唐震洲，施曉秋，金可仲

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325035)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)是由許多傳感器節(jié)點(diǎn)通過共享無線介質(zhì)構(gòu)成的一種特殊的無線自組網(wǎng)絡(luò)。WSNs具有快速展開、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、環(huán)保等領(lǐng)域。由于應(yīng)用前景廣泛，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了人們的廣泛關(guān)注。正如其他共享媒體的網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的媒體訪問控制協(xié)議(Media Access Control Protocol，MAC Protocol)決定無線信道的使用方式，并在節(jié)點(diǎn)之間分配有限的無線通信資源。MAC協(xié)議對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能有著非常大的影響[1－2]。

WSNs中的傳感器節(jié)點(diǎn)往往由電池供電，因而能量供應(yīng)有限。能量有效性是衡量一個(gè)MAC協(xié)議性能優(yōu)劣的最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一?？臻e偵聽是無線傳感器節(jié)點(diǎn)最主要的能耗源之一。為了減少空閑偵聽而造成的無謂能耗，研究人員提出了很多基于占空比機(jī)制的解決方案。所謂占空比機(jī)制，就是讓傳感器節(jié)點(diǎn)在工作與睡眠兩種狀態(tài)之間進(jìn)行周期性的切換，以減少空閑偵聽，達(dá)到節(jié)能的目的。節(jié)點(diǎn)只能在工作狀態(tài)才能與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，而處于睡眠狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)將關(guān)閉無線收發(fā)機(jī)，處于低能耗狀態(tài)。我們將工作時(shí)間與睡眠時(shí)間之和稱為周期時(shí)間。

這些基于占空比機(jī)制的協(xié)議可以分為兩大類:同步的協(xié)議[3－7]與異步的協(xié)議[8－13]。為了能順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同步的協(xié)議要求通信雙方節(jié)點(diǎn)的睡眠和工作周期保持嚴(yán)格的一致，對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步的要求非常高。這些協(xié)議需要大量的控制幀來建立與維持這種節(jié)點(diǎn)之間精確的同步關(guān)系，占用了大量資源。特別是對(duì)于大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)精確的同步是非常困難的。而異步的協(xié)議，則允許節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地制定自己工作與休眠的時(shí)序。這些異步協(xié)議通常采用低功耗偵聽技術(shù)(Low Power Listening，LPL)，即在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，發(fā)送方需要持續(xù)的發(fā)送一段前導(dǎo)。當(dāng)接收方從休眠狀態(tài)醒來并檢測到這個(gè)前導(dǎo)之后，就保持工作狀態(tài)并開始接收數(shù)據(jù)。基于LPL的異步MAC協(xié)議具有很高的能量有效性，并避免了因?yàn)橥蕉a(chǎn)生的大量控制開銷。但是由于發(fā)送前導(dǎo)需要長時(shí)間占用信道，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，這些協(xié)議的性能就會(huì)大幅降低。

為了消除基于LPL技術(shù)的異步MAC協(xié)議的這些缺陷，Sun Yanjun等學(xué)者提出了一種新的異步MAC 協(xié)議——RI-MAC[8](Receiver-Initiated MAC)。RI-MAC以空閑偵聽與接收方發(fā)送信標(biāo)幀相結(jié)合的方式取代了LPL中長時(shí)間發(fā)送前導(dǎo)的方式，釋放了大量被占用的信道時(shí)間，因此能夠提供更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量與更高的數(shù)據(jù)交付率，并達(dá)到更好的能量有效性。但是，在RI-MAC中，從封裝了協(xié)議棧上層數(shù)據(jù)的邏輯鏈路控制幀(Logic Link Control Frame，LLC Frame)到達(dá)MAC層開始，直到收到接收節(jié)點(diǎn)信標(biāo)幀，發(fā)送節(jié)點(diǎn)始終工作在空閑偵聽狀態(tài)，這無疑造成大量無謂的能耗。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，而節(jié)點(diǎn)的睡眠時(shí)間很長的情況下，由空閑偵聽引入的能耗將非常嚴(yán)重。

