徐 昶，王 聰，劉靈雅，李 寧

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007)

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一種M2M網(wǎng)絡(luò)中的能量有效媒體訪問控制協(xié)議

徐 昶，王 聰，劉靈雅，李 寧

(解放軍理工大學(xué) 通信工程學(xué)院，南京 210007)

為了減小M2M網(wǎng)絡(luò)中MAC(媒體訪問控制)層接入沖突，提高數(shù)據(jù)傳輸效率和節(jié)點能量利用效率，提出了一種新的混合分組協(xié)議HG-MAC(Hybrid and Grouping MAC);HG-MAC混合利用基于調(diào)度與基于競爭的兩種接入方式；對節(jié)點進(jìn)行分組分層管理，減少沖突和提供QoS保障；采用休眠機(jī)制提高能量利用效率；引入動態(tài)調(diào)整機(jī)制和可變幀長度提高協(xié)議靈活性;通過建立二維馬爾可夫鏈，對競爭時長與數(shù)據(jù)傳輸速率之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析;利用OPNET仿真工具，將HG-MAC與CSMA/CA和TDMA的性能進(jìn)行了仿真比較;結(jié)果表明HG-MAC在數(shù)據(jù)傳輸速率、能量效率和信道利用率上具有一定的優(yōu)勢。

媒體訪問控制；能量有效；M2M網(wǎng)絡(luò)；休眠機(jī)制

0 引言

M2M(machine-to-machine)通信是指機(jī)器在沒有人干預(yù)的情況下自動的進(jìn)行通信。它在戰(zhàn)場信息監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)、工農(nóng)業(yè)控制等領(lǐng)域發(fā)展迅速，并且已經(jīng)成為優(yōu)先解決方案。像所有的共享信道網(wǎng)絡(luò)一樣，媒體訪問控制(medium access control，MAC)是網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[1]。M2M網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有很大區(qū)別，所以針對M2M網(wǎng)絡(luò)的具體場景設(shè)計新的MAC層協(xié)議十分必要。為了設(shè)計適合M2M網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議，需要考慮以下三個方面。第一是能量有效性。絕大部分是M2M網(wǎng)絡(luò)是由電池供電的設(shè)備組成，這些設(shè)備一旦部署后很難更換電池或者對其充電。實際上，在大多數(shù)M2M網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中設(shè)備都是一次性的。能量消耗最主要的部分是無線通信，而這一部分同MAC層關(guān)系很大。第二是沖突問題。在M2M網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點數(shù)目巨大，存在大量的并發(fā)接入請求，這些都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)沖突加劇。沖突會導(dǎo)致能量的浪費(fèi)和發(fā)送失敗等問題，減少沖突能全方位提高網(wǎng)絡(luò)性能。第三是靈活性問題。M2M網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量和負(fù)載隨時間不斷變化，這對MAC層協(xié)議的靈活性提出更高的要求。考慮到以上3個方面，本文提出了一種新的混合協(xié)議——HG-MAC。HG-MAC混合了基于競爭和基于調(diào)度的兩種接入方式，通過分層和分組來減少沖突，通過設(shè)計休眠機(jī)制提高能量效率，為了提高靈活性引入了動態(tài)調(diào)整機(jī)制。本文結(jié)構(gòu)安排如下：第一節(jié)介紹關(guān)于MAC協(xié)議的相關(guān)研究工作，第二節(jié)描述了系統(tǒng)模型和假設(shè)，第三節(jié)描述了HG-MAC的設(shè)計，第四節(jié)分析了數(shù)據(jù)傳輸速度與COP時長的關(guān)系并提出了動態(tài)調(diào)整機(jī)制，第五節(jié)進(jìn)行仿真分析，最后在第六節(jié)給出總結(jié)。

