韓 瀟，郭達偉，劉 航，李現(xiàn)濤

(西北工業(yè)大學自動化學院，西安710129)

能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議設計的首要問題［1－3］。降低能耗最常用的方法是使傳感器節(jié)點周期性交替處于低功耗的睡眠狀態(tài)和高功耗的工作狀態(tài)。目前，實現(xiàn)睡眠到工作狀態(tài)轉換的機制主要歸為三類:按需喚醒機制、同步喚醒機制和異步喚醒機制［5］。與其它兩種機制相比，異步喚醒不需要額外的喚醒信道，也不需要時鐘同步;每點可選擇自己的喚醒時刻，且每個周期僅需很短的時間對信道進行采樣，從而大大減少了節(jié)點空閑監(jiān)聽的時間。當節(jié)點需發(fā)送數(shù)據(jù)時，利用前導載波技術喚醒目標節(jié)點。數(shù)據(jù)流量較低的應用中，異步喚醒機制的優(yōu)勢尤為明顯。本文主要研究基于CSMA競爭機制的異步喚醒MAC協(xié)議，著眼于降低協(xié)議能耗和減少數(shù)據(jù)延遲。

典型的異步喚醒MAC協(xié)議有BMAC［6］、WiseMAC［7－9］、XMAC［10］、DPS-MAC［11］、CSMA-MPS［12］。BMAC用持續(xù)一個睡眠－工作周期的前導載波來喚醒目標節(jié)點。WiseMAC通過學習和估算鄰居節(jié)點的喚醒時間，在鄰居喚醒采樣前才開始發(fā)送前導載波。XMAC協(xié)議將BMAC中較長的前導載波劃分成一系列短的、帶有間隔的前導載波幀序列，每個短的前導載波幀都包含目的節(jié)點的ID，從而可避免非目標節(jié)點的串音;XMAC還允許目的節(jié)點在前導載波幀的間隔發(fā)送“較早的確認包”，以縮短前導載波長度。DPS-MAC在XMAC的基礎上采用兩次快速前導采樣方法，減少了節(jié)點采樣監(jiān)聽的時間。CSMA-MPS用一種發(fā)送和接收轉換較快的無線發(fā)射器改善了能效和延遲性能。

近年來，針對無線傳感器網(wǎng)絡異步MAC協(xié)議的研究越來越多。但關于異步MAC廣播機制的文獻并不多。眾所周知，廣播是相當重要的一種通信機制。WiseMAC、XMAC及DPS-MAC等經(jīng)典協(xié)議沒有設計廣播機制，一旦有廣播數(shù)據(jù)，則需要向各個鄰居節(jié)點分別發(fā)送數(shù)據(jù)。既增大了能耗，又增大了數(shù)據(jù)延遲。BMAC雖然實現(xiàn)了廣播機制，但每次廣播前需發(fā)送持續(xù)一個睡眠－工作周期的前導載波，能耗和數(shù)據(jù)延遲都較大。

本文基于 XMAC，設計了一種新的廣播機制——PBMAC。PBMAC補充了 XMAC的廣播機制，與現(xiàn)有的異步MAC廣播機制(基于BMAC的廣播機制)相比，PBMAC能效性和延遲性均較好。

1 XMAC協(xié)議

XMAC［10］將BMAC等協(xié)議中較長的、連續(xù)的前導載波劃分成一系列短的前導載波序列。每個短的前導載波都包含目的節(jié)點的ID。每個接收到短前導載波的節(jié)點都能查看其目的節(jié)點，如果節(jié)點自身不是目的節(jié)點，則該節(jié)點可以提前進入睡眠狀態(tài)。另外，XMAC提出在短的前導載波之間插入一些間隙，在這個間隙里，發(fā)送節(jié)點監(jiān)聽信道，目的接收節(jié)點在采樣到短前導載波后允許發(fā)送一個“較早的確認包”。發(fā)送節(jié)點接收到這個“較早的確認包”后，將停止繼續(xù)發(fā)送短前導載波，而提前發(fā)送數(shù)據(jù)。XMAC協(xié)議示意圖如圖1所示。

圖1 XMAC協(xié)議

2 PBMAC設計

PBMAC像XMAC一樣，用多個短的前導載波單元序列代替較長的、連續(xù)的前導載波。PBMAC改進了每個前導載波單元，并引入學習機制，創(chuàng)建鄰居信息表。