本文在 RI-MAC的基礎(chǔ)上，提出了 PA-MAC(Passive-Asynchronous MAC)。與 RI-MAC相同，PA-MAC中的數(shù)據(jù)傳輸是由接收方發(fā)起的。同時(shí)，PA-MAC包含了接收節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)間估計(jì)算法。利用該算法，發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠在通信雙方存在時(shí)鐘偏差的情況下，估計(jì)接收節(jié)點(diǎn)下一次被喚醒的時(shí)間，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)僅僅在接收節(jié)點(diǎn)喚醒之前才從休眠狀態(tài)醒來，從而提高了PA-MAC的能量有效性。本文在NS2[14]網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上對(duì) PA-MAC的性能進(jìn)行了仿真評(píng)估，并與RI-MAC協(xié)議進(jìn)行了性能對(duì)比。結(jié)果表明，與RI-MAC相比，PA-MAC在保持相當(dāng)?shù)耐掏铝?、包交付率以及端到端延遲的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了節(jié)點(diǎn)的占空比，并節(jié)省了大量的能量。

本文余下的章節(jié)安排如下:第1章，我們討論各種現(xiàn)有的基于占空比機(jī)制的異步MAC協(xié)議;我們將在第2章對(duì)PA-MAC做詳細(xì)深入的介紹;第3章，我們在NS2網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)上對(duì)PA-MAC的性能進(jìn)行了仿真;第4章是對(duì)本文的總結(jié);最后是致謝。

1 相關(guān)工作

在應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異步MAC協(xié)議中，B-MAC和X-MAC是最具代表性的兩個(gè)協(xié)議。BMAC[11](Berkeley-MAC)協(xié)議使用擴(kuò)展前導(dǎo)和 LPL技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗通信。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)幀之前先要發(fā)送一段持續(xù)時(shí)間不少于接收方睡眠周期的前導(dǎo)。當(dāng)接收方按照自己的調(diào)度信息從休眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)之后，就會(huì)對(duì)無線信道進(jìn)行探測，以確定是否存在前導(dǎo)。由于前導(dǎo)的持續(xù)時(shí)間不少于接收方睡眠周期，因此能保證接收方在前導(dǎo)持續(xù)時(shí)間內(nèi)至少能夠醒來一次。接收方在探測到信道中存在前導(dǎo)后，將保持活動(dòng)狀態(tài)直到數(shù)據(jù)幀接收完畢，并重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕的情況下，由于節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間僅僅是極短的探測信道中是否存在前導(dǎo)的時(shí)間，因此B-MAC是非常節(jié)能的。然而，B-MAC中的節(jié)點(diǎn)在探測到信道中的前導(dǎo)之后，無論其是否是發(fā)送方的目的地，都會(huì)保持工作狀態(tài)直到數(shù)據(jù)傳輸完畢。對(duì)除接收方之外的其他節(jié)點(diǎn)而言，無謂的消耗了能量。

X-MAC[12]對(duì)前導(dǎo)進(jìn)行了改造。X-MAC的前導(dǎo)由若干較小的頻閃前導(dǎo)(Strobed Preamble)組成，并在其中加入了目的節(jié)點(diǎn)的地址。目的節(jié)點(diǎn)探測到前導(dǎo)，并確認(rèn)了其中的目的地址之后，就會(huì)在兩個(gè)頻閃前導(dǎo)之間反饋一個(gè)確認(rèn)信息。發(fā)送方收到確認(rèn)信息之后停止發(fā)送前導(dǎo)，而開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀。而非目的節(jié)點(diǎn)則在接收一個(gè)頻閃前導(dǎo)之后就會(huì)忽略隨后的信號(hào)而轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。X-MAC通過在頻閃前導(dǎo)中加入目的地址，以及接收方提早確認(rèn)機(jī)制，避免了發(fā)送節(jié)點(diǎn)過度前導(dǎo)和接收節(jié)點(diǎn)過度偵聽的現(xiàn)象。XMAC還設(shè)計(jì)了一種根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量變化動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的占空比的自適應(yīng)算法，減少了單跳延時(shí)，即:每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間內(nèi)接收到的報(bào)文數(shù)量，動(dòng)態(tài)調(diào)整占空比。

