Zebra?MAC協(xié)議的改進(jìn)研究

張涌逸

摘? ?要：ZMAC協(xié)議是一種混合型MAC協(xié)議，吸取了分配型和競爭型的優(yōu)點(diǎn)，是一種非常好的MAC協(xié)議。MAC協(xié)議首要解決的就是能量消耗問題，而ZMAC考慮到的能量消耗問題不夠。文章在ZMAC協(xié)議的基礎(chǔ)上引入了睡眠機(jī)制來降低能量消耗，改進(jìn)了ZMAC協(xié)議在低沖突級別的發(fā)送方式，在自己的局部時(shí)隙可直接發(fā)送。

關(guān)鍵詞：Zebra介質(zhì)訪問控制;鄰居發(fā)現(xiàn);時(shí)隙分配;時(shí)間同步

1? ? 各項(xiàng)協(xié)議分析

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有可感知性、傳輸性和抗擊毀能力，這使得它的應(yīng)用范圍越來越廣，但受到成本、能耗的制約，目前，還沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。降低成本、能耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前的主要任務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)構(gòu)有以下5層：物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。人們不只希望分層設(shè)計(jì)，更希望能實(shí)現(xiàn)跨層管理，好進(jìn)一步降低能耗、提高效率及優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)鏈路層設(shè)計(jì)主要在介質(zhì)訪問控制（Media Access Control，MAC）層，MAC設(shè)計(jì)的好壞將直接影響網(wǎng)絡(luò)性能的好壞。人們對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層進(jìn)行了大量的研究，從信道分配方式上看可分為競爭型、分配型和混合型?；诟偁幮偷腗AC協(xié)議有：TRAMA協(xié)議、BMA-MAC協(xié)議、直接內(nèi)存訪問控制器（Direct Memory Access Controller，DMAC）等;基于分配型的MAC協(xié)議有：S-MAC，B-MAC，RI-MAC等;基于混合型MAC協(xié)議有：Z-MAC，F(xiàn)unnel-MAC等[1-2]。Zebra MAC協(xié)議是典型的混合型MAC協(xié)議，克服了競爭型和分配型MAC協(xié)議的缺點(diǎn)，吸取了它們的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的優(yōu)越性，在數(shù)據(jù)傳輸率不高的時(shí)候采用CSMA，在數(shù)據(jù)率傳輸較高時(shí)才用時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）分配信道。雖然ZMAC協(xié)議有很多優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)也考慮了節(jié)能措施，但是ZMAC協(xié)議需要不停地工作，不能睡眠，而節(jié)點(diǎn)的能量消耗主要發(fā)生在發(fā)送、接收和偵聽時(shí)，故有必要引入睡眠機(jī)制。ZMAC協(xié)議采用了局部時(shí)間同步技術(shù)，但只是在開始時(shí)實(shí)現(xiàn)了全局同步，不能在整個(gè)運(yùn)行期間保證全局同步，使得ZMAC協(xié)議不能采用運(yùn)行模式和睡眠模式的機(jī)制，這會(huì)消耗大量的能量，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量消耗很快，不能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的要求。另外，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)低沖突級別的情形時(shí)，在給自己分配的局部時(shí)隙，兩跳之內(nèi)沒有其他節(jié)點(diǎn)在時(shí)隙的開始發(fā)送數(shù)據(jù)，可直接發(fā)送，不需要采用載波偵聽的退避算法，既節(jié)省了時(shí)間，又減少了能量消耗。節(jié)點(diǎn)在高沖突級別的時(shí)隙仍需要采用載波偵聽的退避算法發(fā)送數(shù)據(jù)。

2? ? 帶有睡眠機(jī)制的ZMAC協(xié)議

節(jié)點(diǎn)上電之后，首先要進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)，之后分別進(jìn)行局部時(shí)隙分配、發(fā)送控制、局部時(shí)間同步等操作。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行之后不會(huì)再進(jìn)行前述過程。

2.1? 鄰居發(fā)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)上電之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性地發(fā)送互聯(lián)網(wǎng)包探索器（Packet Internet Groper，PING）消息，使PING消息里含有鄰居一跳的信息，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)就會(huì)得到含有兩跳鄰居的信息。節(jié)點(diǎn)時(shí)隙分配利用BRAND協(xié)議分配時(shí)隙，分配時(shí)隙后可保證節(jié)點(diǎn)兩跳節(jié)點(diǎn)分配的局部時(shí)隙互不相同，在自己分配的時(shí)隙傳輸數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)隱蔽終端問題。BRAND協(xié)議在不需要改變當(dāng)前時(shí)隙調(diào)度的情況下能適應(yīng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的加入，給其分配局部時(shí)隙。

