唐健華

(南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 江蘇 南京 210003)

0 引言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)能量有限的智能節(jié)點(diǎn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)沒有像通信基站一樣的中央控制機(jī)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能效能直接影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)的使用壽命，因此在設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的問題有：能量感知[7]和節(jié)省；網(wǎng)絡(luò)效率；可擴(kuò)展性。對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，能量的重要性以及由能源而引起的高失效性是一個(gè)很值得關(guān)注的方面，這種網(wǎng)絡(luò)需要一種有效的MAC協(xié)議[2]。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量的耗盡都將影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，所以降低能耗成為了MAC協(xié)議設(shè)計(jì)中的一個(gè)最主要的目標(biāo)。 因此在本文中，我們提出一種改進(jìn)的有效節(jié)能的MAC協(xié)議。

1 IEEE 802.11MAC與S-MAC協(xié)議

IEEE 802.11 MAC DCF源于CSMA/CA，使用4次握手機(jī)制實(shí)分布式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接入過程，采用RTS/CTS的虛擬載波偵聽機(jī)制和幀分割技術(shù)，它包括兩個(gè)重要組成部分：監(jiān)聽和退避機(jī)制，因業(yè)務(wù)類型不匹配，它并不太適合無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，S-MAC協(xié)議是一個(gè)典型的能量節(jié)省協(xié)議[1]。S-MAC協(xié)議是一種隨機(jī)接入，采用監(jiān)聽與睡眠機(jī)制的協(xié)議，但這兩點(diǎn)持續(xù)時(shí)間是固定的。在S-MAC協(xié)議中，它的時(shí)間幀分為兩個(gè)部分，一個(gè)是監(jiān)聽階段，一個(gè)是睡眠階段，如圖1，顯示這種協(xié)議的睡眠機(jī)制。

圖1 S-MAC 的基本機(jī)制

僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)聽周期時(shí)才可以與其它節(jié)點(diǎn)通信，才能發(fā)送一些控制報(bào)文，如SYNC，RTS，和CTS，相鄰節(jié)點(diǎn)間的SYNC控制報(bào)文交換可以同步周圍的節(jié)點(diǎn)，RTS/CTS分組則負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)之間的通信，在睡眠周期內(nèi)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間有數(shù)據(jù)傳送時(shí)就喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，沒有數(shù)據(jù)時(shí)就讓其處于睡眠狀態(tài)。同樣地，所有其它的節(jié)點(diǎn)都按同樣的睡眠機(jī)制來避免無效的監(jiān)聽[1]。

圖1說明了S-MAC協(xié)議基本的策略[4]，在圖中，假設(shè)有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A競爭獲得時(shí)隙發(fā)送它的SYNC分組，在緩存隊(duì)列中它向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)流，節(jié)點(diǎn)A再獲得發(fā)送RTS分組機(jī)會(huì)(見圖1(a)),在節(jié)點(diǎn)B接收到RTS分組后，它向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送CTS分組確認(rèn)。

當(dāng)這兩點(diǎn)節(jié)點(diǎn)成功交換RTS/CTS分組后，這兩節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入睡眠時(shí)隙，而此時(shí)如果有數(shù)據(jù)要傳送，則兩節(jié)點(diǎn)應(yīng)該處于喚醒狀態(tài)，用這段時(shí)隙來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，直到下一個(gè)監(jiān)聽時(shí)隙。同時(shí)，所有其它沒有數(shù)據(jù)通信的節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

雖然S-MAC協(xié)議也能減少監(jiān)聽時(shí)間，由于它采用固定時(shí)隙，因而它不是最優(yōu)的。由此引發(fā)的問題是，當(dāng)沒有節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送的，在監(jiān)聽周期也沒有相應(yīng)的RTS/ CTS分組要發(fā)送，而此時(shí)，每一節(jié)點(diǎn)也將按機(jī)制進(jìn)入監(jiān)聽周期，這樣將產(chǎn)生能量的浪費(fèi)(如圖1(b) )，這主要是由于S-MAC協(xié)議沒有考慮網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際的流量信息。這樣就促使我們?nèi)ハ氤鲆环N新的更有效節(jié)能的傳感網(wǎng)MAC協(xié)議，當(dāng)節(jié)點(diǎn)感知到在當(dāng)前時(shí)間幀中沒有數(shù)據(jù)流時(shí)，盡早地讓節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而節(jié)省能量。