Wise-MAC[13](Wireless Sensor MAC)也是一種采用前導(dǎo)喚醒技術(shù)的協(xié)議。Wise-MAC在非堅(jiān)持CSMA的基礎(chǔ)上，采用前導(dǎo)碼采樣技術(shù)控制節(jié)點(diǎn)處于空閑偵聽狀態(tài)時(shí)的能量消耗。WiseMAC協(xié)議的ACK幀捎帶了接收方下次喚醒時(shí)間，用于通知其他鄰居節(jié)點(diǎn)到下一次采樣的剩余時(shí)間。通過這種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)不斷更新相鄰節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)間偏移表。利用這些信息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以選擇恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使用最小長度的喚醒前導(dǎo)碼向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。Wise-MAC協(xié)議可以很好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)流量變化。但是，Wise-MAC協(xié)議的采樣同步機(jī)制會(huì)帶來數(shù)據(jù)包沖突的問題。

B-MAC和X-MAC協(xié)議能夠在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低的情況下，能夠達(dá)到較高的能量有效性。但是在前導(dǎo)的傳輸過程中需要長時(shí)間的占用信道，因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時(shí)，效率就會(huì)大幅下降。事實(shí)上，采用LPL技術(shù)時(shí)，完成一次數(shù)據(jù)幀的傳輸所需要占用的信道時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，這將造成一些負(fù)面影響。首先，某個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)長時(shí)間占用信道，會(huì)迫使其鄰居節(jié)點(diǎn)推遲數(shù)據(jù)的發(fā)送，從而造成較大的延遲;其次，某個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)長時(shí)間占用信道也會(huì)增加其鄰居節(jié)點(diǎn)沖突的概率，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)這種現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。

為了解決這個(gè)問題，Sun Yanjun等學(xué)者提出了由接收方發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞I-MAC[8]協(xié)議(Receiver Initiated MAC)。RI-MAC與基于LPL技術(shù)的異步MAC之間最顯著的不同之處在于發(fā)送方與接收方如何統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。在RI-MAC中，數(shù)據(jù)傳輸是由接收方發(fā)起的。RI-MAC的工作過程如圖1所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)從睡眠狀態(tài)醒來之后就會(huì)廣播一個(gè)信標(biāo)幀來宣告工作狀態(tài)的開始。當(dāng)LLC幀到達(dá)發(fā)送方的MAC層時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會(huì)被喚醒，并以空閑偵聽的方式等待接收方信標(biāo)幀的到來。在接收到接收方發(fā)送的信標(biāo)幀之后，發(fā)送方就開始數(shù)據(jù)傳輸。RI-MAC還提出了一種簡單的自適應(yīng)退避算法，以盡量減少多個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)在收到信標(biāo)幀之后同時(shí)向同一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而發(fā)生的沖突。RI-MAC的信標(biāo)幀包含了BW字段，用于指定發(fā)送方的最大退避窗口。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)醒來后，就會(huì)發(fā)送一個(gè)BW字段為0的信標(biāo)幀，即發(fā)送方在收到這個(gè)信標(biāo)幀之后應(yīng)立即發(fā)送數(shù)據(jù)幀。此時(shí)，如果有多個(gè)節(jié)點(diǎn)都在等待發(fā)送數(shù)據(jù)幀，則必定會(huì)產(chǎn)生沖突。于是，在檢測到?jīng)_突之后，接收方就會(huì)通過二進(jìn)制指數(shù)退避算法，增加BW的值，使得發(fā)送方在下一次重傳時(shí)進(jìn)行必要的隨機(jī)退避。如圖2所示。與X-MAC相比，RI-MAC能夠提供更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐量與更高的數(shù)據(jù)交付率，并達(dá)到更好的能量有效性。但是，在RI-MAC中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以空閑偵聽的方式等待信標(biāo)幀的到來，這將造成大量無謂的能耗。

圖1 RI-MAC的工作示意圖

圖2 RI-MAC中的自適應(yīng)退避算法

2 PA-MAC協(xié)議

PA-MAC協(xié)議是在RI-MAC的基礎(chǔ)上提出的。PA-MAC同樣采用了RI-MAC中接收方發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑⒔梃b了RI-MAC的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)退避算法。與RI-MAC不同的是，PA-MAC通過在信標(biāo)幀中攜帶節(jié)點(diǎn)自身下一喚醒時(shí)刻信息，使得發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠僅在接收節(jié)點(diǎn)喚醒之前才從休眠狀態(tài)醒來，進(jìn)一步降低了能耗。

