徐 震，雷利紅，宋華華，夏靜山

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)非對稱鏈路MAC協(xié)議研究*

徐 震，雷利紅，宋華華，夏靜山

（武漢輕工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430023）

低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的生存周期，但卻帶來一些額外的問題，如較長的等待延時等。低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)接收端啟動的MAC協(xié)議，能夠很好地實現(xiàn)節(jié)能目的。然而，當(dāng)鏈路高度不對稱時，接收端啟動的MAC協(xié)議卻不盡人意。因此，提出一種新穎的MAC協(xié)議（AL-MAC），即在接收端發(fā)起協(xié)議表現(xiàn)不佳時，自動切換到發(fā)送端發(fā)起協(xié)議，使兩種協(xié)議都能發(fā)揮出自身優(yōu)點，從而減少由于非對稱鏈路而導(dǎo)致的性能下降。仿真結(jié)果表明，相對于A-MAC協(xié)議，這種協(xié)議能更好地提高數(shù)據(jù)包成功接收率和降低數(shù)據(jù)包傳輸時延。

低占空比；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；非對稱鏈路；MAC協(xié)議

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN：Wireless Sensor Network）由許多具有信息采集功能的節(jié)點組成。這些節(jié)點體積微小，部署在需要監(jiān)測的范圍內(nèi)，可以采集需要的信息并發(fā)送給匯聚節(jié)點。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)使用方便，價格低廉，因此得到了醫(yī)學(xué)界﹑學(xué)術(shù)界以及軍事領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。傳感器節(jié)點大多數(shù)都是依靠電池供電，節(jié)點的能量通常有限，如何提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命是一個非常重要的問題。傳感器節(jié)點通信時需要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，消耗的能量是最多的；而睡眠狀態(tài)下所消耗的能量是最低的。因此，讓節(jié)點空閑時進入睡眠狀態(tài)，可以大大節(jié)省節(jié)點能量，延長整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。在MAC協(xié)議中加入睡眠機制，是一種行之有效的方法。于是，這種情況下，出現(xiàn)了低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議不僅有發(fā)送端發(fā)起模

式，還有接收端發(fā)起模式。發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議如X-MAC[1]和BoX-MAC-1[2]，需要傳輸先導(dǎo)控制幀；接收端發(fā)起的MAC協(xié)議如R-MAC[3]和A-MAC[4]。每當(dāng)接收端從睡眠狀態(tài)被喚醒時，會廣播探測幀，但傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送端需處于偵聽狀態(tài)并等待，直到收到探測幀。可見，接收端發(fā)起的優(yōu)勢是不需要發(fā)送先導(dǎo)控制幀。

在對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究與探索中，很多實驗結(jié)果與理論分析表明：非對稱鏈路是普遍存在的。一般情況下，節(jié)點的使用率不同，節(jié)點電池所消耗的能量也會有所不同。節(jié)點通信所覆蓋的范圍也會受到環(huán)境的影響。當(dāng)節(jié)點所處的環(huán)境出現(xiàn)差異時，會導(dǎo)致覆蓋范圍不對稱（鏈路不對稱），從而影響數(shù)據(jù)的傳輸時延和成功接收率。接收端發(fā)起的MAC協(xié)議的性能受到非對稱鏈路的影響，因為發(fā)送端需要收到來自接收端的探測幀，只有接收到該探測幀，發(fā)送端才開始數(shù)據(jù)傳輸。由于鏈路是不對稱的，可能會引起兩個潛在的問題發(fā)生：（1）當(dāng)探測幀未能傳輸給發(fā)送端時，接收探測幀的發(fā)送端必須保持偵聽狀態(tài)等待下一個探測幀，這個過程會增加網(wǎng)絡(luò)延時和能量消耗；（2）由于下行鏈路質(zhì)量較差，發(fā)送端不會發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文針對存在非對稱鏈路的低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的非對稱鏈路MAC協(xié)議——AL-MAC協(xié)議。該協(xié)議綜合了接收端發(fā)起模式和發(fā)送端發(fā)起模式兩種MAC協(xié)議的優(yōu)點，能夠根據(jù)鏈路的不對稱性，使節(jié)點在發(fā)射端發(fā)起和接收端發(fā)起之間進行動態(tài)切換。

