馮雪麗， 顏伏伍， 胡 杰

(1.杭州科技職業(yè)技術學院 機電工程學院，浙江 杭州 311402； 2.武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070)

基于跨層競爭的同步MAC協(xié)議研究*

馮雪麗1,2， 顏伏伍1， 胡 杰1

(1.杭州科技職業(yè)技術學院機電工程學院，浙江杭州311402；2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070)

在無線傳感器網絡(WSNs)中，基于跨層競爭的同步媒體接入控制(MAC)在一周期內可安排多個數據包的多跳傳輸，傳統(tǒng)的協(xié)議在同一個數據窗口傳輸請求數據包和確認數據包，降低了數據窗口的多跳流量的建立，也降低了在多跳場景中的數據包傳輸率和傳輸時延性能。本文提出了基于新的基于跨層競爭的同步MAC(CLC-MAC)協(xié)議，CLC-MAC協(xié)議引用新的周期結構，且其包含兩個獨立窗口，并由該窗口分別傳輸數據請求包和確認包，即請求包在數據窗口傳輸，而確認包在休眠窗口傳輸。實驗數據表明：與先鋒路由幀MAC(PRMAC)協(xié)議相比，CLC-MAC協(xié)議的端到端傳輸時延和數據包傳輸率的性能均得到了提高。

無線傳感器網絡； 媒體接入控制協(xié)議； 跨層競爭； 周期結構； 窗口

0 引 言

檢測并報告偏遠地區(qū)或危險區(qū)域的異常事件成為無線傳感網絡(wireless sensor networks, WSNs)的重要應用[1～2]。在監(jiān)測區(qū)域內，一旦檢測到異常事件，傳感節(jié)點即將數據包傳輸到基站[3，4]。為了實時、快速地檢測異常事件，需降低數據傳輸時延。與異步媒體接入控制(medium access control,MAC)協(xié)議相比，同步MAC協(xié)議無競爭且具有更低的端到端傳輸時延。因此，基于競爭的同步MAC是這些應用的不錯選擇。

目前，研究人員對同步MAC協(xié)議進行了較深入的研究。文獻[5]提出了傳感器MAC(sensor MAC,SMAC)協(xié)議，其采用了周期的休眠—喚醒策略控制空閑監(jiān)聽時間。文獻[6]提出了路由MAC(routing MAC,RMAC)協(xié)議。RMAC協(xié)議引用交互層(路由層)信息。致使一旦完成媒體競爭，節(jié)點就在數據倉庫(data warehouse,DW)內計劃數據包的多跳傳輸。然而與文獻[7～10]相同，RMAC協(xié)議在一周期內僅安排一個數據包，即使節(jié)點向同一個目的節(jié)點傳輸多個數據包。文獻[11]提出了先鋒路由幀MAC(pioneer routing frame MAC,PRMAC)協(xié)議。允許在一個周期內傳輸多個數據包。相比于RMAC協(xié)議PRMAC協(xié)議提高了端到端傳輸時延和數據包傳輸率。

本文以PRMAC協(xié)議為基礎，并面向多跳場景，提出了跨層競爭的同步媒體接入控制(cross layer competition MAC,CLC-MAC)協(xié)議。CLC-MAC協(xié)議引用新的周期策略，將請求發(fā)送數據(request to send data,RTSD)包在DW內傳輸，而確認發(fā)送數據(confirm to send data,CTSD)包放在休眠窗口(sleep window,SlpW)中傳輸，進而提高了DW中的多跳數據流的長度，并減少了端到端傳輸時延和數據包傳遞率。

1 PRMAC協(xié)議

考慮如圖1所示的網絡拓撲圖，節(jié)點A離基站(base station,BS)有2跳距離，而節(jié)點B位于兩者中間，即節(jié)點B成為節(jié)點A的下一跳轉發(fā)節(jié)點。

圖1 網絡拓撲圖

假定節(jié)點A需要向基站傳輸2個數據包。數據包傳輸過程如圖2所示。在DW中，當接入媒介后，節(jié)點即向下一跳接收節(jié)點發(fā)送先遣(PION)包。PION包的格式如表1所示。

