史玲華,吳松麗

(駐馬店職業(yè)技術學院信息工程系,河南 駐馬店 463000)

無線傳感網(wǎng)絡WSNs(Wireless Sensor Networks)已廣泛應用于異常事件檢測和重要數(shù)據(jù)收集[-2]。傳感節(jié)點以單播或組播方式將檢測到的數(shù)據(jù)或接收的數(shù)據(jù)包傳輸至目的節(jié)點。盡管單播已廣泛應用,但仍具有局限性。對于軟件更新或警示信息分發(fā)時,選擇組播方式將數(shù)據(jù)包傳輸至多個節(jié)點更為便利。然而,維持組播業(yè)務的服務質(zhì)量QoS(Quality of Service)存在挑戰(zhàn),特別是在異構流量業(yè)務環(huán)境[3]。本文所考慮的異構體現(xiàn)于多個業(yè)務間要求不同,如有些業(yè)務對時延敏感、有些業(yè)務允許一定的時延,即業(yè)務性能存在差異性。

盡管有些應用需要高優(yōu)先流量[4],但是基于IEEE 802.15.4標準的WSNs并不支持異構流量業(yè)務。許多研究人員試圖通過單播業(yè)務滿足WSNs 的QoS。文獻[5]提出基于動態(tài)多級優(yōu)先DMP(Dynamic Multi-Level Priority)數(shù)據(jù)包調(diào)度算法。通過DMP算法減少端到端傳輸時延,進而滿足WSNs內(nèi)時延敏感性流量業(yè)務。DMP算法引用了時分多址接入TDMA(Time Division Multiple Access)技術和多隊列系統(tǒng)。

然而,基于TDMA的調(diào)度算法需要有一個中心節(jié)點分配時隙,這在隨機分布式傳感網(wǎng)絡中難以實現(xiàn)。而優(yōu)化后的無碰撞的多載波監(jiān)聽CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)給時延敏感業(yè)務提供優(yōu)先信道接入。文獻[6]提出引用了CSMA/CA策略,并通過多級退避算法支持QoS服務。然而,這種信道優(yōu)先接入策略并沒有考慮到信道接入時延,這直接影響到網(wǎng)絡內(nèi)的端到端傳輸時延。

實際上,端到端傳輸時延和可靠傳輸是影響QoS的兩個重要因素。而端到端傳輸時延又取決于隊列、媒體接入控制MAC(Medium Access Control)和傳輸時延。

因此,本文試圖通過減少隊列、MAC和傳輸時延,進而減少端到端時延和保證優(yōu)先數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃浴榇?本文提出了基于數(shù)據(jù)包優(yōu)先權的組播算法POMT(Priority-Oriented Multicast Transmission Algorithm for Heterogeneous traffic)?？紤]了業(yè)務的異構性,POMT算法將業(yè)務劃分優(yōu)先和非優(yōu)先兩類,并對隊列進行管理。然后依據(jù)業(yè)務流量類型設置信道接入窗口尺寸,進而保證優(yōu)先業(yè)務提前接入信道。此外,為了實現(xiàn)可靠傳輸,引用確認重傳機制,提高了數(shù)據(jù)包傳輸成功率。實驗數(shù)據(jù)表明,提出的POMT算法能夠有效地降低端到端傳輸時延,并提高了數(shù)據(jù)包傳輸成功率。

1 網(wǎng)絡模型

考慮分布式的基于簇拓撲的WSNs網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)流量從信宿節(jié)點流向多播簇群。此外,網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點可以產(chǎn)生不同類型的數(shù)據(jù)流量。簇內(nèi)節(jié)點可通過一跳或多跳建立通信連接。

負責簇間通信的節(jié)點稱為主節(jié)點LNs(Leaf Nodes),而在源節(jié)點與LNs間的節(jié)點稱為轉發(fā)節(jié)點RNs(Relay Nodes)。在同一個簇內(nèi)的所有節(jié)點屬于同一個多播群。此外,假定隊列尺寸足夠大,鄰居節(jié)點間通信信道是無差錯的信道。

考慮的網(wǎng)絡模型,如圖1所示。一個信宿節(jié)點S、6個傳感節(jié)點(A、B、C、D、E、F)。這6個傳感節(jié)點形成了一個簇群,并且節(jié)點A為數(shù)據(jù)包源節(jié)點、而節(jié)點E、F為LNs。而其他的節(jié)點(B、C、D)稱為RNs。