1 相關(guān)研究

在低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，占空比機制主要分為同步占空比和異步占空比。在同步占空比情況下，鄰居節(jié)點之間有相同的時間調(diào)度，可以在工作和睡眠上實現(xiàn)同步。而在異步占空比情況下，節(jié)點有自己的占空比，并且能夠獨立分配自己的工作時隙。因為同步占空比需要時間完全同步，而實現(xiàn)這一目標(biāo)具有難度，所以異步占空比使用較為廣泛。目前，提出了異步占空比無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種協(xié)議。例如，在S-MAC[5]協(xié)議中，偵聽和睡眠的周期都是固定的。在此機制中，時間被分為多幀，每幀都包含活動狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。在活動狀態(tài)，節(jié)點能夠傳輸數(shù)據(jù)分組，跟鄰居節(jié)點通信交互信息。而在睡眠狀態(tài)，節(jié)點為降低能量損耗，從而關(guān)閉發(fā)射接收模塊。當(dāng)節(jié)點處于睡眠狀態(tài)而需要處理數(shù)據(jù)時，會緩存數(shù)據(jù)直到活動狀態(tài)時再處理。在此調(diào)度機制下，減少了空閑監(jiān)聽，實現(xiàn)了降低能量損耗的目標(biāo)。L-MAC[6]協(xié)議采用調(diào)度機制，將節(jié)點一個周期的時間劃分為發(fā)送時間﹑睡眠時間和接收時間。其中，接收時間與發(fā)送時間是相同的，下一層節(jié)點的發(fā)送時間能夠與上一層節(jié)點的接收時間相對應(yīng)，這樣數(shù)據(jù)就能夠順利從數(shù)據(jù)源節(jié)點傳送到匯聚節(jié)點，并且降低了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的時延。

最近，MAC協(xié)議研究的方向主要有發(fā)送端發(fā)起機制和接收端發(fā)起機制。發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議如X-MAC，需要傳輸先導(dǎo)控制幀，從而產(chǎn)生了能量浪費；另一方面，接收端發(fā)起的MAC協(xié)議如R-MAC和A-MAC，每當(dāng)從睡眠狀態(tài)醒來時，接收端會廣播一個探測幀，但傳輸數(shù)據(jù)的發(fā)送端需處于偵聽狀態(tài)并等待，直到探測幀被接收；在發(fā)送端沒有接收到探測幀時，不能進行數(shù)據(jù)傳輸。與發(fā)送端發(fā)起的MAC協(xié)議相比，這種MAC協(xié)議方式避免了發(fā)送先導(dǎo)控制幀的能量消耗。然而，根據(jù)之后的顯示，接收端發(fā)起的MAC協(xié)議在非對稱鏈路網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)效果并不好。當(dāng)發(fā)送端等待超時無法接收探測幀或者探測幀由于鏈路的不對稱而無法傳輸時，接收探測幀的一端必須一直處于偵聽狀態(tài)，直到探測幀到達(dá)并被接收，這樣就會導(dǎo)致能源浪費和延時增加。在高度非對稱鏈路中，探測幀容易被丟棄，降低了數(shù)據(jù)包成功接收率。

2 AL-MAC協(xié)議

2.1 AL-MAC協(xié)議設(shè)計

為設(shè)計一種低占空比MAC協(xié)議，使無線傳感網(wǎng)絡(luò)在鏈路高度不對稱的情況下也能很好工作，本文提出了一種新穎的協(xié)議——AL-MAC協(xié)議。該協(xié)議綜合發(fā)送端發(fā)起模式和接收端發(fā)起模式的優(yōu)點，以接收端啟動的MAC協(xié)議為基礎(chǔ)，減少先導(dǎo)控制幀的發(fā)送次數(shù)，同時把發(fā)送端發(fā)起模式的設(shè)計思想整合到接收端發(fā)起模式的MAC協(xié)議里，以解決非對稱鏈路問題。