2．1 PA-MAC的基本原理

PA-MAC中，數(shù)據(jù)的接收方是通過信標(biāo)幀來控制數(shù)據(jù)幀的傳輸?shù)?。PA-MAC信標(biāo)幀的格式如圖3所示。其中，Src字段為發(fā)送該信標(biāo)幀的節(jié)點(diǎn)地址;Dst字段為信標(biāo)幀的目的節(jié)點(diǎn)地址;BW字段為信標(biāo)幀規(guī)定的退避窗口;而Nxt字段為從信標(biāo)幀源節(jié)點(diǎn)發(fā)送前導(dǎo)碼第一個(gè)比特的時(shí)刻開始到該節(jié)點(diǎn)下一次醒來時(shí)的時(shí)間間隔TNxt。

圖3 PA-MAC幀結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)R根據(jù)自己的狀態(tài)調(diào)度周期醒來以后，首先需要確定下一次醒來的時(shí)刻tw:

式中，Tduty是常數(shù)，是一個(gè)原始周期的持續(xù)時(shí)間;Tnow表示當(dāng)前時(shí)刻。式中取隨機(jī)數(shù)，是為了避免出現(xiàn)信標(biāo)幀重復(fù)沖突的情況。因?yàn)槿绻芷陂L度都相等的話，兩個(gè)同時(shí)醒來的相鄰節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的信標(biāo)幀將必然性的發(fā)送沖突，而且每個(gè)周期都會(huì)發(fā)生沖突。

然后，如果信道空閑，R就會(huì)廣播一個(gè)Dst字段為－1的信標(biāo)幀，表示是廣播幀。值得注意的是，為了盡量減少誤差，信標(biāo)幀中Nxt字段的值應(yīng)該在R發(fā)送信標(biāo)幀前導(dǎo)的第一個(gè)比特之前設(shè)置。而若信道繁忙，則R在退避一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間之后再試圖廣播信標(biāo)幀。此時(shí)，信標(biāo)幀中的Nxt字段也需要在重發(fā)時(shí)相應(yīng)的更新。發(fā)送完信標(biāo)幀之后，R會(huì)持續(xù)監(jiān)聽信道一段時(shí)間Tbt，如果有數(shù)據(jù)幀過來，則接收數(shù)據(jù)幀，否則，轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。Tbt可以表示為:

其中，TMax_tr為R最大傳輸范圍之內(nèi)的最大傳輸延遲;TSIFS為短幀間間隔的持續(xù)時(shí)間。

任何節(jié)點(diǎn)收到節(jié)點(diǎn)R的信標(biāo)幀之后，就會(huì)根據(jù)信標(biāo)幀中的Nxt字段來估算R下一次被喚醒的時(shí)間t'w，并在自己的鄰居列表里搜索R的匹配項(xiàng)。有關(guān)t'w的估算，將在下一小節(jié)詳細(xì)描述。如果相應(yīng)的記錄已經(jīng)存在，則需要更新相應(yīng)的t'w;否則，就在鄰居列表中相應(yīng)的增加R的記錄。

現(xiàn)假設(shè)節(jié)點(diǎn)S要給鄰居節(jié)點(diǎn)R發(fā)送數(shù)據(jù)。S首先在自己的鄰居列表中查找R的匹配項(xiàng)。如果存在R的匹配項(xiàng)，則從對(duì)應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)記錄中獲得R下一次喚醒的時(shí)間t'w。若t'w大于當(dāng)前時(shí)間，即R下一次被喚醒的時(shí)間還沒到，則S保持睡眠狀態(tài)，并在t'w時(shí)刻醒來進(jìn)入空閑偵聽狀態(tài)，等待R的信標(biāo)幀;而當(dāng)當(dāng)前時(shí)間超過了t'w，則表明R對(duì)應(yīng)的記錄已經(jīng)過時(shí)，則S必須馬上醒來并進(jìn)入空閑偵聽狀態(tài)以等待R的下一個(gè)信標(biāo)幀。如果S在鄰居列表中找不到R的匹配項(xiàng)，說明S目前沒有任何有關(guān)R的信息，因此，S也必須馬上醒來并進(jìn)入空閑偵聽狀態(tài)以等待R的信標(biāo)幀。

