何敏，趙東風(fēng)，保利勇，左朝樹

(1.云南大學(xué)信息學(xué)院，云南昆明 650091;2.西南通信研究所保密通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療、建筑物監(jiān)測、智能家居和安全報(bào)警、反恐和公共安全、商業(yè)等領(lǐng)域都有重要的科研價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景.由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常依靠電池供電，能量有限，不能直接應(yīng)用在現(xiàn)有的無線通信協(xié)議中，通常的解決辦法是采用休眠機(jī)制，減少節(jié)點(diǎn)在空閑時期的能耗.隨機(jī)競爭接入能為突發(fā)性數(shù)據(jù)提供靈活的服務(wù)，且控制相對簡單，目前部分應(yīng)用采用基于802.11的競爭類協(xié)議，但如何降低碰撞造成的能量消耗是這類協(xié)議的一個難題.

輪詢方式既避免了碰撞，又能提供具有QoS保障的服務(wù)，因此被廣泛應(yīng)用到MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)中.研究人員在純 PCF(point coordination function)［1］系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一系列的改進(jìn)算法［2-8］，如兩級優(yōu)先級輪詢［2］、自適應(yīng)調(diào)度［3］、自適應(yīng)差額調(diào)度［4］等改進(jìn)的PCF系統(tǒng).這些系統(tǒng)通過對服務(wù)策略、調(diào)度機(jī)制的深入研究，改進(jìn)了純PCF系統(tǒng)的性能.文獻(xiàn)［5］將沒有處在激活狀態(tài)的站點(diǎn)從輪詢列表中刪除，網(wǎng)絡(luò)性能得到了顯著的提高.文獻(xiàn)［6］通過3級門限服務(wù)方式，較好地解決了實(shí)時業(yè)務(wù)在重負(fù)載下時延Qos不能得到滿足的問題;但是對于低速傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)來說，可能導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)較長時間占用信道，欠缺公平性.文獻(xiàn)［7］通過為不同業(yè)務(wù)類別分配服務(wù)配額的方式，采用加權(quán)輪詢調(diào)度策略，以業(yè)務(wù)的平均分組到達(dá)率為依據(jù)，降低了排隊(duì)的復(fù)雜度.文獻(xiàn)［8］基于Zigbee技術(shù)，需要服務(wù)的節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制接入，中心采用輪詢方式為各節(jié)點(diǎn)服務(wù)，沒有服務(wù)需求的節(jié)點(diǎn)則休眠以節(jié)約能量;但節(jié)點(diǎn)在接入后不斷發(fā)送POLL請求，在ACK響應(yīng)前一直處于活躍狀態(tài)，會造成能量浪費(fèi).不少學(xué)者也提出了一系列節(jié)能策略［8-13］，從不同層面解決WSN的能耗問題.

本文在周期性休眠的PCF基礎(chǔ)上，提出了一種具有節(jié)能效果的輪詢控制協(xié)議PCF-SS(point coordination function by site status)，在保證公平性的前提下，依據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行資源分配和服務(wù).其基本思想是:中心在為某節(jié)點(diǎn)服務(wù)的同時獲取該站點(diǎn)的剩余分組信息，且至少保留連續(xù)2輪的狀態(tài)信息，并依據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)將其分配到不同優(yōu)先級組內(nèi);同時，根據(jù)節(jié)點(diǎn)最近2次的狀態(tài)估計(jì)下一輪的服務(wù)時間，并將預(yù)計(jì)的開始服務(wù)時刻在本輪服務(wù)結(jié)束前通知該節(jié)點(diǎn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接受服務(wù)后，即可轉(zhuǎn)入休眠，直到下一輪服務(wù)時刻的到來，達(dá)到節(jié)能目的.

1 PCF-SS接入控制機(jī)制分析

1.1 PCF-SS接入過程描述

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量和功率有限，導(dǎo)致傳輸距離有限.同時，在多數(shù)應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)一旦部署，節(jié)點(diǎn)的移動性很小，甚至不發(fā)生移動.分簇是實(shí)施分層控制的重要方法之一，PCF-SS協(xié)議適用于簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與中心(簇首)的通信，信息通過簇首間的轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)Sink.

