馬嘉濤,徐玉斌

(太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,太原030024)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)[1]是一種特殊的多跳分布式網(wǎng)絡(luò),被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能空間、醫(yī)療系統(tǒng)、搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域。以往的研究[2]通常認(rèn)為WSN的節(jié)點(diǎn)在部署之后的位置是固定不變的,但越來越多的研究指出了增加節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)。節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的WSN也在實(shí)際中得以應(yīng)用,比如文獻(xiàn)[3]提出了一個(gè)結(jié)合WSN、UAV(無人機(jī))以及執(zhí)行器的災(zāi)難響應(yīng)以及事件探測(cè)系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性為WSN提供了更為廣闊的應(yīng)用前景,但同時(shí)也為其介質(zhì)訪問控制(Media Access Control,MAC)協(xié)議的設(shè)計(jì)帶來了新的挑戰(zhàn)。

WSN的MAC協(xié)議主要解決大量節(jié)點(diǎn)如何在合理、高效、節(jié)能的前提下共享信道的問題,其性能直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。以往WSN的MAC協(xié)議研究通常假設(shè)節(jié)點(diǎn)靜止不動(dòng),節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路穩(wěn)定,因此能量效率是其考慮的主要問題。適用于WSN的 SMAC協(xié)議[4]、SCP-MAC協(xié)議[5]等低占空比協(xié)議,往往采用周期性喚醒的方法避免節(jié)點(diǎn)在空閑狀態(tài)耗費(fèi)過多的時(shí)間,從而達(dá)到提高能量效率的目的。然而,此類協(xié)議是針對(duì)靜止WSN所設(shè)計(jì),在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下,其性能會(huì)受到一定的影響。

分析移動(dòng)性對(duì)MAC協(xié)議造成的影響是解決移動(dòng)性支持的首要問題。文獻(xiàn)[6]對(duì)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性問題進(jìn)行了詳細(xì)探討,但缺乏數(shù)據(jù)支持;文獻(xiàn)[7-8]提出的支持移動(dòng)性的MAC協(xié)議都是基于SMAC改進(jìn)的,但這些文獻(xiàn)也缺乏對(duì)SMAC協(xié)議受移動(dòng)性影響較為詳細(xì)的分析,協(xié)議改進(jìn)仍存在一定的局限性。本文深入研究了SMAC的工作機(jī)制,并通過大量仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,詳細(xì)分析了SMAC協(xié)議由節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性所引起的一系列問題,并在此基礎(chǔ)上提出了SMAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性支持的一些解決思路。

1 SMAC協(xié)議

SMAC協(xié)議是較早提出并被廣泛認(rèn)可的一種能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議。該協(xié)議基于IEEE 802.11DCF協(xié)議,采用低占空比的周期性偵聽/休眠技術(shù)減少了由空閑偵聽?zhēng)淼哪芰繐p耗;采用RTS/CTS交換及物理和虛擬載波偵聽機(jī)制避免了數(shù)據(jù)發(fā)送沖突;采用流量自適應(yīng)的偵聽機(jī)制減少了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延;采用消息分片傳輸機(jī)制減少了控制幀的開銷和延遲。SMAC協(xié)議耗能小、性能穩(wěn)定且支持一定的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展,但是它的設(shè)計(jì)中沒有考慮節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性,其協(xié)議性能在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)會(huì)受到很大的影響。

在SMAC協(xié)議中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)調(diào)度表用來保存所知道的不同調(diào)度(偵聽/休眠的時(shí)間安排)。節(jié)點(diǎn)周期性地偵聽周邊節(jié)點(diǎn)的SYNC消息,并且自身也每10個(gè)偵聽/休眠周期(一個(gè)同步周期)向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播一次SYNC.每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后都盡量選擇一個(gè)與相鄰節(jié)點(diǎn)同步的調(diào)度,隨后進(jìn)入周期性的偵聽/休眠狀態(tài)切換,在休眠狀態(tài)關(guān)閉其收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量,蘇醒后偵聽信道并完成必要的數(shù)據(jù)任務(wù)。

