（廣東工業(yè)大學 自動化學院 控制網(wǎng)絡與系統(tǒng)研究所， 廣州 510006）

摘 要：結合基于競爭與調度機制的混合型方案是高效的無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的重要解決思路。在深入研究混合型協(xié)議μ-MAC的基礎上，提出一種增強型的協(xié)議Eμ-MAC。它針對周期性數(shù)據(jù)采集型應用，跨層參考應用層的流量信息來分配時槽，并解決了μ-MAC中GT子信道效率低、動態(tài)拓撲適應性及時鐘同步問題。仿真結果表明，相對于μ-MAC，Eμ-MAC增強了協(xié)議的擴展性，進一步提高了節(jié)能效率。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；混合型；介質訪問控制協(xié)議；μ-MAC；Eμ-MAC

中圖分類號：TP393.04文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)04-1456-04

Eμ-MAC:efficient hybrid MAC protocol for wireless sensor networks

GU Lian-hua，CHENG Liang-lun

(Networks System Research Institute， Faculty of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China)

Abstract:Combining the contention-based and scheduled-based mechanisms is an important solution for wireless sensor networks (WSN) MAC protocols.This paper studied a hybrid WSN MAC protocol μ-MAC in-depth and proposed an enhanced μ-MAC protocol Eμ-MAC.Eμ-MAC， designing for the periodic data collection applications，adopted the traffic information in the application layer to schedule slots. Furthermore， it solved the problems in μ-MAC of the low efficiency of GT sub-channel， the adaptability to the dynamic topology and clock synchronization. The simulation results show that Eμ-MAC enables better adaptability and is more energy-efficient than μ-MAC.

Key words:wireless sensor networks; hybrid; MAC; μ-MAC; Eμ-MAC

無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSN）是一種特殊的無線多跳分布式網(wǎng)絡，它不需要固定網(wǎng)絡的支持，具有快速組網(wǎng)、休眠節(jié)能、抗毀性強等特點。WSN相對于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，有明顯的資源吝惜和動態(tài)變化的特點，對其通信協(xié)議提出了特別的要求。介質訪問控制（medium access control，MAC）協(xié)議決定WSN無線信道的使用方式，在傳感器節(jié)點之間分配有限的無線信道資源，是保證WSN網(wǎng)絡高效通信的關鍵網(wǎng)絡協(xié)議之一。

WSN的特殊性決定了其 MAC協(xié)議的設計指標與傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同，WSN MAC主要關注節(jié)能效率、時延、傳達率（可靠性），且節(jié)能性能首當其沖?，F(xiàn)有的WSN MAC協(xié)議，根據(jù)信道接入方式大致可以分為三類[1]：基于競爭的（如大多數(shù)經(jīng)典的WSN MAC協(xié)議如S-MAC[2]、T-MAC[3]和B-MAC[4]、AC-MAC/DPM［5］等）、基于預約/調度的（普遍采用TDMA機制，如EA-MAC[6]、D-MAC[7]和DEANA[8]等）以及兩者混合的機制。文獻[9]指出結合兩種方式的MAC協(xié)議是高效WSN MAC的重要解決方法。競爭性MAC機制與調度機制的有機結合可以平衡兩者的優(yōu)勢和不足，提供良好的動態(tài)性和適應性，取得更好的性能。已有學者提出一些混合型的WSN MAC協(xié)議，（Z-MAC[10]、TRAMA[11]、μ-MAC[12]和A2-MAC[13]），混合型MAC協(xié)議普遍算法過于復雜（如Z-MAC和TRAMA）或研究不夠充分（如A2-MAC）。μ-MAC是其中一種典型的混合型WSN MAC，不僅算法簡易可行，而且性能優(yōu)越，在針對數(shù)據(jù)采集型網(wǎng)絡的應用中能達到很好的效果。本文在研究μ-MAC的基礎上提出一種高效的混合型協(xié)議，即Eμ-MAC（enhanced μ-MAC），它保留了μ-MAC協(xié)議主要的控制策略，并進一步提高了其節(jié)能效率，而不明顯降低時延性能。