1 相關(guān)工作

M2M網(wǎng)絡(luò)中的MAC協(xié)議，現(xiàn)在還沒有一個統(tǒng)一的分類。一般意義上，MAC協(xié)議可以按照接入方式分為3類：基于競爭類型、基于調(diào)度類型和有限競爭類型。也可以按照同步要求分為：異步型、局部同步型和全局同步型[2]。基于競爭型的協(xié)議允許節(jié)點自由競爭信道使用權(quán)，不需要節(jié)點時鐘同步，是一種異步協(xié)議。基于競爭型協(xié)議具有靈活性、健壯性和低開銷的優(yōu)點，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目較多和負(fù)載較重的情況下，大量沖突會使網(wǎng)絡(luò)性能急劇惡化。典型的基于競爭協(xié)議為CSMA/CA。有限競爭協(xié)議對節(jié)點進(jìn)行劃分或者對時間分片，允許部分節(jié)點在同一時間競爭信道，有限競爭協(xié)議一般也是局部同步協(xié)議?；谡{(diào)度型協(xié)議，每個設(shè)備按照實現(xiàn)約定的順序交換數(shù)據(jù)，所有節(jié)點都要保持嚴(yán)格的時間同步，所以一般也是全局同步協(xié)議。由于基于調(diào)度協(xié)議中不會發(fā)生沖突，所以在重負(fù)載情況下表現(xiàn)很好，但是由于要求同步，所以設(shè)備節(jié)點的成本和網(wǎng)絡(luò)開銷都大幅增加，同時網(wǎng)絡(luò)靈活性也比較差[3]。除了按照以上兩種一般化方法分類，也可以將MAC協(xié)議按照通信發(fā)起方來劃分為：發(fā)送方初始化通信型和接收方初始化通信型[4]。典型的發(fā)送方初始化通信協(xié)議如CSMA，接受方初始化通信協(xié)議為A-MAC[5]，RI-MAC[6]和RC-MAC[7]。

下面對幾個具體MAC協(xié)議進(jìn)行介紹。RMAC[8]中，一個發(fā)送周期分為三個部分：SYNC，DATA和SLEEP。SYNC階段發(fā)送的先鋒幀通知在傳輸路徑上的節(jié)點其蘇醒與睡眠的順序并充當(dāng)RTS幀避免空閑偵聽與隱藏站。在DATA階段，數(shù)據(jù)幀被發(fā)送。在SLEEP階段，節(jié)點進(jìn)入睡眠。TreeMAC[9]中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇闃錉?，時間被分為一個個包含三個時隙的時間幀。在樹狀拓?fù)渲型簧疃鹊墓?jié)點被分配到不同的時間幀中，被分配到同一幀中的節(jié)點，按照(L-1) mod 3的計算公式分配三個時隙，其中L為節(jié)點深度。通過此種劃分，可以避免沖突并且讓數(shù)據(jù)在樹狀拓?fù)渲行纬蛇B續(xù)接力傳輸?shù)男Ч?。Z-MAC[10]混合了CSMA與TDMA協(xié)議來提高信道利用率。協(xié)議為每個節(jié)點固定分配時隙用以傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點可以以CSMA方式競爭沒有被利用的時隙。

M2M網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)高度相關(guān)，不同MAC協(xié)議關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)特性、優(yōu)化的性能指標(biāo)和采取的技術(shù)手段各不相同，協(xié)議棧各層交互處理的范圍和程度也不盡相同。M2M網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的發(fā)展趨勢并沒有呈現(xiàn)收斂性，不存在通用MAC協(xié)議。在設(shè)計MAC層協(xié)議的時候，需要根據(jù)具體業(yè)務(wù)對不同性能進(jìn)行取舍和折衷。

2 系統(tǒng)模型與假設(shè)

本文場景為M2M網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)匯集業(yè)務(wù)。如圖1所示，整個網(wǎng)絡(luò)有一個中心節(jié)點(center node, CN)和N個數(shù)據(jù)節(jié)點(data node, DN)。網(wǎng)絡(luò)由CN控制，所有DN收集數(shù)據(jù)并只需一跳發(fā)送給CN，發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小均相同。DN被分為兩層，在高優(yōu)先級層內(nèi)的節(jié)點可以在任何一個幀內(nèi)競爭發(fā)送機(jī)會。普通優(yōu)先級的節(jié)點被分為不同組，節(jié)點以組為單位在特定的幀中競爭發(fā)送機(jī)會。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 HG-MAC協(xié)議設(shè)計