此外,依據(jù)節(jié)點到信宿跳數(shù),將簇內(nèi)節(jié)點劃分不同層。源節(jié)點離信宿只有一跳,將其稱為Level 1,而節(jié)點B、C屬于Level 2、節(jié)點D屬于Level 3,而節(jié)點E、F屬于Level 4。

圖1 網(wǎng)絡模型

2 POMT算法

針對異構業(yè)務,POMT算法引用了數(shù)據(jù)包優(yōu)先權。不同的數(shù)據(jù)包具有不同的轉發(fā)權。首先,引用兩級優(yōu)先權:優(yōu)先和非優(yōu)先。整個POMT算法由數(shù)據(jù)包分類、隊列管理和信道優(yōu)先接入和可靠傳輸策略四部分組成。POMT算法框架如圖2所示。

圖2 POMT算法框架

數(shù)據(jù)包分類階段負責設置數(shù)據(jù)包優(yōu)先權;而隊列管理階段是指如何依據(jù)數(shù)據(jù)包優(yōu)先權將數(shù)據(jù)包載入堆棧。在信道優(yōu)先接入階段,引用退避算法,給節(jié)點分配接入窗口。最后,通過重傳確認機制確保可靠傳輸。

2.1 數(shù)據(jù)包分類

為了給數(shù)據(jù)包分類,引用802.15.4的幀結構[7],并利用物理層首部預留的比特位表征數(shù)據(jù)包類型。首先將數(shù)據(jù)包分為優(yōu)先數(shù)據(jù)包和非優(yōu)先數(shù)據(jù)包。整個幀控制部分由兩個字節(jié)構成,如圖3所示。將處于預留字段Reserved的第7 bit～9 bit表示數(shù)據(jù)包類型。若數(shù)據(jù)包是優(yōu)先的,則Reserved=111;否則Reserved=100。

圖3 數(shù)據(jù)包分類標志位

一旦接收了數(shù)據(jù)包,節(jié)點就檢測該數(shù)據(jù)包的預留字段Reserved值。如果是111,則為優(yōu)先數(shù)據(jù)包;否則就是非優(yōu)先數(shù)據(jù)包。

2.2 隊列管理

POMT算法在同一個隊列內(nèi)考慮兩個堆棧,分別存放優(yōu)先數(shù)據(jù)包和非優(yōu)先數(shù)據(jù)包,如圖4所示。

圖4 堆棧管理

一旦接收到數(shù)據(jù)包,首先確認該數(shù)據(jù)包的源地址和數(shù)據(jù)包的序列號,進而決定是否將數(shù)據(jù)包插入隊列中。如果是第1次接收該數(shù)據(jù)包,并且該數(shù)據(jù)包是來自層級更低的節(jié)點,則將數(shù)據(jù)包插入堆棧。然后,再確認數(shù)據(jù)包的類型(優(yōu)先或非優(yōu)先),再對應插入堆棧中。數(shù)據(jù)包出棧的策略:先進先出FIFO(First-In-First-Out)[8]。當接收到來自同一層級或更高層級的數(shù)據(jù)包時,就不轉發(fā)數(shù)據(jù)包。隊列管理算法的偽代碼如下所示。

Algorithm 1 2-Class Queue Management

1: While a packet arrives in the queue do

2: If the packet is a fresh packet then

3: if the packet is an external packet from a lower-level node or it is and internally generated packet then

4: if Type(packet)=priority packet then

5: insert the packet into pri stack of the queue

6: else

7: insert the packet into npri stack of the queue

8: end if

9: else

10: discard the packet

11: end if

12: else

13: discard the packet

14: end if

15: end while

隊列管理的目的在于通過時延敏感業(yè)務的隊列時延,進而減少傳輸時延。端到端的傳輸時延取決于將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點傳輸至目的節(jié)點所需要的傳輸次數(shù)。傳輸次數(shù)越多,時延越大,反之亦然。為此,POMT算法只轉發(fā)來自低層級的數(shù)據(jù)包,這減少了數(shù)據(jù)包被轉發(fā)的次數(shù)。

2.3 信道優(yōu)先接入

POMT算法引用基于優(yōu)先權的CSMA/CA機制接入信道。所有節(jié)點從同一個競爭窗口CW隨機選擇退避時間[9]。退避時間bt取決于窗口CW尺寸、退避指數(shù)α以及單位的退避時隙ST,其定義如式(1)所示:

bt=Random(·)×ST

(1)

式中:Random(·)表示隨機取值函數(shù)。即從窗口CW隨機取整數(shù)。整數(shù)范圍為[0,CW-1],而CW=2α。

為了使得優(yōu)先數(shù)據(jù)包能夠優(yōu)先接入信道,POMT算法將優(yōu)先數(shù)據(jù)包的窗口CW設置更窄。因為窗口CW越窄,數(shù)據(jù)包越能優(yōu)先接入信道。