表1 PION包格式

節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送PION包PION(A)，其包含了2項信息：節(jié)點A需要向B傳輸的數據包數Num_transmittedpackets=2和節(jié)點A離數據包源節(jié)點的距離Hop_source=0。由于源節(jié)點就是A，則此項距離為0跳。 當接收PION(B)包，節(jié)點B即向其基站傳輸PION包PION(B)，請求數據包傳輸。PION(B)也包含了其需要向基站傳輸的數據包數Num_transmittedpackets=2以及與源節(jié)點的距離Hop_source=1，此時，距離為1跳。

當節(jié)點A監(jiān)聽到PION(B)，節(jié)點A即進入休眠狀態(tài)。如圖2所示，由于DW的剩余時間不足于傳輸PION包，則節(jié)點B和C休眠。

休眠時間結束后，節(jié)點A和B被喚醒，并開始傳輸和接收數據包。

盡管PRMAC降低了端到端傳輸時延并提高了數據包傳遞率，但存在一些不足：1)PRMAC協(xié)議僅當DW的剩余時間不小于TPION+SIFS時，PRMAC協(xié)議才傳輸PION包；2)請求數據包和確認數據包均在DW內傳輸。

圖2 PRAMR協(xié)議的數據包傳輸過程

2 CLC-MAC算法

2.1 周期結構

CLC-MAC算法的周期結構如圖3所示。每個周期由兩個窗口構成：喚醒窗口(wake window,WW)和SlpW。在WW，所有節(jié)點保持喚醒狀態(tài)。而WW由SW和DW構成。在SW中，每個節(jié)點周期廣播SYNC包，其包含了發(fā)送節(jié)點的當前喚醒—休眠策略，進而保持同步。

圖3 CLC-MAC算法的周期結構

在DW中，先通過CW完成媒體競爭，節(jié)點再請求下一跳節(jié)點接收數據包，并轉發(fā)RTSD包[12]，進而完成數據包的多跳傳輸。RTSD包含發(fā)送節(jié)點的地址、接收節(jié)點的地址、離源節(jié)點跳距、需要發(fā)送的數據包數Num_Packets和目的節(jié)點地址Add_Des。RTSD的格式如表2所示。

表2 RTSD格式

而在SlpW窗口，所有節(jié)點保持休眠狀態(tài)。同時，Slpw窗口進一步劃分為2個子窗口：SlpW1和SlpW2。而SlpW1包含了N個確認窗口(confirm window,CFW)和一個請求窗口(request window,RQW)，其中,N可由式(1)計算

(1)

式中TRTSD,TDW分別為傳輸RTSD、窗口DW的時長;SIFS為幀間間隔。

如圖4所示，CFWi表示第i個CFW，且I≤i≤N。而RQW和CFW的窗口分別等于SIFS+TRTSD,SIFS+TCTSD，其中,TCTSD為傳輸CTSD包[12]的時長。如果一個節(jié)點接收RTSD包，且其包含發(fā)送節(jié)點離源節(jié)點的跳距。如果跳距為i，則節(jié)點就在CFWi+1窗口開始喚醒，并向其上游節(jié)點傳輸CTSD包。傳輸的CTSD包含了發(fā)送節(jié)點地址、接收節(jié)點地址，需要傳輸的數據包數。

2.2 數據包傳輸

仍以圖1的網絡拓撲為例，描述數據包傳輸過程。仍假定節(jié)點A需通過節(jié)點B向信宿S傳輸2個數據包。

在節(jié)點A的DW中，一旦接入媒介，節(jié)點A就向節(jié)點B發(fā)送數據請求包RTSD，發(fā)送完成，即進入休眠狀態(tài)。RTSD包包含了節(jié)點A，B和目的節(jié)點S的地址，也包含了A欲向信宿S發(fā)送的數據包數，即Num_Packets=2，如表2所示。