由于WSN的規(guī)模一般較大而且節(jié)點(diǎn)間的調(diào)度協(xié)調(diào)也具有自組織性,因此通常節(jié)點(diǎn)在初始化結(jié)束后會(huì)在全網(wǎng)內(nèi)形成多個(gè)局部調(diào)度同步的區(qū)域,即虛擬簇。由于不同虛擬簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)彼此偵聽信道的時(shí)間不同(不重疊),處于簇邊界區(qū)域且分屬于不同簇的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)就可能無法發(fā)現(xiàn)對(duì)方。但SMAC中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在初始化階段會(huì)進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)操作,即節(jié)點(diǎn)至少用一個(gè)同步周期的時(shí)間來偵聽信道以發(fā)現(xiàn)陌生調(diào)度。在初始化結(jié)束后,為避免其它原因造成的相鄰節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)無法發(fā)現(xiàn)對(duì)方的現(xiàn)象,節(jié)點(diǎn)仍會(huì)每22個(gè)偵聽/休眠周期進(jìn)行一次鄰居發(fā)現(xiàn)。簇邊界上的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過鄰居發(fā)現(xiàn)即可得到相鄰簇的調(diào)度繼而同時(shí)擁有兩個(gè)調(diào)度,成為兩個(gè)簇之間通信的橋梁。

2 移動(dòng)影響理論分析

在支持移動(dòng)性的無線網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.11協(xié)議中,節(jié)點(diǎn)之間的連接是通過競(jìng)爭(zhēng)信道隨機(jī)建立的,節(jié)點(diǎn)通信鏈路的維持只需在其通信范圍內(nèi)存在相鄰節(jié)點(diǎn)即可,因此,移動(dòng)性只會(huì)影響其路由層,而對(duì)MAC層的影響卻很小。SMAC是基于IEEE 802.11 DCF的隨機(jī)接入MAC協(xié)議。但是SMAC協(xié)議采用了周期性休眠的機(jī)制來節(jié)省能量,因此節(jié)點(diǎn)就可能由于休眠調(diào)度的不同而無法與通信范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)建立連接。

2.1 SMAC的簇內(nèi)移動(dòng)分析

當(dāng)節(jié)點(diǎn)只在簇內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)時(shí),由于同一虛擬簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度同步,因此在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)都同時(shí)激活且同時(shí)休眠,這就確保節(jié)點(diǎn)間可以收到彼此發(fā)送的SYNC分組。通過SYNC交互機(jī)制,節(jié)點(diǎn)可以在每個(gè)偵聽周期不斷地與周邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度同步,避免因時(shí)鐘漂移引起的同步錯(cuò)誤。同樣通過SYNC的交互,節(jié)點(diǎn)還可以不斷地更新鄰居節(jié)點(diǎn),避免因失去原有鄰居而斷開網(wǎng)絡(luò)連接。

在這種情況下,節(jié)點(diǎn)在偵聽時(shí)段的移動(dòng)類似于采用IEEE 802.11協(xié)議時(shí)的情況,移動(dòng)性并不會(huì)對(duì)其MAC層造成影響;若節(jié)點(diǎn)在休眠時(shí)段的移動(dòng)速度過快,可能造成其醒來后失去與所有鄰居的連接,但由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)仍然和周邊節(jié)點(diǎn)都同時(shí)處于激活狀態(tài),新鄰居的發(fā)現(xiàn)通常最多也只需它在醒來后等待一個(gè)SYNC時(shí)段的時(shí)間。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中可能由于數(shù)據(jù)分組較長(zhǎng)而移動(dòng)速度又過快的原因,造成分組傳送中斷、無法收到ACK等錯(cuò)誤,從而引起分組重發(fā)。分組重發(fā)的增多會(huì)造成一定的能量浪費(fèi)并對(duì)MAC協(xié)議性能產(chǎn)生影響。但是由于無線電信號(hào)傳送的速度相對(duì)于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度要快很多,數(shù)據(jù)分組通常也較短,在常見的移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景中(如車載節(jié)點(diǎn)或人員攜帶節(jié)點(diǎn)等),協(xié)議性能受這種情況的影響有限。