1 μ-MAC協(xié)議分析

1.1 μ-MAC的應用模型及網(wǎng)絡結構

μ-MAC的新穎之處在于根據(jù)應用層的信息，利用流量指示來提高MAC協(xié)議的性能。它的應用模型是周期性數(shù)據(jù)采集型WSN，如環(huán)境監(jiān)測應用。網(wǎng)絡中有一個單獨于WSN傳感節(jié)點之外的固定基站（base station， BS），負責發(fā)出興趣任務指令及匯聚報告數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡絕大部分流量是從傳感節(jié)點到基站的周期性數(shù)據(jù)包。μ-MAC設計的目標是高的節(jié)能效率，同時提供可接受的時延和可靠性，即包傳達率。

μ-MAC有幾個前提：假設有一個外部的信標源實現(xiàn)了本地同步；網(wǎng)絡拓撲不能頻繁變化；流量模式的信息可獲得。

1.2 μ-MAC的信道結構和運行

μ-MAC的信道結構包含競爭期和無競爭期，如圖1所示。

競爭期采用分時槽的隨機競爭接入方式，為保證包99%傳達，根據(jù)文獻[14]，重發(fā)次數(shù)為7，則競爭時槽總數(shù)至少為7×1.44×N，N為節(jié)點平均的兩跳內鄰居數(shù)。競爭期傳輸控制指令，進行網(wǎng)絡拓撲建立（鄰居發(fā)現(xiàn)）和子信道初始化。

無競爭期采用TDMA調度接入方式。相鄰兩個時槽之間留有轉換間隔，以補償同步漂移。無競爭期傳輸主流的報告數(shù)據(jù)。時槽選擇采用NCR算法[15]（neighborhood-aware contention resolution，鄰居感知競爭分解）。無競爭期復用了兩種子信道，即一般流量子信道（general traffic，GT）和傳感報告子信道（sensor report，SR）。GT子信道是每相隔大致相同的時隔Pg根據(jù)NCR算法選取一個時槽組成的。間隔Pg決定了GT子信道分配的帶寬，是網(wǎng)絡運行前固定設置的。μ-MAC只有一個GT子信道，傳輸任務控制信息。SR子信道是根據(jù)傳感興趣任務需求的帶寬，在無競爭期每相隔至少Ps時隔選取一個時槽組成的。間隔Ps決定了SR子信道分配的帶寬，而Ps根據(jù)應用層流量信息決定。可存在N個SR子信道，每個SR子信道服務于一個興趣任務。

協(xié)議的運行有如下三個步驟（圖2）：

a）基站在GT子信道廣播INTEREST包，請求數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)報告的頻率、總有效時長，中間節(jié)點進行帶寬注冊和綁定，傳遞INTEREST包；

b）興趣節(jié)點在GT子信道回發(fā)RESERVE包，逐跳傳遞回基站，并一路上預約帶寬，激活SR子信道；

c）節(jié)點產(chǎn)生REPORT包，使用SR子信道，周期性地回送到基站。

1.3 μ-MAC的主要機制

對于拓撲建立、時槽分配，μ-MAC主要有以下機制：

在競爭期，采用TRAMA的NP（neighbor protocol）協(xié)議[16]算法，建立一致的兩跳鄰居信息表。以便用來啟動NCR算法分配時槽。NP協(xié)議是簡易而高效的。

子信道初始化的時槽分配采用分布式的NCR算法選取子信道的前n個時槽，在協(xié)議運行中按需不斷補充選擇未來n個時槽，相鄰兩個時槽間隔P符合子信道的帶寬需求。NCR算法的要求是準確的兩跳鄰居信息表，它能在各節(jié)點中單獨計算在每個時槽的優(yōu)先級，并保證節(jié)點在擁有最高優(yōu)先級（擁有該時槽）的時槽中傳輸不會與鄰居的發(fā)送沖突。時槽選擇信息表在控制包和數(shù)據(jù)包的頭部捎帶，通告鄰居節(jié)點。故在節(jié)點擁有的時槽上無論是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，都需要傳輸一個維持包，以便攜帶n個時槽的選擇信息。