2 基于S-MAC改進(jìn)的MAC協(xié)議

為了減少能量消耗，本文在已有的S-MAC的基礎(chǔ)上主要做出兩點(diǎn)修改：第一，當(dāng)感知網(wǎng)絡(luò)中沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候盡早讓節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻模塊，第二，即使有可能存在數(shù)據(jù)流時(shí)也要限制單獨(dú)RTS控制分組的通信。在S-MAC協(xié)議中，沒有考慮網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)通信有無的可能性，這樣在監(jiān)聽周期內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要求處于激活狀態(tài)[8]。而我們現(xiàn)在要做的是，利用每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量信息去避免節(jié)點(diǎn)在整個(gè)監(jiān)聽周期都處于激活狀態(tài)。

S-MAC把每個(gè)監(jiān)聽周期分為了SYNC，RTS ，CTS分組間隔，這樣監(jiān)聽將花費(fèi)較長的時(shí)間。在同一平臺(tái)測試過，S-MAC協(xié)議總的監(jiān)聽時(shí)間可達(dá)115ms,而相應(yīng)的此節(jié)能協(xié)議具有83ms短的時(shí)間，它把監(jiān)聽周期只分為兩個(gè)部分：一部分是當(dāng)節(jié)點(diǎn)有信息要傳送時(shí)發(fā)送SYNC分組的監(jiān)聽時(shí)隙，稱之為SYNCdata,另一部分是當(dāng)緩存里沒有可發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)送SYNC分組的監(jiān)聽時(shí)隙，可稱之為SYNCnodata。這也就是說，這種協(xié)議每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)發(fā)送SYNC分組的不同區(qū)別不同的時(shí)隙。這種區(qū)分是基于一個(gè)節(jié)點(diǎn)有沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送來決定的?？梢赃@樣，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有任何數(shù)據(jù)流的時(shí)候，它將延遲一段時(shí)間將本段SYNC并入到二部分監(jiān)聽時(shí)隙，如SYNCnodata周期。這樣的話，當(dāng)緩存隊(duì)列中沒有可發(fā)送的消息時(shí)，在SYNCdata周期將不會(huì)存在SYNC分組，如此，當(dāng)節(jié)點(diǎn)在SYNCnodata周期內(nèi)收到SYNC分組后就可讓自己進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這樣就可大大加長節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間。

對于沒有數(shù)據(jù)通信的節(jié)點(diǎn)，甚至在一些有數(shù)據(jù)流以致要在第一部分監(jiān)聽周期發(fā)送SYNC分組的節(jié)點(diǎn)中，且設(shè)這樣的節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)X，該協(xié)議可更進(jìn)一步減少監(jiān)聽時(shí)間?？梢酝ㄟ^將RTS放入SYNC分組包時(shí)來達(dá)到這樣的目的。假設(shè)節(jié)點(diǎn)X獲得信道權(quán)限在SYNCdata周期發(fā)達(dá)SYNC分組，節(jié)點(diǎn)X也應(yīng)假設(shè)有數(shù)據(jù)要發(fā)，同時(shí)根據(jù)RTS，SYNC分組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以，將RTS和SYNC分組包組合在一起是可行的。我們將SYNC和RTS合到一起的這樣控制數(shù)據(jù)包稱為SYNCrts分組，圖2表示SYNCrts的分組結(jié)構(gòu)。

圖2 SYNCrts分組結(jié)構(gòu)

這種新的控制分組結(jié)構(gòu)只是在原形SYNC結(jié)構(gòu)上增加了兩個(gè)原來在RTS中的域，接收的地址域ToAddr和網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV。

