無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗協(xié)議研究與仿真

徐力++屈召貴

摘 要： 針對目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議無法在事件驅(qū)動感知和周期性事件感知共存的復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用的問題，提出一種能夠在分簇網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC。在研究了MAC層能耗來源及節(jié)能策略的基礎(chǔ)上，給出了TC2?MAC協(xié)議的時隙分配方法、時間同步策略和CSMA/CA競爭接入機制。

關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)； MAC協(xié)議； 節(jié)能

中圖分類號： TN926?34； TM417 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）03?0007?05

Research and simulation of low?energy consumption protocol for wireless sensor network

XU Li1， QU Zhaogui2

（1. Experimental Center， Sichuan University Jinjiang College， Meishan 620860， China；

2. Experimental Center， Sichuan Technology and Business University， Chengdu 611745， China）

Abstract： Since the MAC protocol of the wireless sensor network can′t be applied to the complex environment of the coe?xisting of the event?driven perception and periodic event perception， a TC2?MAC of the adaptive hybrid MAC protocol applied to the clustering network is proposed. On the basis of studying the energy?consumption source and energy?saving strategy of the MAC layer， the time slot allocation method and time synchronization strategy of TC2?MAC protocol， and competition access mechanism of CSMA/CA are given.

Keywords： wireless sensor network； network architecture； MAC protocol； energy saving

0 引 言

隨著傳感技術(shù)、通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和微機電技術(shù)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（WSN）的發(fā)展迎來了新的機遇和挑戰(zhàn)。WSN的底層架構(gòu)是通過MAC技術(shù)[2?4]來構(gòu)建的，因此MAC協(xié)議是WSN發(fā)揮作用的重要前提，但現(xiàn)有的MAC協(xié)議[3，5]存在以下問題：

（1） 當(dāng)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)與周期性感知數(shù)據(jù)一同進行傳送時，突發(fā)/超限數(shù)據(jù)無法完成實時性傳送；

（2） 無法保證異構(gòu)傳感器節(jié)點對傳送信道使用的公平性；

（3） 未考慮不同傳感器節(jié)點的差異性服務(wù)質(zhì)量（QoS）需求。

上述三個問題使目前的MAC協(xié)議無法在事件驅(qū)動感知和周期性事件感知共存的復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用。

針對上述問題，提出了一種能夠在分簇網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC。該協(xié)議通過使用二叉樹形式的時隙塊分配方法和時隙限制的CSMA/CA競爭接入機制，可以實現(xiàn)靈活的休眠調(diào)度機制，從而達到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高WSN中突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的傳送實時性，改善異構(gòu)傳感器節(jié)點傳送信道使用的公平性，并能夠支持不同傳感器節(jié)點的差異性QoS需求。

1 WSN網(wǎng)絡(luò)體系及MAC層能耗分析

1.1 WSN網(wǎng)絡(luò)體系

根據(jù)ITU?TY.2221建議的WSN未來泛在感知的應(yīng)用框架結(jié)構(gòu)，WSN采用分簇體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)節(jié)點成簇算法，將網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點劃分為若干個由成員節(jié)點和簇首組成的簇。為研究分析方便，在不改變分析結(jié)果的前提下，對上述網(wǎng)絡(luò)體系做如下假設(shè)：

（1） 簇的劃分使用固定簇方式。全部簇首均由具有特殊供電能力的節(jié)點擔(dān)當(dāng)，其電能足以完成網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；

（2） 網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點Sink為靜止?fàn)顟B(tài)。全部簇首均可以與Sink直接進行通信；

（3） 所有節(jié)點均為靜止?fàn)顟B(tài)。節(jié)點計算能力能夠支持不同的MAC協(xié)議；

（4） 無線信號向各方向傳送消耗的能量是相同的，且無線信道對稱。

1.2 MAC層能耗分析

MAC層能耗主要由正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)、空閑偵聽、沖突、串音、控制報文開銷幾方面組成，其中，正常的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收發(fā)和控制報文開銷的能耗屬必須消耗。由于無線通信模塊是傳感器節(jié)點的主要能耗來源，而當(dāng)節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，其能耗明顯低于節(jié)點處于空閑偵聽狀態(tài)。因此可通過采用周期性睡眠和偵聽策略及沖突避免機制來降低節(jié)點能耗。