AL-MAC協(xié)議有兩種操作模式：接收端模式及發(fā)送端模式。接收端模式為默認(rèn)模式，此時協(xié)議使用接收端發(fā)起的MAC協(xié)議。當(dāng)發(fā)送端在一個探測周期內(nèi)無法從接收端接收到探測幀時，就會切換到發(fā)送端模式。在發(fā)送端模式下，發(fā)送端發(fā)出一系列小的先導(dǎo)控制幀去通知數(shù)據(jù)的接收端，接收端一旦接收到先導(dǎo)控制幀中傳輸數(shù)據(jù)的消息，就會開始數(shù)據(jù)傳輸。

如果發(fā)送端超時收不到探測幀，將從接收模式切換到發(fā)送端發(fā)起模式，接收端也需要切換到發(fā)送端發(fā)起模式。因此，接收端發(fā)送的探測幀之間要留出一個時間間隔。在這個時間間隔內(nèi)，接收端根據(jù)收到的先導(dǎo)控制幀中的消息，切換其工作模式為發(fā)送端發(fā)起模式。這樣，雙方就同時處在發(fā)送端發(fā)起模式下，從而順利地進行數(shù)據(jù)傳輸了，如圖1所示。

圖1 AL-MAC協(xié)議操作

2.2 AL-MAC算法分析

當(dāng)一個節(jié)點收到源節(jié)點（發(fā)送端）發(fā)來的消息后，接收消息的節(jié)點會從睡眠狀態(tài)醒來并廣播探測幀。此時，會出現(xiàn)兩種情況：（1）接收消息的節(jié)點發(fā)出的探測幀被源節(jié)點接收，數(shù)據(jù)就會成功由源節(jié)點到達(dá)接收消息的節(jié)點；（2）探測幀沒有被源節(jié)點接收，源節(jié)點需一直處于等待狀態(tài)；當(dāng)?shù)却龝r間超過一個探測幀的發(fā)送周期，此時MAC協(xié)議由接收端啟動切換為發(fā)送端啟動模式；源節(jié)點給接收消息的節(jié)點發(fā)送先導(dǎo)控制幀，但是發(fā)送的先導(dǎo)控制幀可能會與探測幀之間存在碰撞；當(dāng)兩者發(fā)生碰撞時，源節(jié)點需要在第二個時間間隔期間發(fā)送先導(dǎo)控制幀，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，如圖2所示。

圖2 探測幀與先導(dǎo)控制幀之間的碰撞

3 性能評價及仿真結(jié)果

為了評價AL-MAC協(xié)議的性能，通過網(wǎng)絡(luò)仿真平臺對AL-MAC以及A-MAC進行了性能比較。仿真平臺采用2.30版的NS2。仿真實驗中共布置7個節(jié)點，其中1個節(jié)點為發(fā)送節(jié)點，其余6個節(jié)點為接收接收分布在發(fā)送節(jié)點一跳范圍內(nèi)的節(jié)點。發(fā)送節(jié)點每隔1 s發(fā)送一個15 Bytes的數(shù)據(jù)包到接收節(jié)點，發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包。

對于AL-MAC協(xié)議，主要從數(shù)據(jù)包傳輸時延和數(shù)據(jù)包成功接收率兩個方面來評估其性能。

3.1 數(shù)據(jù)包傳輸時延

圖3顯示了兩種MAC協(xié)議的單個數(shù)據(jù)包的傳輸時延隨著非對稱性變化的曲線。由仿真結(jié)果可知，傳輸時延隨著不對稱性程度的增加而增大。這主要是因為當(dāng)非對稱性很高時，發(fā)送端接收不到探測包的可能性就會增加。當(dāng)發(fā)送端收不到探測幀時，它就會等待下一個探測幀，從而增加數(shù)據(jù)包的傳輸時延。AL-MAC協(xié)議的傳輸時延不會超過1 s，因為當(dāng)連續(xù)兩次未能收到探測包時，將自動切換為發(fā)送端發(fā)起模式。例如，當(dāng)鏈路非對稱性為70%時，A-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時延為1 100 ms，而AL-MAC協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳輸時延為520 ms。可見，AL-MAC協(xié)議能夠降低數(shù)據(jù)包的傳輸時延。