2.2 SMAC的跨簇移動(dòng)分析

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在正常的偵聽/休眠工作周期中進(jìn)入一個(gè)陌生的虛擬簇時(shí),由于其周期性醒來工作的時(shí)間與新簇節(jié)點(diǎn)不同(不重疊),它將無法與其周邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,并且會(huì)隨著與原來鄰居連接的斷開而成為一個(gè)孤立節(jié)點(diǎn)。該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)只有在經(jīng)過鄰居發(fā)現(xiàn)操作后才能發(fā)現(xiàn)周邊節(jié)點(diǎn)的調(diào)度并與其同步,從而恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)的連接。

雖然SMAC協(xié)議默認(rèn)沒有鄰居的節(jié)點(diǎn)會(huì)加快鄰居發(fā)現(xiàn)操作(每3個(gè)偵聽周期進(jìn)行一次鄰居發(fā)現(xiàn)),但是節(jié)點(diǎn)往往并不會(huì)及時(shí)地“意識(shí)”到自己已沒有鄰居。SMAC的協(xié)議設(shè)計(jì)中并未考慮移動(dòng)的情形,其每個(gè)節(jié)點(diǎn)所維護(hù)的鄰居表并不會(huì)及時(shí)地刪除已超出其通信范圍的鄰居節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)只有在需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),在發(fā)送路由請(qǐng)求并嘗試建立路由失敗的情況下才會(huì)發(fā)現(xiàn)自己成為了孤立節(jié)點(diǎn)。無論使用何種路由協(xié)議,這個(gè)過程也都會(huì)耗費(fèi)一定的時(shí)間。那么該節(jié)點(diǎn)從進(jìn)入陌生簇到發(fā)現(xiàn)自己是孤立節(jié)點(diǎn)并開始鄰居發(fā)現(xiàn)的這段時(shí)間里,就一直處于與網(wǎng)絡(luò)斷開的狀態(tài)。若是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)跨簇后又沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送,其與網(wǎng)絡(luò)斷開的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng),最壞情況下可能要等近22個(gè)同步周期(進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)的默認(rèn)間隔)才能發(fā)現(xiàn)周邊鄰居并恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接。

根據(jù)以上分析,討論數(shù)據(jù)傳輸過程中可能發(fā)生的理論時(shí)延(發(fā)生傳輸錯(cuò)誤造成的時(shí)延忽略不計(jì)),設(shè)Twait為節(jié)點(diǎn)從進(jìn)入陌生簇到需要發(fā)送數(shù)據(jù)的等待時(shí)間;Troutfailure為從發(fā)送路由請(qǐng)求到建立路由失敗的時(shí)間,其值取決于所選的路由協(xié)議;Tsync為一個(gè)同步周期的時(shí)間;Tneighbsearch為節(jié)點(diǎn)在鄰居發(fā)現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)新鄰居節(jié)點(diǎn)所用的時(shí)間;Ttimeout為理論上節(jié)點(diǎn)總的傳輸時(shí)延。

(1)當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生跨簇且斷開了與目的節(jié)點(diǎn)的連接,由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)無法收到ACK確認(rèn),它會(huì)再次發(fā)出RTS請(qǐng)求進(jìn)行重發(fā)。根據(jù)前面的分析,其發(fā)送時(shí)延 send-Ttimeout(單位 s)約為:

(2)當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到了另外一個(gè)簇,雖然發(fā)送節(jié)點(diǎn)還會(huì)進(jìn)行重發(fā),但由于無法收到重發(fā)的RTS請(qǐng)求,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)入周期性的偵聽/休眠,若一直都沒有偵聽到數(shù)據(jù)請(qǐng)求,可能直到下一次的鄰居發(fā)現(xiàn)才能恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)的連接。這時(shí)的時(shí)延receive-Ttimeout(單位s)約為:

以Crossbow的Mica2無線傳感器節(jié)點(diǎn)為例,該節(jié)點(diǎn)默認(rèn)使用868/916 MHz頻率帶寬,根據(jù)SMAC代碼可計(jì)算出節(jié)點(diǎn)每個(gè)周期的偵聽時(shí)間約為143 ms,當(dāng)使用默認(rèn)的占空比10%時(shí),節(jié)點(diǎn)的一個(gè)同步周期大約是14.3 s(10*0.143 s/10%)。那么,由式(1),節(jié)點(diǎn)在發(fā)生跨簇移動(dòng)且不知道新簇調(diào)度的情況下的理論時(shí)延最小也會(huì)有30 s左右;由式(2),最壞情況下甚至可能達(dá)到5 min左右。這樣的數(shù)據(jù)傳送延遲往往是多數(shù)實(shí)際應(yīng)用不可容忍的,并且由于SMAC默認(rèn)的RTS/CTS重發(fā)次數(shù)只有5次,時(shí)延較長(zhǎng)時(shí)節(jié)點(diǎn)必然會(huì)丟棄該包,所以跨簇移動(dòng)還會(huì)引起丟包率的增加。

還可能發(fā)生的情況是,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入到陌生簇后仍然會(huì)保存著其原先的調(diào)度信息,仍然會(huì)周期性的廣播該調(diào)度。當(dāng)新簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的這個(gè)“陌生”調(diào)度,同樣地,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)現(xiàn)新的鄰居后也必然會(huì)成為一個(gè)“邊界”節(jié)點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的增加,網(wǎng)絡(luò)中將產(chǎn)生多個(gè)不必要的有多個(gè)調(diào)度的節(jié)點(diǎn),而擁有多個(gè)調(diào)度的節(jié)點(diǎn)由于偵聽時(shí)間的增加必然會(huì)降低其自身的生存壽命,并增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均能耗。

3 移動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證以上的理論分析并進(jìn)一步研究節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性對(duì)SMAC協(xié)議性能的影響因素,進(jìn)行以下仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Experimental parameters used in simulations

該仿真實(shí)驗(yàn)基于NS2.34[9]網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái),實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表1,其中路由協(xié)議采用改進(jìn)的洪泛路由(MFlood)協(xié)議。MFlood協(xié)議的工作機(jī)制較為簡(jiǎn)單,它通過節(jié)點(diǎn)不斷地廣播轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn),在圖1所示的直線拓?fù)渲?數(shù)據(jù)包只能逐個(gè)經(jīng)鄰居節(jié)點(diǎn)傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。在該實(shí)驗(yàn)中,MFlood協(xié)議的性能受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)以及周期性休眠的影響非常小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以更準(zhǔn)確地反映SMAC協(xié)議的性能。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示,節(jié)點(diǎn)相隔200 m放置,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和其相鄰節(jié)點(diǎn)直接通信,這種簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)可以避免在多跳通信時(shí)因傳輸路徑的不同而對(duì)性能分析產(chǎn)生的干擾,從而更直接地研究MAC協(xié)議性能指標(biāo)。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼疤摂M簇Fig.1 Network topology and virtual cluster in experimental model

3.2 簇內(nèi)移動(dòng)與跨簇移動(dòng)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)1模型

實(shí)驗(yàn)1驗(yàn)證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分別在簇內(nèi)運(yùn)動(dòng)和跨簇運(yùn)動(dòng)時(shí)的性能,測(cè)試的性能指標(biāo)為:不同數(shù)據(jù)負(fù)載量下的平均傳輸時(shí)延以及丟包率。