2 自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC的實現(xiàn)

TC2?MAC協(xié)議首先用若干個大小相等的時隙劃分通信時幀，然后將時隙編入A，B，C三個分組，并將其按照分組號交叉編排，各組時隙的特征如下：

A組時隙：節(jié)點主要用來傳送周期性感知數(shù)據(jù)，節(jié)點工作機制為TDMA；

B組時隙：節(jié)點工作機制為CSMA/CA競爭機制，能夠提高突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的傳送實時性；

C組時隙：簇首將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點Sink。當(dāng)節(jié)點無可傳送數(shù)據(jù)時，能夠進入休眠狀態(tài)節(jié)能。

2.1 時隙分配方法

為改善節(jié)點對信道使用的公平性，采用二叉樹時隙分割方法。利用二叉樹分割法將時隙組A分割成若干個時隙塊，所有時隙均按奇偶位對應(yīng)關(guān)系進行分組，分組后形成時隙塊二叉樹。通過二叉樹時隙分割法可以使全部時隙塊內(nèi)的時隙均勻分布，而且還能夠通過時隙塊的分解或合并構(gòu)建出大小不同的時隙塊，從而滿足不同節(jié)點的差異性QoS需求。

TC2?MAC可以根據(jù)系統(tǒng)的不同QoS需求設(shè)定時幀和時隙長度，并且在網(wǎng)絡(luò)運行過程中也能夠靈活配置，時幀與時隙的關(guān)系如下：

式中：[Tframe]為時幀長度；[Tslot]為時隙長度，其值由數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)分組大小和時鐘漂移參數(shù)決定；依據(jù)時隙塊二叉樹結(jié)構(gòu)，各時隙組（A，B，C）中時隙個數(shù)的對數(shù)[k]值即為重復(fù)率數(shù)的最大值RRNmax。按照WSN中事件驅(qū)動感知和周期性事件感知共存的應(yīng)用需求，結(jié)合分簇式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，同時約定時隙塊使用“組號?起始索引號?重復(fù)率數(shù)”的形式表示，則時隙分配的具體方法如下：

（1） 預(yù)留時隙設(shè)為A?0，B?0，C?0。其中，A?0用于簇首節(jié)點與網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點Sink精同步；B?0用于網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點Sink向簇首節(jié)點發(fā)送網(wǎng)管信息和新增節(jié)點入網(wǎng)精同步；C?0用于簇首節(jié)點向簇內(nèi)成員節(jié)點發(fā)送網(wǎng)管信息和新增節(jié)點接收時隙分配參數(shù)。

（2） 除上述預(yù)留的A?0，B?0，C?0時隙外，A組其他時隙作為分配給簇內(nèi)普通節(jié)點的固定時隙，用于普通節(jié)點向簇首節(jié)點傳送數(shù)據(jù)；B組其他時隙作為公共競爭時隙，用于簇內(nèi)普通節(jié)點向簇首節(jié)點發(fā)送突發(fā)/超限數(shù)據(jù)；C組其他時隙作為簇首節(jié)點專用時隙，用于簇首節(jié)點向網(wǎng)內(nèi)匯聚節(jié)點Sink傳送數(shù)據(jù)。

（3） 單位時隙長度[TSlot]與簇內(nèi)節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的最小時間間隔[Δt]存在約束關(guān)系：