當(dāng)在SYNCdata時(shí)隙尾收到SYNCrts包時(shí)，節(jié)點(diǎn)不僅可以獲得同步信息，而且還可知道數(shù)據(jù)接收者的地址信息。因此，只需目的節(jié)點(diǎn)在收到SYNCrts包時(shí)傳回CTS分組包進(jìn)行行確認(rèn)即可，而其它在SYNCnodata周期時(shí)就沒必要喚醒起來收包了，它們就只需在很短的第一部分監(jiān)聽周期保持激活狀態(tài)就可以了。這樣的話，這種協(xié)議節(jié)能協(xié)議睡眠機(jī)制中的監(jiān)聽與睡眠周期就是可變可適應(yīng)流量變化的而不像S-MAC那樣是固定的。如圖3所示。

圖3 改進(jìn)節(jié)能協(xié)議的基本機(jī)制

在圖3中，節(jié)點(diǎn)A有數(shù)據(jù)發(fā)往節(jié)點(diǎn)B，節(jié)點(diǎn)A在它的第一監(jiān)聽周期廣播它的SYNCrts控制包。假定這個(gè)包成功廣播出去，節(jié)點(diǎn)B將會(huì)檢測包的地址信息并向節(jié)點(diǎn)A回復(fù)CTS分組進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)其它結(jié)點(diǎn)可以獲知該控制分組不是發(fā)給自己的而讓自己處于睡眠狀態(tài)直到下一個(gè)監(jiān)聽周期。然后節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B利用它們的睡眠周期進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。當(dāng)它們發(fā)送完數(shù)據(jù)后就進(jìn)入睡眠狀態(tài)。圖3(b)則說明了當(dāng)沒有數(shù)據(jù)流時(shí)的情況。

3 性能計(jì)算

將IEEE802.11,S-MAC和本文的協(xié)議在節(jié)能方面做個(gè)比較。為了估計(jì)這3種不同協(xié)議的性能，我們利用無線傳感網(wǎng)的專門仿真工具并采用一個(gè)簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 簡單兩跳式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

這拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是包含兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)兩個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的二跳網(wǎng)絡(luò)圖。數(shù)據(jù)流從節(jié)點(diǎn)A傳到Sink2，從節(jié)點(diǎn)B到Sink1，兩個(gè)數(shù)據(jù)流都經(jīng)過中間節(jié)點(diǎn)C。我們改變消息的到達(dá)周期來測量在不同的流量負(fù)荷情況下所消耗的能量。這本實(shí)驗(yàn)中，可以設(shè)定消息的發(fā)送間隔為1s到7s，例如，設(shè)消息的到達(dá)間隔為7s，每7s源節(jié)點(diǎn)發(fā)送20個(gè)消息，當(dāng)兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)都發(fā)送了20個(gè)消息到每個(gè)Sink結(jié)點(diǎn)時(shí)我們停止測試。這實(shí)驗(yàn)中我們分別使用3種不同的MAC協(xié)議測試它們的3個(gè)參數(shù)：源節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間比，源節(jié)點(diǎn)總的控制報(bào)文數(shù)量以及源節(jié)點(diǎn)的總能量消耗。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)訪真可以得到以下這些結(jié)果。

以下幾個(gè)曲線圖反應(yīng)了實(shí)驗(yàn)的對比結(jié)果（見圖5-圖7）。

圖5.源節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間比

圖6如下，源節(jié)點(diǎn)總的控制報(bào)文數(shù)量

圖6.源節(jié)點(diǎn)總的控制報(bào)文數(shù)量

圖7如下：源節(jié)點(diǎn)的總能量消耗

圖7 源節(jié)點(diǎn)的總能量消耗

從以上3幅實(shí)驗(yàn)對比圖可以看出，無論是在節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，源節(jié)點(diǎn)控制報(bào)文數(shù)量還是總的能量消耗方面，該協(xié)議都具有更好的性能。

4 總結(jié)

在本文中，我們?yōu)闊o線傳感網(wǎng)改進(jìn)了一種新的節(jié)能MAC協(xié)議。為了節(jié)省能耗，協(xié)議是基于S-MAC協(xié)議同樣的睡眠機(jī)制。然而，該協(xié)議能有效利用節(jié)點(diǎn)的流量信息，使得睡眠和監(jiān)聽周期的持續(xù)時(shí)間隨流量信息變化，能達(dá)到更有效節(jié)能的目的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)表明，該節(jié)能協(xié)議比IEEE802.11和S-MAC在節(jié)能方面有更大的優(yōu)勢。

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