一旦節(jié)點B接收到RTSD包，節(jié)點B即向信宿S發(fā)送數據請求包RTSD。與節(jié)點A類似，傳輸完RTSD包后即進入休眠狀態(tài)。最終，信宿S將接收到RTSD包，隨后進入休眠狀態(tài)。然后，信宿S在CNF2窗口開始時喚醒，并接收來自節(jié)點B的數據包，并向節(jié)點B回復CTSD包。CTSD包包含了節(jié)點S能夠接收的數據包數，整個數據轉發(fā)流程如圖4所示。

圖4 數據包傳輸過程示意

通過這種方式，使得RTSD和CTSD在2個不同窗口傳輸。相比于PRMAC協(xié)議，CLC-MAC協(xié)議在不增加TDW的同時，提高了流量窗口的長度。

3 性能仿真

3.1 仿真參數

為了更好地分析CLC-MAC協(xié)議性能，利用NS2.3.5仿真軟件建立仿真平臺[13,14]，分析CLC-MAC性能，并與PRMAC協(xié)議性能進行比較。考慮1 800 m×1 800 m的監(jiān)測區(qū)域，且900個節(jié)點均勻分布于監(jiān)測區(qū)域。同時，信宿位于區(qū)域中心，即信宿位于(900,900)m。

為了性能分析，改變源節(jié)點離信宿的跳距 ，在仿真過程中，h從1至6變化。在每一跳，隨機選擇一個節(jié)點作為源節(jié)點。源節(jié)點產生CBR流量，且數據包間隔為1s。此外，每個傳感節(jié)點包含一個全向天線。而PRMAC協(xié)議和CLC-MAC協(xié)議相關的數據包和控制包尺寸如表3所示。

表3 數據包尺寸

周期時間時長分別如表4所示。

表4 周期時長

3.2 性能分析

分析數據包傳輸時延隨跳距h的影響，如圖5所示。從圖5可知，隨著跳距h的增加，數據包傳輸時延也隨之增加。這主要是：跳距增加了數據包傳輸路徑，必然增加傳輸時延。與PRMAC協(xié)議相比，提出的CLC-MAC的傳輸時延得到有效地控制。當跳距為4時，PRMAC協(xié)議的傳輸時延約30 s，而CLC-MAC的傳輸時延為18 s，降低了約40 %。隨著跳距的增加，CLC-MAC協(xié)議的控制時延的性能越好。當跳距為6時，CLC-MAC協(xié)議的端到端傳輸時延較PRMAC協(xié)議時延降低了約50 %。

圖5 數據包傳輸時延

圖6顯示了數據包傳輸率隨跳距的變化曲線。從圖6可知，與PRMAC協(xié)議相比，提出的CLC-MAC協(xié)議的數據傳輸率得到了有效提高，并且隨跳距的增加，兩者的性能差距越大。原因在于：在同一個DW窗口，CLC-MAC協(xié)議能夠通過多跳傳輸其數據包。當跳距為6時，CLC-MAC協(xié)議的數據包傳輸率較PRMAC協(xié)議提高了近38.0 %。

圖6 數據包傳遞率

最后，分析了PRMAC協(xié)議和CLC-MAC協(xié)議的平均能耗，實驗數據如圖7所示。從圖7可知，CLC-MAC協(xié)議的能耗高于PRMAC協(xié)議，換言之，CLC-MAC協(xié)議是以略高的能耗換取高的數據包傳輸率和低時延。

圖7 平均能耗

4 結束語

針對多跳的無線傳感器網絡的MAC協(xié)議，提出了基于跨層競爭的同步媒體接入控制協(xié)議CLC-MAC。CLC-MAC協(xié)議通過采用2個不同調度窗口分別傳輸請求包和確認包，增加了數據窗口的流量。實驗數據表明：提出的CLC-MAC協(xié)議降低了傳輸時延，也提高了數據包傳遞率。然而，與PRMAC協(xié)議相比，CLC-MAC協(xié)議的能耗較高，亦為后期研究工作的重點。

[1] Papadopoulos G Z,Kotsiou V,Gallais A,et al.Wireless medium access control under mobility and bursty traffic assumptions in WSNs[J].Mobile Networks and Applications,2015,20(5):649-660.