[Δt=3×2RRNmax-RRN×Tslot] （2）

式中：RRN是節(jié)點占用時隙塊的重復(fù)率數(shù)，其應(yīng)為整數(shù)，因此有如下關(guān)系：

[RRN≥RRNmax-log2Δt3×TslotRRNmin=RRNmax-log2Δt3×Tslot] （3）

從式（3）中重復(fù)率數(shù)RRN與時隙塊個數(shù)之間的關(guān)系可以看出，若簇內(nèi)節(jié)點數(shù)滿足[N≤2RRNmax-RRNmin]關(guān)系，就可以保證簇內(nèi)每個節(jié)點至少占有一個重復(fù)率數(shù)為RRNmin的時隙塊，同時也就使簇內(nèi)所有節(jié)點發(fā)送感知數(shù)據(jù)的時間間隔滿足式（2）。

（4） 最大公平性原則。當(dāng)節(jié)點數(shù)[N≤2RRNmax-RRNmin]時，將時隙塊二叉樹中（[2RRNmax-RRNmin-N]）個重復(fù)率數(shù)為RRNmin+1的時隙塊分配給（[2RRNmax-RRNmin-N]）個能量較高的節(jié)點，然后將余下的重復(fù)率數(shù)為RRNmin+1的時隙塊包含的重復(fù)率數(shù)為RRNmin的子時隙塊分配給其他節(jié)點；當(dāng)[N>2RRNmax-RRNmin]時，先將時隙塊二叉樹中（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）個重復(fù)率數(shù)為RRNmin的時隙塊依次分配給（[2RRNmax-RRNmin+1-N]）個能量較高的節(jié)點，后將余下的重復(fù)率數(shù)為RRNmin的時隙塊包含的重復(fù)率數(shù)為（RRNmin?1）的子時隙塊分配給其他節(jié)點。

（5） QoS差異性原則。盡量滿足網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)節(jié)點的不同時延需求，在具體應(yīng)用中，可根據(jù)各節(jié)點的不同時延需求，采用更加靈活有效的配置方法。

（6） 以上時隙分配方法將時幀中的全部時隙都分配給了簇內(nèi)節(jié)點，在實際應(yīng)用中，也可保留一部分時隙供新增節(jié)點使用。

2.2 時間同步策略

TC2?MAC協(xié)議采用的是基于時間調(diào)度的信道接入機制，必須保證簇首與簇內(nèi)節(jié)點之間的時間同步。采用基于“匯聚節(jié)點?簇首?普通節(jié)點”形式的分級粗同步和按需精同步的時間同步策略。

在網(wǎng)絡(luò)拓撲形成過程中，匯聚節(jié)點會周期性地廣播包含匯聚節(jié)點當(dāng)前時間的入網(wǎng)同步信標。簇首節(jié)點通過接收到的入網(wǎng)同步信標中的時間完成自身時間的調(diào)整，實現(xiàn)粗同步。完成粗同步后，簇首節(jié)點通過CSMA/CA競爭機制接入相應(yīng)信道，然后采用雙向報文交換機制實現(xiàn)與匯聚節(jié)點的時間精同步。簇內(nèi)普通節(jié)點利用簇首廣播的簇信標完成入網(wǎng)被動粗同步。

在網(wǎng)絡(luò)運行過程中，隨著運行時間的增加，簇首和普通節(jié)點的時間精度需要再同步。根據(jù)時間精度的等級要求，簇首按需在A?0時隙通過雙向報文交換機制實現(xiàn)與匯聚節(jié)點的時間精同步。普通節(jié)點按需在所分配的時隙塊內(nèi)通過雙向報文交換機制實現(xiàn)與簇首的時間精同步。

2.3 CSMA/CA競爭接入機制

為提高突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的實時性傳送要求，TC2?MAC協(xié)議在B組時隙內(nèi)使用CSMA/CA競爭接入機制，其具體執(zhí)行流程如圖1所示。

在每次數(shù)據(jù)傳送過程中，節(jié)點都要維護表示本次傳輸?shù)耐吮艽螖?shù)的參數(shù)NB和表示退避指數(shù)的參數(shù)BE兩個變量。其中NB的初始值為0，BE的最小值由最大值macMin BE和macMax BE設(shè)定。退避指數(shù)、退避窗口和退避時間之間的關(guān)系如下：