由于SMAC協(xié)議中邊界節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)調(diào)度,通過觀察實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的trace文件中每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)同步周期里發(fā)送的SYNC的個(gè)數(shù),可以判斷出網(wǎng)絡(luò)中的分簇情況。在采用如圖1所示拓?fù)淝也辉O(shè)置模擬器seed的情況下,當(dāng)實(shí)驗(yàn)中有5個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,可發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)2在一個(gè)同步周期中(14.3 s)會(huì)發(fā)送2個(gè)SYNC,而其它節(jié)點(diǎn)都只發(fā)送一個(gè)SYNC,由此可以判斷節(jié)點(diǎn)2為邊界節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)中存在兩個(gè)虛擬簇,可用于驗(yàn)證跨簇移動(dòng)的性能;當(dāng)實(shí)驗(yàn)中有4個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)候,每個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)同步周期都只發(fā)送一次SYNC,所以4個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)并沒有分簇,可以用于驗(yàn)證簇內(nèi)移動(dòng)的性能。雖然兩個(gè)場(chǎng)景中采用的節(jié)點(diǎn)數(shù)目不同,但是除此之外的移動(dòng)速度、移動(dòng)距離、仿真時(shí)間等在每次實(shí)驗(yàn)中都采用同樣的設(shè)置,節(jié)點(diǎn)數(shù)的不同只影響分簇情況。

由于SMAC協(xié)議的初始化時(shí)間大約是40 s,節(jié)點(diǎn)0和節(jié)點(diǎn)1之間的cbr數(shù)據(jù)流從第50 s后的一個(gè)介于0～14.3 s之間的一個(gè)隨機(jī)時(shí)間t啟動(dòng)并持續(xù)320 s,總的仿真時(shí)間為400 s.實(shí)驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)分簇和不分簇的情況下,分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)0作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)以及接收節(jié)點(diǎn)在5 m/s的速度、10 m/s的速度以及20 m/s的速度下與靜止?fàn)顟B(tài)的性能對(duì)比。在移動(dòng)場(chǎng)景中,節(jié)點(diǎn)0在A-B間共800 m的距離內(nèi),以不同的速度往返運(yùn)動(dòng)320 s.節(jié)點(diǎn)在cbr數(shù)據(jù)流啟動(dòng)時(shí)開始移動(dòng),在cbr數(shù)據(jù)流結(jié)束時(shí)停止移動(dòng)。其中,節(jié)點(diǎn)以5 m/s的速度時(shí)往返一次、10 m/s的速度時(shí)往返2次、20 m/s的速度時(shí)往返4次。在實(shí)驗(yàn)中通過設(shè)置10個(gè)不同的種子產(chǎn)生10個(gè)不同的cbr啟動(dòng)時(shí)間分別實(shí)驗(yàn)以分析網(wǎng)絡(luò)性能的均值。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)1結(jié)果及分析

圖2-圖5所示為由實(shí)驗(yàn)1得到的傳輸時(shí)延以及丟包率的性能對(duì)比。其中圖2、圖3為節(jié)點(diǎn)0作為接收節(jié)點(diǎn)的情況,圖4、圖5為節(jié)點(diǎn)0作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)的情況。由圖可見,節(jié)點(diǎn)0在靜止情況下,無論其作為數(shù)據(jù)的發(fā)送端還是作為接收端時(shí)的傳輸時(shí)延值和丟包率都非常小,且在不同數(shù)據(jù)負(fù)載量下性能表現(xiàn)穩(wěn)定。當(dāng)節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)移動(dòng)時(shí),不同移動(dòng)速度下的傳輸時(shí)延以及丟包率的增加都相對(duì)較小,而且性能在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)分別作為接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)的差別也不大,在不同數(shù)據(jù)負(fù)載量下的性能也較為穩(wěn)定。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)跨簇移動(dòng)時(shí),不同速度下的時(shí)延和丟包率都要高于節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)移動(dòng)和靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)的情況,尤其在數(shù)據(jù)流量較大時(shí),網(wǎng)絡(luò)的性能差異更為明顯。

圖2 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送端時(shí)的傳輸時(shí)延Fig.2 End-end-delay with mobile node as sender