每個節(jié)點(diǎn)可處于休眠、活躍、發(fā)送3種狀態(tài)之一，分別對應(yīng)空閑、喚醒(或請求服務(wù))和接受服務(wù)，由相應(yīng)的條件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，如圖1所示.初始布置后，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)有分組發(fā)送時，即向中心發(fā)送請求，與中心握手后，加入服務(wù)隊(duì)列，獲得服務(wù)時間表，進(jìn)入休眠等待，以減少能量消耗.如果較長時間沒有分組發(fā)送，中心則將該節(jié)點(diǎn)從服務(wù)隊(duì)列中刪除，以減少空輪詢次數(shù)，提高服務(wù)效率，直到節(jié)點(diǎn)有新的分組到達(dá)時，再次蘇醒并申請加入服務(wù)隊(duì)列.如果中心在一段時間內(nèi)沒有收到任何服務(wù)請求，也將轉(zhuǎn)入短暫的休眠，并在下一時刻醒來后，監(jiān)測信道，準(zhǔn)備服務(wù).

圖1 節(jié)點(diǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖Fig.1 Status migration of a node

采用上述接入方法，終端節(jié)點(diǎn)可能會被延遲服務(wù)或提早蘇醒，這種情況將在1.3節(jié)中進(jìn)行分析.

1.2 服務(wù)策略

通常情況下，輪詢系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)都能獲得固定、均勻的服務(wù)時間，這對于對稱型的系統(tǒng)是合理的.但是在實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)的負(fù)載往往是不均衡的，根據(jù)需求進(jìn)行可變配置的服務(wù)方式普遍存在.因此，系統(tǒng)以限定(K=1)服務(wù)為基礎(chǔ)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)繁忙程度劃分優(yōu)先級，分別對節(jié)點(diǎn)上一輪分組剩余量、本輪分組剩余量進(jìn)行標(biāo)識區(qū)分，并劃分為4類，如表1所示.

表1 節(jié)點(diǎn)負(fù)載狀態(tài)Table 1 The loads status of nodes

具體的服務(wù)方式如下.

1)初始時，系統(tǒng)按照限定(K=1)服務(wù)規(guī)則對N個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行依次服務(wù)，在服務(wù)過程中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)，將其劃入到不同的優(yōu)先級組內(nèi).

2)輕載隊(duì)列采用限定(K=1)服務(wù);忙隊(duì)列采用可變(K≥1)服務(wù)，即在限定(K=1)的基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)和上輪狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判，調(diào)整優(yōu)先級及下一輪的服務(wù)時間;繁忙隊(duì)列采用門限服務(wù)規(guī)則.節(jié)點(diǎn)接受服務(wù)后，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài).

3)中心根據(jù)服務(wù)時間表中剩余節(jié)點(diǎn)和前驅(qū)節(jié)點(diǎn)的預(yù)計(jì)服務(wù)時間，估算各節(jié)點(diǎn)下一輪服務(wù)的開始時間，并在服務(wù)結(jié)束前通知該節(jié)點(diǎn).

4)由于節(jié)點(diǎn)接受服務(wù)后轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，服務(wù)器不能感知其后續(xù)是否有分組到達(dá)，因此，輕載組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)被服務(wù)后，即使處于空閑狀態(tài)，也被劃分到輕負(fù)載組，直到下一輪服務(wù)時，仍然空閑才轉(zhuǎn)入空閑組中，并將其從輪詢列表中刪除.

5)優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)采用逐級向下調(diào)整的策略調(diào)整其優(yōu)先級，而低優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)則根據(jù)狀態(tài)直接調(diào)整到相應(yīng)的優(yōu)先級組.

6)空閑節(jié)點(diǎn)一直處于休眠狀態(tài)，直到有分組到達(dá)，再申請接入網(wǎng)絡(luò)接受服務(wù).

7)每次服務(wù)結(jié)束后，中心都將進(jìn)行信道檢測，如果有新節(jié)點(diǎn)加入，則將其安排到輪詢列表的最后.