式中：[Wi]和[Tibackoff]分別表示第[i]個退避階段的退避窗口和退避時間；[m]和[σ]分別表示允許的最大退避次數(shù)和退避的單位時間長度。

退避時，每經(jīng)過一個單位時間長度[σ，]退避計數(shù)器減1，當(dāng)退避計數(shù)器減為0時執(zhí)行CCA，如果此時信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)；否則通過重置退避參數(shù)，執(zhí)行新的退避階段。當(dāng)退避次數(shù)達到允許的最大退避次數(shù)[m]時，此時信道如果仍非空閑狀態(tài)，則停止退避過程并緩存未發(fā)送的數(shù)據(jù)，以便在接下來的競爭時隙中繼續(xù)競爭發(fā)送。

3 網(wǎng)絡(luò)性能分析

3.1 吞吐量分析

由TC2?MAC的工作過程可知，A組時隙中的節(jié)點應(yīng)用TDMA機制將簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送至簇首，B組時隙中的節(jié)點應(yīng)用CSMA/CA競爭機制將簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送至簇首。假設(shè)簇首接收到的各節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)包需全部發(fā)送至匯聚節(jié)點Sink，A組時隙和B組時隙節(jié)點全部工作在飽和狀態(tài)，簇首的數(shù)據(jù)發(fā)送隊列始終非空，則簇首在C組時隙應(yīng)用的信道接入機制就決定了系統(tǒng)的飽和吞吐量。此處簇首采用CSMA/CA機制訪問信道。由于同一時刻匯聚節(jié)點Sink只能成功接收一個簇首發(fā)送的數(shù)據(jù)，若網(wǎng)絡(luò)中共有[n]個簇首，則網(wǎng)絡(luò)的飽和吞吐量為：

式中：[Tslot]和[EP]分別表示單位時隙長度和單位時隙長度的平均數(shù)據(jù)載荷。假設(shè)[Tslot=]0.007 812 s，數(shù)據(jù)速率DataRate=250 Kb/s，數(shù)據(jù)幀載荷Payload=976 b，則網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量關(guān)系曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中簇首數(shù)量[n=1]時，網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量達到最大值，這是因為此時簇首不存在信道競爭所致。隨著簇首數(shù)量[n]的增加，網(wǎng)絡(luò)飽和吞吐量呈現(xiàn)下降趨勢，這是因為簇首數(shù)量[n]的增加會使各簇首間的數(shù)據(jù)傳送沖突概率增加。因此在實際WSN的應(yīng)用中，通過數(shù)據(jù)融合算法對數(shù)據(jù)進行融合，降低冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送量，以盡量避免網(wǎng)絡(luò)工作在飽和狀態(tài)，這樣能夠提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。

3.2 端到端時延分析

網(wǎng)絡(luò)端到端時延如式（6）所示：

式中：[τtr，τpr]和[σ]分別表示發(fā)送時延、傳播時延和處理時延。出于網(wǎng)絡(luò)節(jié)能目的考慮，節(jié)點僅在其所分配時隙塊的部分子時隙內(nèi)工作，而在余下時隙進行休眠，所以網(wǎng)絡(luò)端對端時延本質(zhì)是一個隨機變量，此處僅分析網(wǎng)絡(luò)最小端到端時延。通過對TC2?MAC二叉樹的時隙組功能劃分規(guī)則的分析可知，普通數(shù)據(jù)最小端到端時延不大于3個時隙，突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的最小端到端時延不應(yīng)大于2個時隙。

4 系統(tǒng)仿真

由于TC2?MAC適用于分簇網(wǎng)絡(luò)，為使仿真具有對比性，采用OPNET軟件包對TC2?MAC（DSSS）和LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議的平均吞吐量和平均端對端時延性能進行仿真分析，仿真中簇內(nèi)節(jié)點數(shù)[n]由2逐漸增加至25，簇首個數(shù)ch由1逐漸增加至6，突發(fā)/超限數(shù)據(jù)到達時間間隔[λ2]分別取表1中的值，主要仿真參數(shù)如表1所示。