HG-MAC的發(fā)送過程由一個個幀組成，每個幀分為以下四個部分：通知信標(biāo)幀期(notion beacon period, NBP)、競爭期(contention only period, COP)、傳輸信標(biāo)幀期(transmission beacon period, TBP)和傳輸期(contention free period, CFP)，幀結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面給出各部分的具體描述。

圖2 幀結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 通知信標(biāo)幀期

CN向所有DN廣播信標(biāo)幀，宣告一個幀的開始。信標(biāo)幀包含COP階段的時長和允許競爭發(fā)送機(jī)會的組號，沒有被允許競爭的節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)，休眠時間為COP階段的時長。

3.2 競爭期

允許競爭的DN以CSMA/CA的方式競爭發(fā)送機(jī)會。DN向CN發(fā)送請求幀， CN成功收到后就會向此DN發(fā)送應(yīng)答幀，應(yīng)答幀包含了DN在CFP階段的發(fā)送順序。當(dāng)DN成功競爭到發(fā)送機(jī)會后進(jìn)入休眠狀態(tài)直到COP階段結(jié)束。HG-MAC中節(jié)點被分層，高優(yōu)先級層的節(jié)點可以再任意幀的COP階段競爭發(fā)送機(jī)會。

3.3 傳輸信標(biāo)幀期

在此階段中，所有節(jié)點均蘇醒來接受傳輸信標(biāo)幀。信標(biāo)幀包含CFP階段的時長，時長可由CN維持的計數(shù)器計算可得。

3.4 傳輸期

競爭到發(fā)送機(jī)會的節(jié)點以TDMA的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀中包含了節(jié)點當(dāng)前發(fā)送隊列中的待發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量，此信息被用于中心節(jié)點調(diào)整COP階段時長。節(jié)點在發(fā)送完成后進(jìn)入休眠，其余節(jié)點在整個傳輸期均休眠，所有節(jié)點均在傳輸期結(jié)束后醒來，以接受通知信標(biāo)幀，開始下一個幀。

4 COP時長與數(shù)據(jù)發(fā)送速率的關(guān)系

節(jié)點在COP階段以CSMA/CA方式競爭發(fā)送機(jī)會。節(jié)點需要發(fā)送的數(shù)據(jù)越多，節(jié)點競爭概率也就越大，也就越容易發(fā)生沖突。COP階段時長越長，發(fā)生沖突的概率就越小。我們假設(shè)在一個時隙內(nèi)發(fā)生沖突的概率p同待發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)量成正比，同COP時長成反比，如下式所示：

(1)

其中：A為待發(fā)送數(shù)據(jù)數(shù)量，TCOP為COP階段時長，K為比例系數(shù)。msuc為COP階段成功競爭到發(fā)送機(jī)會的節(jié)點數(shù)量，D為節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的大小，TCOP為COP階段時長，Ttra表示發(fā)送一個數(shù)據(jù)所需時間，Tbea表示發(fā)送所有信標(biāo)幀所需時間，可得數(shù)據(jù)傳輸速率P如下式所示：

(2)

COP階段，節(jié)點在競爭發(fā)送機(jī)會時遵循指數(shù)退避原則，令W為最小退避時間，Wi表示發(fā)生i次沖突后的第i次退避時間，Wi=2iW，i的取值范圍為0到m，m最大退避階數(shù)。b(t)為離散時間的隨機(jī)過程，表示節(jié)點在時隙t時的退避時間長度， b(t)=2iW，i∈[0,m]。s(t)表示時隙t時退避的階數(shù)，s(t)=i，i∈[0,m]。令二維隨機(jī)過程{s(t),b(t)}表示COP階段的退避過程，其一步轉(zhuǎn)移概率公式如式(3)所示：

(3)

(4)

ptr為任意時隙內(nèi)至少一個節(jié)點試圖發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，n為節(jié)點的數(shù)量，可得