2.1 PBMAC消息格式及鄰居信息表

PBMAC定義了新的前導載波單元序列(PSs)。消息格式如圖2所示。其中包括控制消息類別、目的節(jié)點ID、節(jié)點下一次采樣時間以及發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間。消息類型定義了PS(0x01);目的節(jié)點ID為廣播地址;源節(jié)點通過“下一次采樣時間”向鄰居節(jié)點報告其采樣信息。鄰居節(jié)點根據(jù)“發(fā)數(shù)據(jù)包時間”域估算接收數(shù)據(jù)的時間。

圖2 PBMAC消息格式

PBMAC建立一個鄰居信息表，并為每個鄰居節(jié)點維護一個鄰居表項，如表1所示。鄰居信息表包括鄰居ID、下一次喚醒時刻偏差以及表項更新時間。下一次喚醒時刻偏差等于鄰居節(jié)點控制包中報告的下一次采樣時間減去節(jié)點自己本周期的起始時間，用于估算發(fā)送前導載波的時間。表項更新時間就是節(jié)點收到鄰居節(jié)點控制包并更新“下一次喚醒時刻偏差”的時間。

表1 鄰居信息表

2.2 PBMAC 廣播機制

PBMAC根據(jù)鄰居信息表計算前導載波起始時間以及發(fā)送數(shù)據(jù)的時間。在最早進入喚醒狀態(tài)的鄰居節(jié)點喚醒前開始發(fā)送PSs，一直持續(xù)到最晚喚醒的鄰居節(jié)點被喚醒后為止。

鄰居節(jié)點接收到PS后，根據(jù)距離數(shù)據(jù)發(fā)送的剩余時間判斷是否先返回睡眠狀態(tài)。如果剩余時間內監(jiān)聽信道消耗的能量大于關閉和重新開啟無線電的能耗，則節(jié)點先返回睡眠狀態(tài)，在數(shù)據(jù)發(fā)送前重新喚醒，反之亦然。廣播通信中接收節(jié)點不對PS序列進行確認。PBMAC的廣播機制的前導載波持續(xù)時間最大值為睡眠－喚醒工作周期。圖3所示為PBMAC協(xié)議示意圖。

圖3 PBMAC協(xié)議

2.3 PBMAC 學習機制

PBMAC協(xié)議學習機制包括初始學習和過程學習。PBMAC協(xié)議定義系統(tǒng)初始化結束后的第一個周期為初始鄰居告知周期。在這個周期內，所有節(jié)點一直處于工作狀態(tài)。每個節(jié)點隨機選擇自己的喚醒采樣偏差，并在初始鄰居告知周期相應的時刻廣播一個前導載波單元(PS)。其它節(jié)點則處于監(jiān)聽狀態(tài)，接收到前導載波單元的鄰居節(jié)點可以學習源節(jié)點的采樣時刻偏差。這個過程為初始學習。

PBMAC協(xié)議在前導載波單元序列中插入“下一次采樣時間”的信息。源節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前發(fā)送前導載波單元序列，凡是監(jiān)聽到該前導載波單元序列的所有節(jié)點，能夠學習源節(jié)點的“下一次采樣時間”，從而更新鄰居信息表中對應項，此過程為過程學習。由于源節(jié)點發(fā)送的PSs將覆蓋所有鄰居節(jié)點的采樣時刻，故所有鄰居節(jié)點都可以學習并更新源節(jié)點的“下一次采樣時間”。

PBMAC通過學習機制可以利用鄰居節(jié)點采樣時間估算發(fā)送PSs和數(shù)據(jù)的起始時間。

2.4 源節(jié)點時間估算

源節(jié)點需要分別對發(fā)送PSs的起始時間及發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時間進行估算。

假設源節(jié)點在0時刻收到來自目的節(jié)點的“下一次喚醒時刻偏差”消息，希望在目的節(jié)點的采樣時刻L發(fā)送數(shù)據(jù)包;且假設所有節(jié)點使用晶體振蕩器作為時鐘源，晶振的容差會導致源節(jié)點和目的節(jié)點之間存在時間偏差，前導載波的持續(xù)時間必須覆蓋該時鐘偏差。假設晶振的容差為±θ，那么前導載波持續(xù)的時間為［6］:

根據(jù)CSMA/CA，節(jié)點在發(fā)送消息前必須先隨機監(jiān)聽信道一段時間，以減少沖突。PBMAC規(guī)定每個節(jié)點在發(fā)送第一個PS前持續(xù)監(jiān)聽信道的時間為:

設發(fā)送節(jié)點的鄰居中下一次采樣最早的時間為，那么發(fā)送PS序列的起始時間為

設發(fā)送節(jié)點的鄰居中下一次采樣最晚的時間為，發(fā)送數(shù)據(jù)的時間即為PS序列的截止時間，那么發(fā)送數(shù)據(jù)的時間為

3 仿真與性能評估

XMAC和WiseMAC沒有實現(xiàn)廣播機制，本文基于NS2對BMAC和PBMAC協(xié)議進行了仿真和比較。本文主要關注兩個性能指標:能耗和延遲。不同睡眠－工作周期以及不同的發(fā)包速率對節(jié)點性能影響較大，故分別選取不同睡眠－工作周期和發(fā)包間隔進行兩組實驗。實驗主要參數(shù)設置如表2所示。

表2 仿真主要參數(shù)設置

分別采用5個節(jié)點和10個節(jié)點構成的星型拓撲結構，其中一個節(jié)點為中心節(jié)點，其余節(jié)點為它的鄰居節(jié)點。中心節(jié)點為源節(jié)點，其余節(jié)點為鄰居節(jié)點。

3.1 睡眠－工作周期對協(xié)議的影響

實驗中，發(fā)包間隔為1，即每秒鐘產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包，睡眠－工作周期的變化范圍是100 ms到900 ms。圖4、圖5和圖6分別是睡眠－工作周期變化時，BMAC和PBMAC前導載波能耗、源節(jié)點能耗和全網(wǎng)總能耗比較圖。圖7比較了不同睡眠－工作周期下，BMAC和PBMAC延遲性能。BMAC協(xié)議前導載波的長度等于睡眠－工作周期，因此隨著睡眠－工作周期的增大，BMAC發(fā)送前導載波的能耗隨之增加。不論鄰居節(jié)點的個數(shù)是多少、其采樣周期如何分布，BMAC均發(fā)送持續(xù)一個周期長度的前導載波，因此，增加鄰居節(jié)點個數(shù)，BMAC協(xié)議的前導載波能耗和源節(jié)點能耗不變，但全網(wǎng)整體能耗增大。對于PBMAC，睡眠－工作周期越大，其需要覆蓋所有鄰居節(jié)點采樣時刻的前導載波越長，故前導載波能耗也越大。一定時間內，睡眠－工作周期越大，空閑監(jiān)聽能耗越小，但發(fā)包能耗大約等于空閑監(jiān)聽能耗的2倍，且實驗中發(fā)包速率較高，空閑監(jiān)聽時間短，所以源節(jié)點能以及網(wǎng)絡總能耗都隨著睡眠－工作周期的增加而增加。節(jié)點數(shù)越多，PBMAC平均發(fā)送的前導載波越長，能耗越大。PBMAC發(fā)送的前導載波的最大長度等于一個睡眠－工作周期，因此PBMAC能耗不會大于BMAC能耗。

圖4 前導載波能耗

圖5 源節(jié)點能耗

圖6 全網(wǎng)總能耗

圖7 延遲

3.2 發(fā)包間隔對協(xié)議的影響

實驗中，睡眠－工作周期為200 ms，數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的間隔變化范圍是0.5 s～10 s。圖8、圖9和圖10分別是發(fā)包間隔變化時，BMAC和PBMAC前導載波能耗、源節(jié)點能耗和全網(wǎng)總能耗比較圖。發(fā)包間隔越大，一定時間

圖8 前導載波能耗

內產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的數(shù)目減少，而睡眠－工作周期一定，每次發(fā)包前的前導載波長度和能耗一定，故隨著發(fā)包間隔的增大，前導載波能耗、源節(jié)點能耗以及全網(wǎng)總能耗都增減小，而數(shù)據(jù)包延遲不變，數(shù)據(jù)包延遲如圖11所示。

圖9 源節(jié)點能耗

圖10 全網(wǎng)總能耗

圖11 延遲

4 結論和展望

PBMAC實現(xiàn)了基于XMAC的廣播機制。從NS2仿真實驗可看出，與基于BMAC的廣播機制相比，PBMAC具有較高的能效性和較低的延遲。其優(yōu)勢主要源自縮短的前導載波和減少的串音。在今后的研究中，還需要對PBMAC做進一步的理論分析和驗證，設計更加復雜的仿真和實驗模型，并且選取硬件平臺，實現(xiàn)實物驗證。

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