圖3 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為接收端時(shí)的時(shí)延性能Fig.3 End-end-delay with mobile node as receiver

圖4 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送端時(shí)的丟包率性能Fig.4 Loss-rate with mobile node as sender

圖5 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為發(fā)送端時(shí)的丟包率性能對(duì)比Fig.5 Loss-rate with mobile node as receiver

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,節(jié)點(diǎn)以不同的移動(dòng)速度發(fā)生跨簇移動(dòng)時(shí)的性能都明顯劣于簇內(nèi)移動(dòng)時(shí)的性能,說明節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入陌生簇后,無論其速度快慢都會(huì)由于其調(diào)度與新簇節(jié)點(diǎn)不同而中斷網(wǎng)絡(luò)連接,陌生調(diào)度的發(fā)現(xiàn)只能經(jīng)過鄰居發(fā)現(xiàn)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)比節(jié)點(diǎn)在不同移動(dòng)速度時(shí)的性能可知,節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)移動(dòng)時(shí)的性能受速度差異的影響較小,但節(jié)點(diǎn)跨簇移動(dòng)時(shí)的性能卻因速度的不同表現(xiàn)出了較大的差異,且無規(guī)律可循。由實(shí)驗(yàn)中簇內(nèi)移動(dòng)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能受節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度影響不大,說明在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和周邊節(jié)點(diǎn)同時(shí)激活且數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度較小的情況下,一般應(yīng)用中的移動(dòng)速度差異對(duì)SMAC協(xié)議影響較小。而節(jié)點(diǎn)在跨簇時(shí)的性能卻受到了速度的影響,這說明節(jié)點(diǎn)在跨簇時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能還受到其它因素的制約?？绱匾苿?dòng)和簇內(nèi)移動(dòng)的區(qū)別在于節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中周邊是否存在調(diào)度不同的節(jié)點(diǎn),若是節(jié)點(diǎn)在跨簇后通過鄰居發(fā)現(xiàn)獲得了陌生簇的調(diào)度,那么之后的移動(dòng)也無異于在“簇內(nèi)”移動(dòng)。考慮到實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)往返運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),不同的移動(dòng)速度和數(shù)據(jù)負(fù)載量會(huì)影響移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)陌生調(diào)度的獲取,且影響具有不確定性。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲得陌生調(diào)度所需時(shí)間越長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)性能就會(huì)越差。由此可見,跨簇移動(dòng)時(shí)的性能差異是由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)獲得陌生調(diào)度所需時(shí)間的不確定性引起的。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可發(fā)現(xiàn),在跨簇移動(dòng)時(shí),網(wǎng)絡(luò)性能因節(jié)點(diǎn)0在數(shù)據(jù)傳輸中的角色不同表現(xiàn)出了明顯的差異。在傳輸時(shí)延上,節(jié)點(diǎn)0在作為發(fā)送端時(shí)的時(shí)延值要大于其作為接收端時(shí)的時(shí)延;而在丟包率上,節(jié)點(diǎn)0在作為發(fā)送端時(shí)的性能卻好于其作為接收端時(shí)的表現(xiàn)。出現(xiàn)性能差異是由于有發(fā)包請(qǐng)求的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以更快地恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)的連接,而作為接收端的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)由于恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)連接所需的時(shí)間較長(zhǎng),會(huì)導(dǎo)致重發(fā)超時(shí),因而發(fā)生較多的丟包現(xiàn)象。另外,圖2、圖3中分析的時(shí)延性能是指在不丟包情況下的端到端平均傳輸時(shí)延,雖然移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在作為發(fā)送端時(shí)比作為接收端有較低的丟包率,但是相應(yīng)地,它也必須同時(shí)容忍跨簇后相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)延,因此在圖3中表現(xiàn)出的跨簇移動(dòng)傳輸時(shí)延較圖2中要大一些。

3.3 多余調(diào)度影響網(wǎng)絡(luò)性能實(shí)驗(yàn)