μ-MAC的信道接入控制是高效的，且算法簡易可行。在針對周期性數(shù)據(jù)采集型的WSN網(wǎng)絡應用中能達到很好的性能。但該協(xié)議仍有值得進一步完善的方面。

2 Eμ-MAC協(xié)議的設計

2.1 μ-MAC的不足及Eμ-MAC的提出

深入分析μ-MAC的控制方式，發(fā)現(xiàn)有以下問題需要解決，以進一步提高協(xié)議性能。

a)μ-MAC并沒有解決節(jié)點同步問題，而是假設有一個外部的信標源實現(xiàn)了本地同步。

b)GT一般流量子信道效率低。GT功能主要是承載INTEREST/RESERVE包的傳輸，預約子信道帶寬。雖然其帶寬不大，是在網(wǎng)絡運行前固定設置的，但節(jié)點需要單獨為GT在無競爭期計算選擇時槽，且在這些時槽上所有鄰居節(jié)點都必須活動偵聽或發(fā)送。μ-MAC協(xié)議還規(guī)定在GT子信道上如果沒有數(shù)據(jù)傳輸，也要發(fā)送冗余的維持包攜帶未來n個時槽分配的信息。這都帶來額外的能量消耗。當GT帶寬較大（Pg較?。r，GT子信道效率低的問題更加突出。

c)對于節(jié)點移除或加入，μ-MAC并不提供機制應對，需要應用層監(jiān)控接收到的數(shù)據(jù)包，如果發(fā)現(xiàn)節(jié)點失效，則由應用層觸發(fā)基站重新廣播請求傳感數(shù)據(jù)。對于新節(jié)點的加入也需要由應用層觸發(fā)。作者也沒有進一步說明在應用層怎樣啟動新節(jié)點加入，怎么觸發(fā)新的請求過程。

針對以上問題，本文基于μ-MAC協(xié)議及其應用模型提出了一種增強型的μ-MAC(enhanced μ-MAC，Eμ-MAC)。

2.2 Eμ-MAC協(xié)議的設計

Eμ-MAC仍針對周期性數(shù)據(jù)采集型應用，MAC運行參考應用層信息，采用μ-MAC主要的控制策略和算法，但使用一種改進的信道結構和控制方式，主要的改進工作如下：

a)簡化了μ-MAC的無競爭期子信道，只保留傳感報告SR子信道，而把一般流量GT子信道的功能（主要是基站的興趣任務分發(fā)和節(jié)點流量預約）轉移到競爭期。這樣，無競爭期完全由占網(wǎng)絡主要流量的周期性報告數(shù)據(jù)的調度使用，信道使用率得到提高。

b)對于競爭期，開頭加入同步作用的信標。在此階段，可約定由某個參考節(jié)點（如編號最小的節(jié)點）引發(fā)本地局部同步，并采用類似T-MAC協(xié)議的time out機制限制了競爭期過多的空閑偵聽，如圖3所示。

c)在鏈路層引入對節(jié)點刪除和加入的適應性。監(jiān)控接收包可以識別節(jié)點或路徑失效。因為μ-MAC節(jié)點初始只預約好子信道上前n個時槽，而在流量過程中不斷補充預約未來的n個時槽（通過數(shù)據(jù)包頭部攜帶分配信息表），保證數(shù)據(jù)流量連續(xù)傳達。如果鄰居節(jié)點或傳輸路徑失效，可容忍n-1個數(shù)據(jù)包的丟失，當超過n個已預約的時槽后如果還沒有新預約時槽，且興趣任務尚未結束，則可認為節(jié)點或路徑已經(jīng)失效，基站就觸發(fā)新的廣播請求過程。對于新節(jié)點加入，應等到下一個競爭期的到來，Eμ-MAC中設置了同步信標，新節(jié)點與鄰近節(jié)點群完成同步后，就能在競爭期競爭獲取信道發(fā)送控制包，請求加入，節(jié)點接收到加入請求后，觸發(fā)新的NP鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，兩跳鄰居內的節(jié)點都要更新鄰居信息表，并啟動NCR算法更新鄰居節(jié)點的時槽分配。