圖3 非對稱性和數(shù)據(jù)包傳輸時延

3.2 數(shù)據(jù)包成功接收率（PRR）

在本次仿真實驗中，接收端每隔500 ms發(fā)送一個探測幀。從圖4（a）的仿真實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)不對稱性較低時，兩種協(xié)議都能產(chǎn)生好的效果。然而，當(dāng)不對稱性較高時，兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功接收率都會隨著不對稱的增加而減小。這主要是因為發(fā)送端每隔1 s發(fā)送數(shù)據(jù)包，而接收端發(fā)送探測幀的間隔為500 ms，導(dǎo)致發(fā)送端可能在兩次連續(xù)的時間內(nèi)有一個探測幀收不到，進而致使發(fā)送端的數(shù)據(jù)包被丟棄，減少數(shù)據(jù)包被成功接收的次數(shù)。當(dāng)不對稱性很高時，發(fā)送端在連續(xù)時間內(nèi)錯過探測幀的可能性就會增加。AL-MAC協(xié)議如果在1 s內(nèi)檢測不到探測幀，會自動切換到發(fā)送端模式，且直接通過下行鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)。實驗表明，AL-MAC的數(shù)據(jù)包接收成功率高于A-MAC。如果把接收端發(fā)送探測幀的頻率調(diào)整為1 s，圖4（b）仿真結(jié)果顯示，在不對稱性增加的情況下，兩種協(xié)議的數(shù)據(jù)包成功接收率都會降低。AL-MAC在第一次丟棄探測幀后，由于超時時限為1 s，發(fā)送端不會再等待第二次探測幀，而是切換到發(fā)送端發(fā)起模式。因此，ALMAC的數(shù)據(jù)包接收率成功仍然明顯高于A-MAC。

圖4 非對稱性和數(shù)據(jù)包成功接收率

4 結(jié) 語

本文對于低占空比無線傳感網(wǎng)絡(luò)存在非對稱鏈路問題提出了一種AL-MAC協(xié)議。該協(xié)議能夠在接收端發(fā)起模式和發(fā)送端發(fā)起模式間動態(tài)切換，綜合了兩種協(xié)議的優(yōu)點，減少了因鏈路不對稱造成的數(shù)據(jù)包傳輸時延，提高了數(shù)據(jù)包成功接收率。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議比A-MAC協(xié)議更適用于存在非對稱鏈路的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

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Asymmetric Links MAC Protocol for Low-Duty-Cycled W ireless Sensor Networks

XU Zhen, LEI Li-hong, SONG Hua-hua, XIA Jing-shan

(School of Electrical and Electronic engineering, Wuhan Polytechnic University, Wuhan Hubei 430023, China)

Low-duty-cycle wireless sensor networks can prolong life time of the node in the network, but also brings some extra problems, such as long waiting delay. Recently-proposed low duty-cycled receiver-initiated MAC protocols could well realize the purpose of energy saving, and however, these protocols would perform poorly when highly asymmetric links occur. A hybrid MAC protocol called AL-MAC and incorporating the advantages of both receiver-initiated and sender- initiated MAC protocols is proposed. The protocol would switch to sender-initiated MAC protocols when receiver-initiated MAC protocols perform poorly due to asymmetric links. Experimental results indicate that the proposed AL-MAC protocol could fairly increase packet reception ratio and reduce packet transmission delay as compared with A-MAC protocol.

low-duty cycle; wireless sensor network; asymmetric link; MAC protocol

TP393

A

1002-0802(2016)-11-1482-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.013

徐 震（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)；

雷利紅（1993—），女，學(xué)士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)通信；

宋華華（1992—），男，學(xué)士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)通信；

夏靜山（1994—），男，學(xué)士，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)通信。

2016-07-15；

2016-10-16 Received date:2016-07-15;Revised date:2016-10-16