(5)

ps為任意時隙內(nèi)節(jié)點成功傳送的概率，可得

(6)

COP階段中節(jié)點競爭發(fā)送機(jī)會是采用的是ASK/ACK模式，節(jié)點成功競爭發(fā)送機(jī)會所需的時間TS如式(7)所示：

TS=DIFS+ASK+SIFS+ACK+2δ

(7)

式(7)中，DIFS和 SIFS是CSMA/CA中的兩種幀間距，ASK和ACK分別是節(jié)點發(fā)送請求和中心節(jié)點發(fā)送回復(fù)所需時間，δ為數(shù)據(jù)傳輸時延。

同理COP階段一次沖突發(fā)生所需時間TC如下式所示：

(8)

通過以上公式可得成功競爭到發(fā)送機(jī)會節(jié)點的數(shù)量msuc如式(9)所示：

(9)

其中σ為COP中一個時隙的長度。求得msuc后，就可以得到HG-MAC的數(shù)據(jù)傳輸速率表達(dá)公式。

由以上數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知COP時長與負(fù)載情況同數(shù)據(jù)傳輸速率有著密切關(guān)系，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況來調(diào)整COP階段時長可以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。我們在HG-MAC中設(shè)計了COP時長動態(tài)調(diào)整機(jī)制。數(shù)據(jù)幀中保存節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)前的MAC層發(fā)送隊列長度。每一輪結(jié)束后，CN根據(jù)成功發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)量和節(jié)點平均隊列長度的變化來調(diào)整下一輪中的COP長度。調(diào)整機(jī)制分為以下5種情況：(1)節(jié)點發(fā)送隊列長度與成功發(fā)送節(jié)點數(shù)量均增大，這種情況說明本組負(fù)載正在增大，但是沖突程度還較低，中心節(jié)點在下一輪中小幅度增加COP時長。(2)節(jié)點發(fā)送隊列長度減小，成功發(fā)送節(jié)點數(shù)量增大，這種情況說明本組的負(fù)載正在降低，中心節(jié)點在下一輪中小幅度減小COP時長。(3)節(jié)點發(fā)送隊列長度增加，成功發(fā)送節(jié)點數(shù)量減小。這種情況說明本組負(fù)載正在變大，同時沖突也在加劇，中心節(jié)點在下一輪中大幅度增加COP時長。(4)加點發(fā)送隊列長度和成功發(fā)送節(jié)點數(shù)量均減小。這種情況說明本組負(fù)載水平較低，中心節(jié)點在下一輪中大幅度減小COP時長。(5)成功發(fā)送節(jié)點的數(shù)量為零，中心節(jié)點在下一輪中小幅度減小COP時長。為了防止COP時長的劇烈波動，COP時長變化范圍存在上界和下界。

5 實驗與仿真

本文采用OPNET軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，在數(shù)據(jù)傳輸速率、信道利用率和能量效率三個方面同固定COP時長的HG-MAC、CSMA/CA協(xié)議和TDMA協(xié)議進(jìn)行對比， HG-MAC的初始COP時長為0.002秒，固定COP時長的HG-MAC中COP時長也為0.002秒。仿真拓?fù)錇樾切瓮負(fù)?，一個中心節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，300個數(shù)據(jù)節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集工作。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

5.1 數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率定義為中心節(jié)點收到有用數(shù)據(jù)的速率。本文用在一個固定時間間隔內(nèi)一個節(jié)點試圖接入信道的平均嘗試次數(shù)表示不同的負(fù)載，時間間隔為產(chǎn)生間隔。嘗試次數(shù)越多網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載就越重，產(chǎn)生間隔越短負(fù)載越重。圖3和圖4為在產(chǎn)生間隔為0.004秒和0.2秒兩種情況下的仿真結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為嘗試次數(shù)，縱坐標(biāo)為數(shù)據(jù)傳輸速率。如圖3所示，產(chǎn)生間隔為0.004秒時，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載非常大，TDMA的表現(xiàn)最好，CSMA/CA由于沖突表現(xiàn)最差，HG-MAC表現(xiàn)在前兩者之間且COP時長可動態(tài)調(diào)整的要比固定COP時長的表現(xiàn)要好。如圖4所示，當(dāng)產(chǎn)生間隔為0.2秒時，HG-MAC表現(xiàn)比固定COP時長的HG-MAC、TDMA和CSMA/CA均好。CSMA/CA由于沖突的加劇，數(shù)據(jù)傳輸速率先上升，后在橫坐標(biāo)1.7之后開始下降。