2.2? 局部時(shí)隙分配

采用ZMAC一樣的局部同步方法，需要在同一時(shí)間開始第0個(gè)時(shí)隙，但只在第0個(gè)時(shí)隙實(shí)現(xiàn)全局同步，之后采用的是局部時(shí)間同步技術(shù)。第0個(gè)時(shí)隙全局同步易于實(shí)現(xiàn)，可采用TPSN同步技術(shù)。局部時(shí)間同步中每個(gè)節(jié)點(diǎn)i擁有的時(shí)隙數(shù)2α，其中2α-1為不超過Fi這個(gè)形式的整數(shù)，F(xiàn)i為BRAND協(xié)議分配的節(jié)點(diǎn)i兩跳之內(nèi)鄰居的最大時(shí)隙數(shù)，局部時(shí)隙分配采用BRAND協(xié)議。沒有全局的時(shí)間同步便無法像S-MAC協(xié)議一樣引入睡眠機(jī)制。引入局部睡眠機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在自己分配的局部時(shí)隙進(jìn)行廣播，不在自己的時(shí)隙睡眠，而且每隔一定時(shí)間需要全體醒來進(jìn)行同步（后面討論同步時(shí)再進(jìn)一步討論）。這會(huì)造成這樣的后果，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，它的鄰居節(jié)點(diǎn)可能都處于睡眠狀態(tài)，沒有一個(gè)接收數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)引入了跨層設(shè)計(jì)的理念，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)除SINK節(jié)點(diǎn)外，所有的節(jié)點(diǎn)做的功能一樣，且都實(shí)現(xiàn)了協(xié)議棧的各層。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有網(wǎng)絡(luò)層，利用網(wǎng)絡(luò)層的路由表，采用低功耗的喚醒接收機(jī)來喚醒要接收的節(jié)點(diǎn)。那么既用了網(wǎng)絡(luò)層的路由表，又使用了喚醒機(jī)制，是否就不需要時(shí)隙分配了是需要考慮的問題。事實(shí)上，即使借用了網(wǎng)絡(luò)層的喚醒機(jī)制，仍然需要局部時(shí)隙分配算法，如圖1所示。

假設(shè)有從A→B→C→D→E的路，又有從F→G→H→I→J的路。有數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)A沿路A→B→C→D→E傳遞，也有數(shù)據(jù)從節(jié)點(diǎn)F沿路F→G→H→I→J傳遞。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B和G同時(shí)傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)C和H都會(huì)受干擾，所以不是說引入基于網(wǎng)絡(luò)層的喚醒機(jī)制就不需要局部時(shí)隙分配了。

2.3? 發(fā)送控制

因?yàn)榻邮諘r(shí)用的是基于網(wǎng)絡(luò)層的喚醒機(jī)制，所以只需要管理好節(jié)點(diǎn)的發(fā)送機(jī)制就行了。那么到底該誰發(fā)送？本設(shè)計(jì)仍采用了ZMAC協(xié)議的低沖突級別（Low Conflict Level，LCL）、高沖突級別（High Conflict Level，HCL）以及競爭通告（Explicit Congestion Notification，ECN）的方法。節(jié)點(diǎn)通過競爭通告來避免隱藏終端問題產(chǎn)生，當(dāng)在一個(gè)TECN周期沒有收到ECN通告就處在低沖突級別，否則就處在高沖突級別。發(fā)送有3種情形：

（1）低沖突級別時(shí)，如果這個(gè)時(shí)隙是分配給這個(gè)節(jié)點(diǎn)的局部時(shí)隙，在兩跳之內(nèi)時(shí)隙剛開始時(shí)沒有別的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么不需要競爭信道，節(jié)點(diǎn)在感受到信道空閑時(shí)可直接發(fā)送。