根據(jù)統(tǒng)計(jì)原理，參與預(yù)測的歷史狀態(tài)次數(shù)越多，預(yù)測值就越可靠，但運(yùn)算也越復(fù)雜，額外開銷越大，因此，系統(tǒng)選取節(jié)點(diǎn)最近2輪的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判.此時，中心存儲的輪詢列表結(jié)構(gòu)可表示為(節(jié)點(diǎn)號，服務(wù)順序號，上輪剩余分組數(shù)，本輪剩余分組數(shù)，預(yù)分配服務(wù)數(shù))，以1號站點(diǎn)為例，初始時刻表示為(1，1，0，0，K).

1.3 服務(wù)時間表

中心采用統(tǒng)一的服務(wù)時間表來確定各節(jié)點(diǎn)的服務(wù)時間和喚醒時刻.當(dāng)中心為某節(jié)點(diǎn)服務(wù)時，根據(jù)其狀態(tài)預(yù)判下一輪的服務(wù)時間，決定該節(jié)點(diǎn)的喚醒時刻，更新服務(wù)時間表，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接受服務(wù)后，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)并啟動一個喚醒時鐘.

采用服務(wù)時間表帶來的一個問題是節(jié)點(diǎn)可能延遲蘇醒(晚醒)或提前蘇醒(早醒).前者是因?yàn)橹行膶κＳ喙?jié)點(diǎn)的服務(wù)規(guī)則可能是門限或可變(K≥1)服務(wù)，而節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)數(shù)量是隨機(jī)的，因此門限服務(wù)和可變(K≥1)服務(wù)所耗費(fèi)的時間是不確定的.為此設(shè)定了一個門限值Tg來確定門限服務(wù)時間，中心可能不需要Tg時間就能完成對某節(jié)點(diǎn)的門限服務(wù)，這對后續(xù)節(jié)點(diǎn)來說，相當(dāng)于延遲蘇醒;同理，對可變(K≥1)服務(wù)也一樣，當(dāng)節(jié)點(diǎn)中的分組數(shù)少于K個時，也將引入延遲.后者正好相反，當(dāng)中心對某節(jié)點(diǎn)的門限服務(wù)在Tg時間內(nèi)不能完成時，將推遲后續(xù)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)時間，但后續(xù)節(jié)點(diǎn)并不能感知，仍然按照時間表上的時間喚醒，相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)早醒.上述2種情況是休眠策略不可避免的，晚醒將增加系統(tǒng)時延，早醒則會增加節(jié)點(diǎn)的能耗.此外，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)可能沒有分組發(fā)送，但服務(wù)器并不能感知(服務(wù)規(guī)則4))，這對服務(wù)器來說增加了一個額外的查詢時間，既加大了系統(tǒng)延時，又增加了系統(tǒng)能耗.因此，為了減少延遲或進(jìn)一步降低能耗，需要更加精確地估計(jì)服務(wù)時間，這就要求保留站點(diǎn)更多的歷史狀態(tài)，以實(shí)時地根據(jù)門限服務(wù)時間Tg和可變K值進(jìn)行調(diào)整.

2 系統(tǒng)仿真及分析

2.1 仿真條件

為了便于分析，在仿真過程中進(jìn)行如下假設(shè).

1)每個節(jié)點(diǎn)在任一時隙內(nèi)都以均值為λ的相互獨(dú)立、同分布的概率分布向各自的存儲器內(nèi)送入信息分組.

2)任一節(jié)點(diǎn)在接受服務(wù)時，由其存儲器內(nèi)向外發(fā)送一個信息分組所用的時間變量β服從一個相互獨(dú)立、同分布的概率分布.

3)不考慮節(jié)點(diǎn)位置對傳輸?shù)挠绊?，?jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換時間γ為定值，信道為無差錯狀態(tài).

4)節(jié)點(diǎn)的緩存容量足夠大，不會出現(xiàn)分組溢出現(xiàn)象.