信道接入流程如圖5所示。首先確認隊列流量類型,然后依據(jù)流量類型設置窗口CW,再隨機設置退避時間。隨后,檢測信道是否為空閑。如果,空閑,就傳輸數(shù)據(jù)包。否則,就是再隨機選擇退避時間,并記錄退避次數(shù)Count。為了防止過多退避,設置退避次數(shù)上限MaxCount。如果Count小于MaxCount,就重新設置窗口CW,否則就接入信道失敗。

圖5 信道接入流程

2.4 可靠傳輸

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?引用確認重傳機制。POMT算法引用iACK和eACK兩類確認包。其中,iACK包屬于隱晦的確認包[10]。將發(fā)送節(jié)點監(jiān)聽到鄰居節(jié)點轉發(fā)它傳輸?shù)陌?稱為iACK。而eACK包屬于明確的確認包。當接收節(jié)點接收了數(shù)據(jù)包,就向發(fā)送節(jié)點回復eACK。

以圖1為例,節(jié)點A向鄰居節(jié)點組播一個數(shù)據(jù)包,且節(jié)點B、C接收了數(shù)據(jù)包。一旦節(jié)點B、C接收了該數(shù)據(jù)包,就重播該數(shù)據(jù)包。當節(jié)點A收到監(jiān)聽到節(jié)點B、C重播了自己轉發(fā)的數(shù)據(jù)包,就說明節(jié)點B、C已正確接收了自己轉發(fā)的數(shù)據(jù)包。這就隱晦的確認包iACK。

如果在規(guī)定時間內(nèi),節(jié)點A未能收到此iACK包,則節(jié)點A就重傳數(shù)據(jù)包。簇內(nèi)的葉節(jié)點(E、F)收到數(shù)據(jù)包,它們就向查詢數(shù)據(jù)包的源節(jié)點,并向它們回復eACK包。

3 實驗仿真及性能分析

3.1 仿真環(huán)境及性能指標

為了更好地分析POMT協(xié)議性能,利用MATLAB建立平臺。以圖1為仿真網(wǎng)絡模型。在每輪仿真中,每個節(jié)點產(chǎn)生10 000個數(shù)據(jù)包。節(jié)點A、B、C、D以隨機方式產(chǎn)生優(yōu)先數(shù)據(jù)包和非優(yōu)先數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)傳輸率為250 kbit/s。依據(jù)文獻[11],節(jié)點在接收模式時電流消耗為19.7 mA,而傳輸模式時電流消耗為17.4 mA。

此外,選擇傳統(tǒng)的CSMA/CA作為參照。同時,為了比較BO1和BO2兩個退避算法對性能影響,將引用BO1的POMT算法和引用BO2的POMT算法進行同步仿真,且分別記為POMT+BO1、POMT+BO2。

實驗仿真中考查了端到端傳輸時延、平均能量消耗、碰撞概率和數(shù)據(jù)包丟失率。各自定義如下:

①端到端傳輸時延

端到端傳輸時延指將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點傳輸至最后一個葉節(jié)點所經(jīng)歷的時間,其主要包括隊列等待時間、傳輸時間和MAC協(xié)議退避時間。因此,每一跳時延可定義為:

Dt=Tt+Qt+bt

(2)

式中:Tt、Qt和bt分別表示傳輸時間、隊列時間和每一跳的退避時間。

②平均能耗

一個節(jié)點所消耗的總能量Etot可表示為:

Etot=NtPtTt+NrPrTr

(3)

③碰撞概率

當兩個或多個節(jié)點選擇了同一個窄的退避時間去接入信道時,它們就會出現(xiàn)碰撞。這個碰撞概率取決于競爭節(jié)點數(shù)、CW尺寸和退避算法。碰撞概率等于兩個或多個節(jié)點同時接入信道的次數(shù)與接入信道總次數(shù)的比值。兩個或多個節(jié)點同時接入信道就會發(fā)生碰撞。

④數(shù)據(jù)包傳遞率

傳輸碰撞或信道干擾等原因均會導致數(shù)據(jù)包丟失,使得數(shù)據(jù)包傳輸失敗。數(shù)據(jù)包傳遞率等于網(wǎng)絡內(nèi)成功接收了數(shù)據(jù)包數(shù)與總的所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)之比。