R在收到S的數(shù)據(jù)幀之后，會(huì)響應(yīng)一個(gè)Dst字段為S的信標(biāo)幀。該信標(biāo)幀具有兩個(gè)作用:首先是對(duì)剛剛接收到的數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)，其次是對(duì)下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱?。信?biāo)幀的Dst字段僅對(duì)于S是有意義的，是對(duì)剛才S發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的確認(rèn);而R的其余鄰居節(jié)點(diǎn)都會(huì)忽略Dst字段，而將該確認(rèn)信標(biāo)幀視為普通的數(shù)據(jù)請求信標(biāo)幀。如圖4所示。

圖4 捎帶確認(rèn)的信標(biāo)幀

2．2 喚醒時(shí)間的估算

傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間信息都是由節(jié)點(diǎn)自身的晶體振蕩器產(chǎn)生的本地時(shí)鐘維護(hù)的。由于不同的晶體振蕩器之間或多或少會(huì)存在著頻率偏差，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘之間都存在著漂移。接收到信標(biāo)幀的節(jié)點(diǎn)必須根據(jù)信標(biāo)幀的Nxt字段，來估算在自己的時(shí)鐘頻率下，信標(biāo)幀源節(jié)點(diǎn)下一次被喚醒的時(shí)間t'w。

假設(shè)節(jié)點(diǎn)S收到了來自節(jié)點(diǎn)R的信標(biāo)幀。令ttr為R發(fā)送前導(dǎo)碼第一個(gè)比特時(shí)的時(shí)間戳。為了盡量縮短關(guān)鍵路徑的長度，ttr已經(jīng)去除了信標(biāo)幀在節(jié)點(diǎn)R的處理延遲和MAC層的訪問延遲，如圖5所示。而tr是S接收完整個(gè)信標(biāo)幀后的時(shí)間戳。在忽略信標(biāo)幀傳播延遲Tt的情況下(假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相距200 m，由此而產(chǎn)生的傳播延遲僅為0．67 μs。若每個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大頻率偏差θ為0．03‰，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)每秒鐘產(chǎn)生的最大時(shí)鐘漂移為60 μs，遠(yuǎn)大于傳播延遲。所以，忽略傳播延遲是可行的。)，節(jié)點(diǎn)S與節(jié)點(diǎn)R之間的時(shí)間偏差TΔ為:

圖5 喚醒時(shí)間的估算

其中，n為整個(gè)信標(biāo)幀的長度;Tb為無線接口發(fā)送一個(gè)比特所需的時(shí)間。由此，節(jié)點(diǎn)S就可以估算出節(jié)點(diǎn)R下一次被喚醒的時(shí)間t'w:

式中，我們已經(jīng)考慮了由于頻偏而引入的R相對(duì)于S的最大時(shí)間提前量2θTNxt。之所以考慮提前量，而不考慮滯后，是為了確保S能夠在R被喚醒之前已經(jīng)進(jìn)入空閑偵聽狀態(tài)。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證PA-MAC的性能，我們通過網(wǎng)絡(luò)仿真對(duì)PA-MAC以及RI-MAC進(jìn)行了比較。仿真平臺(tái)采用了2．29版的NS2，仿真參數(shù)見表1。無線信道傳播模型則結(jié)合了自由空間傳播模型與雙線地面反射模型。仿真的網(wǎng)絡(luò)場景如圖6所示。這是一個(gè)包含了25個(gè)節(jié)點(diǎn)的二維網(wǎng)絡(luò)，其中的節(jié)點(diǎn)表示為Ni(i=0，1，2，…，24)。節(jié)點(diǎn)被規(guī)則地布放成一個(gè) 5×5的方陣，同行或同列相鄰的節(jié)點(diǎn)之間間距設(shè)置為150 m。所有節(jié)點(diǎn)的調(diào)度信息都是隨機(jī)產(chǎn)生的，并在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間動(dòng)態(tài)的進(jìn)行維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)從第10 s開始產(chǎn)生3個(gè)CBR業(yè)務(wù):從N0到N24，從N2到N15，以及從N4到N20。網(wǎng)絡(luò)持續(xù)運(yùn)行1 000 s。由于仿真的目的在于驗(yàn)證PA-MAC的性能，因此，為了減少其他因素的干擾，我們采用了NOAH[15]作為路由協(xié)議，并人為規(guī)定了相應(yīng)的路由。

圖6 5×5的二維網(wǎng)絡(luò);箭頭線表示數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸路徑

表1 仿真參數(shù)