對于Eμ-MAC的應用模型，拓撲改變不是經(jīng)常的，不需要經(jīng)常運行NP協(xié)議來更新鄰居信息表；另外，基站的興趣任務也不是經(jīng)常改變的，不需要常常廣播控制包請求數(shù)據(jù)。競爭和無競爭比例Rc定義為競爭期時長與無競爭期時長之比，是協(xié)議的一個參數(shù)。無線信道按照這個比例在競爭和無競爭的狀態(tài)間交替轉換，拓撲的更新和時鐘同步均能按照一定的時隔獲得運行機會。因此，Eμ-MAC的改進是合理的。

2.3 Eμ-MAC的主要機制分析

Eμ-MAC繼承了μ-MAC的主要機制，包括高效的鄰居發(fā)現(xiàn)NP算法以及時槽分配NCR算法。但Eμ-MAC降低了節(jié)點在無競爭期時槽調度的復雜性，只保留SR子信道；消除了節(jié)點在原GT子信道的活動時間以及無數(shù)據(jù)傳輸時冗余的維持包的傳送。同時將同步功能融入了MAC協(xié)議中，用time out機制限制了競爭期的過多空閑偵聽，并允許了網(wǎng)絡對于路徑/節(jié)點失效及新節(jié)點加入的動態(tài)適應性和擴展性。

Eμ-MAC協(xié)議在競爭期第一個時槽設置了一個同步信標，在這個時槽鄰居所有節(jié)點必須偵聽，由某個特定的節(jié)點發(fā)送參考時間戳，其他節(jié)點接收到同步包后修正時鐘漂移。該同步機制是一個松散的本地同步策略，時鐘漂移（μs級）相對于時槽長度（幾十ms）可忽略，且無競爭期時槽之間設置了轉換間隔補償。故本同步控制是滿足應用要求的。

同時，Eμ-MAC在同步信標后加入了一個類似T-MAC的time out機制。同步后，鄰居節(jié)點保持在競爭期偵聽，直到TA時間超時后仍沒有數(shù)據(jù)接收，節(jié)點則自動進入睡眠模式，直到整個競爭期結束，然后進入無競爭期只在被調度的時槽上活動。這個思路目的在于盡可能減少節(jié)點空閑偵聽，不需要在每個競爭期中讓節(jié)點一直偵聽。同時保持了原競爭期的功能。只要在TA超時之前有任何以下事件發(fā)生，就會保持整個競爭期的正常工作狀態(tài)：

a)有新的興趣任務或任務發(fā)生調整。請求包將從基站逐跳傳遞到興趣節(jié)點，TA必須足夠大，以便使節(jié)點能在收到控制包前不過早進入睡眠。

b)有新節(jié)點加入請求，隨之觸發(fā)NP鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，更新鄰居信息表，并更新鄰居之間時槽分配。

c)有節(jié)點或路徑失效，相應節(jié)點發(fā)送控制包通告基站，觸發(fā)INTEREST/RESERVE預約過程，引發(fā)建立新的子信道。

TA值的選擇，循如下規(guī)則： Eμ-MAC的競爭期是分時槽的隨機接入機制，Eμ-MAC競爭期是為了控制傳輸以及網(wǎng)絡適應性，大部分控制包是廣播傳輸?shù)?，不是網(wǎng)絡主要流量，對于延時性能要求也不高，因此對于像T-MAC機制中的串音問題和“早睡問題”也無須重點考慮。設從基站到目標傳感節(jié)點多跳傳輸?shù)钠骄訒r為t，則取TA≥[t/ts]（ts是競爭時槽的長度；TA值取競爭期時槽數(shù)），就能保證從基站到傳感節(jié)點或從傳感節(jié)點到基站的控制包不會由于time out機制引起過早睡眠而傳遞中斷。