每輪服務(wù)結(jié)束后，均形成一個新的服務(wù)時間表，結(jié)構(gòu)為(節(jié)點(diǎn)號，喚醒時鐘)，在具體實(shí)現(xiàn)中，輪詢服務(wù)表和服務(wù)時間表是結(jié)合在一起的.中心為某節(jié)點(diǎn)服務(wù)后，依據(jù)最近2次狀態(tài)調(diào)整其優(yōu)先級，根據(jù)輪詢服務(wù)表中后續(xù)節(jié)點(diǎn)的服務(wù)時間，計(jì)算下一輪喚醒時刻，預(yù)測其分組到達(dá)數(shù)，更新輪詢服務(wù)表中該節(jié)點(diǎn)的服務(wù)數(shù).在仿真中，對忙組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按照限定K=1+σ服務(wù)，其中在仿真中，σ采用了一個分段線性增長函數(shù)，直至最后逼近到門限值，即

式中:Nl為剩余分組數(shù).

2.2 結(jié)果分析

在Matlab仿真環(huán)境下，分別對帶休眠的純PCF系統(tǒng)、不訪問空閑節(jié)點(diǎn)的限定(K=1)服務(wù)(設(shè)為PCF-noempty系統(tǒng))和本文提出的PCF-SS 3個系統(tǒng)進(jìn)行了仿真.在仿真中，以時隙為單位，假定單位服務(wù)時間β=10時隙，中心對節(jié)點(diǎn)的查詢轉(zhuǎn)換時間γ=1時隙，節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)率λ服從泊松分布.實(shí)驗(yàn)對節(jié)點(diǎn)數(shù)N=20和N=30 2種網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行了仿真比較，主要收集和比較影響系統(tǒng)性能和能耗的平均等待時間、平均排隊(duì)隊(duì)長、節(jié)點(diǎn)平均晚醒時間量、節(jié)點(diǎn)平均早醒時間量、中心平均額外查詢時間5個參數(shù)，并進(jìn)行了歸一化處理，結(jié)果如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)性能比較Fig.2 Comparison of system performances

從圖2(a)、2(b)可以看出，由于避免了對空閑節(jié)點(diǎn)的訪問，PCF-SS、PCF-noempty系統(tǒng)的平均等待時間和平均排隊(duì)隊(duì)長與純PCF系統(tǒng)比，性能顯著提高.與PCF-nonempty系統(tǒng)相比，雖然PCF-SS采用了變K服務(wù)，但在輕負(fù)載下，多數(shù)節(jié)點(diǎn)依然按照限定(K=1)規(guī)則接受服務(wù)，所以性能改善不明顯;但隨著負(fù)載的加重，PCF-SS中負(fù)載重的節(jié)點(diǎn)能夠接受可變(K≥1)服務(wù)，從而使系統(tǒng)的整體性能得到了提高.