[2] Ye W,Heidemann J,Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking，2014,12(3):493-506.

[3] Koutsakis P.On increasing energy conservation for wireless sensor networks[C]∥International Conference on Wireless and Mobile Communications,2016:4-14.

[4] Van Dam T,Langendoen K.Energy-efcient MAC:An adaptive energy-efcient MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proceedings of the International Conference on Embedded Networked Sensor Systems(Sen Sys),2013:23-31.

[5] Ye W,Heidemann J,Estrin D.Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks[J].IEEE/ACM Trans on Netw,2014,12(3):493-506.

[6] Du S,Saha A,Johnson D.RMAC:A routing enhanced duty cycle

MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc INFOCOM,2016:1478-1486.

[7] Sun Y,Du S,Gurewitz O.DW-MAC:A low latency energy efficient demand-wakeup MAC protocol for wireless sensor net-works[C]∥Proc Mobi Hoc,2013:53-62.

[8] Liu G,Yao G.SRMAC:Staggered routing-enhanced MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc Wi COM,2014:1-6.

[9] Cho K T,Bahk S.HE-MAC:Hop extended MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc GLOBCOM,2015:1-6.

[10] Cho K T,Bahk S.Optimal hop extended MAC protocol for wireless sensor networks[J].Comput Netw,2013,56(4):1458-1469.

[11] Canli T,Khokhar A.PRMAC:Pipelined routing enhanced MAC protocol for wireless sensor networks[C]∥Proc ICC,2013:1-5.

[12] Singh R,Chouhan S.A cross-layer MAC protocol for contention reduction and pipelined flow optimization in wireless sensor networks[C]∥Proc RETIS,2015:58-63.

[13] Hefeida M S,Canli T,Khokhar A.CL-MAC:A cross-layer MAC protocol for heterogeneous wireless sensor networks[J].Ad Hoc Netw,2013,11(1):213-225.

[14] Ripudaman Singh,Brijesh Kumar Rai,Sanjay K Bose.A novel framework to enhance the performance of contention-based synchronous MAC protocols[J].IEEE Sensors J,2016,16(16):6447-6457.

ResearchonsynchronousMACprotocolbasedoncrosslayercompetition*

FENG Xue-li1,2, YAN Fu-wu1, HU Jie1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HangzhouPolytechnic,Hangzhou311402,China;2.AutomotiveEngineeringInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

Synchronous medium access control(MAC)protocols based on cross-layer competition for wireless sensor networks(WSNs)enable multi-hop transmission of multiple data packets in a cycle.Traditional protocols transmit both the request-to-send data(RTSD)process and the conrm-to-send data(CTSD)process in the same data transmission scheduling window(i.e.data window),this reduces the length of the multi-hop flow setup in the data window.In a multi-hop scenario,this degrades both the packet delivery ratio and the end-to-end transmission delay.Therefore,a new cross-layer competition based synchronous MAC(CLC-MAC)protocol is proposed.The proposed protocol uses a novel cycle structure,which contains two separate windows for transmitting data request and confirmation packets.It accommodates the request-to-send data process in the data window and the conrmation-to-send data process in the sleep window.Simulation results show that proposed protocol outperforms pioneer routing frame MAC(PRMAC)both in terms of the end-to-end delay and the packet delivery ratio.

wireless sensor networks(WSNs); medium access control(MAC) protocol; cross layer competition; cycle structure; window

10.13873/J.1000—9787(2017)11—0028—04

TN 929.5

A

1000—9787(2017)11—0028—04

2017—09—05

國家自然科學基金資助項目(E060407); 浙江省教育廳科研資助項目(Y201636781)

馮雪麗(1981-)，女，碩士，副教授，主要研究領域為汽車電子電控技術。

顏伏伍(1967-) ，男，博士，教授，博士生導師，主要研究領域為汽車排放控制及電控技術。