下文仿真實驗將證明Eμ-MAC協(xié)議在節(jié)能效率上比原μ-MAC協(xié)議優(yōu)越，信道利用率提高，而時延性能損失很小。

3 仿真與實驗分析

本文提出的Eμ-MAC協(xié)議在NS-2[17]平臺中進行仿真，實驗數(shù)據(jù)用MATLAB輔助分析。為了對比評價，同時實現(xiàn)了μ-MAC和S-MAC協(xié)議。測試的性能指標有節(jié)能效率、時延及傳達率。實驗模型參考原μ-MAC的實驗，網(wǎng)絡結構如圖4所示。只有直接相鄰的兩個節(jié)點能互相通信，這種簡化的結構能幫助研究直接的MAC指標，而排除路由層選擇的影響。

Eμ-MAC和μ-MAC的主要參數(shù)為：無線信道的速率為20 Kbps；競爭期時槽長度為20 ms；無競爭期時槽長度為40 ms（含轉換間隔。此期間可容長達100 Byte的數(shù)據(jù)包傳輸）；競爭期包重發(fā)最多為7次，為保證99%傳達率，選擇盈余的參數(shù)N=25，故競爭期時槽總數(shù)為7×1.44×N=252個；發(fā)給基站的報告包為50 Byte；實驗中只實現(xiàn)一個SR子信道， Eμ-MAC的TA參數(shù)為50個時槽；NCR算法采用MD5作為偽隨機數(shù)產(chǎn)生器。S-MAC活動期長143 ms。其中，前55 ms作為同步控制，最大重傳次數(shù)為5，不考慮長消息分割的情況。實驗仿真三種協(xié)議，并多次運行。

3.1 節(jié)能效率實驗分析

節(jié)能效率用節(jié)點的睡眠比例（圖5）來間接衡量。圖5中x%即前文分析的Rc參數(shù)。可見，Eμ-MAC在節(jié)點睡眠比例指標上明顯比μ-MAC協(xié)議優(yōu)越，有更好的節(jié)能效率。Rc=1%和10%下，Eμ-MAC節(jié)點平均睡眠歸一化比例分別比μ-MAC提高了 0.011和0.008。

因為Eμ-MAC不僅將無競爭期的時槽全用于SR子信道傳輸主導數(shù)據(jù)流，而且在競爭期設置time out機制，進一步限制了空閑偵聽。更小的Rc值，可獲得更高的睡眠比例，但競爭期出現(xiàn)率小，對網(wǎng)絡動態(tài)拓撲的適應性會相對變差。

3.2 時延性能實驗分析

圖6、7分別表示μ-MAC和Eμ-MAC在Rc=1%時的報告包時延?？梢?，兩者時延性能相當。圖中五條曲線表示在編號1～5的節(jié)點中測試的平均隊列時延。節(jié)點n不僅要傳輸自身的數(shù)據(jù)，還要傳遞前n-1個節(jié)點的數(shù)據(jù)，由圖可知，時延還與流量相關。Eμ-MAC并不保證數(shù)據(jù)包被立即傳輸，而是保證根據(jù)包產(chǎn)生率對應分配足夠多的時槽，故流量小情況下時延反而突出。同時由圖可知，在包產(chǎn)生間隔Ti較小時，Eμ-MAC時延性能不如μ-MAC，但隨著Ti增大，兩者差異逐漸變小。這是因為GT子信道功能移至競爭期，增加了競爭期的沖突概率，控制包傳輸延時變大，在包產(chǎn)生率大時，滯留在節(jié)點緩沖器中的數(shù)據(jù)在等待子信道建立過程中的累積程度相對增大，造成時延較大。而流量不大時，這種差異相對輕微?？傮w而言，Eμ-MAC與μ-MAC時延性能相近，損失很小。

3.3 傳達率實驗分析

圖8是當節(jié)點緩沖器為20個包時的傳達率?？梢?，Eμ-MAC與μ-MAC包傳達率幾乎是一樣的，能在緩沖器要求不高的情況下保持很高的可靠性，與μ-MAC原文分析一致。

綜上所述，增強型的協(xié)議Eμ-MAC能在時延性能降低不大的情況下明顯提高節(jié)點睡眠比例，提高了節(jié)能效率，能有效延長網(wǎng)絡生存時間。