3.3.1 實(shí)驗(yàn)2模型

實(shí)驗(yàn)2驗(yàn)證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中,它的原有調(diào)度對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度同步造成的影響,測(cè)試的性能指標(biāo)為:節(jié)點(diǎn)在無數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)平均能耗。

同樣采用圖1所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?實(shí)驗(yàn)分別在網(wǎng)絡(luò)分簇和不分簇的情況下,分別驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)0在靜止?fàn)顟B(tài)以及以1 m/s～10 m/s的速度從其起始位置向右移動(dòng)800 m時(shí)的性能。仿真實(shí)驗(yàn)使用同樣的移動(dòng)場(chǎng)景,分別在網(wǎng)絡(luò)分簇和不分簇的情況下運(yùn)行1 000 s,節(jié)點(diǎn)在50 s的時(shí)候開始向右移動(dòng),與實(shí)驗(yàn)1不同的是,節(jié)點(diǎn)在到達(dá)目的地后就停止移動(dòng),不再進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)。節(jié)點(diǎn)在整個(gè)仿真過程中沒有任何數(shù)據(jù)的收發(fā),因而實(shí)驗(yàn)可以更直接地反映出由于SYNC廣播和節(jié)點(diǎn)偵聽時(shí)間不同所造成的能耗差異。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)2結(jié)果及分析

圖6 無數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)的能耗Fig.6 Mean energy consumption without data transition

實(shí)驗(yàn)2結(jié)果如圖6所示,節(jié)點(diǎn)在跨簇移動(dòng)時(shí)的能耗從整體上要明顯大于節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)移動(dòng)時(shí)的能耗,而且與靜止?fàn)顟B(tài)相比,節(jié)點(diǎn)發(fā)生跨簇移動(dòng)時(shí)的能耗漲幅要大于其在簇內(nèi)移動(dòng)時(shí)的漲幅。節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)移動(dòng)時(shí)所增加的能耗很少且性能表現(xiàn)穩(wěn)定,但節(jié)點(diǎn)在跨簇移動(dòng)時(shí)的能耗卻增加較多,且因速度不同表現(xiàn)出了一定的差異。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在沒有數(shù)據(jù)收發(fā)的情況下,網(wǎng)絡(luò)的能量消耗主要來自節(jié)點(diǎn)偵聽信道以及廣播SYNC分組,而節(jié)點(diǎn)廣播SYNC的次數(shù)又和偵聽信道的時(shí)間成正比,因此,網(wǎng)絡(luò)的平均能耗直接反映了節(jié)點(diǎn)偵聽信道所用時(shí)間的長(zhǎng)短。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在發(fā)生跨簇移動(dòng)后,網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)的偵聽時(shí)間增加了。而在仿真實(shí)驗(yàn)中又沒有數(shù)據(jù)收發(fā),節(jié)點(diǎn)偵聽時(shí)間的增加只能是由于其擁有的調(diào)度增加而造成的。節(jié)點(diǎn)調(diào)度的增加必須滿足兩個(gè)條件,即節(jié)點(diǎn)周邊有調(diào)度不同的節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)正在進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)。由此可見,節(jié)點(diǎn)在跨簇移動(dòng)中可能會(huì)出現(xiàn)同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件的情況,從而使其自身原有調(diào)度傳播到網(wǎng)絡(luò)中的其它地方,引起網(wǎng)絡(luò)平均能耗的無謂增加。圖6中跨簇移動(dòng)的能耗曲線有一定的波動(dòng),這是因?yàn)槊看畏抡鎸?shí)驗(yàn)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)鄰居發(fā)現(xiàn)操作的時(shí)間都是相同的,而移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在不同速度下恰好能遇到進(jìn)行鄰居發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)的機(jī)率是不一樣的,遇到正在鄰居發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)的次數(shù)越多,網(wǎng)絡(luò)性能受到的影響就越大。此外,實(shí)驗(yàn)2只是反映了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行1 000 s后的結(jié)果,隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的增加,由于調(diào)度增加所造成的能量浪費(fèi)會(huì)越來越嚴(yán)重。

