感知節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)之間的距離.

(17)

由于在上述討論中，節(jié)點(diǎn)的分布是均勻的，那么有

ρ=1/((πR2)/M)，代入上式得到：

(18)

由此，在后續(xù)能耗分析過程中的dto_ch都用R2/2M來表示.

(2)簇頭節(jié)點(diǎn)能耗建模．如前所述，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把感知節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給基站.一個簇有一個簇頭和N/(M-1)個感知節(jié)點(diǎn)[5]，那么，簇頭節(jié)點(diǎn)在一個時間周期就要接收以上節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，假設(shè)k比特，簇頭把收到的數(shù)據(jù)匯聚后傳給基站，所以它的能耗就可以表示為如下形式：

ECH_head(k)(N/M-1)×ERX(k)+(N/M-1)×
Egother(k)+ETX_BS(k,dto_bs)

(19)

其中，ERX(k)是采集感知節(jié)點(diǎn)消耗的能量，k是融合每個包需要的能量，ETX_BS是發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量.為了模型的簡單，本文假設(shè)簇頭接收的數(shù)據(jù)包均可以匯聚為1個包.

(3) 總能耗模型．單個簇的總能耗分為感知節(jié)點(diǎn)能耗和簇頭節(jié)點(diǎn)能耗兩部分，那么由(1)和(2)中對兩類能耗的建模分析可以得出：

Ecluster(k)=ECH_head=(N/M-1)×ETX(k,d)

(20)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，簇的數(shù)量是M個，那么整個網(wǎng)絡(luò)的能耗為：

ENECC(k)=M×Ecluster

(21)

結(jié)合公式(18)，本文選用模型在一個時間周期內(nèi)，每個比特成功傳送所需要的能耗為：

ENECC_bit=ENECC(k)/(k×PSUCCESS(K))

(22)

其中，PSUCCESS(K)=1-Pi,drop.

4.2 單跳簇狀網(wǎng)絡(luò)能耗分析

測試基于AWGN信道、BPSK調(diào)制模式，假設(shè)發(fā)射天線(ht)高1m，接收天線(hr)高2.5m，頻率是1GHz，那么波長就是λ=c/f=0.3m,基站dc=33m，節(jié)點(diǎn)數(shù)200，分布的半徑R=100m，簇頭與基站之間dto_bs=125m，其余的借鑒文獻(xiàn)[3]中參數(shù)的設(shè)置.

實(shí)時流和非實(shí)時流兩種數(shù)據(jù)的能耗對比如圖4所示.由圖中曲線可以看出，兩種數(shù)據(jù)的能耗都隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多而線性增加.簇頭節(jié)點(diǎn)較少時，兩種數(shù)據(jù)能耗差別較大，此時實(shí)時流的帶寬占用較多，但是仍然低于非實(shí)時流的能耗花銷，簇頭節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，兩種數(shù)據(jù)的能耗逐漸縮小，等接近200個節(jié)點(diǎn)時，這種差別幾乎沒有了.

圖4 實(shí)時流和非實(shí)時流能耗分析

改進(jìn)后的能耗情況如圖5所示.隨著節(jié)點(diǎn)增加，總能耗呈上升，但幅度并不大.數(shù)量較少時，改進(jìn)機(jī)制的能耗隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多差別越來越模糊.所以，本文提出的機(jī)制較適用節(jié)點(diǎn)數(shù)多的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).

圖5 改進(jìn)后的能量消耗情況對比

5 結(jié)論

無線傳感器的應(yīng)用越來越頻繁，但其自身不能區(qū)分出數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，本文提出引入新控制分組的概念，改進(jìn)了原有的802.11 MAC機(jī)制，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)順利通過同時還抑制了能耗水平.

運(yùn)用數(shù)學(xué)分析的方法，對提出的新機(jī)制進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明該機(jī)制對于保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)占用多的帶寬資源具有非常明顯的效果，減少了實(shí)時性業(yè)務(wù)丟包的可能性.文章最后還

對改進(jìn)的新機(jī)制能耗情況進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明高優(yōu)先級由于占用了較多帶寬，其能耗在較少數(shù)目節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中是高于低優(yōu)先級能耗水平的，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)展、節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，這種差別越來越小，這也充分證明，文中提出的機(jī)制更適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的WSN網(wǎng)絡(luò).

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