4 結束語

本文著重研究結合基于競爭和調度的混合型WSN MAC協(xié)議，深入研究了典型的混合型μ-MAC協(xié)議，并指出其不足，提出了一種增強型的協(xié)議Eμ-MAC。Eμ-MAC針對周期性數(shù)據(jù)采集型WSN應用，繼承了μ-MAC主要的高效控制策略，并進一步解決了μ-MAC的GT子信道效率低、時鐘同步以及動態(tài)拓撲適應性的問題，使用一種改進的信道結構和控制方式。仿真結果表明，Eμ-MAC有更好的擴展性，能明顯改善μ-MAC的節(jié)能效率，而不損失其他性能。

針對具體應用模型，采用混合型MAC方案以及跨層使用應用層的信息是高效WSN MAC設計的發(fā)展方向。本文的研究仍需進一步拓展和深入，并在實際網(wǎng)絡模型中實現(xiàn)應用。

參考文獻：

［1］

孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[2]YE Wei，HEIDEMANN J，ESTRIN D.An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks[C]//Proc of the 21st International Annual Joint Conference on IEEE Computer and Communications Societies. New York：[s.n.]，2002:1567-1576.

[3]DAM T van，LANGENDOEN K.An adaptive energy- efficient MAC protocol for wireless sensor networks[C]//Proc of the 1st Internatio-nal Conference on Embedded Networked Sensor Systems.Los Angeles，CA:[s.n.]，2003.

[4]POLASTRE J，HILL J，CULLER D.Versatile low power media access for wireless sensor networks[C]//Proc of ACM SenSys’04.Maryland：[s.n.]，2004.

［5］ 李鋒，李云，趙為糧.一種高效自適應的無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議[J].計算機應用研究，2007，24（3）:226-228.

[6]ARISHA K A，YOUSSEF M A.Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks[C]//Proc of IEEE Workshop on Integrated Management of Power Aware Communications， Computing and Networking.2002.

[7]LU Gang，KRISHNAMACHARI B，RAGHAVENDRA C S.An adaptive energy-efficient and low-latency MAC for data gathering in wireless sensor networks[C]//Proc of the 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium.2004:26-30.

[8]HOU Bi-chong，ZHU Gang.An improved MAC protocol for wireless sensor networks[C]//Proc of the 1st International Conference on Innovative Computing，Information and Control.2006.

[9]陳靜，張曉敏.無線傳感器網(wǎng)絡基于競爭的MAC協(xié)議綜述[J].山東通信技術，2006，26（2）:8-12.

[10]RHEE I，WARRIER A，AIA M，et al.Z-MAC: a hybrid MAC for wireless sensor networks[C]//Proc of the 3rd ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems.2005.

[11]RAJENDRAN V，OBRACZKA K.Energy-efficient，collision-free medium access control for wireless sensor networks[C]//Proc of the 1st ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems.2003.

[12]BARROSO A，ROEDIG U，SREENAN C.μ-MAC:an energy-efficient medium access control for wireless sensor networks[C]//Proc of European Workshop on Wireless Sensor.2005.

[13]ZHOU S，LIU R，EVERITT D，et al.A2-MAC:an application adaptive medium access control protocol for data collections in wireless sensor networks[C]//Proc of Communications and Information Technologies.2007:1131-1136.

[14]BAO Li-chun，GARCIA-LUNA-ACEVES J J.Hybrid channel access scheduling in Ad hoc networks[C]//Proc of the 10th IEEE International Conference on Network Protocols.California:IEEE Computer Society，2002.

[15]BAO Li-chun，GARCIA-LUNA-ACEVES J J.A new approach to channel access scheduling for Ad hoc networks[C]//Proc of the 7th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking.2001.

[16]RAJENDRAN V，CARCIA-LUNA-ACEVES J J.Energy-efficient，collision-free medium access control for wireless sensor networks[C]//Proc of the 1st ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems.2003.

[17]徐雷鳴.NS與網(wǎng)絡模擬[M].北京:人民郵電出版社，2005.