圖3 在重負(fù)載情況下的數(shù)據(jù)傳輸速率對比圖

圖4 在中等負(fù)載情況下的數(shù)據(jù)傳輸速率對比圖

5.2 能量效率

能量效率為中心節(jié)點完成固定數(shù)據(jù)收集任務(wù)所消耗的能量的倒數(shù)，為了方便比較我們對其數(shù)值進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。在M2M網(wǎng)絡(luò)通信過程中，無線發(fā)送、無線接收、空閑偵聽和休眠所耗能量比為15:13:13:1[10]。

圖5為產(chǎn)生間隔為0.2秒情況下的能量效率仿真結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為嘗試次數(shù)，縱坐標(biāo)為能量效率。因為HG-MAC中的休眠機(jī)制，能量效率隨負(fù)載變化波動不大，在不同負(fù)載情況下的能量效率均優(yōu)于固定COP時長的HG-MAC、TDMA和CDMA/CA。

圖5 能量效率對比圖

5.3 信道利用率

圖6為產(chǎn)生間隔為0.2秒情況下的信道利用率仿真結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為嘗試次數(shù)，縱坐標(biāo)為信道利用率。從圖中可以看出，HG-MAC的比固定COP時長的HG-MAC、TDMA與CSMA/CA均要高。

圖6 信道利用率對比圖

6 結(jié)論

本文提出了一種新的HG-MAC協(xié)議，該協(xié)議可以應(yīng)用在以數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)為主的M2M網(wǎng)絡(luò)中。在HG-MAC中，基于競爭的協(xié)議和基于調(diào)度的協(xié)議被組合在一起。時間幀被分為NBP、COP、TBP和CFP四個階段，數(shù)據(jù)節(jié)點在COP階段競爭發(fā)送機(jī)會，在CFP階段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。分組機(jī)制被引入HG-MAC以減少沖突。數(shù)據(jù)節(jié)點被分為不同優(yōu)先級，高優(yōu)先級節(jié)點有更多競爭機(jī)會以提供QoS保障。為了提高能量效率，HG-MAC中設(shè)計了休眠機(jī)制。對COP時長與數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，并提出了一種COP動態(tài)調(diào)整機(jī)制。仿真結(jié)果表明HG-MAC在數(shù)據(jù)傳輸速率、能量效率和信道利用率上都優(yōu)于CSMA/CA和TDMA。

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A Energy-Efficient MAC Protocol for M2M Network

Xu Chang, Wang Cong, Liu Lingya, Li Ning

(Institute of Communications Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007，China)

To decrease collision in MAC layer and improve energy efficiency in M2M network, a Hybrid and Grouping MAC (HG-MAC) is proposed. Through consisting of contention-based protocol and schedule-based protocol, dormancy mechanism is used to save energy. Devices are grouped and graded to reduce collision and offer QoS guarantee. To improve flexibility, dynamic adjustment is used. To research the influence of COP duration on HG-MAC, two dimensions Markov chain is used to analyze the relationship of data transmission rate and COP duration. Through the simulation used OPNET, HG-MAC is contrasted with CSMA/CA and TDMA. The simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed HG-MAC protocol. The simulation results demonstrate the HG-MAC protocol is better than others in data transmission rate, energy efficiency and utility.

medium access control (MAC); energy efficiency; machine-to-Machine network; dormancy mechanism

2015-12-23；

2016-01-25。

國家自然科學(xué)基金(61371123)。

徐 昶(1990-)，男，黑龍江綏化人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方向的研究。

1671-4598(2016)03-0277-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.076

TP393

A