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

首先從總體方案上比較了CSMA/CA和POMT算法的整體性能。CSMA/CA并不支持分類服務和組播的重傳。而提出的POMT協(xié)議支持數(shù)據(jù)包分類以及重傳。表1對比了POMT和CSMA/CA協(xié)議特性。從表1可知,POMT協(xié)議支持組播的QoS服務,這要歸功于業(yè)務差異、退避算法和重傳機制。

表1 POMT和CSMA/CA

3.2.1 端到端傳輸時延

接下來分析POMT+BO1、POMT+BO2和CSMA/CA的端到端傳輸時延隨數(shù)據(jù)包尺寸變化情況,實驗數(shù)據(jù)如圖6所示,其中Non-POMT代表非優(yōu)先數(shù)據(jù)包情況,而Pri-POMT代表優(yōu)先數(shù)據(jù)包情況

圖6 端到端傳輸時延

從圖6可知,提出的POMT協(xié)議的端到端傳輸時延低于CSMA/CA。由式(2)可知,端到端傳輸時延包含了隊列時間和每一跳的退避時間。由于CSMA/CA沒有QoS保證,一旦發(fā)生碰撞,數(shù)據(jù)包繼續(xù)停留在隊列,等信道空閑時,再擇機傳輸。由于CSMA/CA并沒有對隊列有效管理,碰撞概率較大,從而導致較大的端到端傳輸時延。而POMT協(xié)議采取了重傳機制,盡管重傳增加了一定時延,但是有序重傳遠比靠隨機接入信道重傳,更有利于控制時延。值得說明的是:POMT通過業(yè)務類型的不同,設置不同的競爭窗口,降低了碰撞概率,減少了重傳次數(shù),這有利于縮短時延。

此外,從圖6可知,對于優(yōu)先數(shù)據(jù)包而方言,POMT+BO2的端到端傳輸時延低于POMT+BO1,原因在于:在相比于BO1策略,BO2策略中優(yōu)先數(shù)據(jù)包接入信道幾率更高。它們的窗口CW寬度不同。而對于非優(yōu)先數(shù)據(jù)包,POMT+BO2的端到端傳輸時延高于POMT+BO1。

3.2.2 平均能量消耗

圖7顯示了POMT和CSMA協(xié)議的平均能量消耗情況,其中數(shù)據(jù)包尺寸為120 byte。從圖7可知,CSMA/CA消耗的能量最高。原因在于:盡管CSMA/CA沒有采取重傳策略,但是它對于一個數(shù)據(jù)包,它都進行組播,這極大了增加了能耗。而POMT算法對于來自高層級節(jié)點的數(shù)據(jù)包是不進行組播。此外,從圖7可知,POMT+BO2協(xié)議與POMT+BO1協(xié)議的平均能耗相近。

圖7 能量消耗

3.2.3 數(shù)據(jù)包傳遞率

在仿真中,統(tǒng)計成功傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)和總的數(shù)據(jù)包數(shù),便可得到兩個協(xié)議的數(shù)據(jù)包傳遞率如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)包傳遞率

從表2可知,CSMA/CA的數(shù)據(jù)包傳遞率為96.45%,而POMT算法通過重傳機制可實現(xiàn)100%的傳遞率。對比表2數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn),兩個協(xié)議的初始傳輸數(shù)據(jù)包的成功率相近。而POMT算法通過一次重傳,數(shù)據(jù)包傳遞成功率接近99%,三次重傳就實現(xiàn)了100%。

3.2.4 碰撞概率

CSMA/CA和POMT協(xié)議的碰撞概率如表3所示。從表3可知,CSMA/CA的碰撞概率低于POMT協(xié)議。原因在于:相比于POMT協(xié)議,CSMA/CA協(xié)議從更寬的CW尺寸。相比于POMT+BO2,POMT+BO1協(xié)議的非優(yōu)先業(yè)務的碰撞概率更低,但優(yōu)先業(yè)務的碰撞概率增加了。原因在于它們的CW尺寸的不同。

表3 碰撞概率

4 結束語

本文針對無線傳感網(wǎng)絡的異構業(yè)務,提出面向異構業(yè)務的基于數(shù)據(jù)包優(yōu)先權的組播算法POMT。POMT算法引用數(shù)據(jù)包優(yōu)先權,再依據(jù)這個優(yōu)先權接入信道,并利用退避算法接入信道。同時,引用重傳機制和兩類ACK包確?？煽總鬏?。實驗數(shù)據(jù)表明,相比CSMA/CA算法,POMT算法的端到端傳輸時延和數(shù)據(jù)包傳遞率得到有效提高。但POMT算法的數(shù)據(jù)包碰撞率較高,這也是后期研究工作的重點。

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