（2）低沖突級別且這個(gè)時(shí)隙不是分配給自己的時(shí)隙。如果分配時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)放棄了發(fā)送數(shù)據(jù)，也可發(fā)送，但需要競爭信道。設(shè)一個(gè)時(shí)隙開始到結(jié)束記為[0， T]，[0， t]為能感知到分配給時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間段。此時(shí)間段要比ZMAC的這個(gè)時(shí)間段要小，這是低沖突級別時(shí)分配這個(gè)時(shí)隙的節(jié)點(diǎn)可直接發(fā)送，不需要競爭信道的原因。時(shí)間t之后，這個(gè)時(shí)間段的低沖突級別節(jié)點(diǎn)如果有數(shù)據(jù)需要發(fā)送可競爭信道，擁有這時(shí)隙兩跳之內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)都可競爭信道。因?yàn)閠要比ZMAC協(xié)議要小，會(huì)給低沖突級別競爭信道的節(jié)點(diǎn)較多發(fā)送的時(shí)間，提高數(shù)據(jù)的發(fā)送速度。

（3）高沖突級別時(shí)，節(jié)點(diǎn)在自己擁有的時(shí)隙或兩跳鄰居不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用信道。在這種情形，只有自己及一跳的鄰居可競爭信道，節(jié)點(diǎn)訪問信道都需要采用載波偵聽的方式訪問信道。

雖然BRAND協(xié)議會(huì)保證不會(huì)出現(xiàn)隱藏終端問題，但節(jié)點(diǎn)可占用不屬于自己的時(shí)隙發(fā)送信息，造成隱藏終端問題。仍需采用類似ZMAC協(xié)議的方法發(fā)布競爭通告來避免隱藏終端問題。由于節(jié)點(diǎn)在不屬于自己的局部時(shí)隙里睡眠，只有那些發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)和被喚醒的節(jié)點(diǎn)才存在隱蔽終端問題。我們通過測量信道噪聲水平來感知節(jié)點(diǎn)是否存在隱蔽終端問題。當(dāng)一個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)感知到隱蔽終端問題時(shí)，它首先喚醒兩跳之內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)，然后發(fā)送一個(gè)ECN單播數(shù)據(jù)包給發(fā)生沖突的接點(diǎn)，如果感受到若干個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突，則發(fā)送一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包給這些節(jié)點(diǎn)。這些有沖突的節(jié)點(diǎn)再廣播ECN消息，節(jié)點(diǎn)收到ECN消息（除去第一個(gè)發(fā)送ECN消息的節(jié)點(diǎn)）可判斷自己是否引起沖突的節(jié)點(diǎn)，如果是，就把自己的沖突級別置高。其余的過程就和ZMAC一樣，用一個(gè)TECN周期時(shí)間來控制級別的高低，如果在一個(gè)周期內(nèi)在沒有收到ECN消息就把級別置低。

時(shí)間同步：采用了局部時(shí)隙分配算法，在最開始的時(shí)候需要時(shí)間全局同步，在運(yùn)行的過程中又需要進(jìn)行局部時(shí)間同步。睡眠機(jī)制所采用的時(shí)間同步與ZMAC又有所不同。每隔Isynch Fi時(shí)間節(jié)點(diǎn)喚醒所有的鄰居節(jié)點(diǎn)，Isynch的計(jì)算可參考劉偉英等[2]研究，F(xiàn)i表示節(jié)點(diǎn)兩條之內(nèi)鄰居分配的最大時(shí)隙數(shù)。發(fā)送時(shí)間同步包進(jìn)行同步，同時(shí)也發(fā)送PING消息，既進(jìn)行了鄰居發(fā)現(xiàn)，又使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行局部同步，但并沒有進(jìn)行全局同步。節(jié)點(diǎn)收到同步包后，采用如下的算法進(jìn)行同步：

Cavgupdata=（1-βt）×Cavg+βt×Creceive

其中，Cavgupdata為節(jié)點(diǎn)更新后的時(shí)間，Cavg為節(jié)點(diǎn)更新前的時(shí)間，Creceive為節(jié)點(diǎn)收到的鄰居節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的時(shí)間，βt為信任因子，節(jié)點(diǎn)的信任因子βt可算[3-4]。

3? ? 結(jié)語

ZMAC協(xié)議能在數(shù)據(jù)大的時(shí)候用頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA），在數(shù)據(jù)小的時(shí)候采用MDSA，結(jié)合了分配協(xié)議和隨機(jī)競爭協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，但只在開始時(shí)全局同步，之后沒有統(tǒng)一的全局同步，沒有實(shí)現(xiàn)睡眠機(jī)制。改進(jìn)后的協(xié)議引入了睡眠機(jī)制，但需要利用網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)喚醒機(jī)制才能通信。為了實(shí)現(xiàn)局部同步，節(jié)點(diǎn)過一段時(shí)間還需要全部醒來發(fā)送同步包，計(jì)算同步的時(shí)間，增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，還有待進(jìn)一步研究。

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