當(dāng)[ch=5，][λ2=10]時，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨簇內(nèi)節(jié)點數(shù)[n]的變化如圖3所示。

從圖3中可以看出，在ch與[λ2]不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延特性方面，TC2?MAC（DSSS）網(wǎng)絡(luò)的時延隨簇內(nèi)節(jié)點數(shù)[n]的增加變化較平緩，而LEACH?TDMA（DSSS）網(wǎng)絡(luò)的時延隨簇內(nèi)節(jié)點數(shù)[n]的增加快速增加；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B組時隙使用了CSMA/CA競爭機制，在仿真條件下突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的通信信道沖突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

當(dāng)[n=24，][λ2=10]時，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨簇首數(shù)目ch的變化如圖4所示。

從圖4中可以看出，在[n]與[λ2]不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延特性方面，兩種協(xié)議的時延特性均不隨簇首數(shù)ch的增加產(chǎn)生明顯變化；在吞吐量性能方面，由于TC2?MAC（DSSS）的B組時隙使用CSMA/CA競爭機制，在仿真條件下突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的通信信道沖突概率很小，故TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

當(dāng)[ch=5，n=24]時，網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨突發(fā)/超限數(shù)據(jù)到達時間間隔[λ2]的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，在ch和[n]不變的情況下，在網(wǎng)絡(luò)平均端到端時延特性方面，兩種協(xié)議的時延均與[λ2]反方向變化，當(dāng)[λ2≥1]s時，網(wǎng)絡(luò)時延的增長趨勢較平緩，當(dāng)[λ2<1]s時，增長趨勢開始變大，當(dāng)[λ2=]0.01 s時，LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議的時延特性急劇惡化，而TC2?MAC（DSSS）協(xié)議的時延特性對[λ2]的變化卻不敏感。在吞吐量方面，當(dāng)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)到達時間間隔[λ2]增加到一定程度時，LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議的吞吐性能優(yōu)于TC2?MAC（DSSS）的協(xié)議。

間隔變化曲線

綜上分析有如下結(jié)論：

（1） TC2?MAC使用的二叉樹時隙分割方法和時間同步策略，在保證網(wǎng)絡(luò)周期性數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)那疤嵯?，能夠?qū)崿F(xiàn)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)的實時性傳送，也就支持了不同節(jié)點的差異性QoS需求。

（2） 在網(wǎng)絡(luò)時延特性方面，TC2?MAC（DSSS）協(xié)議能夠良好地適應(yīng)簇的數(shù)目、簇內(nèi)節(jié)點數(shù)目和突發(fā)/超限數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量的變化，同時其時延特性顯著優(yōu)于LEACH?TDMA（DSSS）協(xié)議。

（3） 在網(wǎng)絡(luò)吞吐量特性方面，在突發(fā)/超限數(shù)據(jù)流量較小的情況下，兩種協(xié)議的性能基本持平，但當(dāng)突發(fā)/超限數(shù)據(jù)流量增加到一定數(shù)量時，TC2?MAC（DSSS）的平均吞吐量比LEACH?TDMA（DSSS）有微小下降。

通過以上仿真實驗可以看出，提出的TC2?MAC協(xié)議在基本不降低網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，解決了目前MAC協(xié)議存在的突發(fā)/超限數(shù)據(jù)實時性傳送問題、異構(gòu)傳感器節(jié)點對傳送信道使用的公平性問題及不同傳感器節(jié)點的差異性QoS需求問題。

5 結(jié) 論

本文提出的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)混合MAC協(xié)議TC2?MAC能夠有效地解決目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中存在的問題。在對目前常用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系及能耗分析的基礎(chǔ)上，給出了TC2?MAC協(xié)議的實現(xiàn)方法并對其網(wǎng)絡(luò)性能進行了理論分析，最后通過仿真實驗證明了所提出協(xié)議TC2?MAC的有效性。

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