4 SMAC的移動(dòng)支持問題分析

4.1 SMAC在移動(dòng)應(yīng)用中的性能

通過以上的理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度以及數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度都不超過常見應(yīng)用場(chǎng)景中的一般值時(shí),SMAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)時(shí)的性能表現(xiàn)出以下特點(diǎn):

(1)當(dāng)節(jié)點(diǎn)在簇內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),其移動(dòng)性對(duì)SMAC協(xié)議性能的影響很小。

(2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)跨簇移動(dòng)時(shí),其移動(dòng)性對(duì)SMAC協(xié)議的性能影響較大,具體表現(xiàn)為:當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不參與數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí),網(wǎng)絡(luò)的平均能耗會(huì)增加;當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)參與數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí),除上述影響外,其移動(dòng)性還會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延及丟包率的增加。

4.2 SMAC協(xié)議受移動(dòng)性影響的原因

SMAC協(xié)議受移動(dòng)性影響是由其本身的工作機(jī)制決定的。因?yàn)镾MAC協(xié)議采用了周期性休眠機(jī)制來降低能耗,所以節(jié)點(diǎn)間必須在保證偵聽時(shí)段同步的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行正常的通信。而由于網(wǎng)絡(luò)的自組織特性,網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)虛擬簇形式的局部調(diào)度同步區(qū)域。而SMAC的調(diào)度同步機(jī)制卻不能保證移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能及時(shí)地和調(diào)度不同的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同步。由此可見,SMAC本身的調(diào)度同步機(jī)制造成了SMAC協(xié)議會(huì)受到移動(dòng)性的影響。根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的分析,移動(dòng)性對(duì)SMAC協(xié)議中調(diào)度同步機(jī)制的具體影響有:

(1)在SMAC協(xié)議中,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入陌生簇時(shí),無論其移動(dòng)速度快慢,除非通過鄰居發(fā)現(xiàn)否則它都無法獲得該簇的調(diào)度。

(2)若移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在調(diào)度不同步的情況下進(jìn)入到一個(gè)陌生簇內(nèi),移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與該簇節(jié)點(diǎn)達(dá)到調(diào)度同步所需的時(shí)間具有不確定性,但總的來說,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)需要的時(shí)間要短一些。

(3)在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)經(jīng)過一定的時(shí)間后會(huì)通過鄰居發(fā)現(xiàn)獲得彼此的調(diào)度。由于其他節(jié)點(diǎn)的調(diào)度并不總和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相同,最終的結(jié)果就會(huì)使網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多個(gè)擁有兩個(gè)或兩個(gè)以上調(diào)度的節(jié)點(diǎn)。

4.3 SMAC支持移動(dòng)性的解決思路

要基于SMAC實(shí)現(xiàn)能量高效的移動(dòng)性支持,仍然需要采用周期性休眠機(jī)制來節(jié)省能耗,因此必須對(duì)SMAC的調(diào)度調(diào)整機(jī)制進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)方法可從兩個(gè)角度來考慮:

(1)如何避免網(wǎng)絡(luò)分為多個(gè)虛擬簇,實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)調(diào)度同步。

(2)在網(wǎng)絡(luò)分簇情況下,如何實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中的調(diào)度動(dòng)態(tài)調(diào)整,使得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)始終只與其周邊節(jié)點(diǎn)具有相同的調(diào)度。

5 結(jié)束語

隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)SN節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性需求的增加,研究移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的必要性與日俱增。本文通過詳盡的理論分析和實(shí)驗(yàn)分析,指出了移動(dòng)性造成SMAC協(xié)議性能下降的具體原因,并在此基礎(chǔ)上提出了移動(dòng)性支持的解決思路。在下一步工作中,將根據(jù)本文的結(jié)論,深入研究如何改進(jìn)SMAC現(xiàn)有的調(diào)度同步機(jī)制,通過調(diào)度的動(dòng)態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)SMAC對(duì)移動(dòng)性的支持。

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