圖2(c)、2(d)對非空閑節(jié)點(diǎn)的平均晚醒時間和早醒時間進(jìn)行了比較，在純PCF系統(tǒng)中，不論節(jié)點(diǎn)是否空閑，中心均對其進(jìn)行輪詢，導(dǎo)致空閑節(jié)點(diǎn)浪費(fèi)時間，而有業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)卻只能休眠到其輪次到來時才能接受服務(wù)，相反，其早醒情況就幾乎不會發(fā)生，所以早醒時間接近0(如圖2(d)所示).而當(dāng)負(fù)載變繁重后(如當(dāng) N=30，λ ＞0.002，此時 Nλ ×(β+γ)＞0.66)，節(jié)點(diǎn)空閑率大大下降，純PCF 的空輪詢也隨之減少，節(jié)點(diǎn)的晚醒反而開始呈下降趨勢.同理，在PCF-noempty系統(tǒng)中，雖然避免了對空閑節(jié)點(diǎn)的輪詢，但由于采用限定(K=1)服務(wù)，即各節(jié)點(diǎn)分配的服務(wù)時間是相同的，在負(fù)載較輕時，周期性休眠后部分節(jié)點(diǎn)處于空閑狀態(tài)，但仍然需要被輪詢1次后才能被確認(rèn)為空閑節(jié)點(diǎn)(由休眠機(jī)制決定)，相當(dāng)于增加了非空閑節(jié)點(diǎn)的休眠時間(晚醒)，相反，早醒時間就能得到較好控制;隨著負(fù)載的加重，節(jié)點(diǎn)空閑率降低，晚醒也呈明顯下降趨勢，但上輪空閑的節(jié)點(diǎn)在下一輪服務(wù)時很可能不再空閑，而非空閑節(jié)點(diǎn)并不能感知，依然周期性地醒來，相當(dāng)于早醒，因此早醒時間呈上升趨勢.而在PCF-SS系統(tǒng)中，雖然也需要對空閑節(jié)點(diǎn)空輪詢1次，但由于采用了服務(wù)時間預(yù)估計(jì)的可變(K≥1)服務(wù)，非空閑節(jié)點(diǎn)的平均服務(wù)時間比PCF-noempty系統(tǒng)要長，空輪詢1次的時間在總的服務(wù)時間中所占比例減小，等效于節(jié)點(diǎn)晚醒時間比值減小，但也因?yàn)榉?wù)時間是預(yù)估的，節(jié)點(diǎn)的實(shí)際服務(wù)時間比估計(jì)時間可能還要長，而后續(xù)節(jié)點(diǎn)依然按照服務(wù)時間表上的喚醒時間喚醒，即等效于早醒;因此，在負(fù)載不太重時，PCF-SS系統(tǒng)的早醒時間比PCF-noenpty系統(tǒng)有所增加，而隨著負(fù)載加重，節(jié)點(diǎn)幾乎都處于忙隊(duì)列中，實(shí)際服務(wù)時間與估計(jì)服務(wù)時間趨于一致，早醒因素變得單一，這與PCF-noempty系統(tǒng)相同，因此兩者早醒的走勢一致.

圖2(e)對中心(簇首)每輪次的平均額外查詢時間進(jìn)行了比較，平均額外查詢時間即空閑節(jié)點(diǎn)的查詢時間，可反映中心的能量浪費(fèi)度.從圖中可以看出，由于純PCF系統(tǒng)對所有節(jié)點(diǎn)都依次輪詢，因此能量浪費(fèi)最大，但隨著負(fù)載變大，空閑節(jié)點(diǎn)數(shù)減少，浪費(fèi)量呈下降趨勢.而在PCF-noempty和PCF-SS系統(tǒng)中，由于避免了對空閑節(jié)點(diǎn)的輪詢，當(dāng)輕負(fù)載時，空閑節(jié)點(diǎn)數(shù)多，額外查詢時間比值很小，隨著負(fù)載加大，節(jié)點(diǎn)在空閑與非空閑間切換，空輪詢1次的概率增加，因此額外查詢時間逐漸增加;但隨著負(fù)載變得繁重，系統(tǒng)中幾乎不存在空閑節(jié)點(diǎn)，空閑查詢量又呈下降趨勢.由于PCF-SS系統(tǒng)采用了服務(wù)時間預(yù)估計(jì)的可變(K≥1)服務(wù)，服務(wù)相同量的信息，所用的服務(wù)輪次比PCF-noempty少，空閑查詢導(dǎo)致的能量浪費(fèi)量比PCF-noempty系統(tǒng)有所降低，因此PCF-SS系統(tǒng)對延長中心(簇首)壽命更加有利.

3 結(jié)束語

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層，提出了一種依據(jù)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行資源分配和服務(wù)的輪詢協(xié)議PCF-SS，通過對節(jié)點(diǎn)服務(wù)時間的預(yù)估計(jì)，采用統(tǒng)一服務(wù)時間表的方式來實(shí)現(xiàn)休眠.仿真實(shí)驗(yàn)表明，PCF-SS與周期性休眠的PCF機(jī)制相比，具有更好的節(jié)能效果和時延性能，特別是中心(簇首)的能量浪費(fèi)大大減少，緩減了中心能量消耗的瓶頸效應(yīng)，有利于延長網(wǎng)絡(luò)生命周期.下一步的工作將結(jié)合節(jié)點(diǎn)的分組到達(dá)率分布，對服務(wù)K值進(jìn)行更精確的估計(jì)，以進(jìn)一步提升服務(wù)性能，降低等待能耗.

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