第一組實(shí)驗(yàn)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的原始周期持續(xù)時(shí)間Tduty都為10 s，而CBR業(yè)務(wù)的包到達(dá)間隔從1 s開始以1 s的幅度遞增，直到10 s為止。對(duì)于每種包到達(dá)間隔，分別使用10個(gè)不同的種子運(yùn)行仿真，取其平均值作為觀察數(shù)據(jù)。圖7則給出了在不同包到達(dá)間隔下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均能耗、CBR數(shù)據(jù)報(bào)平均端到端延遲、成功接收的CBR數(shù)據(jù)包數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)平均占空比。從圖7(a)中可以看到，當(dāng)包到達(dá)間隔越大，即網(wǎng)絡(luò)越空閑，節(jié)點(diǎn)的能耗與網(wǎng)絡(luò)的平均能耗越小。這是因?yàn)橐l(fā)送的數(shù)據(jù)越少，則處于休眠狀態(tài)的時(shí)間也越長，即節(jié)點(diǎn)的占空比越低，如圖7(d)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PA-MAC，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均能耗能節(jié)省10%以上，占空比降低18%左右，而CBR數(shù)據(jù)報(bào)的端到端延遲與成功接收的CBR數(shù)據(jù)包數(shù)量則基本保持不變。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也反映出了PA-MAC的低占空比特性。對(duì)于參與數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)少，或者幾乎不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，由于其工作狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間僅僅是極短的發(fā)送一個(gè)信標(biāo)幀，等待Tbt并轉(zhuǎn)入睡眠的時(shí)間，因此它們的占空比僅為大約0．1%甚至更小。圖8所示的是當(dāng)包到達(dá)間隔為10 s，節(jié)點(diǎn)周期持續(xù)時(shí)間為10 s時(shí)，25個(gè)節(jié)點(diǎn)的占空比。

圖7 不同包到達(dá)間隔下，PA-MAC與RI-MAC的性能比較

圖8 包到達(dá)間隔為10 s，節(jié)點(diǎn)周期持續(xù)時(shí)間為10 s時(shí)，25個(gè)節(jié)點(diǎn)的占空比

第二組實(shí)驗(yàn)，我們將CBR業(yè)務(wù)的包到達(dá)間隔設(shè)置為常數(shù)，即10 s。而每個(gè)節(jié)點(diǎn)的原始周期持續(xù)時(shí)間Tduty從1 s開始以1 s的幅度遞增，直到10 s為止。其余設(shè)置與第一組實(shí)驗(yàn)相同。圖9給出了在不同的原始周期長度下，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均能耗、CBR數(shù)據(jù)報(bào)平均端到端延遲、成功接收的CBR數(shù)據(jù)包數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)平均占空比。從圖9可以看到，節(jié)點(diǎn)的周期長度越大，則節(jié)點(diǎn)被喚醒的頻率越低，因此占空比也越小，能耗越小;但代價(jià)是數(shù)據(jù)報(bào)的端到端延遲越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用PA-MAC，當(dāng)周期長度大于2 s時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均能耗也能節(jié)省10%以上，占空比降低18%左右，而CBR數(shù)據(jù)報(bào)的端到端延遲與成功接收的CBR數(shù)據(jù)包數(shù)量則基本保持不變。

圖9 不同周期長度下，PA-MAC與RI-MAC的性能比較

4 結(jié)論

本文在 RI-MAC的基礎(chǔ)上，提出了 PA-MAC。PA-MAC通過在信標(biāo)幀中攜帶節(jié)點(diǎn)下一喚醒時(shí)刻信息，使得數(shù)據(jù)幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠在接收節(jié)點(diǎn)被喚醒時(shí)及時(shí)地從休眠狀態(tài)醒來，等待信標(biāo)幀的到來。仿真結(jié)果表明，在保持網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，PA-MAC能夠降低節(jié)點(diǎn)工作的占空比，進(jìn)而減少節(jié)點(diǎn)的能耗。在下一步工作中，我們將在 TinyOS上實(shí)現(xiàn) PAMAC，并用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的測試。PA-MAC的廣播性能也使我們下一階段工作的關(guān)注重點(diǎn)。

致謝

本文得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(項(xiàng)目號(hào):60971008)的資助。同時(shí)，非常感謝Sun Yanjun博士及其科研團(tuán)隊(duì)為我們提供了非常有價(jià)值的論文!

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